一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法，步驟包括：在SWMM中對城市管網(wǎng)和排水系統(tǒng)進(jìn)行建模；在Matlab中對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，完成Matlab系統(tǒng)和SWMM系統(tǒng)間的地理信息匹配；依據(jù)SWMM模擬結(jié)果分析內(nèi)澇對交通路徑的影響，在Matlab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中標(biāo)記被阻斷的道路編號；在Matlab中更新節(jié)點對象間的關(guān)系設(shè)定，調(diào)整交通網(wǎng)絡(luò)描述；依據(jù)Dijkstra法求解出交通路線最短路徑。本發(fā)明可更準(zhǔn)確地反映城市暴雨情境下的地表積水對最佳路徑的影響，查詢速度快且結(jié)果可視化，可用于內(nèi)澇災(zāi)害下的城市交通預(yù)警預(yù)報和應(yīng)急指揮系統(tǒng)，對城市內(nèi)澇交通路徑的規(guī)劃具有重要的科學(xué)意義。
【專利說明】
一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種城市內(nèi)澇時交通路線選擇的方法，尤其涉及一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的GIS地理信息系統(tǒng)平臺擁有一套完整的空間分析和網(wǎng)絡(luò)分析功能，常用于求解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最短路徑問題。該方法需在GIS中搭建交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渎窂较到y(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)分析工具，添加起始點和終點信息，通過‘網(wǎng)絡(luò)路徑分析，求解器查找最短路徑。
[0003]這種分析比較適用于靜態(tài)分析，即在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的情況下求解不同節(jié)點的最短路徑。而在城市降雨下的內(nèi)澇狀態(tài)時對交通線路最短路徑的選擇需要建立在動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)內(nèi)澇信息及時更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，求解新狀態(tài)下的路徑關(guān)系?；贕IS(Ge0graphiCInformat1n System，地理信息系統(tǒng))和SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)的內(nèi)澇交通路徑分析的難度較大，通常需要手動提取SffMM模擬生成的積水位置，對GIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時障礙的標(biāo)定并手動求解，這樣的做法顯得十分繁瑣、低效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為在城市應(yīng)急管理中，結(jié)合內(nèi)澇預(yù)報預(yù)警信息，借助地理信息分析，加強對內(nèi)澇交通路線的規(guī)劃和應(yīng)對能力，有效避開內(nèi)澇影響區(qū)域，對車輛進(jìn)行引導(dǎo)和疏散，本發(fā)明提出一種用于城市內(nèi)澇時交通路線最短路徑選擇的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的:
[0006]—種用于城市內(nèi)澇時交通路線最短路徑選擇的方法，步驟包括:
[0007]SI:在SffMM中對城市管網(wǎng)和排水系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬降雨情境下的內(nèi)澇狀態(tài);依據(jù)城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模;依據(jù)SWMM的排水系統(tǒng)的檢查井和管段編號，對地表交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的地理編號，完成Mat Iab系統(tǒng)和SWMM系統(tǒng)間的地理信息匹配；
[0008]S2:分析內(nèi)澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統(tǒng)的超載狀態(tài);通過查詢SWMM模擬結(jié)果，讀取溢流節(jié)點或管段的地理位置、流量、水深和流速等時間序列，建立交通路徑阻斷評價方程，用于評價其對應(yīng)的地表路段是否會遭受積水阻斷；
[0009]S3:將阻斷評價結(jié)果反饋到Matlab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中，標(biāo)記被阻斷的道路編號，更新節(jié)點對象間的關(guān)系設(shè)定，從而更新交通網(wǎng)絡(luò)，。。。。。；
[0010]S4:在Mat Iab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中基于Mat Iab的Di jkstra算法，求解出交通路線最優(yōu)路徑。
[0011]進(jìn)一步地，步驟S4中進(jìn)一步步驟包括:
[0012]在MatIab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中對溢流節(jié)點排序關(guān)系和溢流節(jié)點之間不同的路段進(jìn)行預(yù)處理和編譯，再反饋到matlab中解出交通路線最優(yōu)路徑。
[0013]進(jìn)一步地，步驟S4中進(jìn)一步包括步驟:[OOM] 設(shè)定Di jkstra算法的終止條件，當(dāng)Di jkstra算法找到s-t的最短路徑后，貝Ij算
[0015]法結(jié)束;對道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)處理，對節(jié)點對象進(jìn)行預(yù)處理和編譯，減小后期
[0016]算法的搜索空間，提高計算速度。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可結(jié)合SWMM城市暴雨內(nèi)澇模擬工具，分析不同降雨情境下的城市內(nèi)澇狀態(tài)，更準(zhǔn)確地反映城市暴雨情境下的地表積水對最佳路徑的影響，同時查詢速度快且結(jié)果可視化，可用于內(nèi)澇災(zāi)害下的城市交通預(yù)警預(yù)報和應(yīng)急指揮系統(tǒng)，對城市內(nèi)澇交通路徑的規(guī)劃具有重要的科學(xué)意義。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑選擇的方法流程圖。
[0019]圖2是研究區(qū)域的交通路徑網(wǎng)絡(luò)圖；
[0020]圖3是研究區(qū)域的SffMM排水管網(wǎng)模型圖；
[0021 ]圖4是研究區(qū)域未考慮實際路徑聯(lián)通關(guān)系時的Matlab區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)模型；
[0022]圖5是在圖4基礎(chǔ)上，依據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理后的道路網(wǎng)絡(luò)更新圖；
[0023]圖6是無內(nèi)澇影響的道路連接設(shè)定圖；
[0024]圖7是重現(xiàn)期T= I年是的地下管網(wǎng)排水能力評估圖；
[0025]圖8是內(nèi)澇影響下的交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)定圖；
[0026]圖9是未考慮內(nèi)澇影響時的最優(yōu)路徑選擇圖；
[0027]圖10是考慮內(nèi)澇影響的交通路線圖。
【具體實施方式】
[0028]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029]請參見圖1，本發(fā)明一種用于城市內(nèi)澇時交通路線最短路徑選擇的方法，步驟包括:
[0030]S1:在SffMM中對城市管網(wǎng)和排水系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬降雨情境下的內(nèi)澇狀態(tài);依據(jù)城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模;依據(jù)SWMM的排水系統(tǒng)的檢查井和管段編號，對地表交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的地理編號，完成Mat Iab系統(tǒng)和SWMM系統(tǒng)間的地理信息匹配；
[0031]S2:分析內(nèi)澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統(tǒng)的超載狀態(tài)。通過查詢SWMM模擬結(jié)果，讀取溢流節(jié)點或管段的地理位置、流量、水深和流速等時間序列，建立交通路徑阻斷評價方程，用于評價其對應(yīng)的地表路段是否會遭受積水阻斷；
[0032]S3:將阻斷評價結(jié)果反饋到Matlab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中，標(biāo)記被阻斷的道路編號，更新節(jié)點對象間的關(guān)系設(shè)定，從而更新交通網(wǎng)絡(luò)；
[0033]S4:在Mat lab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中基于Mat lab的Di jkstra算法，求解出交通路線最短路徑。
[0034]傳統(tǒng)的Di jkstra算法存在計算冗余的問題，遍歷過程不僅計算了 s_t的最短路徑，也求解了所有帶權(quán)圖上節(jié)點間的路徑關(guān)系，在運行效率上存在一定的問題。因此本發(fā)明提出了兩個改進(jìn)措施，以提高算法的計算效率:
[0035]對道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)處理，對節(jié)點對象(節(jié)點排序關(guān)系、節(jié)點之間不同的路段等)進(jìn)行預(yù)處理和編譯，以減小后期算法的搜索空間，提高計算速度;和設(shè)定終止條件:當(dāng)算法找至ljs-t的最短路徑后，則算法結(jié)束。
[0036]下面以位于H市S區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)和地下管網(wǎng)為例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的解釋和說明。由于該區(qū)雨水管網(wǎng)排水能力偏低，每逢極端暴雨天氣常受到內(nèi)澇災(zāi)害的影響。用于Matlab建模的數(shù)據(jù)主要包含兩大類，一是研究區(qū)的交通路徑網(wǎng)絡(luò)，包含路段、長度和連接點的信息(圖2)，主要依據(jù)開源的地圖數(shù)據(jù)庫搭建而成;二是該區(qū)的SffMM排水管網(wǎng)模型(圖3)，用于對內(nèi)澇的影響和風(fēng)險進(jìn)行評估?；贖市的暴雨強度公式，可應(yīng)用芝加哥人工降雨過程模型產(chǎn)生了重現(xiàn)期T=I年的典型降雨過程曲線，用于評估不同重現(xiàn)期情境下該區(qū)的管網(wǎng)負(fù)荷狀況和溢流點位置。
[0037]圖4展示了依據(jù)實際地理位置在Matlab中搭建的區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)共包含27個節(jié)點，可在這些點進(jìn)行路徑轉(zhuǎn)換。在未依據(jù)道路的實際連通情況對節(jié)點的連接狀態(tài)進(jìn)行編譯時，可以發(fā)現(xiàn)道路的連接路線數(shù)量極大，不利于網(wǎng)絡(luò)的路徑搜索。圖5顯示通過對網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以有效地減少路徑搜索的搜索空間。編譯后的道路網(wǎng)絡(luò)與交通路網(wǎng)一致，路徑的長度也在圖中標(biāo)出(單位:m)。
[0038]圖6顯示了依據(jù)實際路徑連接關(guān)系編譯的連接矩陣，橫向和縱向分別代表路網(wǎng)的27個節(jié)點。每個方格坐標(biāo)為(i，j)，方格的值表示節(jié)點的連接狀態(tài)。當(dāng)i = j時，表明連接的為同一節(jié)點，矩陣賦值為O;當(dāng)i#j，且節(jié)點是連通的，矩陣賦值為1.圖6顯示的灰色區(qū)域即網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間不連通的區(qū)域。對該區(qū)的排水系統(tǒng)進(jìn)行了降雨情景模擬的運算和分析，圖7顯示在重現(xiàn)期T= I年時的典型降雨過程下，該區(qū)域超出核載的地下管道，可見其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低。若降雨強度增大，相應(yīng)管道區(qū)域內(nèi)澇發(fā)生的范圍和影響也將隨之增大，因而作為近似判斷地表溢流路徑的依據(jù)。圖8為在考慮內(nèi)澇對交通路徑影響下的連接矩陣。
[0039]在已搭建的Matlab道路網(wǎng)絡(luò)模型上任取兩個節(jié)點，例如分別作起始點NlO和終點N23。運用改進(jìn)后的Di jkstra算法，基于SWMM的溢流模擬結(jié)果，可分別測試了兩次最短路徑的求解實驗。圖9顯示了正常交通網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，最短選擇路徑為N10->N11->N16->N19->N27->N22->N23，共包含6個路段，總長度為4525m。圖10顯示當(dāng)內(nèi)澇信息被反饋到交通網(wǎng)絡(luò)圖中，為了規(guī)避積水路段，最短路徑的選擇發(fā)生了變化，為N10->N17->N16->N19->N27->N24->N23，總長度為4620m。
[0040]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟包括: S1:在SWMM中對城市管網(wǎng)和排水系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬降雨情境下的內(nèi)澇狀態(tài);依據(jù)城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模;依據(jù)SWMM的排水系統(tǒng)的檢查井和管段編號，對地表交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的地理編號，完成Matlab系統(tǒng)和SffMM系統(tǒng)間的地理信息匹配；S2:分析內(nèi)澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統(tǒng)的超載狀態(tài);通過查詢SWMM模擬結(jié)果，讀取溢流節(jié)點或管段的地理位置、流量、水深和流速等時間序列，建立交通路徑阻斷評價方程，用于評價其對應(yīng)的地表路段是否會遭受積水阻斷； S3:將阻斷評價結(jié)果反饋到Matlab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中，標(biāo)記被阻斷的道路編號，更新節(jié)點對象間的關(guān)系設(shè)定，從而更新交通網(wǎng)絡(luò)； S4:在Mat Iab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中基于Mat Iab的Di jkstra算法，求解出交通路線最優(yōu)路徑。2.如權(quán)利要求1所述的用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟S4中進(jìn)一步包括步驟: 在Matlab的交通網(wǎng)絡(luò)模型中對溢流節(jié)點排序關(guān)系和溢流節(jié)點之間不同的路段進(jìn)行預(yù)處理和編譯，再反饋到matlab中解出交通路線最優(yōu)路徑。3.如權(quán)利要求1所述的一種用于城市內(nèi)澇情境下最優(yōu)交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟S4中進(jìn)一步包括步驟: 設(shè)定Di jkstra算法的終止條件，當(dāng)Di jkstra算法找到s-t的最短路徑后，則算法結(jié)束；對道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)處理，對節(jié)點對象進(jìn)行預(yù)處理和編譯，減小后期算法的搜索空間，提高計算速度。
【文檔編號】G06Q50/30GK106056247SQ201610394695
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】周倩倩, 許明華
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)