鐵路規(guī)劃與運量分析GIS系統(tǒng)探析

陳海平

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

1 鐵路規(guī)劃與運量分析 GIS 系統(tǒng)總體構(gòu)架

當(dāng)前，我國鐵路發(fā)展處在重要的戰(zhàn)略機遇期，在國家經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的保障和引領(lǐng)作用。根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年全國鐵路營業(yè)里程將達到15 萬km，高速鐵路3萬km，覆蓋80%以上的大城市；2025年全國鐵路營業(yè)里程將達到17.5 萬km左右，高速鐵路3.8萬km左右，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進一步擴大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著；2030年全國鐵路營業(yè)里程將達到20萬km左右，高速鐵路4.5萬km左右，基本實現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會高速鐵路連通、地市快速通達、縣域基本覆蓋[1]。

鐵路運量分析和規(guī)劃在鐵路設(shè)計中扮演著不可替代的角色，是鐵路設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，客觀務(wù)實、科學(xué)嚴(yán)謹?shù)倪\量基礎(chǔ)是決策鐵路項目功能定位、標(biāo)準(zhǔn)制定、線站位選擇、盈利模式等重要因素。因此，如何更為高效、深入、科學(xué)、全面地進行鐵路運量分析與規(guī)劃，是當(dāng)代鐵路設(shè)計需要重點思考的課題。

地理信息系統(tǒng)(GIS)目前廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟社會、交通運輸、國土開發(fā)的各個領(lǐng)域，正逐步成為咨詢設(shè)計行業(yè)強有力的工具手段[2]，而在最具有地理信息特征的鐵路運量分析和規(guī)劃領(lǐng)域，其應(yīng)用還具有較大的發(fā)展空間與開發(fā)潛力。從鐵路運量分析和規(guī)劃的本質(zhì)看，其工作機理過程恰恰是利用地理信息系統(tǒng)最為擅長的“數(shù)據(jù)+地圖+運算”，將經(jīng)濟地理信息加工處理為運量規(guī)劃信息。可以預(yù)見，GIS技術(shù)將成為鐵路運量分析及規(guī)劃提效增質(zhì)的重要手段。

隨著鐵路網(wǎng)的不斷完善，鐵路運量分析及規(guī)劃技術(shù)的精密性要求愈發(fā)突出，GIS技術(shù)的應(yīng)用對于鐵路運量分析及規(guī)

劃技術(shù)優(yōu)化將是重要的舉措。由于鐵路規(guī)劃與運量分析和地理信息系統(tǒng)各自的專業(yè)特質(zhì)及互補性，在鐵路運量分析及規(guī)劃中GIS技術(shù)應(yīng)用主要基于以下基本原則[3-4]：分析數(shù)據(jù)統(tǒng)籌化；分析方法模塊化；分析手段交互化；分析成果多樣化；分析評價綜合化；分析過程可視化；分析平臺智能化。依據(jù)這些原則，鐵路規(guī)劃與運量分析GIS系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計層次布局如圖1所示。

2 鐵路規(guī)劃與運量分析 GIS 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 通用地圖操作模塊

通用地圖操作模塊功能結(jié)構(gòu)主要包括地圖顯示及基本控制功能、GIS圖層管理功能及基本樣式控制功能3個部分。通用地圖操作模塊功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 鐵路規(guī)劃與運量分析GIS系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計層次布局Fig.1 Overall structure of GIS for railway planning and traffic analysis

圖2 通用地圖操作模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure diagram of general map operation module

（1）地圖顯示及基本控制功能。此功能是在進行地圖窗口顯示時，針對當(dāng)前地圖窗口進行的放大、縮小、選擇對象、漫游、全幅顯示、自由縮放等通用地圖操作，通過鼠標(biāo)、鍵盤、快捷鍵等多種手段以實時交互的方式完成，實現(xiàn)用戶對當(dāng)前地圖窗口顯示的基本控制。其操作過程與通用的電子地圖軟件基本類似。

（2）GIS圖層管理功能。系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)采用通用的圖層管理方式，主要為點類型的“車站點”“省會點”“市點”“縣點”“鄉(xiāng)鎮(zhèn)點”“機場”等；線類型的“現(xiàn)狀鐵路”“規(guī)劃鐵路”“國道”“省道”“高速”；面類型的“省域”“市域”“縣域”“483OD小區(qū)”“合并OD小區(qū)”等，圖層管理還包含了以上圖層的專題圖顯示層。在系統(tǒng)運行中，以上圖層共同構(gòu)成的地圖窗口的顯示內(nèi)容是數(shù)據(jù)的計算平臺和載體，必須加以有效的管理和控制。設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)化的圖層管理器模式，可以實現(xiàn)針對圖層的所有基礎(chǔ)操作，并采用交互式操作，直觀簡單，以有效提高圖層控制管理的工作效率。

（3）基本樣式控制功能。考慮到不同使用者對地圖顯示風(fēng)格的不同要求，系統(tǒng)將實現(xiàn)針對圖層風(fēng)格控制的基本功能。例如，對點、線、面類型的基本符號(線型、填充)，三維符號(線型、填充)，顯示大小、顏色(前景、背景、透明度、漸變)等風(fēng)格的完全交互式控制，采用交互式操作，直觀簡單，以有效提高圖層風(fēng)格控制的工作效率。

2.2 鐵路運輸經(jīng)濟模塊

鐵路運輸經(jīng)濟指標(biāo)龐雜，其中區(qū)段客貨流密度和車站客貨到發(fā)量2個指標(biāo)對線路等級與車站規(guī)模有著關(guān)鍵性控制作用，是鐵路運輸經(jīng)濟指標(biāo)庫中最重要，也是實際設(shè)計工作中使用頻率最高的核心指標(biāo)[5-6]。鐵路運輸經(jīng)濟模塊功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 區(qū)段客貨流密度分析功能

區(qū)段密度是鐵路運輸?shù)闹匾笜?biāo)，其量化了線路單位長度完成客貨周轉(zhuǎn)量的規(guī)模，體現(xiàn)了線路客貨流的負荷強度，是決定線路等級的關(guān)鍵運輸指標(biāo)。通過以下功能可以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地查詢并分析目標(biāo)區(qū)段密度數(shù)據(jù)。

（1）指定年度查詢分析。在指定某一特征年度的前提下，通過地圖選取指定鐵路干線上的某一個或幾個區(qū)段，同時，選擇需要查詢的一個或多個運輸品名，查詢結(jié)果實時顯示在地圖層。

（2）多年度趨勢分析。首先通過地圖選取指定鐵路干線上的某一個或幾個區(qū)段，再選擇需要查詢的一個或多個運輸品名，同時選取需要進行趨勢分析的多個年度。

圖3 鐵路運輸經(jīng)濟模塊功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Functional structure diagram of economic module of railway transportation

（3）綜合條件查詢。此功能首先確定需要查詢的年度，以及需要查詢的一個或多個運輸品名，之后將根據(jù)給出的查詢條件在全路客貨流區(qū)段密度數(shù)據(jù)庫中查詢符合條件的記錄并實時顯示到地圖層。

區(qū)段客貨流密度分析案例如圖4所示。

圖4 區(qū)段客貨流密度分析案例Fig.4 Section passenger and cargo flow density analysis case

2.2.2 車站到發(fā)分析功能

車站客貨到發(fā)量是鐵路運輸?shù)闹匾笜?biāo)，其量化了鐵路車站全年完成的客貨到發(fā)量的規(guī)模，體現(xiàn)了鐵路車站客貨運輸?shù)呢摵蓮姸?，是決定車站規(guī)模的關(guān)鍵運輸指標(biāo)。通過以下功能可以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地查詢并分析目標(biāo)車站到發(fā)數(shù)據(jù)。

（1）指定年度查詢分析。在指定某一特征年度的前提下，通過地圖選取指定區(qū)域、范圍、鐵路干線上的某一個或多個車站，亦可手動選取車站，同時，選擇需要查詢的一個或多個運輸品名，查詢結(jié)果將實時顯示在地圖層。

（2）多年度趨勢分析。首先通過地圖選取指定區(qū)域、范圍、鐵路干線上的某一個或多個車站，亦可手動選取車站；再選擇需要查詢的一個或多個運輸品名，同時選取需要進行趨勢分析的多個年度，分析結(jié)果將以柱狀圖的形式展現(xiàn)并輸出。

（3）綜合條件查詢。此功能首先確定需要查詢的年度，以及需要查詢的一個或多個運輸品名，之后根據(jù)給出的查詢條件在全路車站到發(fā)數(shù)據(jù)庫中查詢符合條件的記錄并實時顯示到地圖層。

車站到發(fā)量分析案例如圖5所示。

圖5 車站到發(fā)量分析案例Fig.5 Station arrival and departure volume analysis case

2.3 鐵路OD數(shù)據(jù)分析模塊

鐵路OD數(shù)據(jù)是鐵路客貨流量流向分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]，其原始的483個OD小區(qū)數(shù)據(jù)是鐵路行業(yè)統(tǒng)計部門在對全國客貨運統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合全國經(jīng)濟地理分布特點確定的，是鐵路客貨流分析設(shè)計中最重要、使用頻率最高的OD數(shù)據(jù)體系。鐵路OD數(shù)據(jù)分析模塊將在483個OD小區(qū)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行OD的處理與分析工作。

2.3.1 OD小區(qū)劃分功能

不同的項目其OD小區(qū)構(gòu)成是不同的，必須通過對原始483個OD小區(qū)的合并處理實現(xiàn)針對不同項目OD小區(qū)的劃分。OD小區(qū)劃分功能需要483個OD小區(qū)原始數(shù)據(jù)庫的支持，原始數(shù)據(jù)庫主要用來存儲全國鐵路483個OD小區(qū)原始OD到發(fā)矩陣信息數(shù)據(jù)，其按照年度和品名分別對OD到發(fā)矩陣建立數(shù)據(jù)集。OD小區(qū)劃分功能在全路438個原始OD小區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目需求對原始小區(qū)進行合并、整理，可選擇按照省、區(qū)域進行選擇合并，也可以手動選取小區(qū)合并。合并結(jié)果實時顯示在地圖層。

OD合并結(jié)果實時顯示如圖6所示。

圖6 OD合并結(jié)果實時顯示Fig.6 OD merge results are displayed in real time

2.3.2 OD數(shù)據(jù)分析功能

通過以下功能可以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地查詢并分析目標(biāo)區(qū)域OD數(shù)據(jù)。

（1）指定年度查詢分析。首先指定某一特征年度，然后選取需要進行分析的一個或多個運輸品名，之后通過地圖選取需要進行分析的OD范圍，可選擇針對某一個OD點進行分析或某一系列OD對進行分析，分析結(jié)果實時顯示在地圖上。

（2）多年度趨勢分析。首先在地圖上選取需要進行趨勢分析的OD點和OD對，同時選擇針對OD點的發(fā)、到及合計或是OD對的某個方向，之后選擇需要參加分析的一個或多個運輸品名，指定趨勢分析的多個年度，分析結(jié)果將以柱狀圖的形式展現(xiàn)并可選擇圖片輸出。

（3）綜合條件查詢。首先選擇某一特征年度，以及需要查詢的一個或多個運輸品名，之后選擇需要進行綜合查詢的范圍，根據(jù)設(shè)定的查詢條件檢索相關(guān)的OD對并實時顯示在地圖上。

根據(jù)設(shè)定查詢條件檢索的OD實時顯示如圖7所示。

2.4 鐵路運輸徑路分析模塊

由于客運、貨運徑路比較的指標(biāo)不同，因而設(shè)計將針對客運徑路和貨運徑路分別進行分析比較功能的設(shè)計。

（1）貨運徑路分析。通過在地圖上選擇徑路的起點、所經(jīng)節(jié)點及終點，確定貨運徑路的里程，可選取多條徑路進行綜合必選，比選結(jié)果實時顯示在地圖上。

圖7 設(shè)定查詢條件檢索OD實時顯示Fig.7 Set query conditions to retrieve OD real-time display

（2）客運徑路分析。通過在地圖上選擇徑路起點、所經(jīng)節(jié)點及終點，根據(jù)所經(jīng)干線的旅行速度，確定客運徑路的里程及運營時間，可選取多條徑路進行綜合必選，比選結(jié)果實時顯示在地圖上。

鐵路運輸徑路比選結(jié)果實時顯示如圖8所示。

圖8 鐵路運輸徑路比選結(jié)果實時顯示Fig.8 Real-time display of railway transport path selection results

2.5 路網(wǎng)規(guī)劃分析模塊

線網(wǎng)構(gòu)架布局與指標(biāo)測算是區(qū)域路網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)工作[8]。路網(wǎng)規(guī)劃分析模塊將針對規(guī)劃體系構(gòu)架和規(guī)劃指標(biāo)測算2個功能分別進行構(gòu)建。

（1）規(guī)劃體系構(gòu)架功能。根據(jù)具體規(guī)劃的要求，選擇規(guī)劃年度及線型顏色等，實時在地圖上顯示規(guī)劃線網(wǎng)。

（2）規(guī)劃指標(biāo)測算功能。首先選擇需要進行指標(biāo)測算的區(qū)域，再根據(jù)上一步所設(shè)定的規(guī)劃參數(shù)對各年度的線網(wǎng)長度、線網(wǎng)密度、人均長度等指標(biāo)進行測算。

2.6 經(jīng)濟地理分析模塊

經(jīng)濟地理信息的統(tǒng)計是鐵路設(shè)計前期工作的重要基礎(chǔ)資料。根據(jù)經(jīng)濟地理信息的構(gòu)成特點及實際設(shè)計工作需求，經(jīng)濟地理分析模塊將針對指定行政區(qū)域、指定項目沿線以及多年度趨勢等3個功能分別進行構(gòu)建。

（1）指定行政區(qū)域分析。指定需要進行分析的年度，地圖選擇需要分析的行政區(qū)域、經(jīng)濟單元，選擇需要進行分析的指標(biāo)，針對單選和多選分別指定輸出方式。

（2）項目沿線區(qū)域分析。指定需要進行分析的年度，地圖選擇需要分析的項目，根據(jù)項目吸引范圍確定輻射區(qū)域，同時選擇經(jīng)濟單元，選擇需要進行分析的指標(biāo)，針對單選和多選分別指定輸出方式。

（3）多年度趨勢分析。地圖選擇需要分析的經(jīng)濟單元，同時選擇需要進行分析的指標(biāo)。

經(jīng)濟地理信息統(tǒng)計實例如圖9所示。

圖9 經(jīng)濟地理信息統(tǒng)計實例Fig.9 Economic geographic information statistics examples

2.7 數(shù)據(jù)更新管理模塊

根據(jù)經(jīng)濟地理信息的特點及實際設(shè)計工作的需求，數(shù)據(jù)更新管理模塊將數(shù)據(jù)導(dǎo)入、地圖修改作為數(shù)據(jù)管理功能的主要2個子功能，同時，為了滿足數(shù)據(jù)更新的需要進行數(shù)據(jù)更新功能的構(gòu)建。

（1）數(shù)據(jù)管理功能。GIS系統(tǒng)“地圖加載數(shù)據(jù)”的特點決定了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理應(yīng)從針對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和針對地圖層的地圖修改2個部分實現(xiàn)[9]。①數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，即系統(tǒng)運行所需的區(qū)段密度數(shù)據(jù)、車站到發(fā)數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀鐵路數(shù)據(jù)、規(guī)劃鐵路數(shù)據(jù)、OD數(shù)據(jù)及主要行政級別經(jīng)濟交通數(shù)據(jù)按照指定格式的excel表格進行導(dǎo)入并自動入庫。針對原始OD小區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可根據(jù)excel格式的全國OD小區(qū)劃分原則表，在全國縣域地圖基礎(chǔ)上，合并縣域形成全國483個OD小區(qū)的基本地圖數(shù)據(jù)并放入地圖層。原始OD小區(qū)地圖層將成為OD模塊全部分析的地圖基礎(chǔ)。②地圖修改功能。根據(jù)用戶需要在地圖上通過交互式操作完成修改地圖數(shù)據(jù)的功能，主要針對現(xiàn)狀鐵路、規(guī)劃線路及車站等路網(wǎng)變動因素進行人工修改地圖數(shù)據(jù)，同時，為新增地圖元素添加名稱，以便通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入完善其屬性。

（2）數(shù)據(jù)更新功能。采用數(shù)據(jù)更新包制作的方法進行數(shù)據(jù)更新處理，管理員用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)更新情況制作數(shù)據(jù)更新包，普通用戶可導(dǎo)入更新包實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的更新。

3 結(jié)束語

將地理信息理念引入鐵路運量分析與規(guī)劃領(lǐng)域，可以促進地理信息技術(shù)領(lǐng)域和鐵路規(guī)劃與運量分析領(lǐng)域的跨界融合發(fā)展，推動技術(shù)革新和跨行業(yè)技術(shù)發(fā)展，拓展和引導(dǎo)鐵路設(shè)計行業(yè)發(fā)展。所開發(fā)的鐵路規(guī)劃與運量分析GIS系統(tǒng)目前已經(jīng)在西北及西藏鐵路網(wǎng)規(guī)劃，以及格庫鐵路(格爾木—庫爾勒)、銀西高速鐵路(銀川—西安北)、川藏鐵路(成都—拉薩)等規(guī)劃與設(shè)計項目上得到應(yīng)用，該系統(tǒng)對于提高鐵路運量分析和規(guī)劃整體水平，以及提高工作效率具有重要意義。