一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法，步驟包括：在SWMM中對城市管網和排水系統進行建模；在Matlab中對交通網絡進行建模，完成Matlab系統和SWMM系統間的地理信息匹配；依據SWMM模擬結果分析內澇對交通路徑的影響，在Matlab的交通網絡模型中標記被阻斷的道路編號；在Matlab中更新節點對象間的關系設定，調整交通網絡描述；依據Dijkstra法求解出交通路線最短路徑。本發明可更準確地反映城市暴雨情境下的地表積水對最佳路徑的影響，查詢速度快且結果可視化，可用于內澇災害下的城市交通預警預報和應急指揮系統，對城市內澇交通路徑的規劃具有重要的科學意義。
【專利說明】
一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種城市內澇時交通路線選擇的方法，尤其涉及一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法。
【背景技術】
[0002]目前的GIS地理信息系統平臺擁有一套完整的空間分析和網絡分析功能，常用于求解網絡結構的最短路徑問題。該方法需在GIS中搭建交通網絡的拓撲路徑系統，通過網絡分析工具，添加起始點和終點信息，通過‘網絡路徑分析，求解器查找最短路徑。
[0003]這種分析比較適用于靜態分析，即在網絡結構不變的情況下求解不同節點的最短路徑。而在城市降雨下的內澇狀態時對交通線路最短路徑的選擇需要建立在動態分析的基礎上，依據內澇信息及時更新網絡結構，求解新狀態下的路徑關系。基于GIS(Ge0graphiCInformat1n System，地理信息系統)和SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)的內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網絡結構進行臨時障礙的標定并手動求解，這樣的做法顯得十分繁瑣、低效。
【發明內容】
[0004]為在城市應急管理中，結合內澇預報預警信息，借助地理信息分析，加強對內澇交通路線的規劃和應對能力，有效避開內澇影響區域，對車輛進行引導和疏散，本發明提出一種用于城市內澇時交通路線最短路徑選擇的方法。
[0005]本發明的技術方案是這樣的:
[0006]—種用于城市內澇時交通路線最短路徑選擇的方法，步驟包括:
[0007]SI:在SffMM中對城市管網和排水系統進行建模，模擬降雨情境下的內澇狀態;依據城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網絡進行建模;依據SWMM的排水系統的檢查井和管段編號，對地表交通網絡進行相應的地理編號，完成Mat Iab系統和SWMM系統間的地理信息匹配；
[0008]S2:分析內澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統的超載狀態;通過查詢SWMM模擬結果，讀取溢流節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，用于評價其對應的地表路段是否會遭受積水阻斷；
[0009]S3:將阻斷評價結果反饋到Matlab的交通網絡模型中，標記被阻斷的道路編號，更新節點對象間的關系設定，從而更新交通網絡，。。。。。；
[0010]S4:在Mat Iab的交通網絡模型中基于Mat Iab的Di jkstra算法，求解出交通路線最優路徑。
[0011]進一步地，步驟S4中進一步步驟包括:
[0012]在MatIab的交通網絡模型中對溢流節點排序關系和溢流節點之間不同的路段進行預處理和編譯，再反饋到matlab中解出交通路線最優路徑。
[0013]進一步地，步驟S4中進一步包括步驟:[OOM] 設定Di jkstra算法的終止條件，當Di jkstra算法找到s-t的最短路徑后，貝Ij算
[0015]法結束;對道路網絡進行預處理，對節點對象進行預處理和編譯，減小后期
[0016]算法的搜索空間，提高計算速度。
[0017]本發明的有益效果在于，與現有技術相比，本發明可結合SWMM城市暴雨內澇模擬工具，分析不同降雨情境下的城市內澇狀態，更準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果可視化，可用于內澇災害下的城市交通預警預報和應急指揮系統，對城市內澇交通路徑的規劃具有重要的科學意義。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明一種用于城市內澇情境下最優交通路徑選擇的方法流程圖。
[0019]圖2是研究區域的交通路徑網絡圖；
[0020]圖3是研究區域的SffMM排水管網模型圖；
[0021 ]圖4是研究區域未考慮實際路徑聯通關系時的Matlab區域道路網絡模型；
[0022]圖5是在圖4基礎上，依據道路網絡的連接數據，進行預處理后的道路網絡更新圖；
[0023]圖6是無內澇影響的道路連接設定圖；
[0024]圖7是重現期T= I年是的地下管網排水能力評估圖；
[0025]圖8是內澇影響下的交通網絡設定圖；
[0026]圖9是未考慮內澇影響時的最優路徑選擇圖；
[0027]圖10是考慮內澇影響的交通路線圖。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0029]請參見圖1，本發明一種用于城市內澇時交通路線最短路徑選擇的方法，步驟包括:
[0030]S1:在SffMM中對城市管網和排水系統進行建模，模擬降雨情境下的內澇狀態;依據城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網絡進行建模;依據SWMM的排水系統的檢查井和管段編號，對地表交通網絡進行相應的地理編號，完成Mat Iab系統和SWMM系統間的地理信息匹配；
[0031]S2:分析內澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統的超載狀態。通過查詢SWMM模擬結果，讀取溢流節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，用于評價其對應的地表路段是否會遭受積水阻斷；
[0032]S3:將阻斷評價結果反饋到Matlab的交通網絡模型中，標記被阻斷的道路編號，更新節點對象間的關系設定，從而更新交通網絡；
[0033]S4:在Mat lab的交通網絡模型中基于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，也求解了所有帶權圖上節點間的路徑關系，在運行效率上存在一定的問題。因此本發明提出了兩個改進措施，以提高算法的計算效率:
[0035]對道路網絡進行預處理，對節點對象(節點排序關系、節點之間不同的路段等)進行預處理和編譯，以減小后期算法的搜索空間，提高計算速度;和設定終止條件:當算法找至ljs-t的最短路徑后，則算法結束。
[0036]下面以位于H市S區的交通網絡和地下管網為例對本發明進行進一步的解釋和說明。由于該區雨水管網排水能力偏低，每逢極端暴雨天氣常受到內澇災害的影響。用于Matlab建模的數據主要包含兩大類，一是研究區的交通路徑網絡，包含路段、長度和連接點的信息(圖2)，主要依據開源的地圖數據庫搭建而成;二是該區的SffMM排水管網模型(圖3)，用于對內澇的影響和風險進行評估。基于H市的暴雨強度公式，可應用芝加哥人工降雨過程模型產生了重現期T=I年的典型降雨過程曲線，用于評估不同重現期情境下該區的管網負荷狀況和溢流點位置。
[0037]圖4展示了依據實際地理位置在Matlab中搭建的區域道路網絡。該網絡共包含27個節點，可在這些點進行路徑轉換。在未依據道路的實際連通情況對節點的連接狀態進行編譯時，可以發現道路的連接路線數量極大，不利于網絡的路徑搜索。圖5顯示通過對網絡連接數據進行預處理，可以有效地減少路徑搜索的搜索空間。編譯后的道路網絡與交通路網一致，路徑的長度也在圖中標出(單位:m)。
[0038]圖6顯示了依據實際路徑連接關系編譯的連接矩陣，橫向和縱向分別代表路網的27個節點。每個方格坐標為(i，j)，方格的值表示節點的連接狀態。當i = j時，表明連接的為同一節點，矩陣賦值為O;當i#j，且節點是連通的，矩陣賦值為1.圖6顯示的灰色區域即網絡中節點之間不連通的區域。對該區的排水系統進行了降雨情景模擬的運算和分析，圖7顯示在重現期T= I年時的典型降雨過程下，該區域超出核載的地下管道，可見其設計標準明顯偏低。若降雨強度增大，相應管道區域內澇發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。圖8為在考慮內澇對交通路徑影響下的連接矩陣。
[0039]在已搭建的Matlab道路網絡模型上任取兩個節點，例如分別作起始點NlO和終點N23。運用改進后的Di jkstra算法，基于SWMM的溢流模擬結果，可分別測試了兩次最短路徑的求解實驗。圖9顯示了正常交通網絡狀態下，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顯示當內澇信息被反饋到交通網絡圖中，為了規避積水路段，最短路徑的選擇發生了變化，為N10->N17->N16->N19->N27->N24->N23，總長度為4620m。
[0040]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟包括: S1:在SWMM中對城市管網和排水系統進行建模，模擬降雨情境下的內澇狀態;依據城市電子地圖描述，在Matlab中對交通網絡進行建模;依據SWMM的排水系統的檢查井和管段編號，對地表交通網絡進行相應的地理編號，完成Matlab系統和SffMM系統間的地理信息匹配；S2:分析內澇對交通路徑的影響，分析不同暴雨情境下，城市排水系統的超載狀態;通過查詢SWMM模擬結果，讀取溢流節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，用于評價其對應的地表路段是否會遭受積水阻斷； S3:將阻斷評價結果反饋到Matlab的交通網絡模型中，標記被阻斷的道路編號，更新節點對象間的關系設定，從而更新交通網絡； S4:在Mat Iab的交通網絡模型中基于Mat Iab的Di jkstra算法，求解出交通路線最優路徑。2.如權利要求1所述的用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟S4中進一步包括步驟: 在Matlab的交通網絡模型中對溢流節點排序關系和溢流節點之間不同的路段進行預處理和編譯，再反饋到matlab中解出交通路線最優路徑。3.如權利要求1所述的一種用于城市內澇情境下最優交通路徑的選取方法，其特征在于，步驟S4中進一步包括步驟: 設定Di jkstra算法的終止條件，當Di jkstra算法找到s-t的最短路徑后，則算法結束；對道路網絡進行預處理，對節點對象進行預處理和編譯，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
【發明人】周倩倩, 許明華
【申請人】廣東工業大學