基于GIS的鐵路走向方案研究

于 策

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

當(dāng)前我國(guó)鐵路建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。2018年10月發(fā)布的《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于保持基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域補(bǔ)短板力度的指導(dǎo)意見(jiàn)》再次提出，拓展區(qū)域鐵路連接線，完善鐵路骨干網(wǎng)絡(luò)。選定基本走向是鐵路線路設(shè)計(jì)中最根本的問(wèn)題，線路走向合理與否，關(guān)系到工程投資、運(yùn)輸效率乃至國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等長(zhǎng)遠(yuǎn)利益[1]。鐵路線路走向是一條連接重要政治、經(jīng)濟(jì)中心點(diǎn)的連線，走向選擇的關(guān)鍵，是選定需要經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)的鐵路走向選擇，往往是先憑經(jīng)驗(yàn)確定多個(gè)走向方案，再通過(guò)考慮地質(zhì)、環(huán)保、工程[2]、規(guī)劃[3]、站位[4]、安全[5]、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)[6]等多個(gè)方面[7]，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)、線路功能定位[8]、政府部門(mén)意見(jiàn)[9]等因素，綜合比選得到最優(yōu)方案。受人為主觀因素的影響，在這個(gè)過(guò)程中，可能會(huì)遺漏部分有比較價(jià)值的方案，且所考慮因素中只有工程投資可以量化比較，鐵路對(duì)于沿線城鎮(zhèn)發(fā)展的影響等其他因素均以定性為主[10]，難以選出最優(yōu)方案。本著不遺漏有價(jià)值方案的原則，在城鎮(zhèn)密集區(qū)域往往會(huì)出現(xiàn)大量的比較方案，方案比選工作量大、速度慢、成本高，鐵路走向選擇的方式方法有待完善。

針對(duì)以上問(wèn)題，部分學(xué)者展開(kāi)了進(jìn)一步的研究。為了能夠使部分定性的因素得以客觀比較，于策等[11-12]運(yùn)用GIS通過(guò)評(píng)價(jià)線位對(duì)沿線區(qū)域可達(dá)性的影響，進(jìn)而將鐵路線位與城市發(fā)展的關(guān)系引入選線過(guò)程；陳學(xué)賢等[10]引入熵權(quán)理想點(diǎn)法，實(shí)現(xiàn)了定性因素的量化比較，通過(guò)評(píng)價(jià)3個(gè)線路方案的7項(xiàng)指標(biāo)，得到了最佳方案；高玉祥等[13]利用GIS實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)的量化，運(yùn)用空間多維度相似的相似度計(jì)算方法，對(duì)比分析了兩個(gè)線路方案的優(yōu)劣。以上研究都需要事先確定幾個(gè)線位方案，為了防止遺漏方案，并避免因方案過(guò)多而引起比較工作量的急劇增加，張?zhí)靷サ萚14]在確定城際鐵路必經(jīng)區(qū)域的基礎(chǔ)上，以鐵路建設(shè)成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建了優(yōu)化模型，得到了鐵路走向最優(yōu)方案；謝帥帥[15]、季志博[16]、李然[17]運(yùn)用GIS最優(yōu)路徑工具，綜合地形、地質(zhì)、地物和環(huán)境等數(shù)據(jù)得到了鐵路的最優(yōu)路徑。可見(jiàn)，隨著鐵路走向方面研究的不斷深化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定性事物的量化，并可以通過(guò)GIS等工具排除人為經(jīng)驗(yàn)、情感等因素的干擾而實(shí)現(xiàn)軟件自主生成所需的最優(yōu)方案，但現(xiàn)階段的著眼點(diǎn)大多還停留在工程造價(jià)、施工難度及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本等鐵路自身方面。事實(shí)上，鐵路的建設(shè)是為了滿足沿線的需求、促進(jìn)地區(qū)的發(fā)展，在決定鐵路走向時(shí)引入鐵路線位與區(qū)域發(fā)展的耦合關(guān)系也就具有了一定的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2 問(wèn)題描述

選定的研究區(qū)域位于華北平原，城鎮(zhèn)分布密集、地勢(shì)平坦、地質(zhì)條件良好，既有交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)，區(qū)域內(nèi)無(wú)大江大河。研究區(qū)域內(nèi)擬建一條城際鐵路，城際鐵路主要服務(wù)于相鄰城市間或城市群，站間距宜為5～20 km[18]。車(chē)站主要為城鎮(zhèn)服務(wù)，按此空間尺度，將研究區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)簡(jiǎn)化到27個(gè)城市節(jié)點(diǎn)，假設(shè)利用既有交通工具通過(guò)任意單位距離的成本相同，并假定區(qū)域內(nèi)單位里程的鐵路造價(jià)相同，這樣便可以把工程費(fèi)用的比較簡(jiǎn)化為線路長(zhǎng)度的比較[19]。如圖1所示，城市圖標(biāo)大小代表城市規(guī)模大小。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)城市分布示意

按照規(guī)劃，城際鐵路將建在城市1與城市27之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以粗略篩選出如圖2所示的多種走向通道。直接連通城市1與城市27的航空線最為短直，但沒(méi)有兼顧其他城市的需求。本著靠近航空線以縮短里程、減少投資的原則，可以選出途經(jīng)城市2、7、10、16、20、26的北線方案以及途經(jīng)城市5、12、13、14、19、26的中線方案，其中城市2、10、20為較大的城市。中線方案雖然短直，但所經(jīng)城市規(guī)模較小，既不能滿足鐵路正常運(yùn)營(yíng)所需客流強(qiáng)度進(jìn)而浪費(fèi)了鐵路的運(yùn)輸能力，也不能滿足較大城市更多的運(yùn)輸需求，所以產(chǎn)生了途徑城市3、4、6、11、17、22、24的南線方案，其中城市3、4、6、22、24為較大的城市。在此基礎(chǔ)之上，從局部來(lái)看，仍然存在其他值得商榷的方案，例如城市23也比較大，北線方案在城市20、26之間增加經(jīng)過(guò)城市23或許更優(yōu)；中線方案中如果舍棄城市5而取道城市3、4、8，則可在不明顯增加展線系數(shù)的情況下惠及較大的城市3、4以及城市8；南線方案是否需要增加經(jīng)過(guò)城市15也需要論證。如此種種，不一而足。所有城市都有鐵路出行的需求，而一條鐵路不可能經(jīng)過(guò)所有的城市。各方案的工程造價(jià)可通過(guò)距離大致估算，但不同方案對(duì)于區(qū)域內(nèi)城市發(fā)展的影響則難以表示。

圖2 走向方案示意

3 研究思路及計(jì)算過(guò)程

在公路等既有路網(wǎng)的幫助下，沒(méi)有鐵路的城市也可以享受鐵路帶來(lái)的便捷性[12]。鐵路無(wú)需修到每個(gè)具有鐵路運(yùn)輸需求的城市，因?yàn)殡x開(kāi)鐵路之后客貨仍然可以通過(guò)公路等其他運(yùn)輸方式到達(dá)目的地。故選定鐵路走向時(shí)應(yīng)將研究區(qū)域內(nèi)鐵路不能經(jīng)過(guò)的城市也考慮進(jìn)來(lái)。距離鐵路越近，城市與鐵路交流越頻繁，鐵路越能滿足該城市的需求，反之亦然。鐵路從某個(gè)地區(qū)經(jīng)過(guò)，鐵路與周邊城市的關(guān)系受到這個(gè)地區(qū)區(qū)位優(yōu)勢(shì)的影響。所以鐵路應(yīng)從與周邊城市聯(lián)系更緊密的地方經(jīng)過(guò)。

為了定量表示各地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用潛能模型[20]

(1)

式中，Pi為第i個(gè)地區(qū)的潛能(區(qū)位優(yōu)勢(shì))；n為區(qū)域內(nèi)城市個(gè)數(shù)；Mj為區(qū)域內(nèi)第j個(gè)城市的規(guī)模和質(zhì)量，本文采用GDP；Tij為通過(guò)既有路網(wǎng)從地區(qū)i到城市j的最小成本，本文將其簡(jiǎn)化為空間距離；a為距離摩擦系數(shù)，參照萬(wàn)有引力模型，a值取2。

單位距離的建設(shè)成本相對(duì)固定，但不同地方的區(qū)位潛能各不相同，定線于區(qū)位潛能越大的地方，越能更好地為周邊城市服務(wù)，鐵路的效益也就越好。

研究區(qū)域面積達(dá)1萬(wàn)多km2，利用GIS將其分成大小為100 m×100 m的柵格，每個(gè)柵格可以存儲(chǔ)一個(gè)Value信息值。利用成本距離工具、成本路徑工具及柵格計(jì)算器，可得到每個(gè)柵格位置的區(qū)位潛能(Pi)，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將圖像分30級(jí)顯示，結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域區(qū)位潛能及最佳走向方案

成本距離工具得到的是每個(gè)柵格到達(dá)源點(diǎn)的最小累計(jì)成本距離，其基本工作原理是將所有要到達(dá)的目標(biāo)柵格作為待處理的柵格，從源點(diǎn)柵格出發(fā)，計(jì)算它到上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8個(gè)方向相鄰柵格的成本，計(jì)為相鄰柵格的value值，再依次從某個(gè)柵格開(kāi)始，處理其相鄰8個(gè)方向的相鄰柵格。如果某相鄰柵格計(jì)算值大于此柵格原有value值，則忽略此相鄰柵格，否則更新該相鄰柵格的value值，取此計(jì)算值為柵格新的value值。繼續(xù)處理每個(gè)柵格8個(gè)方向的相鄰柵格，重復(fù)此過(guò)程直至待處理柵格處理完成[21]。成本路徑工具可以生成源點(diǎn)至目標(biāo)柵格的最小成本路徑。

參照成本距離工具、成本路徑工具的工作原理，將每個(gè)柵格的value值設(shè)為此處鐵路單位里程的建設(shè)成本(簡(jiǎn)化為1)與區(qū)位潛能的比值1/Pi，即建設(shè)成本越低、區(qū)位潛能越大，鐵路越應(yīng)該從此地經(jīng)過(guò)。

4 結(jié)果與分析

運(yùn)用成本路徑工具，得到最佳走向方案，如圖3所示，從城市1出發(fā)，經(jīng)城市3、4、8、12、13、14、19、24，到達(dá)設(shè)計(jì)終點(diǎn)城市27，其中較大的城市有城市3、4、24。由于所得路徑是城市1至城市27的最佳路徑，根據(jù)GIS工作原理，此路徑所經(jīng)城市中任意兩座城市間的路徑也是這兩座城市間的最佳路徑。通過(guò)對(duì)比分析，可以得出以下方面的結(jié)論。

(1)鐵路走向應(yīng)短直，以減少投資、縮短城市間的時(shí)空距離。最佳走向方案走向總體上與航空線及中線方案比較接近，縮短了鐵路里程。

(2)鐵路走向應(yīng)經(jīng)過(guò)更多城市，以更好地服務(wù)于沿線地區(qū)。如從城市8至城市19，在沒(méi)有明顯增加線路長(zhǎng)度的情況下經(jīng)過(guò)了城市12、13、14是可以接受的。

(3)鐵路走向應(yīng)優(yōu)先考慮大城市，這是因?yàn)榇蟪鞘袑?duì)鐵路運(yùn)輸服務(wù)的需求量更大。如從城市3到城市8，途徑城市4與途徑城市5總里程差不多，但因城市4規(guī)模大于城市5，所以選擇經(jīng)過(guò)城市4。從城市19至城市27，相對(duì)于經(jīng)過(guò)城市26，經(jīng)過(guò)城市24明顯增加了線路里程，但因城市24規(guī)模更大，取道城市24值得考慮。

(4)走向選擇時(shí)應(yīng)考慮到研究區(qū)域內(nèi)所有城市的需求，而不能僅考慮鐵路所經(jīng)城市。通過(guò)公路等其他交通方式的接駁，遠(yuǎn)離鐵路的城市也可以享受鐵路的運(yùn)輸服務(wù)。如城市14與城市24之間，城市17、城市22的規(guī)模分別是城市19的1.4倍和2.9倍，繞道經(jīng)過(guò)城市17、24而舍棄城市19看起來(lái)是可取的，但城市18、城市20的規(guī)模明顯更大，鐵路經(jīng)過(guò)城市19是為了同時(shí)兼顧城市18、城市20的需求。

(5)鐵路應(yīng)盡可能靠近城市中心，以直接服務(wù)于城市地區(qū)。越靠近城市中心，地區(qū)潛能越大，所以在沒(méi)有考慮征地拆遷、城市規(guī)劃等因素的情況下，最佳方案無(wú)一例外從所經(jīng)城市中心穿過(guò)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，鐵路走向選擇問(wèn)題趨于復(fù)雜，傳統(tǒng)的方法需要事先選定大量的比較方案，再逐一進(jìn)行對(duì)比，既要花費(fèi)大量的成本又可能會(huì)遺漏部分有價(jià)值的方案，且比較過(guò)程中不能定量權(quán)衡不同方案下鐵路與城市的耦合關(guān)系。運(yùn)用GIS柵格算法及潛能模型，依托成本距離、成本路徑工具，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、精度高、成本低的優(yōu)勢(shì)，不受設(shè)計(jì)、決策者個(gè)人主觀判斷的影響，無(wú)需事先選定比較方案，即可直接得到鐵路走向的最優(yōu)路徑，以供規(guī)劃設(shè)計(jì)之時(shí)參考。此方法對(duì)于鐵路建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)前期選擇線位走向具有一定的指導(dǎo)作用。