空间分析在铁路建设中的应用研究

2021-07-14张永怡

科技风 2021年18期

摘要：本文紧扣铁路资源信息和地理信息关联性、依附性，探讨空间分析在铁路建设中的发展应用，并详细分析研究了空间分析在铁路信息管理方面、在铁路方案评价决策方面、在列车定位方面的具体应用。

关键词：铁路;空间分析;信息管理;评价决策;列车定位

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。（郭仁忠，1997）铁路资源信息与地理信息存在紧密的关联性和依附性。所以，在铁路中，必然需要大量地使用空间分析的方法来解决问题。空间分析的相关软件在铁路上的应用也使得铁路的工作更加便捷高效。

1 铁路与空间分析

“空间分析”一词与工程力学中的“空间分析”重复，二者意义却大相径庭，空间分析是GIS的一个重要组成部分，且GIS是空間分析最强有利的环境。[1]在中国知网中筛选主题为GIS和铁路的文献，共313条相关结果。可以看到最早的相关文献发表于1993年，在1993年，徐扬[2]就认识到将空间数据与其他属性数据结合用来进行空间分析这一方法在铁路建设中的重要性，并研究了地理信息系统在铁路建设上的应用的可行性。

在2000年随着“数字铁路”[3]这一概念在国内的出现，铁路中空间分析的相关研究出大幅增加，在2004年和2008年达到了两个峰值。且相关研究涉及铁路选线、铁路运输、铁路环境影响、铁路的勘测设计、铁路货运、铁路工务等多个方面。

2 空间分析在铁路信息管理方面的应用

铁路系统中处理的信息多数与地理位置有关。在早期，相关部门的大量设计图纸、图像、表格、文字等都以手工操作为主，各工序、各专业彼此分开，资料的传递，不仅效率低，且错漏现象时有发生。为使铁路信息的管理与传递更加方便，将GIS引入了铁路信息管理系统。

早期GIS在铁路上的应用大都是将铁路中各子系统各部门所涉及的信息按照不同数据结构，储存在数据库中。借助GIS，通过地图表示不同位置的信息，建立铁路信息与数据定位地图之间的联系，实现直接在地图上进行信息管理的功能，使得对铁路不同信息的管理更加直观，也方便了信息的传递。以此为基础，利用Windows NT组建C/S网络，还可以实现数据的网络共享。利用GIS软件的空间分析能力对铁路信息进行管理，在铁路新线建设、用地管理、工务信息管理都得到了广泛的应用。

2.1 GIS铁路用地管理系统

GIS铁路用地管理系统[5]分为用地基本情况管理、铁路用地地籍管理、铁路用地规划管理、铁路建设用地管理、铁路用地日常管理五个模块。各模块拥有不同的图层，各图层拥有不同的数据结构。各模块相互独立，将各模块统一与数字化的地图建立联系，即可实现通过地图对相关信息的查询与管理。

2.2 基于GIS的铁路工程地质系统

铁路工程地质信息系统[6]利用GIS平台搭建地理信息数据库，用其他关系数据库储存属性信息数据，系统除了具有数据管理和数据统计分析的简单功能外，还可以利用系统的灾害识别模型、灾害发生预测模型，救灾模型等模型对信息进行处理后，能够对铁路沿线有关地质灾害的危害程度进行预测和评价。基于Windows NT组建C/S网络，实现数据的网络共享。

2.3 GIS铁路工务综合信息系统

GIS铁路工务综合信息系统[7]可以通过栅格图像配准后形成矢量图为各个地理对象指定地图坐标，该数据库具有数据自动转换功能，具有线路、路基、桥隧、防洪四个工务信息数据库，与储存地图各种空间数据的基础数据库结合可以实现专题地图分析、工务信息及多媒体信息查询展示的功能。

除上述三个系统外，类似的还有GIS铁路通信线路管理[8]、GIS铁路货运营销信息系统[9]、GIS铁路综合监控系统[10]等系统的实质都是基于GIS的电子文件柜[11]。

3 空间分析在铁路方案评价决策中的应用

随着人们对GIS的了解，对空间分析方法的深入学习，空间分析在铁路上的应用也不仅局限于对信息的管理，逐渐发展到铁路信息与空间数据的联合处理，并建立适当的评价模型帮助用户完成程序化的决策过程。

3.1 空间分析在车站选址中的应用

常规的铁路车站选址主要有，确定经济合理站间距离、选定适当的站址方案、车站分布技术方案的决策三步。齐颖在常规铁路车站选址解决方法的基础上结合空间分析法提出车站选址的新方法。[12]具体步骤如下：

3.1.1 初始地址的获得

遵循集中与分散相结合的原则，把市内交通、市郊交通、其他交通方式及交通换乘模式同客流的集散结合，综合考虑城市规划、城市交通规划、地形地质情况、建筑物情况、线路走向、运输功能合理发挥条件等影响，以方便乘客集散或旅客到达车站短途交通费最省、换乘次数最少、占用繁忙路段机会最少等为目的，提出优化模型。

齐颖在文章中以旅客到达车站短途交通费用最省的情况为例，假设Ai（Xi，Yi）为N个旅客集散点，其运量需求分别为Qi（万人/年），短途票价为pi（元/人公里），Z（X，Y）为某一车站选址，假定各个集散点到车站之间有直通路。

则各个旅客集散点到车站的短途交通总费用为：

选址问题即可变为一个优化问题;

另外，还可将乘客通过换乘其他交通工具到达车站所用的时间作为目标函数，或者考虑施工工程投资最省，加上约束条件建立优化模型，进行求解，得到其他的站址，最后可以得出多个站址方案。

3.1.2 站址方案评价

将各评价指标量化为评价指标值ui，并由决策者给出权重wi，则有站址方案合理度：

F值越大，则对应方案越合理。

3.2 基于GIS的铁路噪声预测与评价方法

3.2.1 铁路噪声预测模型

我国铁路噪声预测方法常用的有两种[13]：比例预测法和模式预测法。目前，我国铁路建设项目大多数采用模式预测法对噪声环境影响进行分析评价。[14]模式预测法把铁路各类声源简化为点声源和线声源分别进行计算。

3.2.2 GIS与预测模型的结合

GIS与预测模型结合，要先将研究区域内的空间数据、属性数据导入GIS系统中，运用编程语言和二次开发组件将GIS与噪声预测模式法模型集成，构建五个作用层：空间数据、属性数据的导入，建立程序化噪声，绘制噪声值表和等声级线分布图，分析噪声影响程度，制定噪声预防、噪声消减对策。

3.3 空间分析在线路方案比较中的应用

早期的选线方法，比选目标单一，缺乏综合性。在之后的研究中，花超将层次分析法、灰色关联决策理论运用于线路的选择中。[15]构建铁路线路方案评价递阶层次结构，运用数学方法对各指标的权重进行分配，再运用灰色关联决策理论对方案的优劣进行比较。该方法综合考虑了指标间的相对权重和关联性，考虑更全面。

现在GIS铁路选线中的运用主要在于对已有的备选线路方案进行分析、比较，而在线路设计中很少涉及。GIS强大的功能完全可以在用地分布图、地质灾害图、地形地势图等数字化的基础上实现线路方案的设计。首先，对用地分布图、地质灾害分布图等进行叠加分析，筛选出允许进行线路建设的区域。而后，根据线路的设计最大坡度以及地势地形图的等高距确定出步长R，即相邻等高线件应设计的线路长度。而后就可应进行线路的设计，具体步骤如下：

（1）以起点为圆心，在半径为R的范围内进行缓冲区分析，在允许进行线路设计的区域中选择与起点高差小于等高距作为备选点集，将备选点集中离终点最近的点作为点A;

（2）连接起点与点A;

（3）将A点作为起点，重复第一步，如果找到下一点则继续重复一、二步;如果没有找到满足条件的下一点，则返回第一步重新检索距终点次近的点作为A点，然后进行第二、三步。若A点的下一点的备选点集中包含终点，则结束选线，将终点作为线路的最后一点。

4 空间分析在列车定位中的应用

使用传统的轨道电路定位法、测速定位法都无法实现对列车的精确定位。可以实现精确定位的GPS在列车经过较长的隧道或在建筑物林立的大城市群中会出现GPS的信号阻断，很多数据无法接收，严重影响GPS的定位功效。为了提升列车定位的准确性，科研技术工作者经过潜心研究，开发了GPS与GIS的集成列车定位技术。[16]

4.1 GPS与GIS集成列车定位技术

GPS与GIS的集成列车定位技术在GPS信号丢失的时候依据GIS的距离计算功能推算列车的位置，以实现列车的定位监控。为实现GPS与GIS的集成列车定位技术，首先要建立铁路GIS地图数据库，使用SOAP在GPS和GIS之间进行通信，实现两系统间的数据与信息的交换。该技术的核心定位算法分为GPS坐标与数字地图匹配和GIS距离推算两个过程。具体步骤如下：

GPS坐标与数字地图匹配：

（1）得到某一时刻的GPS数据;

（2）如果GPS得到的速度小于铁路限速（300km/h）则进行第三步，否则需要重新获取GPS数据;

（3）在距GPS定位点100m范围以内，进行GIS缓冲区分析，搜索铁路线，这里的铁路线应该是指一段线;

（4）若铁路线路的防线与SOAP中获取的GPS信号的方向一致，则该铁路为目标路线;

（5）遍历目标线路上的所有点，计算与定位点之间的距离，距离最小处的点即为列车在地图上的实际位置，通过GIS渲染，使该点高亮显示出来，完成GPS坐标与数字地图的匹配。

GIS距离推算：利用已知的列车速乘以信号丢失的时间，得到列车相对于原来位置的距离。利用GIS储存的铁路向线路信息，以列车前一显示位置为基点，按照与列车运动的一致方向遍历该铁路线上的所有点，计算两点间的距离，如果距离大于铁路线长度，则需要遍历与运动方向一致的相邻铁路线，以此方法进行搜索，直至计算的距离与前一计算的距离相等，该点即为列车此时所在的地图显示位置。通过GIS的渲染，该点可以高亮显示出来。

4.2 GPS与GIS集成列车定位技术的思考

列车定位的重要作用之一是保证列车安全，而这个方法，对列车位置进行计算前已经默认列车一定在铁路线路上，所以当列车在隧道中发生意外，列车信号丢失，GIS依旧以正常算法对列车进行定位，无法及时发现列车事故，这种集成方法在安全性方面还需要轨道电路或其他定位技术的辅助以保证列车的安全运行。此外，位置推算过程中使用的速度是某一刻的速度，无法保证列车在丢失信号的这段时间内都以该速度运行，其精度在丢失信号段降低。这大概也就是为什么早在2005年就提出这种集成技术，但时至今日，却没有得到使用的原因。直到2017年这个问题都没有被解决，列车始终在铁路上行驶依旧是GIS进行定位的一个前提条件。[17]但可以看出的是，想要实现列车的高精度定位，单靠一种定位方法是难以实现的，集成化是列车定位技术的一个发展方向，而当面对多种定位系统提供的大量数据时，GIS对数据的空间分析能力尤为重要。

5 结语

早期空间分析在铁路中的应用主要在于地理信息管理方面，大多属于电子文件柜，使用的都是较简单的空间分析方法;随着GIS技术的发展，空间分析也参与到了铁路问题的决策过程中，该过程是一个多目标的优化过程，宜采用叠加分析法;空间分析的方法为列车定位提供了新思路。铁路中的空间定位问题无法单靠GPS或GIS技术解决，二者結合，将GIS技术用于列车定位能够暂时弥补GPS定位列车的一些弊端。

参考文献：

[1]马天智，张燕妮.空间分析方法、应用模型与GIS的关系[J].湖南地质，2003（01）：7476.

[2]王连子，徐扬.地理信息系统（GIS）与铁路建设可行性研究[A].中国土木工程学会计算机应用学会.土木工程计算机应用文集——中国土木工程学会计算机应用学会第五届年会论文集[C].中国土木工程学会计算机应用学会：中国土木工程学会，1993：6.

[3]阮秋琦.“数字铁路”——21世纪我国铁路现代化建设的战略目标[J].铁道学报，2000（03）：96101.

[4]郭文军，陈建春.一种应用于铁路新线建设施工指挥的GIS开发[J].北方交通大学学报，1998（04）：35.

[5]陈瑜，周学毛.GIS铁路用地管理系统的分析与设计[J].计算技术与自动化，1999（02）：35.

[6]廖丽琼.基于GIS的铁路工程地质信息系统的构建[J].四川地质学报，2001（01）：4447.

[7]张金柱，崔高峰，石海平，余吉庆.GIS铁路工务综合信息系统的应用研究[J].中国铁路，2002（08）：5859.

[8]彭程，何红波.GIS在铁路通信线路管理中的应用[J].地矿测绘，2002（01）：3234.

[9]滕靖，赵瑜，王苏男.GIS技术在铁路货运营销信息系统中应用初探[J].北方交通大学学报，2001（02）：7073.

[10]霍黎明，郭奇园，王建英.基于GIS现代铁路综合监控系统的研究与实现[J].铁道运输与经济，2009，31（12）：1014.

[11]刘仍奎，李震.基于GIS的电子文件柜设计及其在铁路系统中的应用[J].铁道学报，1996（S2）：97100.