（市政工程专业论文）基于路网结构的道路选线研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文从交通规划与道路设计两方面的理论出发研究探讨道路选线问题，并提出了 一个基于路网结构的道路选线优化模型。本研究旨在提升交通规划理论在道路选线中的 应用价值，为道路设计工作者和相关领域的研究者提供新的思路和方法，以使在道路选 线工作中能够更加高效，科学，准确地找寻到最优的新建道路空间线形方案。 本模型是在新建道路的起、终点给定的条件下，确定一个效益与费用比最佳的道路 空间线形方案的优化问题。该模型以地理信息系统为平台，采用矢量图的方式存储了目 标区域的道路交通网络、数字高程模型，以及自然地表特征等信息，在此基础上，采用 遗传算法求解。 在地理信息系统中，首先，根据控制点的不同，随机生成新建道路空间线形候选方 案的集合，并自动详细设计每一个候选方案的平面线形和纵断面线形。接着，一方面候 选方案改变了道路交通网络的拓扑结构，先对变化的路网进行自动拓扑，再通过交通量 分配得到o d 交通在新路网上的走行时间和交通流特征，计算整个网络的0 d 交通的走 行时间和环境负荷，将它们与原有路网的走行时间和环境负荷相比较，计算得到候选方 案诱发的整个路网的o d 交通的走行时间和环境负荷的减少，将二者累加作为候选方案 的总效益；另一方面计算候选方案本身导致的各项工程费用，包括基本建设费用、土石 方填挖费用、占用绿地湿地费用、建筑物拆迁费用以及可能存在的桥梁隧道的建设费用， 将以上各部分费用累加求和作为候选方案的总费用。另外，在g i s 中自动化道路线形设 计无法完全满足道路设计规范的所有限制，采用惩罚函数加以弥补。 在遗传算法中，将候选方案作为种群人口，每个方案中的控制点作为人口染色体中 的基因，将方案的效益、费用和惩罚函数值三者设计为人口的适应度值。初始化种群人 口，计算人口的适应度值，经过选择、交叉和变异，以及保优策略，逐代进化，达到终 止条件，得到一个最佳的新建道路的空间线形方案。 一个数字试验被用来检验模型，并证实了该模型在解决道路选线问题上的可行性和 有效性。 关键词：道路选线；地理信息系统：遗传算法；交通量分配；环境负荷 基于路网结构的道路选线研究 s t u d yo nr o a da l i g n m e n to p t i m i z a t i o nb a s e do nr o a d n e t w o r k a b s t r a c t b a s e do nt 1 1 e 血e o r i e so ft r a 藤cp l a i 】j l i n ga 1 1 dm a dd e s i 趴，t h ep a p e rd i s c u s s e so nr o a d a l i 驴m e n to p t h i z a t i o na n dp r o p o s e sr o a da l i g e n to p t 妇i z a t i o nb a s e d o nr o a dn 删1 1 1 e p u 中o s eo ft h i sg n l d yi st o a d v a n c em e 、o r 凼o f 缸五cp l a n n i n gt 1 1 e o r ya p p l i e dt or o a d a l i 鲫m e mo p t i m i z a t i o n ，a 1 1 dp r o v i d ean e wi d e aa i l dm e m o df o rr o a de n g 抽e e r sa i l dr e l a t e d r e s e a r c h e r s ，w h i c hf i n do u tt 1 1 eo p t i m a lm a da l i 印m e n ti nt h ep m c e s so fo p t i m i z a t i o nm o r e e 硒c i e n t l y ，s c i e r n i f i c a l l ya n de x a c t l y t h j sm o d di sam a d l e m a t i co p t i i n i z a t i o np r o b l e mf - m d 血gm er o a ds p a t i a la l i g r l m e n tb 咖e n m es t a r ta n de n dp o i n t sw h o s er a t i oo f b e n e mt oc o s ti so p t i m a l i ng e o g r 印h i c a li n f o r n l a t i o n s y s t c i n ( g i s ) ，m i sm o d e lr c c o r d sr o a dn e t 、v o r k ，d i g i t a le l “a t i o nm o d e l ( d e m ) a n dn 蝴l s u “k ec l l a m c t e r si nt h et a r g e tr e g i o na sm ev e c t o r g m p hl a y e r s t l l i sm o d e li ss o l v e db y g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ， i ng i s ，丘r s t l y ，a c c o r d i r 增t od i f f 如n tc o n 乜o lp o i n t s ，也ec a n d i d a t e so fr o a da l i 髓m e n ta r e g e n e r a l c dm n d o m l y ，a n dt h e nh o r i z o m a la n dv e r t i c a la j i g m n e mo fe a c hr o a di s + d e s i g n e d a u t o m a t i c a l l y o nm eo n eh a n d ，n e wr o a dc a 工lc h a i l g e 也et o p o l o g ys m l c t u r eo fo r i 酉n a lr o a d n e t 、v o r k t o p o l o g yo fm ec h a l l g e dr o a dn e t w o r ki sc o n s 订u c t e da u t o m a t i c a l l yf i r s t l y ，a n dt 1 1 e m l v e lt i m e sa i l dn o wc h a r a c t e r i s t i c so fo dt r a 街co nt h en e t w o r ki so b t a i n e dt h r o u 吐u s e r e q u i l i b d u m 缸锄ca s s 培柚e n t ，a n dm e n t o t a lt r a v e l t i m ea 苴l d 订a 伍ce n v i r o m e n ti o a d so nm e n e t 、r ka r ee s t i m a t e d b yc o m p a r i n g 廿l e mw i t l lt l l o s eo f o r i g i n a ln e t w o r k ，r e d u c e dv a l u e so f 订a v e lt i m ea n de n v i r o i m l e n tl o a do fo dt r 龋co nt h en e t w o r ka r ec a l c l 】l a t e d t h es 啪o f t w o v a l u e si st a k e nf o rt o t a lb e n e f i to fe a c hr o a dc a n d i d a t e o n 也eo t h e rh a i l d ，m ec o 工l s m 托廿o n0 f r o a di t s e l fc a nr e s u l ti ns e v e r a lc o s t s v a r i o u sp r o j e c tc o s t si n c l u d i n gc o n s t m c t i o nc o s t e a n h w o r kc o s t ， o c c u p i e do fg r c e nl a i l d o rw e tl a n dc o s t ，r e m o v e db u i l d i i n gc o s t a 1 1 d c o n s t n l c t i o nc o s to fp o t e m i a lb r i d g e so rt i m e l sa r ec a l c l l l a t e di 1 1g i s t h es m o fa b o v ec o s t o fe 、，e r yi t e mi st a l ( e nf o rt o t a lc o s to f e a c hr o a dc a l l d i d a t e i na d d i t i o n a i ，r o a dd e s i 趴c r i t e r i o n c a nn o te n 廿r e l yb es a t i s f i e di nt l l ep r o c e s so fm a dd e s i g nm g i s ，a n d 也u sh e r et h ep e n a l t y 矗m c t i o n sa r eu s e dt oc o i t e c thi i lt b em o d e l i ng a ，a l l r o a dc a i l d i d a t e sa r et a k e nf o rg e n e r a t i o np o p u l a t i o n ，a n dc o n t r o lp o i n t si nt h ee a c h c a n d i d a t ea r et a k e nf o rg e n e si ni t sc 1 1 r o m o s o m e t h ef i t l l e s so fe a c hi n d i v i d u a li sd e s i g n e d 大连理工大学硕士学位论文 a m o n gt l l ec o s t ，t 1 1 eb e n e 丘ta n dp e n a i t yn m c t i o n f i r s t l y ，i n i t i a lm ep o p l l l a t i o na n dc a l c m a t e 也ef i 协e s so f e a c hi n d i v i d u a j t h e ne v o l v eo n e b yo n eg e n 锄t i o n 妇o u 曲s e l e c t i o n ，c r o s s o v e r 柚dm m a t i o na 1 1 dp r o t e c te x c e l l e n ts 协l t e g y a tl a s t ，山ea l g o r i t b md o e sn o ts t o pi m t i lt 王1 e t e 皿i n a t ec o n d i t i o ni sr e a c h e d t h eo p t i m a lr o a da l i g m e n ti so b t a i n e d t h i sm o d e li sv a l i d a r e db y 也en u m 甜c a lt e s t t h ef 醯s i b i l i t ya n de f 传c t i v e n e s so ft h i sm o d e l i sp r o v e di ns o l v i n g 协ep m b l e mo nr o a da l 培n m e n t o p t i r 工l i z a t i o n k e yw o r d s ：r d a da 1 吨n m 帆to p t i m 协t i o n ；g e o g r a p h i c 啦i n f o m a t i o ns y s t e m ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；t r a f 靠ca s s i g n m e n t ；e n v i r o n m e n tl o a d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盔遗日期：竺! 二! 二型 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 二宝塑易 导师签名： 奶聋隆 丛年月i r 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 改革开放以来，我国经济蓬勃发展，机动化速度加快，从而导致交通需求不断快速 的增长，现状的交通基础设旆已远远不能满足快速增长的交通需求，交通供给与交通需 求之间的矛盾日益突出，这对我国交通基础设施的建设提出了更高的要求。因而，近年 来，我国加大了交通基础设施的建设力度，道路设计部门迎来了前所未有的机遇和挑战。 选线是道路设计中最根本的问题，因为它不但影响道路本身的经济效益和社会效益，而 且也影响到路线在道路网中的作用【1 】。如何更加高效，更加科学，更加准确地进行道路 方案的评价和比选，成为当前道路设计部门最关心和重视的热门课题。 道路选线是一项涉及面广、影响因素多、政策性和技术性都很强的工作。它是由面 到片，由片到线，由粗略到细致的过程，是逐步具体化、逐步补充修改和提高的过程【2 j 。 道路工程中的选线主要考虑的是新建道路的平面和纵断面的线形，在满足技术要求的前 提下优化工程造价f 3 】。选线是选择、确定路线方案的全过程。选线面对十分复杂的自然 环境和社会经济条件，需要综合考虑多方面的因素，由粗到细，由轮廓到具体，逐步深 入，分阶段分步骤地加以分析比较，才能定出最合理的路线。条线路的起、终点确定 以后，它们之间有许多走法，选线的任务就是在这众多的方案中选出一条符合设计要求， 经济合理的最优方案。选线的范围是一个由面带线的过程。选线一般按工作内容分路 线方案选择、路线带选择、具体定线三步进行f 4 】。 选线和定线是道路路线设计的重要环节，选定出的路线是否合理将直接影响到道路 的质量、工程造价以及道路使用条件、安全性和使用年限。由于在路线起、终点间，地 形、地质、气候等自然条件复杂多变，可能的路线方案较多，加之路线本身平纵横三方 面的相互影响和制约以及路线位置对道路构造物和其他道路设施影响很大的因素，使得 选、定线工作变得十分复杂。道路选线和定线，就是根据道路的性质、任务、等级和标 准，在路线起、终点间，结合地形、性质、地物及其他沿线条件，综合平、纵、横三方 面的因素，在实地或图纸上选定道路中线位置，然后进行的有关测量和设计工作。它包 括从路线总体设计、方案设计，直到具体定出线位的全过程，调查研究范围由大到小， 工作深度由粗到细p j 。 传统的道路选线方法存在一些难以克服的缺点，已经无法适应未来道路设计部门和 国家经济发展的需要。在选线过程中，侯选的道路方案的数量有限，可能导致其结果方 案并不是个最优的方案；考虑的因素有限，往往很多因素无法定量的计算，只能定性 基于路网结构的道路选线研究 的考虑，可能导致其评价不全面、不科学；选线过程分步分阶段处理，导致其选择过程 分散不统一：往往人为的评价方案的优劣，导致其评价主观性较强；选线的整个过程以 实地、纸上选线为主，辅以人工，导致其过程效率不高。 当前计算机技术飞速发展，在各行各业中，采用计算机辅助及全自动实现工作过程 的应用成果不断涌现，同样为道路选线，这一道路设计过程中一直面临的复杂难题，提 供了新的发展空间。近些年来，众多国内国外的研究人员着眼于道路选线领域，为实现 道路选线的科学性、高效性、客观性、全面性，开展了相当多的研究，其中涌现了很多 成果，并取得了一定的突破。在此基础上，本研究提出了一个基于路网结构的道路选线 优化模型，旨在为这一领域的研究提供新的思路和方法。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国外相关领域的研究 国外关于道路选线领域的研究，起源于2 0 世纪7 0 年代，已有文献大多以线形优化 ( a l i 鲫m e m o p t i r n i z a t i o n ) 为关键语出现。最初的研究主要是以优化平面线形( o 业r n i z i n g h o r i z o n “a l i g 衄e n t ) 、优化纵断面线形( o 皿i m i z m gv e r t i c a ja l i g n n l e m ) 为目标，现阶段 主要以同时优化平、纵面线形( o p t i l n i z i n g h o r i z o n t a ia n dv e r d c a la l i g n m e ms i i n u l 协n e o u s l y ) 为目标，围绕这一问题开展相关的研究。 j o n g 等拍j 提出了一个结合地理信息系统和遗传算法，在给定的起终点之间优化道路 平面线形的方法。该模型能够在非常不规则的地形空间中优化道路的平面线形，结果线 形是光滑的而且满足设计中圆曲线最小半径的限制要求，模型的目标函数是一个包括占 地费用、基本建设费用和用户费用的总费用值。j o n g 等 _ 1 开发了同时优化三维空间线形 的进化模型。该模型重点强调遗传算法在线形优化中的应用和实现，算法中设计了以控 制点坐标为基因构成种群中个体的染色体；用五类方法给定初始线形方案，以保证算法 中原始种群的信息丰富性；定义四种突变和四种交叉操作的算子，以保证遗传算法在线 形优化过程中高效的性能。j h a 等【8 】以地理信息系统为平台，结合遗传算法开发道路线 形优化模型。该模型强调了在遗传算法中作为适应度值的道路方案总费用的构成、分类 和计算方法。将总费用分为供给者费用( s u p p l i e rc o s t ) 、使用者费用( u s e rc o s t ) 、惩罚费 用 e n a l t yc o s t ) 。其中，供给者费用包括基本建设费、路权占地费、土方工程费；使用 者费用包括走行时间费用、车辆运行费用、交通事故损失费用；惩罚费用，主要是对于 不符合设计规范的道路方案加以惩罚的费用。m 等【9 】提出了一个阶梯式的遗传算法求 解上述模型”。8 1 ，以提高优化模型的计算效率。该方法先利用模型f 7 8 ，选取小数量的控 制变量进行一次求解，以此为基础，按一定的原则选取断点，将研究的区域划分为多个 大连理工大学硕士学位论文 合适的子区域，在进行分段的线形优化。j h a 【1 0 开发了一个基于标准的决策支持系统， 该系统以地理信息系统为平台，利用遗传算法，把新建道路的占用费用、基本建设费用、 土方工程费用作为适应度函数，优化最佳道路线形。该方法记录进化过程中的每个方案， 并提出基于长度的评价函数和基于干涉面积的评价函数。以得到的最优线形为参照标 准，在记录的所有线形中，利用评价函数，选择与最优线形存在显著不同，而且费用有 效的线形，最终确定一组可供决策的道路线形方案的集合。j l l a 等】在模型【w 的基础上， 引入了可达性、亲近性、土地利用的变化三个因素的量化公式，探讨了它们对于道路线 形的影响，证实了它们的重要性。j 1 1 a 等 1 2 】在利用模型【8 _ 9 j 求得的最优道路线形的基础上， 利用计算机可视化技术将其直观地表现出来，以此作为评价道路方案优劣的基础。j h a 【l 3 j 在利用模型1 7 】的基础上，引入利用s w 糊i m e l i i g e n c e 技术的选择方法，显著地减少了模 型计算的负担。k a l 扭l a r a s 等【1 4 】开发了一个基于多标准多水平分析的选择道路线形的方 法。“【1 5 】开发的基于g i s 的道路设计一致性的评价方法。 另外，k i m 等1 7 1 介绍了在模型7 棚中建立交叉口模型的方法。g o k t e p e 等 1 8 】介绍了 在道路设计中土石方工程的建设费用。l e e 等u 列介绍了在考虑费用最小和交通流速度的 条件下优化道路纵断面坡度的方法。l e e 等【2 0 j 介绍了在考虑坡度和曲线限制约束下的优 化路径的算法。 1 2 2 国内相关领域的研究 国内关于道路选线领域的研究，开始于2 0 世纪9 0 年代，已有文献大多以道路选线 为关键语出现。最初，杨仲谋2 1 】的山区公路选线，王军刚等阱】的公路选线方法，余江等 的实例工程的道路选线，高建平的基于三角网数模的山区公路选线，赵康的基 于环境影响的公路路线方案优选，吴华金i 捌的山区高速公路路线走廊带的选择与研究， 高传东等1 27 】的山区道路选线方法。以上的文献，基本介绍了在实际工程中道路选线的传 统方法。 陈毕新跚研究了环境价值在公路建设方案比选中的应用，易思蓉f 2 9 】研究了在虚拟环 境选线系统中的知识表达模式的应用，吴晓涛等【3 0 用遗传算法进行路径规划的方法，何 越磊等【3 l j 应用元胞自动机模型进行铁路选线的研究方法，以上方法，值得借鉴。 近年来，随着计算机信息技术的发展，地理信息系统及数字空间信息得以广泛使用。 它们为道路选线的研究提供了新的工具，因此在道路选线方面出现了大量基于地理信息 系统的研究。其中，孙建国等口2 j 对基于g i s 的道路选线方法及趋势进行了一定的探讨； 孔金玲【3 列的基于g i s 技术的公路综合选线方法，赵尘等的基于g i s 的道路选线辅助 系统，该系统在g i s 平台上按规范要求实现了道路的平面线形、纵断面线形和横断面线 基于路网结构的道路选线研究 形的详细设计；王卫红的基于m a p g i s 的公路选线，以g i s 为平台t 构建选线区域的 数字高程模型，在此基础上进行道路选线。朱爱民等3 6 1 的基于m a p g i s 的数模建立方法 及其在路线c a d 中的应用，陈雪冬等刚的基于栅格数据道路选线模型算法的应用研究， 李石科【3 羽的基于g i s 的道路选线及城市交通路网评价研究。 张凤毛【3 9 1 的公路选线过程中的经济评价，孔金玲h 。1 的基于g i s 技术的公路选线多 方案综合评价，利用g i s 的空间分析功能提取新建道路的各种费用，最后和用层次分析 法综合分析比较各线形方案。这两个文献研究了在道路选线过程中，评价道路方案的方 法。 陈艳艳【4 l 】的基于地理信息系统及遗传算法的道路规划，强调利用遗传算法自动搜索 新建道路方案进行比选，并将地理信息系统与遗传算法相结合，进行交通系统道路选线 决策。选线过程中，考虑与道路长度相关的费用，与道路位置相关的费用和与道路使用 者相关的费用。杨忠振 4 习的路网中新建道路空间走向的基因算法优化，杨忠振等【4 3 】的基 于道路设计与交通规划理论的道路选线优化模型。 1 2 ，3 已有研究特点总结 无论是国外所言的道路线形优化问题，还是国内谈及的道路选线问题，实际上都表 达的是同一个概念：在给定的起、终之间，众多因素的综合考虑下，寻找一条经济上最 优的道路空间线形。这是一个十分复杂的问题，两点之间存在的道路空间走向方案的数 量是无穷多的，另外，考虑的比较因素之间相互作用，互相制约，可谓是错综复杂。 目前，研究的焦点就是将道路选线问题抽象表达为一个合理的数学优化问题，讨论 研究如何建模的问题。j o n g l 提出了一个优秀的线形优化模型应该具有以下的属性： ( 1 ) 考虑所有主要的费用和敏感的费用： ( 2 ) 量化所有重要的约束限制； ( 3 ) 生成一条符合实际的线形； ( 4 ) 能够生成迂回的曲线线形； ( 5 ) 同时优化平面和纵面线形； ( 6 ) 获得全局或是接近全局的最优解； ( 7 ) 有一个高效的求解算法； ( 8 ) 有一个连续的搜索空间； ( 9 ) 考虑交叉口、桥、隧道的费用； ( 1 0 ) 自动避免不可达到的区域； ( 1 1 ) 与地理信息系统兼容。 大连理工大学硕士学位论文 在前2 个小节中列举的国内外相关文献【6 删，这些研究概括起来主要涉及以下几方 面的研究内容。( 1 ) 以地理信息系统为平台开发自动选线模型；( 2 ) 利用遗传算法枚举道 路空间位置的候选方案，这样能够获得全局或是接近全局最优的方案；( 3 ) 在新建道路的 费用成本中考虑道路使用者的有关费用，例如考虑未来道路上车辆运行费用、走行时间 费用、交通事故损失费用等。 目前国内外研究中6 圳1 提及的方法都没有考虑新建道路对目标区域整个路网服务水 平的影响，j h a 等8 1 提到了路网优化，但却将其确定为未来的研究内容。大多文献【6 4 j 都强调道路选线是一个以费用最小化为目标函数的数学优化问题。我们的先前研究【4 2 叫 中考虑了路网的影响效果，本文加以详述，在本研究中强调新建道路对原有路网服务水 平的影响，在新建道路的评价方案中采用费用效益模型，将新建道路诱发的对原有路网 服务水平的改善，作为方案的效益部分加以考虑。 1 3 研究目的、内容及意义 1 3 1 研究目的 本研究旨在为道路设计工作者和相关领域的研究者提供新的思路和方法，以使在道 路选线工作中能够更加高效，科学，准确地找寻到最优的新建道路空间线形方案。 1 3 2 研究内容 本文从道路设计交通规划与两方面的理论出发，不仅注重新建道路自身的独立性， 而且更重视新建道路在整个路网中的关联性，研究探讨了道路选线的问题，并提出了一 个基于路网结构的道路选线优化模型。为此，本研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究利用遗传算法的思想设计和求解基于路网结构的道路选线模型； ( 2 ) 在地理信息系统中，如何设计存储大量相关的数据； ( 3 ) 以道路设计理论为基础，研究在地理信息系统中如何实现道路空间线形的几何 设计： ( 4 ) 在地理信息系统中实现新建道路方案自身引起的相关建设费用； ( 5 ) 以交通规划理论为基础，考虑新建道路诱导的路网服务水平的变化特征，体现 在整个目标网络的o d 交通走行时间和环境负荷两方面的变化。 1 3 3 研究意义 本研究的意义包括下面两个方面： ( 1 ) 本研究提出了基于路网结构的道路选线优化模型，为道路设计工作者和相关的 研究人员提供新的思路和方法。 基于路网结构的道路选线研究 ( 2 ) 本研究结合考虑了道路设计与交通规划两方面理论，进行道路选线优化，充分 考虑了道路在交通网络中的作用，提升交通规划理论在道路设计中的作用和地位。 1 4 研究思路与技术特色 1 41 研究思路 本文研究思路是紧密围绕道路选线问题展开的，将整个研究分为两大部分，一个是 如何设计和实现道路选线的算法，另一个是如何存储大量的相关数据。在如何设计算法 的过程中研究5 方面的问题，如何产生备选道路方案集合、如何实现道路空间线形的集 合设计、如何考虑和量化道路本身的作用、如何考虑和量化道路在路网中的作用以及最 后的如何评价每一个备选方案，以从中选出最优的道路方案。整个研究思路，如图1 1 所示。 如何设计算法 塑笪量垡望堕垄墅堕! 堕堡旦 如何存储大量的相关数据 图】1 论文的研究思路 f i g1 1t h es t u d y i d e a 。f 也ep a p e r 查堕里三查堂堡主堂焦丝苎 1 4 2 技术特色 ( 1 ) 本研究的道路选线模型，在道路方案的评价过程中，考虑了新建道路对整个路 网服务水平的影响。将目标区域路网的o d 交通的走行时间和环境负荷的改变，引入评 价新建道路的指标中。这是本研究的一大特色。 ( 2 ) 目前，道路设计的智能化难以实现，道路选线中道路方案的设计定位于应该能 够为道路设计提供参考方案，而并不是道路设计的最终方案。本研究的道路选线模型中， 对于在g i s 中设计道路方案的平面线形、纵断面线形做了一定的尝试。 ( 3 ) 已有研究，主要用费用评价道路方案的优劣。而本研究，由于基于路网结构， 引入了新建道路对整个路网服务水平的影响。在评价新建道路方案的优劣时，采用效益 与费用的比值作为衡量标准，将0 d 交通走行时间的节约价值和环境负荷损失价值的减 少，作为新建道路方案所诱发的效益。 1 5 论文结构及章节简介 1 5 1 论文结构 本文正文共包含7 章和一个结论，论文的结构如下图1 2 所示。 提出问题 分析问题 解决问题 l 绪论 一一一一士一一一一一 2 道路选线理论及优化模型 上 3 道路空间线形模型 山上 4 费用模型5 效益模型 6 经济效益评价 一一一一一了一一一一 7 模型的数字试验及评价 上 结论 图1 2 论文的基本结构 f i g 1 2t h eb a s i cs 订i l c m r e0 f t l l ep a p e r 基于路网结构的道路选线研究 1 5 2 章节简介 第1 章绪论 本章首先介绍了道路选线这研究领域的发展背景，并论述了该领域国内外的研究 进展。接着提出本研究的目的、内容及意义，本研究的思路及技术的创新点。最后介绍 本论文的组织结构及各章节内容的简介。 第2 章道路选线理论及优化模型 本章是本论文研究内容的总括章节，包含5 节。第1 节介绍了道路选线研究的基本 概念、原则、步骤、方法以及它的影响因素；第2 节介绍了地理信息系统的概念和功能； 第3 节介绍了遗传算法的概念、步骤及特点：最后的第4 节，在前面3 节的基础上，分 析了道路选线问题，。提出了本论文的道路选线研究的总体框架，以及道路选线模型的求 解步骤。从全文结构看，在接下来的3 、4 、5 、6 章，是本章提出的道路选线模型中每 一部分的详细介绍和描述。 第3 章道路空间线形模型 本章是道路选线模型中的一个环节。本章前一部分，基于道路设计理论，介绍了道 路线形设计的基础。后一部分，介绍了在模型中，如何实现在地理信息系统中设计和表 达道路的空间线形。 第4 章新建道路自身建设引发的费用模型 本章介绍了由新建道路的自身建设所引起的各相关费用的计算方法。曹先第1 节对 新建道路自身建设引起的相关费用进行了综述。然后用4 个小节，分别介绍了道路基本 建设费用、占地和拆迁费用、桥梁和隧道建设费用以及土石方工程费用的计算方法。 第5 章新建道路在路网中诱发的效益模型 本章的内容是本文的重点，也是本文的研究特色，这里介绍了新建道路在道路网络 中诱发的效益的计算方法，包含5 个小节。第1 节，对新建道路在道路网络中诱发的效 益的综述；第2 节，介绍了新建道路引起的路网拓扑的变化及其在地理信息系统中的实 现：第3 节，介绍了交通量分配的概念、求解模型及其实现方法；第4 、5 节是在前面 小节的基础上，分别从路网o d 交通走行时间的变化和路网环境负荷变化这两方面，介 绍了新建道路在路网中诱发的效益的计算模型。 第6 章经济效益评价 本章是本论文的道路选线研究模型的最后一部分，介绍了一条新建道路的评价方 法，以及在遗传算法中，道路方案个体的适应度函数的计算方法。 第7 章模型的数字试验及评价 大连理工大学硕士学位论文 本章通过一个数字试验实现了本文提出的模型，并对模型的实现效果，进行了评价 和总结。 结论 本部分，是全文的总结。这里对本论文的研究内容和成果进行提炼、总结和展望。 本部分进一步提出了本模型的特色、不足以及未来的改进空间，以及展望了道路选线研 究领域未来的发展趋势。 基于路网结构的道路选线研究 道路选线理论及优化模型 2 1 道路选线概述 2 1 1 道路选线的概念 道路选线是在道路规划路线起终点之间选定一条技术上可行，经济上合理，又能符 合使用要求的道路中心线的工作。一条路线的起、终点及中间必须经过的城镇或是地点， 通常是道路网规划所规定的，这些指定的点称为“据点”【5 1 。道路选线主要是在据点之 间选择，确定道路的空间走向。 2 1 2 道路选线的原则 ( 1 1 应符合道路线形设计的基本要求 路线设计应根据道路等级及其功能，正确运用技术标准，保持线形连续、均衡、确 保行驶安全、舒适。道路选线和定线与道路线形设计有着密切的关系，线形设计是对道 路路线平、纵、横三方面的一种综合设计。选、定线工作作为线形设计的先导，应符合 线形设计的基本要求。 ( 2 1 做好方案拟定和比选 路线基本走向的选择，应根据任务书指定的路线总方向( 路线起、终点和中间控制 点) ，考虑道路等级及其在道路网中的作用，并结合铁路、航道、管理的布局和城镇、 工矿企业、资源状况、土地开发利用和规划的情况以及水文、气象、地质、地形等自然 条件，从大面积着手，由面到线，从选出的所有可能路线方案中，通过调查、分析、比 选，最后确定一条最优路线方案。 f 3 、正确运用和掌握技术标准 选、定线时应在保证行车安全、舒适、迅速的前提下，使工程数量小，造价低，运 营费用省，并有利于施工和养护。在工程数量不大时，应尽量采用较高的技术指标，不 应轻易采用接近极限或低限指标，也不应片面追求高指标。 ( 4 ) 合理布设直线、弯道及其相互之间的衔接 布设路线，要力求平顺。就是说，要使车辆能以平稳的车速行驶，若车速必须变化 时，也要力求变化徐缓。在平面线形上，影响车速平稳的主要因素是交叉口和弯道。在 城市道路上，不可避免地每隔若干距离就会有一个交叉口。因此，宜尽量利用交叉口使 路线作必要的转折以减少弯道。由于控制点和其他地形、地物的限制、必要时仍需设置 弯道。为保证行车平顺，在插入弯道时，要尽量使弯道半径大一些( 大于技术标准中规 大连理工大学硕士学位论文 定的推荐半径) 。在不得已设置小于推荐半径( 但不得小于最小半径) 的弯道时，必须按技 术标准设置超高、加宽、缓和段或缓和曲线。 ( 5 1 注意与农业配合 选、定线时应同农田基本建设相配合，做到少占田地，并应尽量不占高产田、经济 作物田或经济林园( 如胶林、茶林、果园) 等。 ( 6 ) 应与周围环境、自然景观相协调 路线线位应尽可能避让不可移动的文物、自然保护区、通过名胜、风景、古迹地区 的道路应与周围环境、景观相协调，注意保护原有自然状态和重要历史文物遗址。 ( 7 ) 重视水文、地质条件 道路选线必须由面到带，由带到线，在对地形、工程地质、水文地质等调查与堪察 的基础上论证、确定路线方案。 对于滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶、软土、泥沼等严重不良地质地段和沙漠、 多年冻土等特殊地区，应慎重对待。一般情况下，路线应设法绕避。当必须穿过时应选 择合适的位置，缩小穿越范围，并采取必要的工程措施。 ( 8 1 应综合考虑路线与桥位的关系 选、定线中，个别特殊大桥桥位一般应作为路线总方向的控制点；大、中桥桥位原 则上应服从路线的总方位，一般作为路线方案的控制点，小桥涵位置应服从路线走向。 ( 9 ) 重视环境保护 加强环境保护，重视生态平衡，为人类创造良好的生态环境，是我国的一项基本国 策。选线和定线时应综合考虑由于道路修建以及汽车运行所产生的影响与污染等问题， 具体应注意以下几个方面： 路线对自然景观与资源可能产生的影响。 占地、拆迁房屋所带来的影响。 路线对城镇布局、行政区划、农业耕作区及水利排灌体系等现有设施造成分割 而产生的影响。 噪音对居民的影响。 汽车尾气对大气、水源、农田所造成的污染及影响。 对自然环境、资源的影响和污染的防治措施及其对策实施的可能性。 ( 1 0 ) 其他因素 在选择城市道路路线的方位时，要考虑到风向和日照的影响；考虑到为城市交通安 全、绿化、排水、煤气、地下管线等提供有利的条件；为城市或其所在地区的发展留有 余地。 基于路网结构的道路选线研究 2 1 3 道路选线的步骤 道路选线工作面对的是一个十分复杂的自然环境和社会经济条件，需要综合考虑多 方面的因素，所以整个道路选线工作必须由浅入深，由轮廓到具体，按照测设程序分阶 段分步骤地进行，比较分析后，选定最合理的路线。一般按全面布局、逐段安排和具体 定线三个步骤进行。 ( 1 ) 全面布局 全面布局就是确定路线的基本走向，即在“据点”间寻找可能通过的“路线带”， 并确定一些主要控制点。 全面布局，是关系到道路“命运”的根本问题。全面布局如果不当，即局部路线选 的再好，技术指标确定得在恰当，仍然是一条不理想的路线。因此在选、定线中，首先 应着眼于全面布局，解决好基本走向问题。 全面布局一般在现场视察的基础上，经过方案比选后确定。 f 2 1 逐段安排 逐段安排是解决局部路线方案的工作，即在主要控制点间，结合地形、地质、水文、 气候等自然条件，逐段定出具体的小控制点。 逐段安排路线的工作应在踏勘测量或详测前分段察看中进行。 ( 3 ) 具体定线 具体定线是在逐段安排路线后确定的小控制点间，根据自然条件和技术标准，进行 路线平、纵、横综台设计，具体定出道路中线位置。 具体定线工作是在道路详细测量时进行的。 2 1 4 道路选线的方法 ( 1 ) 实地选线和定线 实地选线和定线是指选、定线人员，根据设计任务书的要求，深入现场进行勘察测 量，直接选定道路中线位置。 其特点是简便、切合实际，一般不需要大比例尺地形图，因面对实地地形、地质和 地物，做出的方案比较可靠。但是，这种方法野外工作量很大，体力劳动强度大，野外 测设工作受气候、季节的影响大；同时由于地形复杂、视野受限，使路线的选定在利用 地形上具有一定的不彻底性，平、纵面线形配合问题也难以彻底解决。 实地选线和定线一般适用于等级较低、方案比较明确的道路。当实地选定出的路线 由个别路段线位不当时，可采取纸上移线的方法对其加以修改( 而不必实际修改) 使之达 到经济、合理的要求。 大连理工大学硕士学位论文 实地选线和定线是我国传统的一种选、定线方法，在今后的个时期内，也仍将是 地方道路一个重要的选、定线方法。 f 2 ) 纸上选线和定线 纸上选线和定线是在已测得的大比例尺地形图上( 可人工测量和航测) ，进行路线方 案的拟定和比选并逐段安排路线，从而在图纸上确定线位，其一般步骤是： 实地敷设导线： 实测地形图； 纸上选定路线； 实地放线。 其特点是野外工作量较小、测设速度快，测设和定线受自然因素干扰小，能在室内 纵观全局，结合地形、地物及地质条件，综合平、纵、横三方面因素，所选定的路线更 为合理。但纸上选线和定线必须有大比例尺地形图，地形图的测设需要花费较大的工作 量，并应具备一定的设备。 纸上选线和定线在选、定线方面具有明显的优越性，特别对于高等级道路和地形、 地质及路线方案十分复杂的道路更为适用。 随着航测技术的发展，航空摄影成图可显著缩短地形图的成图时间，并节省大量测 量工作，纸上选线和定线方法己开始得到广泛应用。 ( 3 ) 自动化选线和定线 随着航测技术和电子计算机技术的发展，一种将航测和电算相结合的自动化选线、 定线方法已研制成功。 自动化选线和定线的基本作法是：先用航测方法测得航测图片，再根据地形信息建 立数字地形模型( 即数字化的地形资料) ，把选线和定线设计的要求转化为数学模型，将 设计数据输入计算机，由计算机按照定的程序进行自动选线和定线，并进行分析、比 较、优化，最后通过自动绘图仪和打印机将全部设计图表、文件输出。 自动化选线和定线用电子计算机和自动绘图仪代替人工来完成大量、繁重的计算、 绘图、分析比较工作，能够使路线方案更为合理、省工省时，已成为今后道路选线和定 线工作的发展方向。 2 1 5 道路选线的影响因素 在道路选线的过程中，路线方案的比选要考虑多方面的因素，而各种因素又是互相 联系和互相影响的。归纳一下，主要包括以下几个重要的方面： ( 1 ) 工程因素 基于路网结构的道路选线研究 工程因素，主要是考虑路线方案的工程造价 程，路面工程等等相关的经济费用。 ( 2 ) 环境因素 环境因素，主要是考虑道路方案对自然环境 ( 3 ) 社会因素 包括石方工程，桥梁工程，隧道工 社会环境等的影响和破坏。 社会因素，主要是考虑道路方案在路网中能够发挥的作用和地位。 2 2 地理信息系统概述 2 2 1 地理信息系统的概述 目前，世界正由“后工业社会”跨入“信息社会”，高新技术应用于信息获取，展 示等方面出现了根本性的变革，“信息高速公路”、“知识经济”、“数字地球”都是 当今全球针对信息重要性的认识、信息传播手段而提出的崭新概念，其特征是“信息电 子化”。在电子和信息技术飞速发展的今天，围绕信息的获取和展示，出现了令世人瞩 目、最前沿的领先技术- c b o 聊l l i ci n f o n l l a i i o ns y s t e m 技术，简称为g i s ，全称地理信息 系统。 地理信息系统的产生是计算机技术和信息系统发展的共同产物，它集地理、图形、 数据、分析技术为一体，以崭新的面貌出现在世界各个应用领域。一个成熟的地理信息 系统是由组织的计算机软件与硬件的集合，用于高效地创建、操作、分析和显示备种类 型的地理或空间参照的数据1 4 “。 地理信息系统是以采集、存储、管理、描述和分析与地球表面及空间地理分布有关 的数据的信息管理系统。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬件、软件环境支持 下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析 方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析 和决策服务而