以GIS系统为基础的交通模型路网构建技术

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摘要：为提高交通模型基础路网的高效性、便捷性、精确性和客观性，弥补EMME/3软件路网编辑操作的缺点。本文充分研究gis系统和EMME/3软件路网构建特征，突破性地以Trans CAD系统平台为基础，通过基础路网导入、基础路网调整、小区型心点和型心连杆的添加、公交线路和站点的添加、路网检查以及GIS路网导入EMME/3软件六个阶段，成功实现EMME平台在3.3版本中和ARCGIS引擎的对接，将Trans CAD系统路网完整导入EMME/3，为交通规划预测的精确性和客观性提供扎实的网络结构，是交通模型路网构建技术质的飞跃。

关键词：GIS系统、Trans CAD、EMME/3、交通模型、路网构建

中图分类号：U491文献标识码：A 文章编号：

Abstract：In order to improve the efficiency, convenience, accuracy and objectivity of road network in traffic model and make up the drawback of EMME/3 about edit and operation network. This paper study the characteristics of GIS system and EMME/3 software network construction, take Trans CAD system platform as the foundation, through six stages of base network import, base network adjustment, add parcel centroid point and centroid connecting rod, add bus lines and bus station, network examination and GIS network import to EMME/3 software, successfully completed the engine docking between EMME platform in version 3.3 and ARCGIS, imported Trans CAD system into EMME/3 network completely. It is a great leap in traffic model construction because of accurate traffic prediction and objectivity in transport planning.

Keywords：GIS system; Trans CAD; EMME/3; traffic model; network construction

1 引言

交通模型路网，这里指集合道路网、公交网的现实交通网络，是交通规划软件的抽象路网，是交通模型预测的基础。GIS系统和交通模型软件的路网构建技术各有不同，为进一步高效、便捷的开展交通模型基础网络构建和维护工作，近年来国内部分大城市开始以地理信息系统（GIS）平台为载体，对构建基础网络方法的进行探究和尝试。

Trans CAD、EMME/3是国内常用的交通规划分析软件，这 2个软件都是在创建道路网络和公交网络的基础上，通过建立四阶段交通需求分析模型，借助软件的模型算法，实现城市客流预测。Trans CAD软件采用地理信息系统（GIS）表现地理现象，路网表现能力强，操作界面较为友好，图形分析功能出色，但建模的系统性不强，函数的灵活性差；EMME/3软件作为最早引进中国的交通规划软件之一，应用较为广泛，其函数编辑能力非常强，还可以在运算中应用各种自定义的函数形式，但EMME/3本身对于路网基础数据的输入有很多不便之处，从而限制软件使用者的工作效率[1]。

为提高交通模型基础路网的构建工作的高效性和便捷性，弥补EMME/3软件路网构建的缺失，本文结合GIS系统特点和EMME/3交通模型构建对路网的要求，以Trans CAD为基础构建与EMME/3匹配的路网格式，实现EMME平台在3.3版本中和ARCGIS引擎的对接，从而为城市交通规划方便地应用EMME/3软件进行网络构建，以及科学决策城市基础设施建设提供可能的技术支持。

2 GIS路网表现特征

Trans CAD软件采用全功能地理信息系统（GIS），可创建和编辑数字地图和地理信息数据、制作专题地图和其它图表输出、及进行各种空间和地理信息分析；能以任何空间比例尺处理地理信息数据，集成有效的数据整合，使来自不同（空间）比例的数据更容易结合。Trans CAD 软件还使用拓扑格式存储（空间信息）数据，可以减少数据的存储空间，增强数据的完整性。

Trans CAD使用地图文件储存地理信息数据。地理文件根据其表现的地理现象的不同分为三类：表现点状分布的地理现象（如交通枢纽、车站、交叉口等）点地理文件、表现现状分布地理现象（如道路、公交线路等）的线地理文件、表现面状分布的地理现象（如分区、影响范围等）的面地理文件[2]。基础路网网络在Trans CAD中具体应用是通过地理文件中的线层和点层来表达的，点层表达交叉口信息，线层表达路段信息。在表达时Trans CAD可对道路网的属性结合自身要求进行添加或删除属性字段。

图1 Trans CAD系统路网示意图和属性表

Trans CAD可与其它数据库、GIS和CAD系统相容的特征，大大方便用户采用自己的数据制作地图。利用Trans CAD制作地图的方法较多：1、从dBase文件和文本文件中制图；2、从任何服从ODBC（开放数据库互连）的数据源取得数据，包括Access，Oracle，SQL和其它数据源；3、在地图中直接使用栅格图像（譬如卫星或航空照片），将图像用做参考系或与地图编辑工具一起使用，以创建和编辑地理文件；4、用ESRI Shape文件、MapInfo TAB文件和Oracle空间表直接制图；5、使用内装的编译器，从其它桌面制图、GIS和CAD软件中导入地理数据。与Trans CAD兼容的数据格式如表1所示：

表1 Trans CAD数据格式详表

Trans CAD可直接使用的数据

ESRI Shape 格式 文本和二进制数据表

MapInfo TAB 文件 栅格文件，包括SPOTView，TIFF，GeoTIFF，Orthophoto，ECW，MrSID

空间数据库 所有开放数据库互连的来源数据（包括Access, Btrieve, DB2, INFORMIX, INGRES, Interbase, NetWare, SQLBase, SQL服务器, Sybase）

其他文件 dBASE/FoxPro/X-base

Trans CAD导入/导出支持的格式

ARC/INFO Excel

ArcView Intergraph DGN

地图集地理信息系统(GIS) MapInfo MIF/MID

AutoCAD DXF，DWG

数字线划图 ETAK MapBase

增强型元文件 Windows 位图

其他文件 JPEG，PNG

3 EMME/3路网表现特征

EMME/3路网由基础路网和公交路网组成。基础路网由节点、路段和转弯组成，节点分为常规节点和小区形心点，节点属性包括节点编号、坐标以及自定义属性；路段由起点和终点指定，属性包括起点编号i、重点编号j、路段长度、允许的模式、路段类型、车道数、流量延误函数、用户自定义属性；转弯代表交叉口处的转向，由转弯的起点、终点和中间节点指定，属性包括转弯延误函数和自定义属性。公交路网是建立在基础路网之上，由公交车辆和公交线路组成，公交车辆是指可供公交线路使用的车辆，属性包括车辆数、模式、容量、能耗等数据；公交线路由一系列的公交路段组成，代表了公交车辆的运行线路，属性包括线路名称、描述、模式、使用的车辆类型、车头时距、速度等属性[3]。

EMME/3中基础路网数据输入方式有三种，一种是交互式输入方式，第二种是文件数据联接导入方式，第三种是构建shape格式路网文件导入方式。

交互式输入方式在EMME/3的路网编辑界面上采用工具栏上的型心点按纽、节点按纽、路段编辑按纽等工具进行交互式输入基础路网数据，包括型心点、交叉口、路段、路段长度车种类型、车道数等数据元素。该种输入方式比较直观，但输入点数据时需要对点对象的属性进行编辑和输入，如坐标、点号等；输入线数据时必须对每个线对象的属性如起终点交叉口号、线路长度、模式、车道类型等进行编辑和输入，而这些数据通常先在CAD 中进行定位和测量得到。由于EMME/3的操作界面是老式的，操作速度慢。用该种方式输入数据时操作EMME/3的命令烦琐，数据录入的周期长。根据实际经验，该种方式仅限于对已有的EMME/3路网进行编辑和修改，对于初始路网数据的输入不合适宜[4]。

EMME/3本身支持数据库，它可以将数据的内容转化为可视的图形元素。文件数据联接方式和shape格式路网导入方式同属于外部文件导入方法。文件数据联接导入方式的步骤为先建立***.in 的数据表，该表包括交叉口号、坐标、路段起终点号、路段长度、车种类型、车道数等数据元素，EMME/3可以直接将该数据表以批输入方式读入自身的数据库，形成可视化的图形。因此该种输入方式只需要将节点、路网以EMME/3可以接受的数据库格式给出，调用EMME3自身的命令就能将基础路网数据输入EMME/3 中。该种输入方式的优点为如果***.in的数据表已经给出，那么利用EMME3 中的2.11 模块可以方便、迅速、准确地将路网数据库输入EMME/3 中，能够精确定位路网节点和路段，图形数据与表数据一一对应。但是如果没有***.in数据表就将非常麻烦。传统做法是首先要先制定一个空的***.in 数据表，然后用CAD 或其他应用软件人工统计节点坐标、节点号、路段的起终点号、路段长度、车道数、路段类型等，将这些统计的数据逐项填入***.in 数据表，直到所有的道路数据全部写入[4]。shape格式路网文件导入方式，对节点和路段的具体形式和属性预先设置好，再直接导入EMME/3软件中，该种方式构建的路网线性较好，弥补EMME/3无法表现曲线路段的缺点，该种方法具体构建内容和形式在交通模型路网构建方法中详细描述[4]。

4 交通模型路网构建方法

交通模型路网构建主要采用GIS平台为载体，鉴于GIS系统对路网构建和调整的可操控性较强、操作较为便捷，因此基础路网的构建和节点、路段等相关属性的设置在GIS系统中完成。在模型外部软件中构建路网，并仔细校核路段及交叉口的准确性后，按照EMME/3软件要求的格式和内容进行对接。

路网构建分为两大部分内容，一是基础路网构建，二是公交线网构建。二者不可同时进行，公交线网的构建以基础路网为基础，站点和线路与基础路网共享节点和路段。由于交通规划过程中，大量规划方案路网数据以CAD为载体进行构建按和存储，本次研究侧重在CAD路网导入的研究上。交通模型路网构建具体方法为：首先将已有CAD路网转换为Trans CAD可识别的shape格式文件，将文件在Trans CAD中创建为GIS系统可接受的地理文件（dbd文件），以dbd文件为蓝本对路网进行调整，包括对节点和路段的修正和相关属性的设置，而后创建公交系统，建立有具体站点和线路的公交线网，最后将路网系统和公交系统分别导为EMME/3可识别的shape格式，从而建立交通模型路网。

图2 交通模型路网构建流程图

（1）已有基础路网导入

以dwg/dxf格式数字地图为基础建立基于GIS的应用系统，需要对dwg/dxf格式图形中的矢量元素进行提取、转换，并添加属性信息，使之成为GIS地理实体。与通常的图形数据不同，GIS地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征和非空间特征即属性信息。要将CAD文件转换为地理实体文件要经历两次数据格式的转换。

由于Mapinfo地理信息系统软件支持多种文件格式，如：*.mif、*.mbi、*.dxf、*.mmi、*.img 等，CAD也支持*.dxf/*.dwg文件格式，因此先利用Mapinfo软件将CAD 数据转换为GIS系统可识别的shape格式软件。然后将shape格式文件导入Trans CAD，导入时需要确定该路网采用的Coordinates System，建立Standard Geographic File文件，从而形成GIS地理实体，建立GIS地理实体的拓扑关系。

（2）基础路网修正

在获得具有实体拓扑关系的道路网的基础上，结合EMME/3中对路段的辨识要求进行重新整合，以Trans CAD为操作平台进行道路判读、道路修剪、道路连接，最终形成道路网。路网修正内容包括以下几个方面：1、路段核实，结合相关辅助手段对路网是否缺失和形变进行核实，避免重复和部分叠加线路；2、路段和立交匝道方向的定义；3、路段和节点的清理，由于路网最终导入EMME/3中进行后台测试运行，为节省EMME/3存储空间和提高运行效率，在关键处应该对路段节点进行梳理，例如：十字交叉处应将节点断于两线相交处、用连续的路段表达上跨下穿道路关系、取消与无关的中间节点；4、对每条路段赋予相关属性，路段基本属性（ID和length）是创建地理文件时自动生成，其余属性包括道路等级type、道路类型modes、道路方向direction、路段阻抗VDF、路段车速speed、以及道路通行能力等需重新进行设置和调整。整合后路网表达形式如图3所示。

图3 Trans CAD路网立交线性示意图

（3）添加小区型心点和型心连杆

根据EMME/3软件的特征，需要设置型心点和型心连杆表征该小区交通量和交通出行特征，型心点是交通小区内的活动中心，是所有出行的起点和终点，型心点的设置是模型表征实际交通特征的关键；型心连杆是流量分配到道路路网和公交路网的通道，直接影响交通小区周边道路流量的根本因素。按照基础路网导入方法，将dwg/dxf格式的交通小区文件转换为GIS系统文件，以Trans CAD为操作平台，通过闭合的小区边界自动生成图形型心点，但型心点仅为小区便捷的形心而非该小区人口集聚重心，因此必须结合城市土地利用规划调整型心点位置，务必使其设置代表该交通小区人口集聚特征。小区型心连杆的设置坚持以下原则：连线不直接与主干道相连，尤其是主干道的交叉口；为使从型心出来的公交流量到达公交站点，可在路段上添加步行方式；型心连杆上的出行时间一般为固定的 (比如小区出来的平均出行时间)，因此连杆车道数和容量一般设的很大；若型心连杆上同时有小汽车方式和步行方式时，其出行时间是不同的，小汽车方式出行时间由VDF定义，可以用length*60/ul1 (ul1=speed in km/hour)，而步行方式是由步行方式表中定义的。

（4）公交线路和站点的添加

以Trans CAD为操作平台，构建完成的道路网为基础，创建公交线路系统以及公交线路的虚拟路网，以此为基础添加公交线路。设置公交线路的方法有两种，一种是最短路径法，另一种是分段设置法。设置完成公交线路的基础上添加公交站点，站点包括物理站点和线路站点，物理站点可设置多条线路的站点，线路站点仅代表某条线路的站点。设置公交线路时需添加线路名称、车辆类型vehicle、线路方向direction、路段车速speed等属性。

（5）路网检查

路网检查仍旧以Trans CAD平台为依托，坚持“先拓扑后属性，先总体后局部”的原则。先检查路网拓扑是否合理，然后检查路网属性是否正确；先对整个路网进行检查，然后对局部进行详细检查[3]。

对于路段和节点的检查，首先加载外部图片，将地图调整为合适的比例尺并置于抽象路网下进行对比，并按照道路等级或车道数属性为筛选标准，对不同属性道路以不同颜色显示，便于整体观察拓扑合理性，检查路网拓扑结构是否与地图吻合、检查单向路段是否正确、是否遗漏某些路段、交叉口形状是否与实际相符；从局部出发，检查小区连杆的位置和数量是否正确、连杆是否与小区内部街道大致符合、检查小区型心点是否与路段相连等。对于公交线路，校核线路走向是否与实际一致，上下客线路和过站不停线路是否区别开，站点是否设置为物理站点或线路站点。对于路段属性、节点属性、公交线路属性分别进行检查，避免输入误差和数据来源误差导致的错误。

（6）将GIS路网导入EMME/3

EMME/3虽已开放与GIS引擎的接口，但导入数据格式有严格要求，因此由Trans CAD（*.dbd）转换为(*.shp)的过程不是随意的，对基础路网和节点、公交线网和站点要分别进行数据格式转换。

基础路网导入过程较为简单，只需将Trans CAD（*.dbd）文件直接导出为shp格式即可，导入方法有两种，一种是将路段和节点同时导入，另一种是将二者单独导入。导入EMME/3时务必创建对应的*.db文件用以储存路段shape信息，否则导入路网中的曲线会发生变形。公交网络导入较为复杂，需先将Trans CAD导出的公交线网（*.in）文件导入EMME/3，再将其从EMME/3中导出来，这两步主要为了下一步的公交站点匹配。由于公交站点与路段节点使用同一节点，因此需要将路网节点中具有站点功能的节点筛选出来，并赋予相应属性，再将匹配完成的公交线网和站点重新导回EMME/3中。导入EMME/3软件后路网如图4所示。

图4 EMME/3路网结构示意图

5 结论

GIS系统路网不可否认的成为现今模型路网构建技术发展的主流方向，GIS 路网背后强大的GIS平台可以有效的储存数据，不仅供交通模型计算使用，亦可以作为数据时间空间的储存器，便于数据的持续更新和维护，同时可以与GPS 数据、IC卡信息对接，而且其丰富的图形表现形式对数据表达较为直观。以GIS系统为基础的交通模型路网构建技术弥补了EMME/3原有的路网构建，使其无法全面且准确的表现道路长度、立交节点形式、道路线性等物理属性的劣势得到技术突破，为便捷、高校的构建与实际道路线性符合的路网结构寻觅捷径，为交通规划预测的精确性和客观性提供扎实的网络结构，是交通模型路网构建技术质的飞跃。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。