空間分析在鐵路建設中的應用研究

摘?要：本文緊扣鐵路資源信息和地理信息關聯性、依附性，探討空間分析在鐵路建設中的發展應用，并詳細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用。

關鍵詞：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特征的空間數據分析技術，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聯性和依附性。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。空間分析的相關軟件在鐵路上的應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”一詞與工程力學中的“空間分析”重復，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是空間分析最強有利的環境。[1]在中國知網中篩選主題為GIS和鐵路的文獻，共313條相關結果。可以看到最早的相關文獻發表于1993年，在1993年，徐揚[2]就認識到將空間數據與其他屬性數據結合用來進行空間分析這一方法在鐵路建設中的重要性，并研究了地理信息系統在鐵路建設上的應用的可行性。

在2000年隨著“數字鐵路”[3]這一概念在國內的出現，鐵路中空間分析的相關研究出大幅增加，在2004年和2008年達到了兩個峰值。且相關研究涉及鐵路選線、鐵路運輸、鐵路環境影響、鐵路的勘測設計、鐵路貨運、鐵路工務等多個方面。

2?空間分析在鐵路信息管理方面的應用

鐵路系統中處理的信息多數與地理位置有關。在早期，相關部門的大量設計圖紙、圖像、表格、文字等都以手工操作為主，各工序、各專業彼此分開，資料的傳遞，不僅效率低，且錯漏現象時有發生。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。

早期GIS在鐵路上的應用大都是將鐵路中各子系統各部門所涉及的信息按照不同數據結構，儲存在數據庫中。借助GIS，通過地圖表示不同位置的信息，建立鐵路信息與數據定位地圖之間的聯系，實現直接在地圖上進行信息管理的功能，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，利用Windows?NT組建C/S網絡，還可以實現數據的網絡共享。利用GIS軟件的空間分析能力對鐵路信息進行管理，在鐵路新線建設、用地管理、工務信息管理都得到了廣泛的應用。

2.1?GIS鐵路用地管理系統

GIS鐵路用地管理系統[5]分為用地基本情況管理、鐵路用地地籍管理、鐵路用地規劃管理、鐵路建設用地管理、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據結構。各模塊相互獨立，將各模塊統一與數字化的地圖建立聯系，即可實現通過地圖對相關信息的查詢與管理。

2.2?基于GIS的鐵路工程地質系統

鐵路工程地質信息系統[6]利用GIS平臺搭建地理信息數據庫，用其他關系數據庫儲存屬性信息數據，系統除了具有數據管理和數據統計分析的簡單功能外，還可以利用系統的災害識別模型、災害發生預測模型，救災模型等模型對信息進行處理后，能夠對鐵路沿線有關地質災害的危害程度進行預測和評價。基于Windows?NT組建C/S網絡，實現數據的網絡共享。

2.3?GIS鐵路工務綜合信息系統

GIS鐵路工務綜合信息系統[7]可以通過柵格圖像配準后形成矢量圖為各個地理對象指定地圖坐標，該數據庫具有數據自動轉換功能，具有線路、路基、橋隧、防洪四個工務信息數據庫，與儲存地圖各種空間數據的基礎數據庫結合可以實現專題地圖分析、工務信息及多媒體信息查詢展示的功能。

除上述三個系統外，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[9]、GIS鐵路綜合監控系統[10]等系統的實質都是基于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用

隨著人們對GIS的了解，對空間分析方法的深入學習，空間分析在鐵路上的應用也不僅局限于對信息的管理，逐漸發展到鐵路信息與空間數據的聯合處理，并建立適當的評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用

常規的鐵路車站選址主要有，確定經濟合理站間距離、選定適當的站址方案、車站分布技術方案的決策三步。齊穎在常規鐵路車站選址解決方法的基礎上結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合的原則，把市內交通、市郊交通、其他交通方式及交通換乘模式同客流的集散結合，綜合考慮城市規劃、城市交通規劃、地形地質情況、建筑物情況、線路走向、運輸功能合理發揮條件等影響，以方便乘客集散或旅客到達車站短途交通費最省、換乘次數最少、占用繁忙路段機會最少等為目的，提出優化模型。

齊穎在文章中以旅客到達車站短途交通費用最省的情況為例，假設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：

選址問題即可變為一個優化問題;

另外，還可將乘客通過換乘其他交通工具到達車站所用的時間作為目標函數，或者考慮施工工程投資最省，加上約束條件建立優化模型，進行求解，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

將各評價指標量化為評價指標值ui，并由決策者給出權重wi，則有站址方案合理度：

F值越大，則對應方案越合理。

3.2?基于GIS的鐵路噪聲預測與評價方法

3.2.1?鐵路噪聲預測模型

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

3.2.2?GIS與預測模型的結合

GIS與預測模型結合，要先將研究區域內的空間數據、屬性數據導入GIS系統中，運用編程語言和二次開發組件將GIS與噪聲預測模式法模型集成，構建五個作用層：空間數據、屬性數據的導入，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，制定噪聲預防、噪聲消減對策。

3.3?空間分析在線路方案比較中的應用

早期的選線方法，比選目標單一，缺乏綜合性。在之后的研究中，花超將層次分析法、灰色關聯決策理論運用于線路的選擇中。[15]構建鐵路線路方案評價遞階層次結構，運用數學方法對各指標的權重進行分配，再運用灰色關聯決策理論對方案的優劣進行比較。該方法綜合考慮了指標間的相對權重和關聯性，考慮更全面。

現在GIS鐵路選線中的運用主要在于對已有的備選線路方案進行分析、比較，而在線路設計中很少涉及。GIS強大的功能完全可以在用地分布圖、地質災害圖、地形地勢圖等數字化的基礎上實現線路方案的設計。首先，對用地分布圖、地質災害分布圖等進行疊加分析，篩選出允許進行線路建設的區域。而后，根據線路的設計最大坡度以及地勢地形圖的等高距確定出步長R，即相鄰等高線件應設計的線路長度。而后就可應進行線路的設計，具體步驟如下：

（1）以起點為圓心，在半徑為R的范圍內進行緩沖區分析，在允許進行線路設計的區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，重復第一步，如果找到下一點則繼續重復一、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，然后進行第二、三步。若A點的下一點的備選點集中包含終點，則結束選線，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用

使用傳統的軌道電路定位法、測速定位法都無法實現對列車的精確定位。可以實現精確定位的GPS在列車經過較長的隧道或在建筑物林立的大城市群中會出現GPS的信號阻斷，很多數據無法接收，嚴重影響GPS的定位功效。為了提升列車定位的準確性，科研技術工作者經過潛心研究，開發了GPS與GIS的集成列車定位技術。[16]

4.1?GPS與GIS集成列車定位技術

GPS與GIS的集成列車定位技術在GPS信號丟失的時候依據GIS的距離計算功能推算列車的位置，以實現列車的定位監控。為實現GPS與GIS的集成列車定位技術，首先要建立鐵路GIS地圖數據庫，使用SOAP在GPS和GIS之間進行通信，實現兩系統間的數據與信息的交換。該技術的核心定位算法分為GPS坐標與數字地圖匹配和GIS距離推算兩個過程。具體步驟如下：

GPS坐標與數字地圖匹配：

（1）得到某一時刻的GPS數據;

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

（3）在距GPS定位點100m范圍以內，進行GIS緩沖區分析，搜索鐵路線，這里的鐵路線應該是指一段線;

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

（5）遍歷目標線路上的所有點，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坐標與數字地圖的匹配。

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，對列車位置進行計算前已經默認列車一定在鐵路線路上，所以當列車在隧道中發生意外，列車信號丟失，GIS依舊以正常算法對列車進行定位，無法及時發現列車事故，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，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進行定位的一個前提條件。[17]但可以看出的是，想要實現列車的高精度定位，單靠一種定位方法是難以實現的，集成化是列車定位技術的一個發展方向，而當面對多種定位系統提供的大量數據時，GIS對數據的空間分析能力尤為重要。

5?結語

早期空間分析在鐵路中的應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技術的發展，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的優化過程，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技術解決，二者結合，將GIS技術用于列車定位能夠暫時彌補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。