空間分析在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘?要：本文緊扣鐵路資源信息和地理信息關(guān)聯(lián)性、依附性，探討空間分析在鐵路建設(shè)中的發(fā)展應(yīng)用，并詳細(xì)分析研究了空間分析在鐵路信息管理方面、在鐵路方案評價決策方面、在列車定位方面的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鐵路;空間分析;信息管理;評價決策;列車定位

空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。（郭仁忠，1997）鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關(guān)聯(lián)性和依附性。所以，在鐵路中，必然需要大量地使用空間分析的方法來解決問題。空間分析的相關(guān)軟件在鐵路上的應(yīng)用也使得鐵路的工作更加便捷高效。

1?鐵路與空間分析

“空間分析”一詞與工程力學(xué)中的“空間分析”重復(fù)，二者意義卻大相徑庭，空間分析是GIS的一個重要組成部分，且GIS是空間分析最強(qiáng)有利的環(huán)境。[1]在中國知網(wǎng)中篩選主題為GIS和鐵路的文獻(xiàn)，共313條相關(guān)結(jié)果?？梢钥吹阶钤绲南嚓P(guān)文獻(xiàn)發(fā)表于1993年，在1993年，徐揚[2]就認(rèn)識到將空間數(shù)據(jù)與其他屬性數(shù)據(jù)結(jié)合用來進(jìn)行空間分析這一方法在鐵路建設(shè)中的重要性，并研究了地理信息系統(tǒng)在鐵路建設(shè)上的應(yīng)用的可行性。

在2000年隨著“數(shù)字鐵路”[3]這一概念在國內(nèi)的出現(xiàn)，鐵路中空間分析的相關(guān)研究出大幅增加，在2004年和2008年達(dá)到了兩個峰值。且相關(guān)研究涉及鐵路選線、鐵路運輸、鐵路環(huán)境影響、鐵路的勘測設(shè)計、鐵路貨運、鐵路工務(wù)等多個方面。

2?空間分析在鐵路信息管理方面的應(yīng)用

鐵路系統(tǒng)中處理的信息多數(shù)與地理位置有關(guān)。在早期，相關(guān)部門的大量設(shè)計圖紙、圖像、表格、文字等都以手工操作為主，各工序、各專業(yè)彼此分開，資料的傳遞，不僅效率低，且錯漏現(xiàn)象時有發(fā)生。為使鐵路信息的管理與傳遞更加方便，將GIS引入了鐵路信息管理系統(tǒng)。

早期GIS在鐵路上的應(yīng)用大都是將鐵路中各子系統(tǒng)各部門所涉及的信息按照不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，儲存在數(shù)據(jù)庫中。借助GIS，通過地圖表示不同位置的信息，建立鐵路信息與數(shù)據(jù)定位地圖之間的聯(lián)系，實現(xiàn)直接在地圖上進(jìn)行信息管理的功能，使得對鐵路不同信息的管理更加直觀，也方便了信息的傳遞。以此為基礎(chǔ)，利用Windows?NT組建C/S網(wǎng)絡(luò)，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。利用GIS軟件的空間分析能力對鐵路信息進(jìn)行管理，在鐵路新線建設(shè)、用地管理、工務(wù)信息管理都得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1?GIS鐵路用地管理系統(tǒng)

GIS鐵路用地管理系統(tǒng)[5]分為用地基本情況管理、鐵路用地地籍管理、鐵路用地規(guī)劃管理、鐵路建設(shè)用地管理、鐵路用地日常管理五個模塊。各模塊擁有不同的圖層，各圖層擁有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各模塊相互獨立，將各模塊統(tǒng)一與數(shù)字化的地圖建立聯(lián)系，即可實現(xiàn)通過地圖對相關(guān)信息的查詢與管理。

2.2?基于GIS的鐵路工程地質(zhì)系統(tǒng)

鐵路工程地質(zhì)信息系統(tǒng)[6]利用GIS平臺搭建地理信息數(shù)據(jù)庫，用其他關(guān)系數(shù)據(jù)庫儲存屬性信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)除了具有數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的簡單功能外，還可以利用系統(tǒng)的災(zāi)害識別模型、災(zāi)害發(fā)生預(yù)測模型，救災(zāi)模型等模型對信息進(jìn)行處理后，能夠?qū)﹁F路沿線有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的危害程度進(jìn)行預(yù)測和評價?；赪indows?NT組建C/S網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

2.3?GIS鐵路工務(wù)綜合信息系統(tǒng)

GIS鐵路工務(wù)綜合信息系統(tǒng)[7]可以通過柵格圖像配準(zhǔn)后形成矢量圖為各個地理對象指定地圖坐標(biāo)，該數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換功能，具有線路、路基、橋隧、防洪四個工務(wù)信息數(shù)據(jù)庫，與儲存地圖各種空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫結(jié)合可以實現(xiàn)專題地圖分析、工務(wù)信息及多媒體信息查詢展示的功能。

除上述三個系統(tǒng)外，類似的還有GIS鐵路通信線路管理[8]、GIS鐵路貨運營銷信息系統(tǒng)[9]、GIS鐵路綜合監(jiān)控系統(tǒng)[10]等系統(tǒng)的實質(zhì)都是基于GIS的電子文件柜[11]。

3?空間分析在鐵路方案評價決策中的應(yīng)用

隨著人們對GIS的了解，對空間分析方法的深入學(xué)習(xí)，空間分析在鐵路上的應(yīng)用也不僅局限于對信息的管理，逐漸發(fā)展到鐵路信息與空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，并建立適當(dāng)?shù)脑u價模型幫助用戶完成程序化的決策過程。

3.1?空間分析在車站選址中的應(yīng)用

常規(guī)的鐵路車站選址主要有，確定經(jīng)濟(jì)合理站間距離、選定適當(dāng)?shù)恼局贩桨?、車站分布技術(shù)方案的決策三步。齊穎在常規(guī)鐵路車站選址解決方法的基礎(chǔ)上結(jié)合空間分析法提出車站選址的新方法。[12]具體步驟如下：

3.1.1?初始地址的獲得

遵循集中與分散相結(jié)合的原則，把市內(nèi)交通、市郊交通、其他交通方式及交通換乘模式同客流的集散結(jié)合，綜合考慮城市規(guī)劃、城市交通規(guī)劃、地形地質(zhì)情況、建筑物情況、線路走向、運輸功能合理發(fā)揮條件等影響，以方便乘客集散或旅客到達(dá)車站短途交通費最省、換乘次數(shù)最少、占用繁忙路段機(jī)會最少等為目的，提出優(yōu)化模型。

齊穎在文章中以旅客到達(dá)車站短途交通費用最省的情況為例，假設(shè)Ai（Xi，Yi）為N個旅客集散點，其運量需求分別為Qi（萬人/年），短途票價為pi（元/人公里），Z（X，Y）為某一車站選址，假定各個集散點到車站之間有直通路。

則各個旅客集散點到車站的短途交通總費用為：

選址問題即可變?yōu)橐粋€優(yōu)化問題;

另外，還可將乘客通過換乘其他交通工具到達(dá)車站所用的時間作為目標(biāo)函數(shù)，或者考慮施工工程投資最省，加上約束條件建立優(yōu)化模型，進(jìn)行求解，得到其他的站址，最后可以得出多個站址方案。

3.1.2?站址方案評價

將各評價指標(biāo)量化為評價指標(biāo)值ui，并由決策者給出權(quán)重wi，則有站址方案合理度：

F值越大，則對應(yīng)方案越合理。

3.2?基于GIS的鐵路噪聲預(yù)測與評價方法

3.2.1?鐵路噪聲預(yù)測模型

我國鐵路噪聲預(yù)測方法常用的有兩種[13]：比例預(yù)測法和模式預(yù)測法。目前，我國鐵路建設(shè)項目大多數(shù)采用模式預(yù)測法對噪聲環(huán)境影響進(jìn)行分析評價。[14]模式預(yù)測法把鐵路各類聲源簡化為點聲源和線聲源分別進(jìn)行計算。

3.2.2?GIS與預(yù)測模型的結(jié)合

GIS與預(yù)測模型結(jié)合，要先將研究區(qū)域內(nèi)的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)中，運用編程語言和二次開發(fā)組件將GIS與噪聲預(yù)測模式法模型集成，構(gòu)建五個作用層：空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，建立程序化噪聲，繪制噪聲值表和等聲級線分布圖，分析噪聲影響程度，制定噪聲預(yù)防、噪聲消減對策。

3.3?空間分析在線路方案比較中的應(yīng)用

早期的選線方法，比選目標(biāo)單一，缺乏綜合性。在之后的研究中，花超將層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)決策理論運用于線路的選擇中。[15]構(gòu)建鐵路線路方案評價遞階層次結(jié)構(gòu)，運用數(shù)學(xué)方法對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行分配，再運用灰色關(guān)聯(lián)決策理論對方案的優(yōu)劣進(jìn)行比較。該方法綜合考慮了指標(biāo)間的相對權(quán)重和關(guān)聯(lián)性，考慮更全面。

現(xiàn)在GIS鐵路選線中的運用主要在于對已有的備選線路方案進(jìn)行分析、比較，而在線路設(shè)計中很少涉及。GIS強(qiáng)大的功能完全可以在用地分布圖、地質(zhì)災(zāi)害圖、地形地勢圖等數(shù)字化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)線路方案的設(shè)計。首先，對用地分布圖、地質(zhì)災(zāi)害分布圖等進(jìn)行疊加分析，篩選出允許進(jìn)行線路建設(shè)的區(qū)域。而后，根據(jù)線路的設(shè)計最大坡度以及地勢地形圖的等高距確定出步長R，即相鄰等高線件應(yīng)設(shè)計的線路長度。而后就可應(yīng)進(jìn)行線路的設(shè)計，具體步驟如下：

（1）以起點為圓心，在半徑為R的范圍內(nèi)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，在允許進(jìn)行線路設(shè)計的區(qū)域中選擇與起點高差小于等高距作為備選點集，將備選點集中離終點最近的點作為點A;

（2）連接起點與點A;

（3）將A點作為起點，重復(fù)第一步，如果找到下一點則繼續(xù)重復(fù)一、二步;如果沒有找到滿足條件的下一點，則返回第一步重新檢索距終點次近的點作為A點，然后進(jìn)行第二、三步。若A點的下一點的備選點集中包含終點，則結(jié)束選線，將終點作為線路的最后一點。

4?空間分析在列車定位中的應(yīng)用

使用傳統(tǒng)的軌道電路定位法、測速定位法都無法實現(xiàn)對列車的精確定位?？梢詫崿F(xiàn)精確定位的GPS在列車經(jīng)過較長的隧道或在建筑物林立的大城市群中會出現(xiàn)GPS的信號阻斷，很多數(shù)據(jù)無法接收，嚴(yán)重影響GPS的定位功效。為了提升列車定位的準(zhǔn)確性，科研技術(shù)工作者經(jīng)過潛心研究，開發(fā)了GPS與GIS的集成列車定位技術(shù)。[16]

4.1?GPS與GIS集成列車定位技術(shù)

GPS與GIS的集成列車定位技術(shù)在GPS信號丟失的時候依據(jù)GIS的距離計算功能推算列車的位置，以實現(xiàn)列車的定位監(jiān)控。為實現(xiàn)GPS與GIS的集成列車定位技術(shù)，首先要建立鐵路GIS地圖數(shù)據(jù)庫，使用SOAP在GPS和GIS之間進(jìn)行通信，實現(xiàn)兩系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)與信息的交換。該技術(shù)的核心定位算法分為GPS坐標(biāo)與數(shù)字地圖匹配和GIS距離推算兩個過程。具體步驟如下：

GPS坐標(biāo)與數(shù)字地圖匹配：

（1）得到某一時刻的GPS數(shù)據(jù);

（2）如果GPS得到的速度小于鐵路限速（300km/h）則進(jìn)行第三步，否則需要重新獲取GPS數(shù)據(jù);

（3）在距GPS定位點100m范圍以內(nèi)，進(jìn)行GIS緩沖區(qū)分析，搜索鐵路線，這里的鐵路線應(yīng)該是指一段線;

（4）若鐵路線路的防線與SOAP中獲取的GPS信號的方向一致，則該鐵路為目標(biāo)路線;

（5）遍歷目標(biāo)線路上的所有點，計算與定位點之間的距離，距離最小處的點即為列車在地圖上的實際位置，通過GIS渲染，使該點高亮顯示出來，完成GPS坐標(biāo)與數(shù)字地圖的匹配。

GIS距離推算：利用已知的列車速乘以信號丟失的時間，得到列車相對于原來位置的距離。利用GIS儲存的鐵路向線路信息，以列車前一顯示位置為基點，按照與列車運動的一致方向遍歷該鐵路線上的所有點，計算兩點間的距離，如果距離大于鐵路線長度，則需要遍歷與運動方向一致的相鄰鐵路線，以此方法進(jìn)行搜索，直至計算的距離與前一計算的距離相等，該點即為列車此時所在的地圖顯示位置。通過GIS的渲染，該點可以高亮顯示出來。

4.2?GPS與GIS集成列車定位技術(shù)的思考

列車定位的重要作用之一是保證列車安全，而這個方法，對列車位置進(jìn)行計算前已經(jīng)默認(rèn)列車一定在鐵路線路上，所以當(dāng)列車在隧道中發(fā)生意外，列車信號丟失，GIS依舊以正常算法對列車進(jìn)行定位，無法及時發(fā)現(xiàn)列車事故，這種集成方法在安全性方面還需要軌道電路或其他定位技術(shù)的輔助以保證列車的安全運行。此外，位置推算過程中使用的速度是某一刻的速度，無法保證列車在丟失信號的這段時間內(nèi)都以該速度運行，其精度在丟失信號段降低。這大概也就是為什么早在2005年就提出這種集成技術(shù)，但時至今日，卻沒有得到使用的原因。直到2017年這個問題都沒有被解決，列車始終在鐵路上行駛依舊是GIS進(jìn)行定位的一個前提條件。[17]但可以看出的是，想要實現(xiàn)列車的高精度定位，單靠一種定位方法是難以實現(xiàn)的，集成化是列車定位技術(shù)的一個發(fā)展方向，而當(dāng)面對多種定位系統(tǒng)提供的大量數(shù)據(jù)時，GIS對數(shù)據(jù)的空間分析能力尤為重要。

5?結(jié)語

早期空間分析在鐵路中的應(yīng)用主要在于地理信息管理方面，大多屬于電子文件柜，使用的都是較簡單的空間分析方法;隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，空間分析也參與到了鐵路問題的決策過程中，該過程是一個多目標(biāo)的優(yōu)化過程，宜采用疊加分析法;空間分析的方法為列車定位提供了新思路。鐵路中的空間定位問題無法單靠GPS或GIS技術(shù)解決，二者結(jié)合，將GIS技術(shù)用于列車定位能夠暫時彌補(bǔ)GPS定位列車的一些弊端。

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作者簡介：張永怡（2000—?），女，漢族，陜西安康人，本科，研究方向：鐵路運輸。