（道路与铁道工程专业论文）干线公路路面典型结构决策支持系统的研究与开发.pdf

摘要 本文分析了国内外决策支持系统的发展和应用，初步探讨了将g i s 应用于地区级路 面典型结构决策支持系统的可行性，设计出利用g i s 二次开发建立路面典型结构决策支 持系统的结构框架，并提出了各项功能实现的具体方式，最终将干线公路路面典型结构 决策支持系统集成到g i s 平台中，将传统路面管理系统与基于g i s 的路面典型结构决 策支持系统相结合，根据公路管理者在实践中的具体要求，兼顾g i s 界面与传统路面管 理系统的优势，顺利实现基于g i s 的路面典型结构决策支持系统的建立。 本文研究与设计的要点着重在系统开发过程中，将干线公路路面典型结构决策支持 系统数据库组建于g i s 平台上，并结合数据库建立原则，对系统的空间数据库和属性数 据库进行详细设计，并将两者进行连接建立路面典型结构管理数据库。利用c h - b u i l d e r 与m a p o b j e c t s 控件，a c c e s s 数据库的联合开发，实现地图与数据的双向快速查询，并 结合湖北省气候分区的特点，提出了一种新的工程数据分类方法，有效地解决了数值较 为分散的指标对分类结果的干扰。通过引入各指标的权重，有效地解决了在具体的工程 问题中，各指标的重要程度不同问题。此外还提出了对应不同的数据信息种类所占权重 不同这一特定的条件下的空间内插方法，并解决在工程领域中已有点的数据通过空间的 向量关系，插值出未知点的数据的问题。在上述研究的基础上成功开发了基于g i s 的路 面典型结构决策支持系统。 关键词：干线公路；路面典型结构；决策支持系统；地理信息系统( g i s ) ；数据库； 气候分区 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no fg i st ot h ep a v e l e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ( p d s s ) b o t ha t h o m ea n da b r o a d ，e x p l o r e st h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gg i st ol o c a l 聊i c a ls t r u c t u r ep d s s ，w o r k so u tt l l e f m m e w o r ko f 聊i c a ls 仃u c t u r ep d s sb 雒e do ng i ss e c o n d a 呵d e v e l o p m e n t ，雒w e l l 弱c o m e su pw i m c o n c r e t e 油p l e m e n t a t i o nm e a s u r e sf o rs u c h 如n c t i o n s t h j sp a p e rf e a t u r e sm e 访t e g r a t i o no ft y p i c a l s 仃u c n j r ep d s sf o ra r t e r i a l1 1 i g h w a yw i t l lt 1 1 eg i sp l a t f o 咖，l ec o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a lp m sw i t l l 聊i c a ls 仃u c t u r ep d s sb 舔e do ng i sa n dt h es u c c e s s m lr e a l i z a t i o no ft l l ee s t a b l i s h m e n to fg i s 0 r i e n t e d 1 卯i c a ls 仃u c t u r ep d s sa c c o r d i n gt om ec o n c r e t er e q u n m e 鹏o f r o a dk e e p e ri i l ( 1 u ec o n s i d e r a t i o no ft l l e a d v a i l t a g e so f b o 山t l l eg i si i l t e r f a c e 觚dt m d i t i o n a lp m s t h i sp r o j e c t1 a y ss 仃e s s0 ne s 讪l i s l l i n ga1 卯i c a ls t m c n 鹏p d s sd a 讪a s ef o ra n 喇a lh i g h w a yo nm e g i sp l a t f 0 衄i ns y s t e md e v e l o p m e m 嬲w e n 私d e s i 印j n g0 u t 龃dc o n n e c 衄gt h es p a t i a ld a t a b 硒ea 1 1 d 砌b u t i v ed a t a r b 猫eo ft 1 1 es y s t e mi i ll i l l ew i t hr e l e v 锄td a t a _ b 豁ee s 诅b l i s gp r i n c i p l e st os e t 叩at 如i c a l s 仃u c t u r ep m s 胁a b a l s e w i t l lt 1 1 ej o i n td e v e l o p m e n to fc + + b u i l d e r m a p o b j e c t s 锄da c c e s sd a 协a s e ，“s p r o j e c tr e a l i z e st t l er 印i d 铆o w a yi i l q u i r yo fm 叩a n dd a t a ，a n dp u t sf o r w a r dai l e wc 1 舔s i f i c a t i o nm e m o d f o rp r 巧e c td a t aw i t l lr e g a r dt ot l l ec l i m t ed i v i s i o nf e a t u r e so fh u b e ip m v i n c e ，w 1 1 i c he f i e c t i v e l ys o l v e s 恤 p r o b l e mo fs c a t t e r e dd a t ai n d e x e s i 1 1 t e r f e r e n c eo nt h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l t ，嬲w e l la sm ev a r i e dd e g r e eo f i i i l p o n a n c eo fd i 任b r e n ti l l d e x e s 血c o n c r e t ep r o j e c t sw i t t lt i l eh e l po fi 1 1 d e xw e i g h t m o r e o v e r t l l i sp a p e r i 1 1 t r o d u c e st h em e t l l o do fs p a t i a l i n t e 叩o l a t i o nu n d e rt i l es p e c i a lc o n d i t i o nt 1 1 a td i 髓r e n td a t ai n f o m ：l a t i o nh 弱 d i 脆r e n tw e i g h tr a t e s ，a n dp r o v i d e sas o l u t i o nt ot h ei n t e 巾o l a t i n go fu i l j d e n t i f i e dp o i n td a t at i 们u g h i d e n t i f i e dd a t aa 1 1 dt h ev e c t o rr e l a t i o no fs p a c e b a s e du p o nt l l ea b o v e - 圮n t i o n e dr e s e a r c h ，l i sp 叩啊 d e v e l o p ss u c c e s s f h l l yt l l eg i s o n e n t e d 聊i c a ls t m c t u r ep d s s i ( e yw o r d s ：a r t e r i a lh j g h w a y ，p a v e m e n t 聊i c a ls t m c t u r e ，d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，g e o g r a p h i c 1 1 1 f o 珊a t i o ns y s t e m ( g i s ) ；d a t a b a s e ；c l i m a t ed i v i s i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：巷乎钤乌 留午厂月力刀 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 罨窘於刍护厂年岁月加日 长安人学硕士学位论文 1 1 选题的依据和意义 第一章绪论 路面是道路主要工程结构物，路面状况的好坏将直接影响到车辆的行车舒适性。由 于国民经济的高速发展，公路运输出现了“重载、大流量及渠化交通”的特点，许多公 路路面已明显不能满足现代化大交通的发展，这就对公路路面的强度、稳定性、使用品 质提出了更高的要求。许多地区的路面结构形式不能充分反映各地区的具体情况，在某 些情况下设计脱离工程实践，其结果不是过于保守就是厚度不足而导致早期破坏，造成 很大的经济损失。为了保证公路交通的正常运行，合理利用有限的养护资金，以适应社 会主义建设的需要，公路的路面结构形式显得日益重要。公路里程不断增加，需要更多 的适合各个地区的路面典型结构的推荐，所采用的设计方法、考虑的综合因素越来越多 和复杂，因此为了研究更多的适合于地区级的路面设计方法，需要搜集大量的气候、水 文、行车条件、自然条件、材料、施工技术等资料进行科学的分析才能达到，而搜集大 量的相关资料很费工费时，如果人工来处理这些资料以及推荐的相应的路面典型结构效 率就会很低，并且不能保证它的科学性和合理性，为了弥补这一不足，结合地理信息系 统( g i s ) 的发展，运用地理信息系统实现对与地理有关联的公路路面典型结构管理信 息的管理，尽量改变以往的路面管理方式，达到公路路面结构信息的可视化、公路典型 路面结构决策优化的科学化、公路路面典型结构管理方式的现代化，更好的为社会提供 有必要的服务。 我国地区广阔，自然环境复杂多变，想把统一的软件系统应用于全国是不合理的， 另外系统使用者的要求尤其不能忽视，管理者对于路面决策支持系统数据可视化等建议 的呼声越来越高，这就要求地区级路面典型路面决策支持系统必须针对具体的路网条 件，对于管理者实用性较强，而且具有区域特色。以往的路面管理系统采用传统的数据 库管理方式，直观性差，缺少空间分析能力，难以成为真正的路面决策分析工具。g i s 最适用于进行地理空间数据处理的计算机应用系统，公路具有典型的线性特征，是适于 应用g i s 进行形象化管理的实体。道路除了几何、结构、性能等特征的传统属性信息外， 还具有表征其地理位置及其空问特性的空间属性信息。g i s 既可管理对象的位置又可管 理对象的属性，而且两者是自动关联的。由于公路数据所具有的地理特性，路面典型结 构信息的管理应当实现对传统属性数据和空间数据的同步处理，依托g i s 的图库和数据 第一章绪论 库，就可快速查询和分析处理。因此建立基于g i s 满足使用者要求的干线公路路面典型 结构决策支持系统，已经成为许多公路管理部分的迫切要求。 1 2 路面决策支持系统的发展概况 1 2 1 国外发展状况 在国外，决策支持系统( d s s ) 的研究愈来愈受到人们的重视，围绕d s s 的活动十 分活跃，新的学术团体、学术刊物不断涌现，学术会议不断举行。研制项目和应用都取 得了可喜的进展，主要应用于企业的预算、分析、计划、以及财会、生产与销售等部门。 也有应用于社会科学、宏观经济等方面，涉及到企业、军事、经济、环境、医学、能源、 交通、公安等部门。下面是几个国外应用d s s 的典型例子。 一是p s 。由美国e x e c u c o m 公司研制的p s 是一个会话式财务计划系统，用 来辅助经理进行计划与决策。它使用一种类似英语的对话式语言，能够回答 “、枷a t i f ”之类的问题，可以很灵活地适应企业组织结构与管理方法的改变， 能够根据不同的模型进行模拟、预测、风险分析、统计加工等。p s 已广泛应用于中高 层管理决策，很受用户欢迎。 二是g a d s 。由m 公司开发的地理数据分析和显示系统g a d s ，是一种与地理区 划有关的d s s ，如资源分配、设备配置以及中小学就近入学规划等都是这类决策的例子。 各种决策活动均在城市地图上进行，如确定各种可供选择的方案，进行方案评估等。现 在，g a d s 已发展成为d s s 生成器，它具有对话、数据和模型三个主要组成部分，用 于建立专用d s s 。例如美国加利福尼亚州s a nj o s e 城的“巡警分配系统”和m m 公司 办公产品部的“复印机维修系统”，均是用g a d s 生成的专用d s s 。 三是脚心v i s 。p a m s ( p l a i la n a l y s i sa n dm o d e l i n gs y s t e m ) 是由g e t t y 却i l 公司研制的 一个用于辅助投资的决策支持系统，它可用于复杂情况下的投资效益分析。 日本第五代计算机开发计划方向之一就是d s s 和e s 的集成。系统的一个关键部分 是知识库及其管理系统，它把目前d s s 的数据库管理系统都结合了进去。 欧洲的信息技术战略研究计划( e s p r i t ) ，是个庞大的计划，是欧洲为了集中力量 与美、日抗衡而建立的。这个项目包括现代微电子技术、现代信息处理技术、办公室系 统、计算机一体化和软件技术五部分，细分为2 8 个研究领域。 许多大学：如亚利桑那、明尼苏达等大学设置了g d s s 实验室，从事相关理论研究 和g d s s 软件开发并投入使用，获得了好的效果。大部分d s s 生成器及软件开发环境 2 长安- 人学硕十学位论文 供在校学生免费使用。许多硕士、博士论文都是与实际项目结合在一起，一些大学生从 二、三年级就开始参加实际项目，同时参加各种学术活动。 1 2 2 国内发展状况 在我国，d s s 的研制和开发是在1 9 8 5 年前后开始的。从长远观点看，我国的d s s 仍处于起步阶段。但由于政府重视，发展较快，在各个领域发挥了重要作用，显示出强 大的生命力。我国的“8 6 3 计划把信息系统领域作为发展的重中之重。与d s s 和i d s s 直接相关的或影响到d s s 和d s s 的主体有5 个。下面给出几个国内有影响的开发使用 的d s s 实例。 一是海运优化调度系统。1 9 8 6 年由清华大学研制，用来帮助海运部门合理调动船只， 使得在完成货运计划时总成本最低，并尽可能缩短货运时间。 二是智能型资源分配与货物调运系统。1 9 8 6 年由华中理工大学自动化系研制，用来 对铁路部门进行各种资源的分配和调运的优化分析。 三是由黄小原等人1 9 9 3 年在辽宁省政府机关开发的省级决策支持系统，其实本质 是一个决策支持中心，为省级领导的工作提供咨询服务。在有关通货膨胀、辽宁省“八 五”计划和十年规划、大中型企业问卷调查、提高粮油售价等重大社会经济问题上，为 省委、省政府提供了决策支持环境和结果数据【2 1 。 总的看来，d s s 的应用可分为2 个方面，一方面是在战略规划的应用：如大连理工 大学系统工程研究所开发的山西整体发展研究d s s 、由中科院生态环境研究中心开发的 县级综合发展d s s 、西安交通大学开发的大型水利工程( 三峡工程) d s s 等。另一方面 是在各行业经营管理上的应用：如中国热带农业科学院系统工程中心研究的海南芒果生 产营销e s 、大连海事大学开发的港口装卸设备选型与更新d s s 、西北工业大学的军事 指挥d s s 等。 目前国内的d s s 正在向综合集成方向发展，在应用领域上，正在全方位展开。过 去的几年中我国的区域规划和管理的d s s 取得了很大成就，积累了比较丰富的经验， 这个领域仍将十分活跃，并在国际上产生较大的影响【引。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 系统体系结构的设计 3 第一章绪论 系统分为三层构建：最下面一层为工程信息数据库，包括气候分区、经济发展情况、 交通量组成、地基回弹模量、筑路材料信息、水泥混凝土路面合理性库、沥青路面合理 性库；在此基础上，构建沥青路面典型结构决策器、路面结构组合排水决策器、旧路面 加铺典型结构决策器、旧路面排水改造决策器；最上面一层为与用户直接交互的用户界 面系统。包括：系统结构设计、系统功能设计、开发方式、开发平台的分析选择、系统 软硬件环境设计、用户界面设计。 ( 2 ) 工程信息数据库的建立 对调查数据及分析结果进行标准化和数字化，采用关系数据库对其进行存贮与管 理。数据库是路面典型结构决策支持系统的基础，首先要把路面典型结构、交通量、气 候、材料、土基回弹模量等详细数据纳入路面典型结构决策支持系统数据库中，为干线 公路路面典型结构决策支持系统的建立提供更为详细的数据信息。同时将这些数据输入 程序数据库，和有关电子地图数据一起丰富路面典型结构决策支持系统数据库，为干线 公路路面典型结构决策支持系统提供所需要的数据信息，以完善程序的辅助决策功能。 ( 3 ) 用户界面的开发 ，采用c + + b u i l d e r 为开发工具，开发以用户为中心的、集成的和互动的g i s 用户界 面，接受用户输入并输出相应的决策结果。 ( 4 ) 系统软硬件环境设计 系统的硬件配置要求p e n t i u mi i i 以上机型，2 0 g 以上容量硬盘，1 2 8 m b 以上内存， 显示器的分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ，至少2 5 6 色；系统的软件配置要求操作系统w i n d o w s2 0 0 0 中文版或w i n d o w s 操作系统，系统集成开发语言c h b u i l d e r 5 ，g i s 开发平台 m a p o b j e c t s 2 o ，数据库管理系统m i c r o s o ra c c e s s 2 0 0 3 。 ( 5 ) 完成系统的集成 路面典型结构决策支持系统的集成是一个比较庞大的工程，需要长时间的开发和完 善，由于该系统的典型结构决策模块包含大量的模型需要大量的数据，因而此部分的研 究的重点建立一套采用数据挖掘中的聚类分析来对地区级的气象数据进行气候分区的 方法以及适合典型路面结构优化的设计结构、理论和方法体系，而不是全部系统功能的 实现，这部分会随着同后数据量的充实而逐步完善。 1 3 2 系统开发的技术路线 本系统的研制开发过程中，使用了以下的技术路线： 4 长安大学硕士学位论文 路面决策支持系统分析路线，包括典型路面决策支持系统的定位一系统需求分析 系统设计一系统实现一系统调试叶系统维护。 以上技术路线涵盖了整个路面典型结构决策支持系统软件生命周期，为系统的开 发、实现和维护提供了相应的指导。 在开发过程中选用了业界领先的面向对象开发工具脚r i s e b o r l a n d 公司的 c + + b u i l d e r 5 集成开发环境，采用了m a p o b j e c t s 作为开发过程中的地图控件，根据本系 统对数据量的要求，无需采用大型的数据库管理系统，因此本系统使用m i c r o s o f i 的 a c c e s s 2 0 0 3 ，保证了开发的顺利进行和后期的维护方便。 5 第一二章g i s 与路面典型结构决策支持系统的结含 第二章g i s 与路面典型结构决策支持系统的结合 2 1g i s 的基本理论 地理信息系统是在计算机软件和硬件系统的支持下，以地理空问数据库为基础，采 集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据，为地 理研究和地理决策服务空间信息系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间 实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于 分析和处理在一定地理区域内分布的各种现蒙和过程，解决复杂的规划决策问题。g i s 实现了图形和数据的结合，以数据可视化的方式提供一种崭新决策支持方法。从上面的 定义可知，它具有以下三个方面的特征： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态 性。 ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型为手段，具有区域空间分析、多 要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专 门的地理分析方法，作用于空间数据，产生更加有用的信息。 一个完整的g i s 应用系统包括数据采集设备、计算机硬件、g i s 软件、g i s 数据及 应用软件。其中数据采集设备、计算机硬件及g i s 软件是可以直接购买的。应用软件是 针对不同应用系统的要求由系统设计人员开发的。数据则是根据不同g i s 应用系统所需 数据的不同，部分或全部采集的。 2 2g i s 的基本功能 ( 1 ) 数据采集与编辑 主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、 数值逻辑一致性与正确性等。g i s 将数据抽象为不同的层的实体地物要素，按顺序转化 为x ，y 坐标及对应的代码输入到计算机中。 ( 2 ) 数据存储与管理 空j 白j 数据结构的选择在一定程度上实现所能执行的数据分析功能：在地理数据组织 与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。因此地理信息系统数 6 长安大学硕一 j 学位论文 据管理功能，除了与属性数据有关的d b m s 功能之外，对空间数据的管理技术还包括： 空间数据库的定义、数据访问和提取、从空间位置检索空间物体及其属性、从属条件检 索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。 ( 3 ) 数据处理与变换 初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数据的格式化是指不同数据结 构的数据间变换、耗时、易错等尽可能避免；数据转换包括数据格式转化、数据比例尺 的变化等。目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱，与地图综合的要求还有很大 的差距，需要进一步发展。 ( 4 ) 空间查询与分析 空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本 的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机 系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相 关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。 ( 5 ) 数据显示与输出 g i s 为用户提供了许多地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也 可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件。图形输出g i s 产品的主要表现形式，包括 各种类型的符号图、点值图、等值线图、立体图【4 1 。 2 3 路面典型结构决策支持系统的基本组成 路面典型结构决策支持是以有组织的方式把同路面有关的各个方面组合在一起，从 采集处理和分析各个路段的数据，到鉴别目前和今后的养护和改建需要，到编制改建和 养护计划，到通过设计、施工、养护实施这些计划。系统是在各方面活动之间建立起联 系和协调关系。 路面典型结构决策支持系统建立和实施目的是帮助管理部门改善所做出的决策效 果，扩大决策的范围，为决策的效果提供反馈信息，以积累管理经验，并保证部门内各 级单位决策的协调致性。 路面典型结构决策支持系统中的数据采集系统，是运用客观而科学的数据采集方 法，采集路面状况数据，建立路面使用性能预估模型，进行路面使用性能评价，并对路 面性能满足要求的程度做出判断。利用这一判断，可以判别路面状况是否适应目前的交 通和使用要求，了解路网的服务水平，确定路网内的那些路段需要采取养护和改建措施 7 第二章g i s 与路面典型结构决策支持系统的结合 以及采取什么措施较合适。为之选择相应的养护和改建对策，并作为项目优先排序的一 项依据。路面典型结构决策支持系统中，数据采集系统需采集的路面状况数据主要有： 气象数据、经济发展情况、交通量组成、地基回弹模量和筑路材料信息五个方面，是道 路典型结构推荐和改建计划编制的依据。 数据库管理系统由路网参照系统、数据文件和数据管理三部分组成。路面典型结构 决策支持系统是借助于计算机技术进行路面养护评价、预测、分析和决策的计算机辅助 决策系统，数据库是这一系统的基础。系统所需的路况数据以不同的方式采集后输入计 算机，通过数据库加以处理和管理，为系统的网级项目决策提供所需要的数据。数据库 通常包含下述几类信息，高程、路网、气象信息、经济发展情况、交通量组成、地基回 弹模量、筑路材料信息等；养护和改建方面数据：曾采取过养护和改建措施的类型、日 期和费用等；路面使用性能方面数据：环境( 降水、温度等) 、交通( 日交通量、标准 轴载) 和单价等。 2 4g i s 和路面典型结构决策支持系统的结合 2 4 1 将路面典型结构决策支持系统组建于g i s 平台的优势 g i s 是一种决策支持系统，它以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法， 适时提供多种空间的和动态的信息。基于g i s 进行路面决策支持系统的开发，使道路的 管理和道路的地理信息相结合，通过对地理地图信息的查询，同时获得道路空间信息和 属性信息，使管理更加形象、直接。 道路除具有表征其几何、结构、性能等特征的传统属性信息外，还具有表征其地理 位置及其空间特性的空间属性信息。g i s 既可管理对象的位置又可管理对象的属性，而 且两者是自动关联的。由于公路数据所具有的地理特性，道路路面信息的管理应当实现 对传统属性数据和空间数据的同步处理，而传统的路面管理数据库系统很难对其进行直 观性操作。依托g i s 的图库及数据库，就可通过鼠标来实现信息的快速查询和分析处理。 2 4 2g i s 在路面典型结构决策支持系统中能实现的具体功能 结合g i s 的特性和路面典型结构决策支持系统的功能特性，g i s 在公路管理中应用 的功能如下： ( 1 ) 基本的地图管理 公路管理部门可以借助于地图进行公路管理。公路图除包括行政区划外、城市、村 8 长安大学硕上学位论文 庄、铁路及水系等般信息外，还能特别包括与公路有关的信息如公路名称、走向、等 级、里程等。应用g i s 独具特色的地图表现能力，将公路及相关信息可视化是g i s 在公 路典型结构管理中应用的基本功能。 基本地图管理操作包括地图的数字化及修改、放大、缩小、漫游、图层控制、坐标 转换和地图的输出等功能。公路信息是变化的信息，各地每年都有大量的新建、改建的 公路，利用g i s 可以方便、迅速的将这些变化反映到地图上，形成新的公路图。 ( 2 ) 属性数据管理 路面决策支持系统中的数据多数具有空问属性，如路线编码、交通量及路况数据、 评价、预测及决策等结果。将这些数据进行地理编码，建立地图要素和属性数据之间的 关系，就可以方便的在地图上显示路面典型结构决策支持系统的数据。 由于路面决策支持系统数据是g i s 属性数据的一部分，路面典型结构决策支持系统 中的数据库管理、分析、预测、决策等功能对g i s 来说，就是对其属性数据的管理。 ( 3 ) 数据查询 在g i s 应用系统中，操作者可以在与地图要素相关的数据库中设定查询条件，选定 的数据在地图上显示出来。这是g i s 中最具有代表性的数据可视化功能。g i s 的数据查 询是公路管理中常用的查询方法。操作者可以通过数据查询，了解数据所在位置。 ( 4 ) 空间查询 与数据查询相反，空间查询是通过空间范围选定查询在此范围之内所选相关信息的 属性数据。可以在地图上直接点击要查询的路段图元，系统可以将数据库对应的路段信 息展示出来。 ( 5 ) 缓冲区域分析 例如建一条高速公路会对沿线一定范围内的经济发展产生影响，高速公路的每个出 口会对以此为中心的区域经济发展产生影响，公路会对沿线环境产生影响等。g i s 的缓 冲区域分析可以辅助进行类似的分析工作。 ( 6 ) 空间关系分析 各种地图要素以不同图层的形式由g i s 进行管理。g i s 中图层与图层之间的关系的 分析称为空间关系分析。 ( 7 ) 最佳路线选择 利用g i s 的最佳路线的选择功能，可解决从甲地出发到乙地，走哪条线路最近的问 题。最佳路线选择就是确定在给定条件下从甲地到乙地的最佳路线。至于给定条件，可 o 第二章g l s 与路面典型结构决策支持系统的结合 以有许多种选择，如里程最短、油耗最小、等级限制、载重限制等。 ( 8 ) 专题图管理 专题图是在基本地图上，以不同的方式显示属性信息所形成的地图。利用专题图可 以直观的了解属性信息的基本情况，如道路等级图、交通量图等。 2 4 3 基于g i s 的路面决策支持系统相对于传统路面管理系统的转变 根据g i s 在路面决策支持系统中的功能实现，可以总结出基于g i s 的路面决策支持 系统使传统的路面管理系统发生了如下转变： ( 1 ) 数据采集方面的改变 g i s 的数据采集项包括空间数据和属性数据。空间数据可通过野外测量、遥感、数 字化等技术手段获得地图信息，以电子地图的形式存储到数据库中。属性数据除了一般 的数据之外，还包括各道路空间地理位置的行政或地球属性，以及空间数据和属性数据 之间的对应关系，并且属性数据的采集应按照g i s 的要求对数据项做出适当的改变。 ( 2 ) 对数据库结构的改变 由于g i s 空间数据的特殊性，一般对系统的空间数据和属性数据采用分开管理的方 式。对空间数据的管理采用基于拓扑数据模型的文件管理方式，使之符合基于空间要素 的查询、分析和输出；对属性数据的管理，仍采用关系型数据库。在属性数据和空间数 据之间通过一定的方式建立两者之间的联系。 ( 3 ) 对模型库的改变 基于g i s 的路面决策支持系统，在评价、预测和决策模型中空间地理位置之间的相 互关系和相互影响可以得到考虑。 ( 4 ) 对道路管理方式的改变 g i s 在路面管理中应用，使道路规划、交通规划、城市规划等相结合成为可能，交 通量的预测和交通量对养护方式选择的影响，以及养护对策的实施对交通控制和交通规 划的影响都将成为决策时考虑的因素。 1 0 长安人学硕 ：学位论文 第三章路面典型结构决策支持系统的体系结构设计 3 1概述 基于g i s 的路面典型结构决策支持系统是一项负责的系统工程，一般也要采用结构 化的分析和设计思想，即自上而下的划分模块，逐步求精，其要点为： ( 1 ) 保证系统功能的实现为最高目标 在研制系统的各个阶段，要始终贯穿系统观点，即以保证系统总体功能的实现为最 高目标。 ( 2 ) 用结构化方法构筑g i s 的逻辑设计模型 结构化方法构筑g i s 的逻辑设计模型，其实质就是使用系统的分解技术，将复杂的 系统问题逐步细化。 ( 3 ) 连续有序，循环往复，不断提高 g i s 系统设计是一个需要多次反复，并逐步提高i 完善的过程。初步的设计往往需 要经过与用户和专家多次讨论与切磋，反复修改与完善，才能最终确定。 ( 4 ) 面对用户的观点，即要最大限度地满足和方便用户 基于g i s 的设计，和其他各种类型的信息系统一样，都是为特定的用户服务的系统 的优劣评价也往往以用户的满意为最大标准。所以，最大限度的满足和方便用户，是系 统设计的基本方法，也是系统设计的重要原则之一。 3 2 系统的开发结构 系统开发按照数据流向主要分两大块，一是利用m 印o b j e c t s 组件显示电子地图数 据，并对地图数据进行查询；二是利用a d o 组件访问电子地图数据的元数据，这些元 数据详细描述了地图数据的分类信息，通过对元数据的查询可以更进一步细分查询类 型。系统的开发结构如图3 1 所示。 第三章路面典型结构决策支持系统的体系结构设计 湖 北 查询 干 牢问杏询 线 j _ v 一 r l ，、tc 厶口件 电子地图 公 i 吲跏什k - 路 ( ”。1 属性数据库 路 面 典 型 结 构 决 结果 策 支 7 i a d d 组件 持 1 系 统 图3 1 系统的开发结构 3 - 3路面典型结构决策支持系统结构总体设计 系统的总体设计旨在建立系统的逻辑设计模型。系统设计的主要任务就是从相对宏 观的角度把握系统的建设。一般在明确系统的目的、任务、目标等原则问题的基础上， 确定系统目标，根据系统的应用目的和需求分析的结果将系统要达到的基本要求具体 化。 对基于g i s 的典型结构决策支持系统总体设计的首要把握是要明确g i s 的数据流程 和功能结构。从数据流程和功能结构上看，数据进入数据库之前的部分为系统的数据准 备部分，数据进入数据库之后的部分为系统数据的应用部分。从应用上讲，地理信息系 统的功能主要是系统数据的应用部分。基于g i s 的路面典型结构决策支持系统设计，主 要是根据需求分析的结果，为用户选择合理的应用功能。 3 3 1 确定系统目标 在实际的路面典型结构决策支持系统中，管理人员要求快速便捷的获取路面现状的 各项数据以及适合某个区域的典型路面结构，具体数据能够形象的表达，路面结构能够 合理的建模，对数据进行有效的查询、分析。因此基于g i s 的路面典型结构决策支持系 统设计的出发点是满足道路管理部门的需求，实现数据快速查询、路面典型结构模型的 优化等功能。系统的设计要达到兼顾使用者对路况、材料、气候、交通量等数据的总体 及局部把握，具体来说应实现以下目标： ( 1 ) 电子地图数据和元数据的管理操作 1 2 长安大学硕十学位论文 系统对电子地图数据及元数据的读入，并提供对电子地图图层检查、图层设置、添 加标签文字、地图导出等功能。 ( 2 ) 查询检索 既要有属性数据内的查询，也要有图像和属性信息的双向查询，提供多种地图空间 的查询方式，实现对查询选项的设置、查询结果导出功能等功能。 ( 3 ) 电子地图显示 系统应具有地图的显示、放大、缩小、漫游、刷新等功能。 ( 4 ) 气候分区 系统对原有气象数据气温、降水、相对湿度、日照时数进行读入，并采用m y s q l 数据库存储，并计算出年月日平均最高、最低气温、降水、相对湿度、日照时数，根据 该地区的气象站点对应的气象站编号，找出各个气象站的年月日平均最高、最低气温、 降水、相对湿度、日照时数等气象数据，根据这些气象数据采用聚类分析方法对该地区 进行气象分区。 3 3 2 系统结构设计 根据系统目标，按照结构化系统分析与设计的思路，结合g i s 功能实现的特点，本 系统分为七大模块：属性数据库管理模块、空间查询模块、地图控制模块、地图显示模 块、气候分区模块。( 见图3 2 ) 3 3 3 系统功能设计 系统功能设计的主要任务是根据系统的目标来规划系统的规模，确定系统的各个组 成部分，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以确定系统的硬件配置，规定系 统采用的合适的技术规范，以保证系统总体目标的实现。( 见图3 3 ) 基于g i s 的路面典型结构决策支持系统各个模块主要实现以下功能： ( 1 ) 空间数据库管理模块 能完成地图文件转入、空间查询等操作。 地图文件转入：能实现电子地图文件的转入。 空间查询：使用多种选择工具，能用多种方式对地图进行点击、选择、查询。 ( 2 ) 属性数据库管理模块 能完成属性数据的读入、浏览、查询、导出等功能。 数据读入：连接系统属性数据库。 1 3 第三章 路面典型结构决策支持系统的体系结构设计 数据浏览：以表格的形式对属性数据进行展示。 湖北干线公路路面典型结构决策支持系统 i 属性数据库管理模块卒问查询模块 地图控制模块地图显示模块气候分区 属性数据库空间数据库 g i s 与数据库支撑软件 操作系统 l l 硬件l 图3 2 基于g i s 路面典型结构决策支持系统的结构 ( 3 ) 空间查询模块 能实现查询最近目标、地名查询、地名定位等功能。 ( 4 ) 地图显示模块 实现地图放大、缩小、漫游等操作。 ( 5 ) 地图控制模块 地图控制模块包括地图索引和地物控制功能。 地图索引是通过树状列表向用户显示“湖北省路面典型结构决策支持系统”中所 有地图的信息，同时允许用户通过鼠标在地图集中选择目标地图作为当前地图。 地物控制功能是通过树状列表向用户显示组成当前地图的所有图层信息，包括图层 名称、可见性。用户通过鼠标能够设置地图各个图层的可见性。 ( 6 ) 气象分区模块 此功能模块主要为典型路面结构的推荐及优化服务，气象分区的结果作为参数运用 于路面典型结构的推荐中并可在界面中被调用。 1 4 长安人学硕十学位论文 湖北干线公路路面典型结构决策支持系统 l 属性数据库管理模块 空间查询模块地图控制模块地图显不模块气候分区 数数查地地地地地地分 据据 询名图 物 图图图区 读浏 最查 索控放缩漫结 入览 近询 引制大小游果 目显 标示 图3 3 基于g i s 路面典型结构决策支持系统的功能结构框图 3 4系统开发方式和开发平台的选择 3 4 1开发方式的比较和选择 本文的研究目标是开发一个地区级的干线公路路面典型结构决策支持系统，属于应 用型g i s 的开发。应用型g i s 开发有三种主要的实现方式： ( 1 ) 独立开发 指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果 输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，在一定的操作系 统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少了开发 成本，但对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很 难在功能上与商业化g i s 工具软件相比，而且在购买g i s 工具软件上省下的钱可能还抵 不上开发者在开发过程中所耗的时间与精力。 ( 2 ) 单纯二次开发 单纯二次开发指完全借助于g i s 【具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s 对的a r c v i e w 提供了 a v e n u e 语言，m a p i n f o 公司开发的m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等等。用 户可以利用这些宏语言，以原g i s 工，! 软件为开发平台，了l ：发出自己针对不同应用对象 的应用程序。这种方式竹时省心，但进f 亍二次开发的宏语言作为编程语言j 能算是二流， 15 第三章路面典型结构决策支持系统的体系结构设计 功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽人意。 ( 3 ) 集成二次开发 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件( 如m c v i e w 、m a p i n f o 等) 实现g i s 的基本功能，以通过软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l p l l i 、v i s u a lc + + 、c 牟、 v i s u a lb 戚c 、p o w e r b u i l d e r 等为开发平台，进行二者的集成开发。 集成二次开发主要有两种方式： a o l e 集成开发 采用o l e a u t o m a t i o n 技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以o l e 自 动化方式启动g i s 工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取返回信息，实现应用程 序中的地理信息处理功能。 b g i s 组件集成开发 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在o c x ( o l ec u s t o mc o n t r o l s ，o l e 自定 义控件) 技术基础上的g i s 功能组件，如e s 的m 印o b j e c t s 、m a p i i 怕公司的m 印x 等，在c 撑、v i s u a lc + + 、c + + b u i l d e r 、d e l p l l i 、v i s u a lb a s i c 等编程语言编写的应用程序 中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。 根据本系统开发的具体要求，系统将o l e 自动化和组件式开发两种方式结合使用， 在系统主要模块的功能实现中，g i s 控件可以方便快捷的实现功能操作。 3 4 2 系统开发平台的选择 ( 1 ) 系统开发模式与g i s 组件选择 组件式软件开发技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术潮流， g i s 软件就像其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供全部 系统或具有二次开发功能的软件，过渡到厂家提供组件由用户自己再开发的方向上来。 无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应用模式带来巨大影响。 g i s 技术的发展，在软件开发模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件，到 组件式g i s 和w 曲g i s 的过程。传统g i s 虽然在功能上已经比较成熟，但是这些系统多 是基于十多年前的软件技术，属于独立封闭系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用户 难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i