TransCAD形心和形心連線工作原理以及生成的方法

TransCAD具有十分方便的形心和形心連線生成工具，并且可以十分靈活地定義它們。本文主要介紹TransCAD形心和形心連線工作原理以及生成的方法。同時，也希望通過本文能為一些初學者糾正一些誤區(qū)。

1、形心和形心連線的作用

形心(Centroids)，是代表交通小區(qū)(TAZ)交通產(chǎn)生吸引或出發(fā)到達的抽象節(jié)點，它們是模型網(wǎng)絡中的特殊節(jié)點。從文字上理解，形心一般是指交通小區(qū)多邊形的幾何中心，實踐工作往往以幾何中心的點作為交通小區(qū)形心使用。也有人稱為質(zhì)心，如果是精細化的模型，如果能考慮一個交通小區(qū)的不同地塊交通量差異，按交通量加權(quán)計算幾何中心，也許質(zhì)心的說法更科學。但實際工作中，可以直接把一個交通小區(qū)劃分為多個提高精準度。

形心連線(Centroid Connectors)，是連接交通小區(qū)(TAZ) 對應的形心(Centroids)和實際路網(wǎng)的特殊路段，它們使得形心的交通量能和真實的路網(wǎng)連通，以實現(xiàn)算法的目的。形心連線可以連到既有的路網(wǎng)節(jié)點，也可以連到路段中間(這樣就需要打斷路段形成新的節(jié)點)。

劃重點：形心和形心連線都是模型網(wǎng)絡的組成部分，是建模需要而虛擬構(gòu)建的節(jié)點和路段，它們在實際的交通分配、公交分配和特征矩陣(Skim)等分析中，都參與了網(wǎng)絡計算。

2、常用交通規(guī)劃軟件形心和形心連線的特點

(1)管理形式：VISUM作為單獨的對象管理，TransCAD、EMME和Cube不單獨管理。

在VISUM中，形心和網(wǎng)絡節(jié)點分開管理，形心連線和網(wǎng)絡路段分開管理，某種意義上，給用戶的管理帶來了方便。也有的模型師因為這種管理方式，容易覺得形心和節(jié)點和路網(wǎng)和節(jié)點不是一類要素。這里需要再次強調(diào)，形心和形心連線都是模型網(wǎng)絡的組成部分，在網(wǎng)絡計算中參與了運算，只是它們比較特殊而已。

(2)形心編號的定義：嚴格性和靈活性的矛盾

每個交通軟件都需要對交通小區(qū)進行編號，對應到網(wǎng)絡計算的形心也要有對應編號，但實現(xiàn)的方式各有差異。

Cube的要求最苛刻，初始化的時候需要先設置小區(qū)數(shù)量，網(wǎng)絡中有一個zones 的全局參數(shù)，用于設置小區(qū)的數(shù)量，節(jié)點ID小區(qū)這個值的都是小區(qū)。設定小區(qū)的總規(guī)模，比如5000個小區(qū)，那么ID從1到5000的連續(xù)編號的節(jié)點就是小區(qū)。

EMME在構(gòu)建一個交通模型時，需要定義交通小區(qū)的數(shù)目。EMME的建模數(shù)據(jù)裝在一個叫Bank的數(shù)據(jù)庫里，建模定義時，要充分考慮到交通小區(qū)今后可能需要的擴展。例如定義了1000個交通小區(qū)，表示這個Bank最多可使用1000個交通小區(qū)，用戶當前只使用800個交通小區(qū)建模，預留200個。如果超過1000個小區(qū)，那就需要重新構(gòu)建Bank。EMME可以定義形心節(jié)點的編號范圍，但形心的編號并不一定需要連續(xù)，只要知道這個節(jié)點是形心就可以(具有特殊的標記，形心連線和形心相連，可以自動識別)。EMME對應的矩陣維度根據(jù)定義的交通小區(qū)數(shù)目固定，即使沒有用到它們。

VISUM對形心單獨管理，因此，形心的數(shù)量是可以隨時增加，對編號也沒有特別要求，形心變化時，矩陣的維度隨之變化，相對來說比較靈活。

TransCAD利用地理信息系統(tǒng)管理的優(yōu)勢，形心和形心連線分別在節(jié)點和路段圖層中，按照選擇集定義管理。因此，用戶可以隨意增加和減少形心，隨意定義交通小區(qū)形心的編號。更方便的是可以定義多套形心數(shù)據(jù)庫，例如：譬如全市基于交通小區(qū)的道路分配模型的形心，對應交通小區(qū);基于高速公路出入口OD的分配模型的形心，對應高速公路收費站;基于軌道交通站間OD的公交分配模型的形心，對應軌道站點;這些不同的形心，都可以放在一張綜合交通網(wǎng)絡中，使用不同的OD和模型進行分配時，只要利用選擇集功能選擇不同的形心。TransCAD選擇集功能可以對圖層中的任意一個集合的要素進行管理和分析。有關選擇集的內(nèi)容，請參閱：TransCAD的選擇集應用簡介一文。

簡要評論：根據(jù)以上分析我們可以知道，Cube和EMME的要求較為嚴格， VISUM和TransCAD相對比較靈活。嚴格和靈活是一對矛盾體，嚴格的規(guī)定可以減少用戶輸入出錯;靈活的操作，需要用戶對軟件具有較強的駕馭能力。

打個比方：前者好比是小學老師的課堂，學生是排好座位的，座位上可以放上學生名牌，老師容易管理哪個學生缺席了。后者好比是大學課堂，大學生位子自己挑的，誰沒來上課，老師不容易發(fā)現(xiàn)，除非老師熟悉全班學生。

TransCAD、VISUM和EMME，把方便留給了用戶，可以隨意定義形心編號，但軟件內(nèi)部需要做一些額外的工作：重新進行1，2，3，…n的自然數(shù)排序索引，用于模型的 網(wǎng)絡計算。當然，對應還需要有矩陣索引技術，才能把節(jié)點ID和形心對應上，關于矩陣索引，請查閱：深入理解TransCAD矩陣索引轉(zhuǎn)換和操作一文。

(3)形心和形心連線的其他特性

交通流量穿越形心設置。Cube、EMME和VISUM都不允許交通流量穿越形心，形心只能作為交通流量進入和出發(fā)的點。一般意義上需要這樣設定，例如，某個形心有2條以上的形心連線，禁止交通流量穿越形心十分重要，否則，分配的流量可能不走實際道路而走到形心連線上去了。更有甚者，是相鄰小區(qū)的形心連線如果連在同一個節(jié)點，交通流就會連續(xù)穿越形心，而不走實際道路了。例如下圖中，藍色路徑就是完全走形心連線了，車輛在實際道路上消失了，實際應該使用紅色路徑較為合理。

TransCAD軟件比較特別，可以設置是否允許交通流量穿越形心。這對一些特殊的情況下有用，例如：軌道網(wǎng)絡站間OD分配，可以把軌道站點的節(jié)點直接當成允許穿越的形心(其他3個軟件則需要額外做一個站點對應的節(jié)點來表示形心)。又如一些學術研究，路網(wǎng)的算例一般不考慮專門的形心連線，路網(wǎng)節(jié)點可以直接當形心使用。

形心連線轉(zhuǎn)向懲罰和禁止的設置。TransCAD、Cube和EMME的形心連線可以設置轉(zhuǎn)向禁止和懲罰。VISUM的形心連線是全轉(zhuǎn)向，如果想控制右進右出，必須新增一個路段才可以實現(xiàn)。

3、TransCAD形心和形心連線的生成方法

TransCAD具有一個功能強大的形心和形心連線生成工具。創(chuàng)建了形心連線，也就是創(chuàng)建了形心，形心是形心連線其中的一個端點，因此可以歸結(jié)為形心連線工具。TransCAD路網(wǎng)繪制的方式獨樹一幟，它的思路是畫了路段，就有了對應的節(jié)點，孤立的節(jié)點在網(wǎng)絡計算中沒有意義。這和其他三個軟件必須先添加節(jié)點，再畫路段的方式不一樣。這里額外再說明一下，VISUM、Cube和EMME軟件的很多路徑基礎算法是基于節(jié)點的，而TransCAD則是綜合路段和節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算的。因此，TransCAD允許路網(wǎng)中存在起點和終點相同的兩個平行路段存在(現(xiàn)實世界也有很多這種情況)，但VISUM、Cube和EMME軟件則不允許存在，一般可以打斷其中一個路段。原因是基于節(jié)點的路徑算法，起點和終點決定了唯一路段，同一個起終點不能有兩個路段，否則無法區(qū)分了。關于軟件之間對交通網(wǎng)絡定義的差異，請參閱：TransCAD導入常用交通規(guī)劃軟件網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一文。下面我們結(jié)合形心連線工具界面，來詳細解釋工具的使用技巧。

(1)設置選項卡

[1]連接TAZ

這里的TAZ是指交通小區(qū)圖層名稱，用戶可修改其圖層名稱，界面上就會顯示不同的名稱。交通小區(qū)圖層，可以是面圖層，也可以是點圖層(例如交通小區(qū)幾何形心)，也就是說創(chuàng)建形心連線的時候，不是一定要有面圖層。這里值得指出的是，初學者容易錯誤地把交通小區(qū)幾何形心和路網(wǎng)中的形心混為一談。通過TransCAD的地理文件導出功能，可以將交通小區(qū)面圖層的幾何形心導出為點圖層。這個點圖層，也可以去創(chuàng)建形心連線，很多初學者就以為這些點就是網(wǎng)絡中的形心了，這是不對的!實際上即使是用這個點圖層創(chuàng)建形心連線，生成的網(wǎng)絡形心還是形心連線的一個端點，不是這個點圖層中的點。因此，導出交通小區(qū)幾何形心這種做法完全是多余的，直接用交通小區(qū)生成形心連線就可以了。

“使用”下拉菜單是用戶設置哪些交通小區(qū)需要創(chuàng)建形心連線，默認是全部對象，如果用戶定義了交通小區(qū)的選擇集，也可以只對部分交通小區(qū)創(chuàng)建形心連線。如果用戶像采用不同的連接方式處理不同交通小區(qū)，就可以按照不同集合來做。

“至”下拉菜單是用戶設置連接到哪個路網(wǎng)的路段圖層名稱。如果地圖中有多個路網(wǎng)圖層，就要用戶選擇了。

“最大距離”編輯框是用戶設置形心連線的最大長度，其后面的單位“公里”是在軟件全局設置中確定的。我們建議距離可以設置大一些，特別是有些交通小區(qū)特別大周邊沒有路網(wǎng)的情況下，可以減少事后的人工編輯工作。

“最大數(shù)字”編輯框是用戶設置每個交通小區(qū)/形心的形心連線的最大數(shù)目。例如設置了4條，但有可能只產(chǎn)生了3條，第四條超過了長度設置。對一般的城市級別模型，我們建議設置4條，以保證各個方向流量的均衡性。對交通影響評價或者局部細化的模型，我們建議按照實際的開口情況來設置。

[2]連接規(guī)則

TransCAD的形心連線，可以連接到路網(wǎng)的節(jié)點上，也可以連接到路段上，這需要打斷路段。對一般的城市級別模型，我們建議連接到路網(wǎng)的節(jié)點上;對交通影響評價或者局部細化的模型，我們建議按照實際的開口連接到路段上。

“拆分片段屬于”下拉菜單是用戶設置哪些路段可以打斷作為形心連線連接的節(jié)點，用戶事先可以創(chuàng)建路段選擇集。例如，用戶不想打斷一些高等級道路，或者要辨別高速公路、軌道線等其他不適合連接形心連線的路段。

“拆分選項”可以選擇“中點”和“垂直”兩種模式，“中點”是在路段中間打斷，“垂直”是指形心位置到路段的垂直投影處打斷。

TIPs：實踐中，自動打斷路段的形心連接方式較少使用，精細化的模型，一般需要人工參與操作，例如出入口的具體位置。另外，如果路網(wǎng)搭載了公交系統(tǒng)Route System，還要及時檢查公交的連通性。不過是連接到節(jié)點，還是打斷路段再連接到打斷節(jié)點處的方式，如果路網(wǎng)搭載了公交系統(tǒng)，我們建議事先備份數(shù)據(jù)，生成形心連線后及時切換到公交系統(tǒng)圖層，更新Route System。

“連接到…的端點”下拉菜單是用戶設置哪些節(jié)點可以作為形心連線連接的節(jié)點，用戶事先可以創(chuàng)建路段選擇集。例如，用戶不想連接一些高等級道路的節(jié)點，軌道交通站點等。嚴格的詳細模型，公交和機動車的形心連線可能也要區(qū)別對待。

[3]排除規(guī)則

除了連接規(guī)則中設定的連接路段和節(jié)點對象選擇集設置，還可以做好選擇集，明確說明哪些路段和節(jié)點不能連接形心連線。用戶事先創(chuàng)建好路段和節(jié)點的選擇集，在“要排除的片段”和“要排除的端點”下拉列表選擇即可。

[4]選項

可以勾選“限制形心連線在區(qū)域內(nèi)”，針對交通小區(qū)面圖層，路網(wǎng)密度較高的情況下，可采用此選項。閾值，可以限制連接點的空間位置，比如面域范圍外最大距離，太遠了就連不上。這樣的好處就是路網(wǎng)密的時候可以多連幾個形心連線，路網(wǎng)稀疏的時候形心連線會少很多。

(2)更新選項卡

采用打斷路段的方式，如果在“拆分片段屬于”下拉菜單選擇了路網(wǎng)集合，則界面會跳出路段屬性更新的選項卡，這和路網(wǎng)編輯工具的設置一樣，用戶可以設定路段被打斷后，字段的屬性如何處理，例如路名、速度、車道數(shù)等大部分可以是復制，長度自動按比例切分，其他的時間等屬性也自動按比例切分(一般后期會通過程序自動更新，可以不考慮)。

(3)填充選項卡

填充選項卡的目的主要是區(qū)分識別路網(wǎng)中的形心和形心節(jié)點。

[1]要填充的字段

用戶可以在節(jié)點和路段圖層事先創(chuàng)建2個字段，形心連線創(chuàng)建的時候，就會把值填充在這些字段。以便今后可以很方便的選擇出形心和形心連線。

[2]用…填充

在節(jié)點和路段圖層事先創(chuàng)建的2個字段，一般來說初始值都是空的，所以用單值填充即可用于今后識別，不為空的就是形心和形心連線了。也可以選擇“來自圖層TAZ的IDs”，表示用交通小區(qū)圖層的ID填充。這樣填充后，也可以用非空的查詢方式找到形心和形心連線。

對形心而言，這個值填充的要有意義，必須是交通小區(qū)的圖層ID正好等于用戶自己定義的交通小區(qū)編號(例如TAZID，用戶可以更根據(jù)這個字段作為ID重新導出dbd圖層)。如果不是這種情況，下面將講到如何關聯(lián)交通網(wǎng)絡中的形心和交通小區(qū)。

4、TransCAD關聯(lián)交通網(wǎng)絡中的形心節(jié)點和交通小區(qū)編碼

上面提到，假設我們已經(jīng)完成了形心和形心連線創(chuàng)建。但是形心的TAZID填充的是單值，我們并不知道形心和交通小區(qū)的對應關系，這里我們介紹如何自動關聯(lián)。假設在節(jié)點圖層創(chuàng)建了TAZID字段，目前形心的節(jié)點都填充了單值1，交通小區(qū)圖層TAZ的用戶編碼字段為Zone_ID。

Step1：我們可以根據(jù)形心選擇工具選出形心和形心連線。

Step2：打開路網(wǎng)的節(jié)點數(shù)據(jù)表，在主工具欄選擇數(shù)據(jù)記錄的對象集合為“Centroids”，這樣，操作數(shù)據(jù)僅針對形心集合中的節(jié)點。

Step3：右擊TAZID字段，選擇菜單“填充”。選擇填充方法為“標記Tag”，選擇交通小區(qū)圖層TAZ，選擇集為全部All Features，選擇標記于下拉菜單選擇交通小區(qū)圖層TAZ的用戶編碼字段為Zone_ID。單擊確定后，TAZID字段就獲得了和交通小區(qū)編碼Zone_ID的信息，關聯(lián)完成!

5、關聯(lián)形心節(jié)點的交通小區(qū)編碼和路網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)據(jù)庫ID——矩陣索引

要實現(xiàn)交通分配和公交分配的最后一步，就需要關聯(lián)形心節(jié)點的交通小區(qū)編碼和路網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)據(jù)庫ID，這就需要矩陣索引操作。交通分配和公交分配程序需要矩陣的索引編號基于節(jié)點數(shù)據(jù)庫ID。

在上節(jié)中的Step2，圖中節(jié)點數(shù)據(jù)表的例子中，形心集合的數(shù)據(jù)庫的ID字段正好和TAZID字段值相同，是特殊情況，按照交通小區(qū)編碼的矩陣，就直接可以用于交通分配了。當然，您可以建立一個新的ID字段，例如IDD，然后根據(jù)自己的喜好編號后，用地理文件導出工具導出dbd重構(gòu)您需要的ID。下圖中的“節(jié)點ID字段”選為IDD即可。不過這種方法我們并不常用。

一般情況下，模型網(wǎng)絡的不斷維護，數(shù)據(jù)庫的ID字段自動更新的和TAZID字段值是不相同的。這時候，就需要用到矩陣索引功能。因為交通分配、公交分配矩陣對應的是路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的ID字段，我們獲得的數(shù)據(jù)一般是按照TAZID字段組織的矩陣。在交通分配和公交分配中，矩陣索引要解決的問題，就是要把基于用戶編碼的TAZID排序的矩陣，轉(zhuǎn)化為路網(wǎng)節(jié)點圖層數(shù)據(jù)庫ID排序的矩陣。另外，模型中的特征矩陣(Skims)一般也是基于路網(wǎng)節(jié)點圖層數(shù)據(jù)庫ID的，相關的模型計算要有統(tǒng)一的索引。

看到這里，用戶會覺得納悶，讓用戶增加一個矩陣索引工作量，軟件設計是不是有別的考慮?其實，文本開頭講到交通規(guī)劃軟件對形心和形心連線管理的方式中，已經(jīng)講到一個主要原因，就是為了交通小區(qū)形心定義的靈活性。當然，矩陣索引還有很多其他的用處，關于矩陣索引的更多信息，請查閱：深入理解TransCAD矩陣索引轉(zhuǎn)換和操作一文。這里講到了具體的矩陣索引方法，本文就不再贅述了。

6、結(jié)語

通過本文，希望讀者能夠理解形心和形心連線的原理，在不同軟件中的工作工作機制，以及如何在TransCAD中用好形心連線工具。

再補充一些內(nèi)容：形心連線一般可以把通行能力設置大一些，如果代替了交通分區(qū)的內(nèi)部道路，其屬性可以按照實際情況來設置。用于交通分配和公交分配的形心連線可以不一樣，屬性也有所區(qū)別，車行和人行的速度不同(這對交通分區(qū)較大的模型影響尤其明顯)。針對Skim，也要小心謹慎處理形心連線上的相關特征。

很多初學者會問：“我的交通分配流量結(jié)果怎么看起來不合理，有的地方?jīng)]流量，怎么辦?”。檢查一下如下工作，一般問題就解決了：

OD矩陣索引了沒有?

OD矩陣本身沒問題吧?

形心設置不可穿越了沒有?

交通小區(qū)足夠小，形心連線數(shù)量，連接方式合理?

形心連線的屬性合理嗎?

路網(wǎng)不擁擠,UE分配近似最短路徑分配導致有些路段沒流量，這不是形心和連線的事了，試試用SUE分配…

原文標題：TransCAD形心和形心連線那些事

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審核編輯：湯梓紅