王崇倡，徐曉昶，王曉婉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000）

傳統(tǒng)高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)采用“節(jié)點(diǎn)－弧段”幾何模型，它是采用二維有序坐標(biāo)對(duì)來(lái)描述位置信息，空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是將地理要素分層管理，并建立要素間的拓?fù)潢P(guān)系。如此，弧段僅能與屬性表中一條記錄相對(duì)應(yīng)，不能表達(dá)要素與屬性的一對(duì)多關(guān)系，如不同路段的狀況、使用性能、材料均不同，屬性變化處須打斷弧段，記錄便存在大量空值，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余、更新困難。要素?cái)?shù)字化時(shí)，指示牌等沿線設(shè)施不是精準(zhǔn)地落在中心線上，需要通過(guò)引入“偽節(jié)點(diǎn)”的方式打斷弧段，造成沿線設(shè)施的位置精度下降。由此戴維·弗萊特率先提出動(dòng)態(tài)分段思想［1］改變這一問(wèn)題，后在各線性領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)分段方法是“節(jié)點(diǎn)－弧段”幾何模型的改進(jìn)，將基于二維的中心線模型采用“樁號(hào)＋里程值”的線性參考方法表達(dá)，可以有效地將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一維相對(duì)坐標(biāo)，各種養(yǎng)護(hù)信息屬性表動(dòng)態(tài)顯示，滿足高速公路宏觀尺度的養(yǎng)護(hù)管理。高速公路上下行車道和中心綠化帶卻無(wú)法分別表達(dá)，不利于上下行養(yǎng)護(hù)信息的存儲(chǔ)、檢索與上下行的病害定位。設(shè)計(jì)利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)基于綜合車道的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)，將高速公路同向行駛車道集成為一個(gè)綜合車道并作為基本建模單位［2］。這樣既可以保留宏觀交通差異、高效細(xì)致定位病害位置，又可以充分利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)動(dòng)態(tài)顯示屬性信息的管理養(yǎng)護(hù)信息手段。

1 線性參考與動(dòng)態(tài)分段

1．1 線性參考

線性參考系統(tǒng)是統(tǒng)一的一維度量系統(tǒng)，它提供了利用線性要素的一維相對(duì)坐標(biāo)動(dòng)態(tài)描述其上每一點(diǎn)相對(duì)位置的方法。其本質(zhì)是在離散的“節(jié)點(diǎn)－弧段”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上建立的一個(gè)連續(xù)的一維場(chǎng)結(jié)構(gòu)，是動(dòng)態(tài)分段實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)［3－4］。當(dāng)線性要素給予線性參考時(shí)，可以將多組屬性與此線性要素的某一部分相關(guān)聯(lián)，而與“節(jié)點(diǎn)”無(wú)關(guān)，使得存儲(chǔ)一個(gè)線性要素的多重屬性變?yōu)榭赡?。線性參考系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)明顯。融合各類養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，提供屬性數(shù)據(jù)脫離高速公路網(wǎng)絡(luò)的前提基礎(chǔ)，將二維坐標(biāo)（x，y）轉(zhuǎn)化為一維相對(duì)坐標(biāo)（樁號(hào)＋里程值），實(shí)現(xiàn)相對(duì)坐標(biāo)區(qū)間表達(dá)多重屬性，便于養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)編輯、更新，屬性信息與病害快速定位，同時(shí)為動(dòng)態(tài)分段打下基礎(chǔ)。

在高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中包括高速公路網(wǎng)絡(luò)、線性參照模型、線性參考方法、養(yǎng)護(hù)事件［4］，如圖1所示。其中，高速公路網(wǎng)是利用“節(jié)點(diǎn)－弧段”模型對(duì)現(xiàn)實(shí)路的描述；線性參照模型是提供地理位置參照對(duì)象的控制點(diǎn)集合；線性參考方法是確定事件在線性網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的位置；養(yǎng)護(hù)事件則是系統(tǒng)中要表達(dá)的屬性位置和信息。

1．2 動(dòng)態(tài)分段

動(dòng)態(tài)分段是基于網(wǎng)絡(luò)重疊概念發(fā)展起來(lái)的一種新的線性特征的動(dòng)態(tài)分析、顯示和繪圖技術(shù)，通過(guò)一定的映射關(guān)系，將動(dòng)態(tài)段對(duì)應(yīng)到數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地增強(qiáng)線性特征的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理功能［5－6］。其表現(xiàn)為，在地圖上顯示線性參考要素與要素屬性的過(guò)程。動(dòng)態(tài)分段的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)線性參考系統(tǒng)，通過(guò)建立的養(yǎng)護(hù)屬性事件表與底層線性要素使用相同線性參考系統(tǒng)，用一維相對(duì)坐標(biāo)或相對(duì)坐標(biāo)區(qū)間來(lái)表示單點(diǎn)屬性或區(qū)間屬性。事件表必須包含兩個(gè)特殊字段，一個(gè)是路徑編碼，即綜合車道號(hào)或是綠化帶號(hào)；另一個(gè)是里程值，點(diǎn)事件用單點(diǎn)里程值，線事件用起止雙點(diǎn)里程值。如此，養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)獨(dú)立于底層數(shù)據(jù)，養(yǎng)護(hù)信息的可視化顯示、查詢、更新、編輯與分析便與底層數(shù)據(jù)脫離，無(wú)需重復(fù)數(shù)字化可以多個(gè)屬性集的動(dòng)態(tài)顯示、分析、查詢。點(diǎn)事件表和線事件表如圖2所示，動(dòng)態(tài)分段查詢圖如圖3所示。

圖2 點(diǎn)事件表和線事件表

在養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中，只有高速公路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型具有空間坐標(biāo)，養(yǎng)護(hù)事件表為某種屬性的表達(dá)，通過(guò)動(dòng)態(tài)分段技術(shù)可以利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射出屬性事件的空間位置?？梢?jiàn)，動(dòng)態(tài)分段提供了將一維線性屬性數(shù)據(jù)與二維空間位置數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，從而將養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的多種屬性數(shù)據(jù)集與一維路徑中任何部分相關(guān)聯(lián)，而不必隨各個(gè)屬性集的分段不同來(lái)修改對(duì)應(yīng)的二維空間中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的目的。

實(shí)現(xiàn)平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)與線性參照系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)事件與空間位置有關(guān)的信息查詢，即一維與二維坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。一種是單純的插值法，算法容易，精度不高；另一種是基于曲線要素的動(dòng)態(tài)分段算法，需要參數(shù)較多，但精度較高。鑒于高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)的性質(zhì)，基于綜合車道無(wú)需極高精度定位，選取基于相鄰參照點(diǎn)的插值分段模型，由Deuker與Vrana于1992年提出［7］。線性參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖3 動(dòng)態(tài)分段查詢圖

圖4 線性參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

其中：XA，XC，XE為已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)；XB，XD為待插值事件點(diǎn)的坐標(biāo)；r為B點(diǎn)在AC段的相對(duì)位置系數(shù)。當(dāng)兩個(gè)參照點(diǎn)的距離相對(duì)較小時(shí)，兩點(diǎn)之間的線段近似看作直線段，通過(guò)線性內(nèi)插得出事件點(diǎn)的坐標(biāo)，參照點(diǎn)間的距離越近，插值精度越高。當(dāng)求解點(diǎn)事件B，D或是線事件CD 時(shí)，其過(guò)程為：首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中由事件的里程值找到其所在的控制段AC與CE，后分別計(jì)算相對(duì)位置系數(shù)rB與rC。其次在AC，CE間訪問(wèn)參照點(diǎn)Pi，并計(jì)算相對(duì)位置系數(shù) Ni＝APi／AC，Mi＝CPi／CE。最后判定 Ni，Mi是否大于rB，rC，如果大于則記錄Pi與Pi＋1的坐標(biāo)，之后內(nèi)插B，D的坐標(biāo)，如果不大于則訪問(wèn)Pi＋1點(diǎn)在此進(jìn)行判定，直到滿足條件為止。

2 綜合車道模型

高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中關(guān)于車道模型有兩個(gè)重要的問(wèn)題需要結(jié)合考慮。一是數(shù)據(jù)量，一是特征描述的情況。傳統(tǒng)建立拓?fù)渚W(wǎng)，當(dāng)車道發(fā)生變化時(shí)，需添加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)并且重新建立拓?fù)?。同時(shí)，針對(duì)高速公路車道間的養(yǎng)護(hù)而言，同向車道之間的特征差異性并不大，如若使用還原現(xiàn)實(shí)中車道的建模方式，既顯得同向間車道拓?fù)涞亩嘤啵中枰惺芫蘖康臄?shù)據(jù)。如此，不但操作繁瑣，而又要承擔(dān)巨大的數(shù)據(jù)量，使得高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)操作困難。

Fohl ＆Curtin曾提出了最詳實(shí)的描述方式將現(xiàn)實(shí)中的車道作為建模的基本單元［8］，但是由于現(xiàn)實(shí)中各個(gè)車道的差異使得自動(dòng)化生成交通拓?fù)渚W(wǎng)十分困難。陸峰提出將同一高速公路上同向且可以隨時(shí)互相變道的車道進(jìn)行集成，簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合車道。綜合車道作為系統(tǒng)建模的基本單元，一方面降低數(shù)據(jù)量的同時(shí)還原不同方向車道的差異，另一方面更好地利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)保持幾何特征的完整性，使用有效統(tǒng)一的路徑編碼，綜合車道號(hào)＋里程值的一維定位方式代替二維定位方式，大大提高系統(tǒng)的使用性能。

3 系統(tǒng)需求與結(jié)構(gòu)功能分析

3．1 養(yǎng)護(hù)信息同總體需求分析

通過(guò)對(duì)用戶需求與養(yǎng)護(hù)建設(shè)需求的分析、養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)流程以及與省級(jí)交通廳系統(tǒng)數(shù)據(jù)良好接洽，提出系統(tǒng)總體需求如下；

1）高效的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)管理。通過(guò)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)信息化建設(shè)，建立詳實(shí)的養(yǎng)護(hù)設(shè)施地理空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)多源養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)及檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)高速公路及其設(shè)施使用統(tǒng)一編碼，利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)提供高效的數(shù)據(jù)更新維護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)對(duì)接、查詢檢索統(tǒng)計(jì)、輸出報(bào)表等。

2）圖文并茂的可視化展示。結(jié)合GIS強(qiáng)大的可視化與統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)以圖表的方式展示，進(jìn)行多維度的分析與統(tǒng)計(jì)，一目了然地了解高速公路資產(chǎn)分布情況，能夠上傳病害圖片，為養(yǎng)護(hù)決策與預(yù)算、養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)提供高效的數(shù)據(jù)支撐。

3高速公路質(zhì)量評(píng)價(jià)功能。根據(jù)采集到的PQI（路面使用性能指數(shù)）、RQI（路面行駛質(zhì)量指數(shù)）、RDI（路面車轍深度指數(shù)）、SRI（路面抗滑性能指數(shù)）、PSSI（路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)）、PCI（路面損壞狀況指數(shù)）等高速公路性能參數(shù)、年限、地區(qū)類型、高速公路等級(jí)、裂縫類、松散類、變形類指標(biāo)動(dòng)態(tài)設(shè)置決策樹(shù)后來(lái)確定養(yǎng)護(hù)性質(zhì)（日常養(yǎng)護(hù)、大修、中修、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)），為養(yǎng)護(hù)決策提供計(jì)算養(yǎng)護(hù)性質(zhì)依據(jù)。養(yǎng)護(hù)決策圖如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)決策圖

3．2 養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)以地理數(shù)據(jù)庫(kù)與養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，以養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)、預(yù)測(cè)樹(shù)設(shè)置為核心，為高速公路提供可視化的信息查詢顯示與病害的決策、預(yù)測(cè)服務(wù)［9］。高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)以綜合車道為基本建模單位，結(jié)合動(dòng)態(tài)分段將養(yǎng)護(hù)屬性以事件表的形式存儲(chǔ)于養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)由高速公路基本信息系統(tǒng)、高速公路設(shè)施信息系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、綜合輔助決策支持系統(tǒng)、日常應(yīng)用與管理系統(tǒng)6部分組成，如圖6所示。

高速公路基本信息系統(tǒng)由路徑基本信息、車道特征、平曲線、縱曲線、縱坡、橫斷面、路肩、定位控制點(diǎn)、養(yǎng)護(hù)范圍等組成。高速公路設(shè)施信息系統(tǒng)由路基、路面、主要構(gòu)造物、沿線設(shè)施組成。兩部分系統(tǒng)構(gòu)成高速公路信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)由養(yǎng)護(hù)路段、重點(diǎn)保潔路段、鏟除冰雪路段、易塌方路段、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、養(yǎng)護(hù)方案、養(yǎng)護(hù)預(yù)算、養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)組成，用來(lái)存儲(chǔ)養(yǎng)護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括各種設(shè)施的病害信息與質(zhì)量參數(shù)的采集與復(fù)查，及時(shí)提供準(zhǔn)確的路況信息。綜合輔助決策支持系統(tǒng)包括路面等質(zhì)量評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)模型以及在評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上建立的決策支持。日常應(yīng)用與管理系統(tǒng)為養(yǎng)護(hù)專業(yè)人士提供方便的專業(yè)操作，自動(dòng)化的辦公體系。各個(gè)部分之間相互聯(lián)系，構(gòu)成主體養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3．3 養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)模塊功能

根據(jù)系統(tǒng)總體需求分析，基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)分為以下功能模塊：

1）地圖管理模塊。地圖管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架和操作核心，主要包括：

地圖操作。包括地圖文檔管理、圖層操作、地圖縮放、地圖平移、全圖顯示、鷹眼功能等。

文件加載。包括GDB、Lyr、DEM、Shp、柵格圖等各種類型的文件。

制圖輸出。根據(jù)用戶查詢及養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)需求，將查詢統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果制成各種專題地圖、圖表、報(bào)表，并提供打印輸出功能。

2）養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)與分析模塊。系統(tǒng)實(shí)行多種查詢方式相結(jié)合，高速公路各設(shè)施圖形與屬性的雙向查詢、SQL條件查詢、養(yǎng)護(hù)事件表屬性查詢、地圖點(diǎn)與多邊形查詢。

3）日常應(yīng)用與管理模塊。為業(yè)內(nèi)人士的日常養(yǎng)護(hù)工作提供一個(gè)方便快捷的平臺(tái)，主要包括：

外業(yè)數(shù)據(jù)收集整理與入庫(kù)。將自動(dòng)檢測(cè)車數(shù)據(jù)、彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)、地面雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)、橋涵病害圖片等進(jìn)行收集整理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

入庫(kù)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與糾錯(cuò)。入庫(kù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)，直到每一份數(shù)據(jù)都符合規(guī)范。

評(píng)價(jià)分析。高中層管理人員獲取權(quán)限查看評(píng)價(jià)分析報(bào)告、趨勢(shì)分析、決策方案。

系統(tǒng)設(shè)置。由用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)字典管理部分組成，設(shè)置用戶權(quán)限，更好地為用戶使用。

4）動(dòng)態(tài)分段技術(shù)模塊。依據(jù)養(yǎng)護(hù)需求建立養(yǎng)護(hù)事件表，有效降低數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行速率，將屬性寫入事件表中，利用線性參照系統(tǒng)可以使屬性數(shù)據(jù)可視化地顯示在地圖上，是系統(tǒng)技術(shù)的精髓，舉例說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 高速公路養(yǎng)護(hù)事件

續(xù)表1

5）養(yǎng)護(hù)工程資料管理模塊。高速公路施工文檔、竣工文檔（每項(xiàng)工程的文檔）以及各種詳細(xì)的養(yǎng)護(hù)記錄，包括檢測(cè)工程細(xì)節(jié)、養(yǎng)護(hù)維修工程細(xì)節(jié)、施工單位、施工圖紙、負(fù)責(zé)人等，給后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作詳細(xì)的參考資料。

6）養(yǎng)護(hù)決策支持模塊。高速公路養(yǎng)護(hù)未來(lái)的發(fā)展方向就是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，就是根據(jù)評(píng)價(jià)模型與采集到的評(píng)價(jià)參數(shù)在系統(tǒng)中建立決策樹(shù)模型，提供有效的設(shè)施性能評(píng)價(jià)、養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)以及為已經(jīng)出現(xiàn)的病害提供養(yǎng)護(hù)決策，給予有效的養(yǎng)護(hù)措施［10］。主要評(píng)價(jià)參數(shù)包括：路面使用性能（PQI）、路基狀況（SCI）、橋涵建筑物技術(shù)狀況（BCI）、路面性能（PCI）、路面行駛質(zhì)量（RQI）、路面車轍深度（RDI）、路面抗滑性能（SRI）、國(guó)際平整度（IRI）、破損率（DR）、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（PSSI）。結(jié)合我國(guó)高速公路養(yǎng)護(hù)的實(shí)際情況與需求，系統(tǒng)中采用公路技術(shù)狀況評(píng)定指南（JTG H20－2007）中的評(píng)價(jià)方法體系，并支持模型的生成與修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)、功能模塊與關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)闡釋系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)高速公路的線性特征，基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)相比，在數(shù)據(jù)管理方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。將綜合車道作為建模的基本單元，在利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)降低數(shù)據(jù)量的同時(shí)，更好地描述高速公路形態(tài)。隨著ITS的發(fā)展，低數(shù)據(jù)量、高效檢索、預(yù)測(cè)功能的養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)是未來(lái)交通平臺(tái)的發(fā)展方向。

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