TransCAD形心和形心连线工作原理以及生成的方法

TransCAD具有十分方便的形心和形心连线生成工具，并且可以十分灵活地定义它们。本文主要介绍TransCAD形心和形心连线工作原理以及生成的方法。同时，也希望通过本文能为一些初学者纠正一些误区。

 

1、形心和形心连线的作用

形心(Centroids)，是代表交通小区(TAZ)交通产生吸引或出发到达的抽象节点，它们是模型网络中的特殊节点。从文字上理解，形心一般是指交通小区多边形的几何中心，实践工作往往以几何中心的点作为交通小区形心使用。也有人称为质心，如果是精细化的模型，如果能考虑一个交通小区的不同地块交通量差异，按交通量加权计算几何中心，也许质心的说法更科学。但实际工作中，可以直接把一个交通小区划分为多个提高精准度。

形心连线(Centroid Connectors)，是连接交通小区(TAZ) 对应的形心(Centroids)和实际路网的特殊路段，它们使得形心的交通量能和真实的路网连通，以实现算法的目的。形心连线可以连到既有的路网节点，也可以连到路段中间(这样就需要打断路段形成新的节点)。

划重点：形心和形心连线都是模型网络的组成部分，是建模需要而虚拟构建的节点和路段，它们在实际的交通分配、公交分配和特征矩阵(Skim)等分析中，都参与了网络计算。

2、常用交通规划软件形心和形心连线的特点

(1)管理形式：VISUM作为单独的对象管理，TransCAD、EMME和Cube不单独管理。

在VISUM中，形心和网络节点分开管理，形心连线和网络路段分开管理，某种意义上，给用户的管理带来了方便。也有的模型师因为这种管理方式，容易觉得形心和节点和路网和节点不是一类要素。这里需要再次强调，形心和形心连线都是模型网络的组成部分，在网络计算中参与了运算，只是它们比较特殊而已。

(2)形心编号的定义：严格性和灵活性的矛盾

每个交通软件都需要对交通小区进行编号，对应到网络计算的形心也要有对应编号，但实现的方式各有差异。

Cube的要求最苛刻，初始化的时候需要先设置小区数量，网络中有一个zones 的全局参数，用于设置小区的数量，节点ID小区这个值的都是小区。设定小区的总规模，比如5000个小区，那么ID从1到5000的连续编号的节点就是小区。

EMME在构建一个交通模型时，需要定义交通小区的数目。EMME的建模数据装在一个叫Bank的数据库里，建模定义时，要充分考虑到交通小区今后可能需要的扩展。例如定义了1000个交通小区，表示这个Bank最多可使用1000个交通小区，用户当前只使用800个交通小区建模，预留200个。如果超过1000个小区，那就需要重新构建Bank。EMME可以定义形心节点的编号范围，但形心的编号并不一定需要连续，只要知道这个节点是形心就可以(具有特殊的标记，形心连线和形心相连，可以自动识别)。EMME对应的矩阵维度根据定义的交通小区数目固定，即使没有用到它们。

VISUM对形心单独管理，因此，形心的数量是可以随时增加，对编号也没有特别要求，形心变化时，矩阵的维度随之变化，相对来说比较灵活。

TransCAD利用地理信息系统管理的优势，形心和形心连线分别在节点和路段图层中，按照选择集定义管理。因此，用户可以随意增加和减少形心，随意定义交通小区形心的编号。更方便的是可以定义多套形心数据库，例如：譬如全市基于交通小区的道路分配模型的形心，对应交通小区;基于高速公路出入口OD的分配模型的形心，对应高速公路收费站;基于轨道交通站间OD的公交分配模型的形心，对应轨道站点;这些不同的形心，都可以放在一张综合交通网络中，使用不同的OD和模型进行分配时，只要利用选择集功能选择不同的形心。TransCAD选择集功能可以对图层中的任意一个集合的要素进行管理和分析。有关选择集的内容，请参阅：TransCAD的选择集应用简介一文。

简要评论：根据以上分析我们可以知道，Cube和EMME的要求较为严格， VISUM和TransCAD相对比较灵活。严格和灵活是一对矛盾体，严格的规定可以减少用户输入出错;灵活的操作，需要用户对软件具有较强的驾驭能力。

打个比方：前者好比是小学老师的课堂，学生是排好座位的，座位上可以放上学生名牌，老师容易管理哪个学生缺席了。后者好比是大学课堂，大学生位子自己挑的，谁没来上课，老师不容易发现，除非老师熟悉全班学生。

TransCAD、VISUM和EMME，把方便留给了用户，可以随意定义形心编号，但软件内部需要做一些额外的工作：重新进行1，2，3，…n的自然数排序索引，用于模型的 网络计算。当然，对应还需要有矩阵索引技术，才能把节点ID和形心对应上，关于矩阵索引，请查阅：深入理解TransCAD矩阵索引转换和操作一文。

(3)形心和形心连线的其他特性

交通流量穿越形心设置。Cube、EMME和VISUM都不允许交通流量穿越形心，形心只能作为交通流量进入和出发的点。一般意义上需要这样设定，例如，某个形心有2条以上的形心连线，禁止交通流量穿越形心十分重要，否则，分配的流量可能不走实际道路而走到形心连线上去了。更有甚者，是相邻小区的形心连线如果连在同一个节点，交通流就会连续穿越形心，而不走实际道路了。例如下图中，蓝色路径就是完全走形心连线了，车辆在实际道路上消失了，实际应该使用红色路径较为合理。

TransCAD软件比较特别，可以设置是否允许交通流量穿越形心。这对一些特殊的情况下有用，例如：轨道网络站间OD分配，可以把轨道站点的节点直接当成允许穿越的形心(其他3个软件则需要额外做一个站点对应的节点来表示形心)。又如一些学术研究，路网的算例一般不考虑专门的形心连线，路网节点可以直接当形心使用。

形心连线转向惩罚和禁止的设置。TransCAD、Cube和EMME的形心连线可以设置转向禁止和惩罚。VISUM的形心连线是全转向，如果想控制右进右出，必须新增一个路段才可以实现。

3、TransCAD形心和形心连线的生成方法

TransCAD具有一个功能强大的形心和形心连线生成工具。创建了形心连线，也就是创建了形心，形心是形心连线其中的一个端点，因此可以归结为形心连线工具。TransCAD路网绘制的方式独树一帜，它的思路是画了路段，就有了对应的节点，孤立的节点在网络计算中没有意义。这和其他三个软件必须先添加节点，再画路段的方式不一样。这里额外再说明一下，VISUM、Cube和EMME软件的很多路径基础算法是基于节点的，而TransCAD则是综合路段和节点数据结构计算的。因此，TransCAD允许路网中存在起点和终点相同的两个平行路段存在(现实世界也有很多这种情况)，但VISUM、Cube和EMME软件则不允许存在，一般可以打断其中一个路段。原因是基于节点的路径算法，起点和终点决定了唯一路段，同一个起终点不能有两个路段，否则无法区分了。关于软件之间对交通网络定义的差异，请参阅：TransCAD导入常用交通规划软件网络数据一文。下面我们结合形心连线工具界面，来详细解释工具的使用技巧。

(1)设置选项卡

[1]连接TAZ

这里的TAZ是指交通小区图层名称，用户可修改其图层名称，界面上就会显示不同的名称。交通小区图层，可以是面图层，也可以是点图层(例如交通小区几何形心)，也就是说创建形心连线的时候，不是一定要有面图层。这里值得指出的是，初学者容易错误地把交通小区几何形心和路网中的形心混为一谈。通过TransCAD的地理文件导出功能，可以将交通小区面图层的几何形心导出为点图层。这个点图层，也可以去创建形心连线，很多初学者就以为这些点就是网络中的形心了，这是不对的!实际上即使是用这个点图层创建形心连线，生成的网络形心还是形心连线的一个端点，不是这个点图层中的点。因此，导出交通小区几何形心这种做法完全是多余的，直接用交通小区生成形心连线就可以了。

“使用”下拉菜单是用户设置哪些交通小区需要创建形心连线，默认是全部对象，如果用户定义了交通小区的选择集，也可以只对部分交通小区创建形心连线。如果用户像采用不同的连接方式处理不同交通小区，就可以按照不同集合来做。

“至”下拉菜单是用户设置连接到哪个路网的路段图层名称。如果地图中有多个路网图层，就要用户选择了。

“最大距离”编辑框是用户设置形心连线的最大长度，其后面的单位“公里”是在软件全局设置中确定的。我们建议距离可以设置大一些，特别是有些交通小区特别大周边没有路网的情况下，可以减少事后的人工编辑工作。

“最大数字”编辑框是用户设置每个交通小区/形心的形心连线的最大数目。例如设置了4条，但有可能只产生了3条，第四条超过了长度设置。对一般的城市级别模型，我们建议设置4条，以保证各个方向流量的均衡性。对交通影响评价或者局部细化的模型，我们建议按照实际的开口情况来设置。

[2]连接规则

TransCAD的形心连线，可以连接到路网的节点上，也可以连接到路段上，这需要打断路段。对一般的城市级别模型，我们建议连接到路网的节点上;对交通影响评价或者局部细化的模型，我们建议按照实际的开口连接到路段上。

“拆分片段属于”下拉菜单是用户设置哪些路段可以打断作为形心连线连接的节点，用户事先可以创建路段选择集。例如，用户不想打断一些高等级道路，或者要辨别高速公路、轨道线等其他不适合连接形心连线的路段。

“拆分选项”可以选择“中点”和“垂直”两种模式，“中点”是在路段中间打断，“垂直”是指形心位置到路段的垂直投影处打断。

TIPs：实践中，自动打断路段的形心连接方式较少使用，精细化的模型，一般需要人工参与操作，例如出入口的具体位置。另外，如果路网搭载了公交系统Route System，还要及时检查公交的连通性。不过是连接到节点，还是打断路段再连接到打断节点处的方式，如果路网搭载了公交系统，我们建议事先备份数据，生成形心连线后及时切换到公交系统图层，更新Route System。

“连接到…的端点”下拉菜单是用户设置哪些节点可以作为形心连线连接的节点，用户事先可以创建路段选择集。例如，用户不想连接一些高等级道路的节点，轨道交通站点等。严格的详细模型，公交和机动车的形心连线可能也要区别对待。

[3]排除规则

除了连接规则中设定的连接路段和节点对象选择集设置，还可以做好选择集，明确说明哪些路段和节点不能连接形心连线。用户事先创建好路段和节点的选择集，在“要排除的片段”和“要排除的端点”下拉列表选择即可。

[4]选项

可以勾选“限制形心连线在区域内”，针对交通小区面图层，路网密度较高的情况下，可采用此选项。阈值，可以限制连接点的空间位置，比如面域范围外最大距离，太远了就连不上。这样的好处就是路网密的时候可以多连几个形心连线，路网稀疏的时候形心连线会少很多。

(2)更新选项卡

采用打断路段的方式，如果在“拆分片段属于”下拉菜单选择了路网集合，则界面会跳出路段属性更新的选项卡，这和路网编辑工具的设置一样，用户可以设定路段被打断后，字段的属性如何处理，例如路名、速度、车道数等大部分可以是复制，长度自动按比例切分，其他的时间等属性也自动按比例切分(一般后期会通过程序自动更新，可以不考虑)。

(3)填充选项卡

填充选项卡的目的主要是区分识别路网中的形心和形心节点。

[1]要填充的字段

用户可以在节点和路段图层事先创建2个字段，形心连线创建的时候，就会把值填充在这些字段。以便今后可以很方便的选择出形心和形心连线。

[2]用…填充

在节点和路段图层事先创建的2个字段，一般来说初始值都是空的，所以用单值填充即可用于今后识别，不为空的就是形心和形心连线了。也可以选择“来自图层TAZ的IDs”，表示用交通小区图层的ID填充。这样填充后，也可以用非空的查询方式找到形心和形心连线。

对形心而言，这个值填充的要有意义，必须是交通小区的图层ID正好等于用户自己定义的交通小区编号(例如TAZID，用户可以更根据这个字段作为ID重新导出dbd图层)。如果不是这种情况，下面将讲到如何关联交通网络中的形心和交通小区。

4、TransCAD关联交通网络中的形心节点和交通小区编码

上面提到，假设我们已经完成了形心和形心连线创建。但是形心的TAZID填充的是单值，我们并不知道形心和交通小区的对应关系，这里我们介绍如何自动关联。假设在节点图层创建了TAZID字段，目前形心的节点都填充了单值1，交通小区图层TAZ的用户编码字段为Zone_ID。

Step1：我们可以根据形心选择工具选出形心和形心连线。

Step2：打开路网的节点数据表，在主工具栏选择数据记录的对象集合为“Centroids”，这样，操作数据仅针对形心集合中的节点。

Step3：右击TAZID字段，选择菜单“填充”。选择填充方法为“标记Tag”，选择交通小区图层TAZ，选择集为全部All Features，选择标记于下拉菜单选择交通小区图层TAZ的用户编码字段为Zone_ID。单击确定后，TAZID字段就获得了和交通小区编码Zone_ID的信息，关联完成!

5、关联形心节点的交通小区编码和路网中的节点数据库ID——矩阵索引

要实现交通分配和公交分配的最后一步，就需要关联形心节点的交通小区编码和路网中的节点数据库ID，这就需要矩阵索引操作。交通分配和公交分配程序需要矩阵的索引编号基于节点数据库ID。

在上节中的Step2，图中节点数据表的例子中，形心集合的数据库的ID字段正好和TAZID字段值相同，是特殊情况，按照交通小区编码的矩阵，就直接可以用于交通分配了。当然，您可以建立一个新的ID字段，例如IDD，然后根据自己的喜好编号后，用地理文件导出工具导出dbd重构您需要的ID。下图中的“节点ID字段”选为IDD即可。不过这种方法我们并不常用。

一般情况下，模型网络的不断维护，数据库的ID字段自动更新的和TAZID字段值是不相同的。这时候，就需要用到矩阵索引功能。因为交通分配、公交分配矩阵对应的是路网数据库的ID字段，我们获得的数据一般是按照TAZID字段组织的矩阵。在交通分配和公交分配中，矩阵索引要解决的问题，就是要把基于用户编码的TAZID排序的矩阵，转化为路网节点图层数据库ID排序的矩阵。另外，模型中的特征矩阵(Skims)一般也是基于路网节点图层数据库ID的，相关的模型计算要有统一的索引。

看到这里，用户会觉得纳闷，让用户增加一个矩阵索引工作量，软件设计是不是有别的考虑?其实，文本开头讲到交通规划软件对形心和形心连线管理的方式中，已经讲到一个主要原因，就是为了交通小区形心定义的灵活性。当然，矩阵索引还有很多其他的用处，关于矩阵索引的更多信息，请查阅：深入理解TransCAD矩阵索引转换和操作一文。这里讲到了具体的矩阵索引方法，本文就不再赘述了。

6、结语

通过本文，希望读者能够理解形心和形心连线的原理，在不同软件中的工作工作机制，以及如何在TransCAD中用好形心连线工具。

再补充一些内容：形心连线一般可以把通行能力设置大一些，如果代替了交通分区的内部道路，其属性可以按照实际情况来设置。用于交通分配和公交分配的形心连线可以不一样，属性也有所区别，车行和人行的速度不同(这对交通分区较大的模型影响尤其明显)。针对Skim，也要小心谨慎处理形心连线上的相关特征。

很多初学者会问：“我的交通分配流量结果怎么看起来不合理，有的地方没流量，怎么办?”。检查一下如下工作，一般问题就解决了：

OD矩阵索引了没有?

OD矩阵本身没问题吧?

形心设置不可穿越了没有?

交通小区足够小，形心连线数量，连接方式合理?

形心连线的属性合理吗?

路网不拥挤,UE分配近似最短路径分配导致有些路段没流量，这不是形心和连线的事了，试试用SUE分配…

原文标题：TransCAD形心和形心连线那些事

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     审核编辑：汤梓红