基于GIS技术的高速铁路线网规划适应性研究

郇晓喜

（新疆铁道勘察设计院有限公司，乌鲁木齐 830011）

引言

交通运输对社会经济发展具有十分重要的意义，其中高速铁路运输是整个交通运输的核心部分[1,2]。近几年来，高速铁路不论是规模还是水平都得以迅速发展，实现了国家提出的相关政策。

高速铁路线网是进行高速铁路运输业务以及作业的支撑基础，同时它也是高速铁路基础设施网络结构的反映。在实际应用的过程中，由于各个国家的国情以及时代背景完全不同，所以其高速铁路发展规模也是完全不同，合理的规划高速铁路线网能够有效促使经济发展[3]。

相关学家针对该方面给出了一些较好的研究成果，例如王忠强等人大量查阅相关资料，对各个高速铁路线网进行分析，同时设定三项指标为后续高速铁路线网规划适应性研究奠定基础；顾金山主要总结了不同城市在轨道运输方面的建设经验，提出“枢纽锚定网”铁路线网规划方法。现阶段我国高速铁路线网发展十分迅速，为了满足现阶段的发展需求，本文将结合GIS技术对高速铁路线网规划适应性进行研究，通过具体的仿真实验数据全面验证了所提方法的综合有效性。

1 基于GIS技术的高速铁路线网规划适应性研究

1.1 高速铁路线网规模预测模型的组建

为了全面了解高速铁路线网规模，首先需要相关影响因素进行具体的分析研究，方便后续清理各个影响因素对高速铁路线网规模的影响程度[4,5]，同时为高速铁路线网规模预算奠定坚实的基础。

根据高速铁路线网系统内各个影响因素之间的相互关系组建邻接矩阵，经过运算获取可达矩阵，其中邻接矩阵代表不同矩阵之间的相互关联性，以下采用A；其中各个元素aij的计算式如下所示：

各个元素之间的邻接矩阵能够表示为以下的形式：

不同元素的可达矩阵R能够利用邻接矩阵A加上矩阵I获取，其中矩阵I代表单位矩阵，可达矩阵代表各个影响因素之间通过任意路径后达到可达到的程度[6]。

结合上述分析，能够将可达矩阵利用区域划分以及极间分解的方法依次组建不同因素之间的层次关系。

结合可达矩阵，能够将和因素in相关的因素组成对应的可达集到达因素in的因素组成先行集则有：

式中：

N—全部因素组建的集合；

mij—i点到j点的关联值；

mji—j点到i点之间的关联值。

高速铁路线网规模预算方法的好坏决定了最终测试结果的好坏，同时也会对高速铁路线网规划产生一定的影响[7,8]。以下给出具体的操作过程：

首先对高速铁路线网的合理规模选用网络分析方法进行计算，其中该方法的原始计算模型为：

式中：

L—铁路网规模；

S—城市群的面积；

N—城市群内能够进行连接的节点数量；

C—连通度系数。

由于铁路网的线路在实际应用的过程中会受到自然条件等相关因素的影响，导致铁路线路并不是全部都为直线，根据各个城市规模的大小，需要在地理条件的类型中加入线路的非直线系数ξ，结合GIS技术，则经过修改的模型能够表示为以下的形式：

由于各个城市内全部节点的平均连通度系数是不同的，需要利用各个节点连通度之后和进行加权平均计算，以下给出具体的计算式：

式中：

为了满足城市铁路网的发展需求，需要结合相关参数进行统计分析，同时将定性因素设定为调整参数，带入到对应的模型中，则能够获取以下计算式：

式中：

R—城市中高速铁路网密度；

P—城市人口密度；

E—城市人均收入。

以上模型忽略了空间结构以及政府的相关政策等影响因素，因此以下需要加入高速铁路网依赖性偏好指数，则有：

式中：

δ—高速铁路网依赖性偏好指数；

rR—高速铁路网密度统计总值；

hR—模型估计值。

经过调整后的高速铁路线网规模预算模型为：

1.2 基于GIS技术的高速铁路线网规划适应性研究

高速铁路线网规划预测试高速铁路线路分布的基础，测算结果需要满足对应的规划目标需求，其中规划目标主要包含人口规模以及空间范围等相关参数，主要是以城市覆盖率、线网密度等进行衡量，在于其他规划目标进行对比的基础上，进一步对比其发展阶段。

高速铁路线网规模是城市群镜以及空间结构以及需求结构相互作用的结果，合理的线网规模能够有效满足不同层次的运输需求，同时也能够适应城市群的阶段性发展需求以及发展速度。

立足于运输系统本身，线网规模的合理性主要体现在量以及质两个层次上，同时需要分别引入供需均衡系数以及层次平衡次数两个指标进行衡量[9]。

其中供求平衡系数主要从总量的角度全面反映高速铁路网规模需要满足的运输需求能力，则：

式中：

ζ—供需均衡系数；

c—单位长度的线路运输能力；

O—需求总量。

层次平衡系数是为了满足不同层次的需求进行配置，通过不同路线的规划程度进行合理性判断，具体的计算模型如下所示：

式中：

为了进一步促进城市的发展，需要从以下两方面判断整个线网规模的合理性，分别为：

1）线网规模的合理性；

2）城市群发育程度的适应性[10]。以下给出具体的计算式：

式中：

η—线网规模以及城市群发育程度的适应性；

φ—城市群的发育程度；

φ—线网的综合密度。

其中φ的计算式如下所示：

式中：

A—城市群面积；

δ—居住面积修正系数；

P—人口总数。

其中：

式中：

ELG—弹性系数；

ΔL—线网规模增量；

G—经济总量；

ΔG—经济增量。

结合上述分析，能够获取以下高速铁路线网规划适应性评价体系，具体如图1所示。

图1 高速铁路线网规划适应性评价体系结构图

2 仿真实验

为了验证所提方法的综合有效性，需要进行仿真实验，环境选取某地区高速铁路线网作为研究对象进行仿真测试，具体的实验结果如下所示：

1）节点重要度/（%）：

仿真实验测试选取两种传统方法作为对比方法进行仿真实验，以下实验主要对比不同方法的节点重要度，具体对比的结果如图2所示。

图2不同方法的节点重要度对比结果

分析图2可知，所提方法的节点重要度一直呈直线上升趋势；文献[7]方法的节点重要度呈直线下降趋势；文献[8]方法的节点重要度则呈现忽高忽低的状态。其中节点重要度越高，则说明线路网越具有推广价值，相比其它两种方法，所提方法的节点重要度明显较高。

2）高速铁路线网平均造价/（万元）：

分析表1～3实验数据可知，相比其它两种方法，所提方法的高速铁路线网平均造价明显较低。

3）高速铁路线网运行效率/（%）：

在上述实验环境的基础上，以下对比各个方法的高速铁路线网运行效率，具体的对比结果如表4～6所示。

表1 所提方法的高速铁路线网平均造价

表2 文献[7]方法的高速铁路线网平均造价

表3 文献[8]方法的高速铁路线网平均造价

表4 所提方法的高速铁路线网运行效率

表5 文献[7]方法的高速铁路线网运行效率

表6 文献[7]方法的高速铁路线网运行效率

综合分析表4～6实验数据可知，随着测试样本数量的不断增加，各种方法的高速铁路线网运行效率也在不断发生变化，其中所提方法的高速铁路线网运行效率在三种方法中为最高；文献[7]方法的高速铁路线网运行效率次之；文献[8]方法的高速铁路线网运行效率最高。

3 结束语

随着全球的经济化发展，城市已经成为我国发展的主要趋势，大力发展城市群高速铁路线网是解决交通问题的重要途径，也是城市化进程的必然结果。本文重点针对基于GIS技术的高速铁路线网规划适应性展开研究。仿真实验结果表明，所提方法对于高速铁路线网规划以及指导具有十分重要的意义。虽然现阶段所提方法取得了十分满意的研究成果，但是仍然存在一定的不足，后续将针对所提方法存在的不足进行进一步完善。