考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法、系统与流程

1.本发明涉及城市规划、城市交通、gis地理信息系统等技术领域，特别是一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法。


背景技术：

2.栅格可达性的优点是运行速度快、分析结果可直接覆盖全部研究区范围等特点，使得该方法在城市规划、可达性建模、城市交通、gis地理信息系统等领域得到了十分广泛的应用。然而，栅格可达性计算的缺点也是非常明显的。由于该方法是通过栅格图像来进行可达性计算而使得现实应用中也存在了诸多问题，如使得计算过程中并不能自主的识别道路之间的空间交叉情况、高速铁路和高速公路的封闭运行等特征。此外，乘客的高铁出行过程中，在高铁站点需要花费的时间较长，其可以理解为从城市道路换乘到高铁出行系统时，换乘出行时间应该纳入到整个栅格可达性的时间消耗中。而这样的可达性时间消耗在现有解决方案中没有被提及和解决。同时，还应注意到，即使在设置了节点换乘时间消耗的解决方案后，在高铁等类似的交通运行系统中，还存在着一个重要的技术难点问题：一般而言，一次乘客选择高铁运行，在同一个班次出行过程中，一般只是在上高铁站点和下高铁站点过程中产生了大量的站点内部换乘时间消耗。其所在的班次在中间的停靠站点一般只有5分钟的时间消耗。因此，在栅格可达性计算过程中，如何考虑高铁等特定交通运输方式在多站点运行过程中如何避免计算多次换乘时间问题是一项重大的技术难点问题和迫切需要解决的技术问题。
3.然而，现有的技术都没有综合的考虑到这些问题，只是简单地考虑了道路封闭系统运行特点，没有实现换乘时间换算，以及高铁等特定交通运输方式在多站点运行过程中如何避免计算多次换乘时间等重难点技术和工程应用问题。也就是说，现有的解决方案没有对现有存在的重大问题提出关键的技术解决方案。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，本发明考虑封闭道路系统的运行特征，并设计了站点换乘时间的栅格可达性计算转换方案，以及高铁等特定交通运输方式在多站点运行过程中如何避免计算多次换乘时间等诸多问题，能够综合地提升栅格可达性方法实际应用效果。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明提出一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，包括以下步骤：步骤1、收集栅格可达性计算的各类要素类型数据，并进行预处理；具体包括如下子步骤：步骤1.1、收集参与栅格可达性计算的源、道路系统、水系和研究范围的要素类型
数据；步骤1.2、对所有收集的要素类型数据使用投影坐标系进行统一投影处理，并转换为大小相等的栅格数据。
6.步骤2、将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；所述封闭道路系统不允许离开道路运行，非封闭道路系统允许离开道路运行；对封闭道路系统进行阻断区处理和对外流通口处理；具体是：对封闭道路系统进行阻断区处理，即对封闭道路系统两边设置一定宽度的缓冲区，并对缓冲区设置第一阻抗值，所述第一阻抗值大于栅格可达性计算中其他所有要素类型数据的阻抗值；对封闭道路系统进行对外流通口处理，即在封闭道路系统中部分路段上设置缓冲地块，使得该缓冲地块连接到封闭道路系统的外部，对该缓冲地块设置第二阻抗值，所述第二阻抗值大于相对应封闭道路运行系统的阻抗。
7.步骤3、通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口进行换乘时长模拟；具体为：对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，2个半圆形与封闭道路系统非直接连接，是分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接，其中2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：
8.其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度；步骤4、针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围的要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行计算得到栅格可达性成本数据；步骤5、在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。
9.进一步的，本发明所提出的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，步骤3中相对应封闭道路系统上连接点所在位置为相对应半圆形的圆心，其中连接点的阻抗值小于对外流通口的阻抗值。
10.进一步的，本发明所提出的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，步骤中4中研究范围这一要素类型数据以步行速度来设置阻抗。
11.进一步的，本发明所提出的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，步骤4在栅格镶嵌计算过程中，非封闭道路系统在封闭道路系统之上。
12.本发明还提出一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算系统，包括：数据收集及预处理单元，用于收集栅格可达性计算的各类要素类型数据，并进行预处理；道路划分及处理单元，用于将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；对封闭道路系统进行阻断区处理和对外流通口处理；换乘时长模拟单元，用于通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗
的对外流通口进行换乘时长模拟；具体为：对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，且分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接，其中2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：
13.其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度；成本数据计算单元，用于针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围的要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行计算得到栅格可达性成本数据；可达性结果计算单元，用于在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。
14.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）本发明提供了一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，实现了对封闭式道路系统运行特征模拟，较长的站点换乘时间换算，以及高铁在多站点运行过程中如何避免计算多次换乘时间等诸多技术难题。
15.（2）本发明基于栅格可达性计算原理，通过多种关键技术方案的综合设计，提出了一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，对于栅格可达性的技术方法创新和交通可达性分析应用效果提升具有重要的发明创新和应用意义。
附图说明
16.图1是本发明的整体流程示意图。
17.图2是封闭道路系统示意图。
18.图3是非封闭道路系统示意图。
19.图4是对封闭道路系统设置阻断区的示意图。
20.图5是设置对外流通口以使得封闭道路系统可以对外连通的示意图。
21.图6是对外流通口设置阻抗来模拟换乘时间的示意图。
22.图7是对外流通口设置阻抗来模拟换乘时间的数学原理示意图。
23.图8是对外流通口容易产生直达出行过程中多余换乘时间的原理示意图。
24.图9是对外流通口减少直达出行过程中多余换乘时间的原理示意图。
25.图10是用于模拟换乘时间消耗的对外流通口的阻抗计算原理示意图。
26.图11是封闭道路系统与非封闭道路系统之间的空间交差关系处理方案示意图。
实施方式
27.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：栅格可达性计算包括了栅格可达性计算的源和栅格成本2个重要数据。其中，源是指要分析其可达性范围的数据，如在分析公园15分钟的步行可达性范围时，这里的源就是指公园点位数据。栅格成本数据则是指栅格可达性计算中在空间上运行所需要消耗的阻抗，其是要计算出不同空间单元上运行所需要时间消耗。这里的时间消耗又一般与在每个
空间单元上的运行速度密切相关。例如，在有高速的空间单元上，可达性速度是120千米/每小时。在有高铁的空间单元上，可达性速度为250千米/每小时。
28.栅格可达性计算中成本文件数据只有一个，因此需要在一个栅格数据文件中确定不同类型空间单元的运行速度，即阻抗。通常，这是通过不同类型空间单元的运行速度来设置相应的阻抗来解决该问题的。
29.一般的道路系统在栅格可达性计算过程中，默认为是非封闭的道路系统，如城市中的一般道路。然而，还要注意到有些道路交通系统具有封闭运行的特征，只能在指定的出口或入口与外部进行关联，如高铁铁路运行系统等。由于栅格计算方式默认是每个栅格与周边栅格是相通的。因此，本发明认为需要封闭式的道路系统两边设置一定的阻抗，来模拟封闭式道路系统的运行特征。
30.与此同时，实际计算方案还需要考虑将高铁等封闭式运行的道路系统的出入口设置，以使得封闭式道路系统能够在指定地点与外部环境互通。但需要考虑其中的一个问题是：如何模拟出高铁站点这种出入口需要耗费的大量换乘时间。因为这些换乘时间是与可达性分析结果直接相关的。本发明为此提出了用栅格速度较低的方案来模拟所需要的换乘时间消耗的方案。当然，有些封闭式道路系统的出入口相对简单，如高速公路的出入口，其主要是使得出入口能够将高速公路与外部环境实现关联。在以下实施步骤中，将给出详细的技术方案说明。
31.此外，还需要考虑封闭道路系统与非封闭道路系统在空间上的交叉运行关系。
32.步骤1）、参见附图1，首先，收集参与栅格可达性计算的源、道路系统、水系和研究范围等要素类型数据，并进行预处理工作，其具体包括了以下步骤：步骤1.1）、栅格可达性计算先是参与栅格可达性计算的源、道路系统、水系和研究范围等要素类型数据；这里的水系需要给出较高的阻抗，一般默认为其不具有通行条件。当然，如果是设置有水上路线也可以设置合理的阻抗值。研究范围数据主要是为了模拟陆地步行速度，其一般在后续的栅格数据镶嵌处理中放在最底层。
33.步骤1.2）、对所有收集的要素类型数据进行统一投影处理，并转换为等大小的栅格数据。在进行统一投影处理时，要使用投影坐标系进行投影处理。
34.步骤2）、将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；步骤2.1）、参见附图2，封闭道路系统不允许离开道路运行，例如高速铁路、高速公路以及城市地铁等，其乘客只能在指定的上下站点或出入口进入到封闭道路系统中，在道路上进行交通运行时，不能随意离开道路系统；步骤2.2）、参见附图3，非封闭道路系统允许离开道路运行，这主要是指城市中普通道路、乡村道路等，乘客一般可以比较方便地离开所在的道路系统。
35.步骤3）、参见附图4，对封闭道路系统进行阻断区处理，即对封闭道路系统两边设置一定宽度的缓冲区，并对缓冲区设置较高的阻抗。这里，对缓冲区设置较高的阻抗值要大于栅格可达性计算中其他所有要素类型数据的阻抗值。
36.栅格计算尽管不能直接识别出道路系统是否要封闭运行，但是可以通过对封闭道路系统2侧设置极高的阻抗，使得在栅格可达性实际计算过程中不会通过这些极高的阻抗地区，进而模拟出封闭道路系统运行的基本特征。
37.步骤4）、参见附图5，对封闭道路系统进行对外流通口处理，即在封闭道路系统中部分路段上设置具有较小阻抗的缓冲地块，并使得该缓冲地块连接到封闭道路系统的外部。在设置具有较小阻抗的缓冲地块时，该阻抗的值要大于相对应封闭道路运行系统的阻抗。
38.附图5所述的对外流通口处理方案一般是适应高速公路出入口这种实际应用需求，因为其不需要多少交通方式之间的换乘时间，其换乘本质上是车辆在不同运行速度的道路上进行转换。然而对于高速铁路站点这种交通出行方式就不适用了。为此，本发明方案还将进一步提出新的对外流通口设计方案。
39.步骤5）、通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口进行换乘时长模拟；步骤5.1）、参见附图6，通常可以简单地设置一个对外流通口模拟较长的换乘时间需求。但是，对于高速铁路这种类型的封闭式道路系统而言，若是设置了如图7所示的方案，那么一个班次在每次遇到这样的高铁站点地区（对外流通口）都产生大量的换乘时间。为此，需要做进一步的方案改进处理。
40.参见附图7，对需要换乘时间消耗的对外流通口，所设置的对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，且分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接；同时，连接点所在位置为相对应半圆形的圆心。
41.本发明这样的处理好处是，外部系统的各个乘客都需要通过指定的路程距离（即半圆形的半径）来到达连接点，再通过连接点接入到封闭道路系统的运行环境。其中，道路两侧均有设置1个半圆，以保障道路不同侧面都可以到达封闭道路系统。这实际上是达到了模拟类似高铁出行的运行环境，即一名乘客需要高铁站点的安检和候车等待后，再通过检票口（即发明中的连接点）到达高铁列车上实现高铁出行。而为了外部系统都能够主动去连接点，因此在发明方案中需要将连接点的阻抗值设置要比对外流通口设置的小，以达到引流到连接点的效果。
42.步骤5.2）当然，所设置的对外流通口中的2个半圆形不能与封闭道路系统直接连接上，否则连接点的作用就达不到乘客都先到连接点的效果。
43.本发明这样处理的理由如下：参见附图8，如上所提到的若只是简单地设计一个换乘时间消耗模拟的对外流通口，即当其与封闭道路系统直接关联时，则可以会导致出现在一列高铁班次运行过程中在每个停靠站点都会出现换乘时间。而这在实际中，一个乘客从一个高铁站点到另外一个高铁站点，所耗费的换乘时间主要是在进高铁站和出高铁站两个时间段内，而在中间的班次停靠站点消耗的时间较少。因此，这种如图8方式的发明设计方案并不能符合实际的应用场景需求。
44.为此，参见附图9，本发明的技术方案会使得外部进入到对外流通口时，先要经过外部流通口，再通过连接点到封闭道路系统。而由于封闭道路系统与对外流通口不是直接连接的，封闭道路系统在遇到中间停靠站点时，不会再产生模拟换乘时间的消耗。
45.步骤5.3）、参见附图10，2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：
其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度。
46.这里取倒数的原因是，速度越快越大，实际的阻抗应该越小。
47.步骤6）、针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围等要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行得到栅格可达性成本数据，且在栅格镶嵌计算过程中非封闭道路系统要在封闭道路系统之上。其中，根据上述中研究区范围要素类型数据的作用说明，研究区范围要素类型数据以步行速度来设置阻抗。
48.参见附图11，在栅格镶嵌计算过程中非封闭道路系统要在封闭道路系统之上。例如，普通的道路系统（国道和省道）与高速铁路存在空间上的交叉运行时，应当让国道和省道在高速铁路上面，以使得国道和省道能够实现跨越高铁线路时保持是畅通的。
49.步骤7）、在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。
50.本实施例还提出一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算系统，包括：数据收集及预处理单元，用于收集栅格可达性计算的各类要素类型数据，并进行预处理；道路划分及处理单元，用于将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；对封闭道路系统进行阻断区处理和对外流通口处理；换乘时长模拟单元，用于通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口进行换乘时长模拟；具体为：对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，且分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接，其中2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：
51.其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度；成本数据计算单元，用于针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围的要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行计算得到栅格可达性成本数据；可达性结果计算单元，用于在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。
52.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、收集栅格可达性计算的各类要素类型数据，并进行预处理；步骤2、将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；对封闭道路系统进行阻断区处理和对外流通口处理；步骤3、通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口进行换乘时长模拟；具体为：对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，且分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接，其中2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：，其中，其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度；步骤4、针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围的要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行计算得到栅格可达性成本数据；步骤5、在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。2.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤1具体包括如下子步骤：步骤1.1、收集参与栅格可达性计算的源、道路系统、水系和研究范围的要素类型数据；步骤1.2、对所有收集的要素类型数据进行统一投影处理，并转换为大小相等的栅格数据。3.根据权利要求2所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤1.2中进行统一投影处理时，是使用投影坐标系进行投影处理。4.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，所述封闭道路系统不允许离开道路运行，非封闭道路系统允许离开道路运行。5.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤2中：对封闭道路系统进行阻断区处理，即对封闭道路系统两边设置一定宽度的缓冲区，并对缓冲区设置第一阻抗值，所述第一阻抗值大于栅格可达性计算中其他所有要素类型数据的阻抗值；对封闭道路系统进行对外流通口处理，即在封闭道路系统中部分路段上设置缓冲地块，使得该缓冲地块连接到封闭道路系统的外部，对该缓冲地块设置第二阻抗值，所述第二阻抗值大于相对应封闭道路运行系统的阻抗。6.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，所设置的对外流通口中的2个半圆形与封闭道路系统非直接连接。7.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤3中相对应封闭道路系统上连接点所在位置为相对应半圆形的圆心，其中连接点的阻抗值小于对外流通口的阻抗值。
8.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤中4中研究范围这一要素类型数据以步行速度来设置阻抗。9.根据权利要求1所述的一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法，其特征在于，步骤4在栅格镶嵌计算过程中，非封闭道路系统在封闭道路系统之上。10.一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算系统，其特征在于，包括：数据收集及预处理单元，用于收集栅格可达性计算的各类要素类型数据，并进行预处理；道路划分及处理单元，用于将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统；对封闭道路系统进行阻断区处理和对外流通口处理；换乘时长模拟单元，用于通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口进行换乘时长模拟；具体为：对外流通口由平行于封闭道路系统的2个半圆形所组成，且分别通过相对应封闭道路系统上连接点来实现与封闭道路系统的连接，其中2个半圆形的阻抗值为步行出行阻抗和换乘等待时间阻抗之和，其计算公式为：，其中，k为2个半圆形的阻抗值，r为2个半圆形的半径值，t为对外流通口所需要的换乘时间，v为步行出行速度；成本数据计算单元，用于针对由封闭道路系统和非封闭道路系统、水系和研究范围的要素类型数据组成的数据集，通过栅格镶嵌算法进行计算得到栅格可达性成本数据；可达性结果计算单元，用于在arcgis中，利用源要素类型数据和栅格可达性成本数据进行栅格可达性结果的计算。

技术总结
本发明公开了一种考虑封闭运行关系和换乘时长的栅格可达性计算方法、系统，涉及城市交通技术领域，首先，收集参与栅格可达性计算的源、道路系统、水系和研究范围数据，并进行数据预处理工作。其次，将参与栅格可达性计算的道路网络分为：封闭道路系统和非封闭道路系统。再，对封闭道路系统进行阻断区处理，并对封闭道路系统进行对外流通口处理。同时，通过时间和运行速度的转换，实现对需要换乘时间消耗的对外流通口的换乘时长模拟。最后，生成栅格成本图层，计算栅格可达性。本发明实现了对封闭式道路系统运行特征模拟，较长的站点换乘时间的换算模拟，以及高铁在多站点运行过程中如何避免计算多次换乘时间等诸多技术难题。何避免计算多次换乘时间等诸多技术难题。何避免计算多次换乘时间等诸多技术难题。


技术研发人员：韦胜 袁锦富 高湛
受保护的技术使用者：江苏省城市规划设计研究院有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/9/14