铁路规划与运量分析GIS系统探析
陈海平
（中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043)
摘 要： 为了提高铁路规划与运量分析工作的效率、准确性和直观性，从铁路规划与运量分析和地理信息系统(GIS) 2个技术领域融合入手，阐述铁路规划与运量分析GIS系统的总体构架。针对通用地图操作模块、铁路运输经济模块、铁路OD数据分析模块、铁路运输径路分析模块、路网规划分析模块、经济地理分析模块、数据更新管理模块等7个功能模块，从功能结构布局、功能实现思路、实操案例分析等方面进行论述，以期从理论研究和实践操作方面将地理信息理念引入铁路运量分析与规划领域，优化铁路运量分析和规划理念、方法、技术、手段，提高铁路规划与运量分析整体水平。
关键词： 铁路运量；地理信息系统；经济地理；运量分析；铁路OD；路网规划
1 铁路规划与运量分析 GIS 系统总体构架
当前，我国铁路发展处在重要的战略机遇期，在国家经济发展中发挥着重要的保障和引领作用。根据《中长期铁路网规划》，到2020年全国铁路营业里程将达到15 万km，高速铁路3万km，覆盖80%以上的大城市；2025年全国铁路营业里程将达到17.5 万km左右，高速铁路3.8万km左右，网络覆盖进一步扩大，路网结构更加优化，骨干作用更加显著；2030年全国铁路营业里程将达到20万km左右，高速铁路4.5万km左右，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高速铁路连通、地市快速通达、县域基本覆盖[1]。
铁路运量分析和规划在铁路设计中扮演着不可替代的角色，是铁路设计的关键环节，客观务实、科学严谨的运量基础是决策铁路项目功能定位、标准制定、线站位选择、盈利模式等重要因素。因此，如何更为高效、深入、科学、全面地进行铁路运量分析与规划，是当代铁路设计需要重点思考的课题。
地理信息系统(GIS)目前广泛应用于经济社会、交通运输、国土开发的各个领域，正逐步成为咨询设计行业强有力的工具手段[2]，而在最具有地理信息特征的铁路运量分析和规划领域，其应用还具有较大的发展空间与开发潜力。从铁路运量分析和规划的本质看，其工作机理过程恰恰是利用地理信息系统最为擅长的“数据+地图+运算”，将经济地理信息加工处理为运量规划信息。可以预见，GIS技术将成为铁路运量分析及规划提效增质的重要手段。
随着铁路网的不断完善，铁路运量分析及规划技术的精密性要求愈发突出，GIS技术的应用对于铁路运量分析及规
划技术优化将是重要的举措。由于铁路规划与运量分析和地理信息系统各自的专业特质及互补性，在铁路运量分析及规划中GIS技术应用主要基于以下基本原则[3-4]：分析数据统筹化；分析方法模块化；分析手段交互化；分析成果多样化；分析评价综合化；分析过程可视化；分析平台智能化。依据这些原则，铁路规划与运量分析GIS系统总体架构及系统设计层次布局如图1所示。
2 铁路规划与运量分析 GIS 系统主要功能模块
2.1 通用地图操作模块
通用地图操作模块功能结构主要包括地图显示及基本控制功能、GIS图层管理功能及基本样式控制功能3个部分。通用地图操作模块功能结构如图2所示。
图1 铁路规划与运量分析GIS系统总体架构及系统设计层次布局
Fig.1 Overall structure of GIS for railway planning and traffic analysis
图2 通用地图操作模块功能结构
Fig.2 Functional structure diagram of general map operation module
（1）地图显示及基本控制功能。此功能是在进行地图窗口显示时，针对当前地图窗口进行的放大、缩小、选择对象、漫游、全幅显示、自由缩放等通用地图操作，通过鼠标、键盘、快捷键等多种手段以实时交互的方式完成，实现用户对当前地图窗口显示的基本控制。其操作过程与通用的电子地图软件基本类似。
（2）GIS图层管理功能。系统地图数据采用通用的图层管理方式，主要为点类型的“车站点”“省会点”“市点”“县点”“乡镇点”“机场”等；线类型的“现状铁路”“规划铁路”“国道”“省道”“高速”；面类型的“省域”“市域”“县域”“483OD小区”“合并OD小区”等，图层管理还包含了以上图层的专题图显示层。在系统运行中，以上图层共同构成的地图窗口的显示内容是数据的计算平台和载体，必须加以有效的管理和控制。设计采用标准化的图层管理器模式，可以实现针对图层的所有基础操作，并采用交互式操作，直观简单，以有效提高图层控制管理的工作效率。
（3）基本样式控制功能。考虑到不同使用者对地图显示风格的不同要求，系统将实现针对图层风格控制的基本功能。例如，对点、线、面类型的基本符号(线型、填充)，三维符号(线型、填充)，显示大小、颜色(前景、背景、透明度、渐变)等风格的完全交互式控制，采用交互式操作，直观简单，以有效提高图层风格控制的工作效率。
区段客货流密度分析案例如图4所示。
2.2 铁路运输经济模块
铁路运输经济指标庞杂，其中区段客货流密度和车站客货到发量2个指标对线路等级与车站规模有着关键性控制作用，是铁路运输经济指标库中最重要，也是实际设计工作中使用频率最高的核心指标[5-6]。铁路运输经济模块功能结构如图3所示。
2.2.1 区段客货流密度分析功能
铁路运输径路比选结果实时显示如图8所示。
（1）指定年度查询分析。在指定某一特征年度的前提下，通过地图选取指定铁路干线上的某一个或几个区段，同时，选择需要查询的一个或多个运输品名，查询结果实时显示在地图层。
（2）多年度趋势分析。首先通过地图选取指定铁路干线上的某一个或几个区段，再选择需要查询的一个或多个运输品名，同时选取需要进行趋势分析的多个年度。
图3 铁路运输经济模块功能结构图
Fig.3 Functional structure diagram of economic module of railway transportation
（3）综合条件查询。此功能首先确定需要查询的年度，以及需要查询的一个或多个运输品名，之后将根据给出的查询条件在全路客货流区段密度数据库中查询符合条件的记录并实时显示到地图层。
由于各评价因子对建设开发的影响或限制程度不同，如生态红线、优质基本农田对建设开发的限制程度较高；因此将选取的评价因子进行强制性和较强制性因子的筛选，并建立适宜性评价指标体系（见表1）。
综上,采用经阴道联合彩超检查剖宫产子宫瘢痕妊娠有着较高的确诊率,其诊断快捷、方便、易操作,患者检查痛苦少易于接受,可以作为早期诊断剖宫产子宫瘢痕妊娠的首选方式,值得推广。
图4 区段客货流密度分析案例
Fig.4 Section passenger and cargo flow density analysis case
2.2.2 车站到发分析功能
人类的认知模式对词语语义的发展起着至关重要的作用，尤其是隐喻和转喻模式，在这些认知模式的作用下原型语义衍生出其他语义，这是一词多义产生的认知基础和内在规律。况且人们在学习语言时不可能也没有必要学习一个词语在词典中列出的每种含义，但我们可以根据认知模式的共性，善于运用认知模式来学习其他语义。在学习过程中，要以原型语义为中心向外扩展，去理解边缘语义，构建出原型语义和边缘语义之间的桥梁，发挥主观能动性，通过想象和联想建立出语义之间的联系。
车站客货到发量是铁路运输的重要指标，其量化了铁路车站全年完成的客货到发量的规模，体现了铁路车站客货运输的负荷强度，是决定车站规模的关键运输指标。通过以下功能可以实现高效、准确地查询并分析目标车站到发数据。
“智能”已成为机械加工技术的主要发展方向之一，智能加工是智能制造的重要基础支撑，而加工单元的智能化是智能加工技术的核心内容。随着各主要工业大国对智能制造技术的重视，对智能加工技术的研究也呈现出快速增长态势。从学术论文的发表数量上看，中文文献显著增长的时间出现在近5年，比英文文献的快速增长时间大约滞后10年左右。智能加工中，需要对机床、刀具以及工件的状态进行监测，从而实现整体加工过程最优。其中，视觉技术可以发挥重要作用，具有广阔应用前景。
“智慧型教师”与“智慧课堂”是两个密切相关的概念。欲体现“教育智慧”，则应努力建构“智慧课堂”，而“智慧课堂”又离不开“智慧型教师”。
（3）综合条件查询。此功能首先确定需要查询的年度，以及需要查询的一个或多个运输品名，之后根据给出的查询条件在全路车站到发数据库中查询符合条件的记录并实时显示到地图层。
图7给出了测量误差分别为σ=10m和σ=103m时算法的GDOP图.可以看出，两种测量误差条件下，算法的定位误差分布具有相似的规律，即在外辐射源和接收站所在的近场区域，定位精度最高，而随着目标远离，定位精度逐渐降低.这与仿真1中近场和远场目标的定位误差的比较情况是一致的.
此次安道麦品牌大会的主题定为“越己之道·焕然新升”，品牌的升级离不开对产品创新的依托。在会上，安道麦（北京）农业技术有限公司总经理成城表示，公司同时拥有进口和国产产品，通过形成一体化的原药、制剂生产线来满足不同层次的农民需求。通过打造全面的产品线、一流的团队、强大的品牌来促进优质渠道的高覆盖。此外，着重建立高效的供应链以及数据化和卓越营销能力，这些是安道麦在中国的发展策略，也是安道麦取胜的法宝。其中，新产品是最关键的市场竞争力。成城表示，未来3-5年，公司每年至少会推出3-5个新产品，将为客户提供更加丰富的产品选择。
图5 车站到发量分析案例
Fig.5 Station arrival and departure volume analysis case
2.3 铁路OD数据分析模块
铁路OD数据是铁路客货流量流向分析的重要基础数据[7]，其原始的483个OD小区数据是铁路行业统计部门在对全国客货运统计的基础上，结合全国经济地理分布特点确定的，是铁路客货流分析设计中最重要、使用频率最高的OD数据体系。铁路OD数据分析模块将在483个OD小区数据基础上进行OD的处理与分析工作。
2.3.1 OD小区划分功能
不同的项目其OD小区构成是不同的，必须通过对原始483个OD小区的合并处理实现针对不同项目OD小区的划分。OD小区划分功能需要483个OD小区原始数据库的支持，原始数据库主要用来存储全国铁路483个OD小区原始OD到发矩阵信息数据，其按照年度和品名分别对OD到发矩阵建立数据集。OD小区划分功能在全路438个原始OD小区划分的基础上，根据项目需求对原始小区进行合并、整理，可选择按照省、区域进行选择合并，也可以手动选取小区合并。合并结果实时显示在地图层。
OD合并结果实时显示如图6所示。
（2）多年度趋势分析。首先通过地图选取指定区域、范围、铁路干线上的某一个或多个车站，亦可手动选取车站；再选择需要查询的一个或多个运输品名，同时选取需要进行趋势分析的多个年度，分析结果将以柱状图的形式展现并输出。
图6 OD合并结果实时显示
Fig.6 OD merge results are displayed in real time
2.3.2 OD数据分析功能
通过以下功能可以实现高效、准确地查询并分析目标区域OD数据。
放空气回收技术在未来的天然气开发中具有良好的应用前景，“十三五”期间库车山前新区预计完钻新井92口，按照新井开展延长测试1个月算，“十三五”期间可回收天然气约10.89×108m3，创纯利润约9.2亿元。
（1）指定年度查询分析。首先指定某一特征年度，然后选取需要进行分析的一个或多个运输品名，之后通过地图选取需要进行分析的OD范围，可选择针对某一个OD点进行分析或某一系列OD对进行分析，分析结果实时显示在地图上。
（1）指定年度查询分析。在指定某一特征年度的前提下，通过地图选取指定区域、范围、铁路干线上的某一个或多个车站，亦可手动选取车站，同时，选择需要查询的一个或多个运输品名，查询结果将实时显示在地图层。
（2）多年度趋势分析。首先在地图上选取需要进行趋势分析的OD点和OD对，同时选择针对OD点的发、到及合计或是OD对的某个方向，之后选择需要参加分析的一个或多个运输品名，指定趋势分析的多个年度，分析结果将以柱状图的形式展现并可选择图片输出。
（3）综合条件查询。首先选择某一特征年度，以及需要查询的一个或多个运输品名，之后选择需要进行综合查询的范围，根据设定的查询条件检索相关的OD对并实时显示在地图上。
根据设定查询条件检索的OD实时显示如图7所示。
2.4 铁路运输径路分析模块
由于客运、货运径路比较的指标不同，因而设计将针对客运径路和货运径路分别进行分析比较功能的设计。
在港口设施上，头门港区二期两个5万吨级码头新建、一期码头滚装改造项目开工。目前台州港已建成181个码头泊位，万吨级以上的深水泊位就有9个，最大靠泊能力为7.4万吨。此外，沿海高速、台金高速东延、杭绍台公路、玉环漩门湾大桥及接线工程等对于港口输运体系的建设也捷报不断。
（1）货运径路分析。通过在地图上选择径路的起点、所经节点及终点，确定货运径路的里程，可选取多条径路进行综合必选，比选结果实时显示在地图上。
教师只是学生学习的引路人，不是代跑者。老师最终教会学生的不仅仅是知识，更重要的是学习能力、逻辑思维能力和创新能力。教师对于每个阶段的听力学习要进行实时分析和动态把控，从个体到整体进行深度的剖析，研究整个班级的整体特点以及学生的个体差异，有策略地开展教学。根据学生对知识的把握程度，逐步放手，从手把手的教学方式过渡到学生自我反思的阶段，从基础知识的学习过渡到能力的培养。
图7 设定查询条件检索OD实时显示
Fig.7 Set query conditions to retrieve OD real-time display
（2）客运径路分析。通过在地图上选择径路起点、所经节点及终点，根据所经干线的旅行速度，确定客运径路的里程及运营时间，可选取多条径路进行综合必选，比选结果实时显示在地图上。
车站到发量分析案例如图5所示。
制造分厂现有淬火冷却设备共有2个，分别是1#立喷、2#立喷，对于管板锻件，2个淬火冷却设备的的优缺点如下：
区段密度是铁路运输的重要指标，其量化了线路单位长度完成客货周转量的规模，体现了线路客货流的负荷强度，是决定线路等级的关键运输指标。通过以下功能可以实现高效、准确地查询并分析目标区段密度数据。
眼看着他腿脚越来越不灵便了，仍每天不是盯着那木偶琢磨，就是忙忙叨叨跑去外面采购那些零七碎八，老婆子一改往日的好性情，紧蹙着眉在他旁边一遍又一遍地唠叨：“我说你就别做了，我就一天破烦着，破烦死了！”
图8 铁路运输径路比选结果实时显示
Fig.8 Real-time display of railway transport path selection results
2.5 路网规划分析模块
线网构架布局与指标测算是区域路网规划的重要基础工作[8]。路网规划分析模块将针对规划体系构架和规划指标测算2个功能分别进行构建。
（1）规划体系构架功能。根据具体规划的要求，选择规划年度及线型颜色等，实时在地图上显示规划线网。
（2）规划指标测算功能。首先选择需要进行指标测算的区域，再根据上一步所设定的规划参数对各年度的线网长度、线网密度、人均长度等指标进行测算。
2.6 经济地理分析模块
经济地理信息的统计是铁路设计前期工作的重要基础资料。根据经济地理信息的构成特点及实际设计工作需求，经济地理分析模块将针对指定行政区域、指定项目沿线以及多年度趋势等3个功能分别进行构建。
（1）指定行政区域分析。指定需要进行分析的年度，地图选择需要分析的行政区域、经济单元，选择需要进行分析的指标，针对单选和多选分别指定输出方式。
（2）项目沿线区域分析。指定需要进行分析的年度，地图选择需要分析的项目，根据项目吸引范围确定辐射区域，同时选择经济单元，选择需要进行分析的指标，针对单选和多选分别指定输出方式。
2011年中央1号文件提出：力争通过5年到10年努力，从根本上扭转水利建设明显滞后的局面。这要求进一步完善水利投入稳定增长机制。《国务院关于进一步促进贵州经济社会又好又快发展的若干意见》（国发〔2012〕2号文件）对贵州骨干水源工程建设提出了明确要求，强调积极推进夹岩、黄家湾、马岭等大型水库建设，开工建设一批中小型水库和引提水工程项目，到2020年全省工程供水能力达到159.4亿m3。
（3）多年度趋势分析。地图选择需要分析的经济单元，同时选择需要进行分析的指标。
经济地理信息统计实例如图9所示。
图9 经济地理信息统计实例
Fig.9 Economic geographic information statistics examples
2.7 数据更新管理模块
根据经济地理信息的特点及实际设计工作的需求，数据更新管理模块将数据导入、地图修改作为数据管理功能的主要2个子功能，同时，为了满足数据更新的需要进行数据更新功能的构建。
（1）数据管理功能。GIS系统“地图加载数据”的特点决定了系统的数据管理应从针对数据库的数据导入和针对地图层的地图修改2个部分实现[9]。①数据导入功能。实现原始数据导入功能，即系统运行所需的区段密度数据、车站到发数据、现状铁路数据、规划铁路数据、OD数据及主要行政级别经济交通数据按照指定格式的excel表格进行导入并自动入库。针对原始OD小区的基础数据，可根据excel格式的全国OD小区划分原则表，在全国县域地图基础上，合并县域形成全国483个OD小区的基本地图数据并放入地图层。原始OD小区地图层将成为OD模块全部分析的地图基础。②地图修改功能。根据用户需要在地图上通过交互式操作完成修改地图数据的功能，主要针对现状铁路、规划线路及车站等路网变动因素进行人工修改地图数据，同时，为新增地图元素添加名称，以便通过数据导入完善其属性。
（2）数据更新功能。采用数据更新包制作的方法进行数据更新处理，管理员用户可根据数据更新情况制作数据更新包，普通用户可导入更新包实现地图数据的更新。
3 结束语
将地理信息理念引入铁路运量分析与规划领域，可以促进地理信息技术领域和铁路规划与运量分析领域的跨界融合发展，推动技术革新和跨行业技术发展，拓展和引导铁路设计行业发展。所开发的铁路规划与运量分析GIS系统目前已经在西北及西藏铁路网规划，以及格库铁路(格尔木—库尔勒)、银西高速铁路(银川—西安北)、川藏铁路(成都—拉萨)等规划与设计项目上得到应用，该系统对于提高铁路运量分析和规划整体水平，以及提高工作效率具有重要意义。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会，中华人民共和国交通运输部，中国铁路总公司. 关于印发《中长期铁路网规划》的通知 (发改基础[2016] 1536) [EB/OL]. (2016-07-13) [2018-08-13]. http∶//www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201607/t20160720_811696.html.
[2] 李 超. 中国公路自然区划地理信息系统研究[D]. 西安：长安大学，2008.LI Chao. Research on Geographic Information System of Natural Zoning for Highways[D]. Xi’an：Chang'an University，2008.
[3] TENG J，HAN B M，WANG S N，et al. An Application of GIS in High-Speed Railway Operations[C]//The Fourth Conference of the Society for Transportation Studies. Hong Kong：Hong Kong Press，1999：88-96.
[4] 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，2001，25(2)：70-73.TENG Jing，ZHAO Yu，WANG Sunan. Discussion on Applying GIS Technology in Developing Railway Marketing Information System[J]. Journal of Northern Jiaotong University，2001， 25(2)：70-73.
[5] 单杏花，贾新茹. 铁路旅客运输密度的算法研究及应用实现[J]. 铁路计算机应用，2003， 12(6)：33-35.SHAN Xinghua，JIA Xinru. Calculation Research and Application of Railway Passenger Transport Density[J].Railway Computer Application，2003，12(6)：33-35.
[6] 袁 佳. 广州铁路枢纽货运资源整合[D]. 长沙：中南大学，2007.YUAN Jia. A Thesis Submitted for the Degree of Master of Science[D]. Changsha：Central South University，2007.
[7] 史 峰，黎新华，莫辉辉，等. 铁路 OD 分配优化方法[J].中国铁道科学，2004，25(4)：116-119.SHI Feng，LI Xinhua，MO Huihui，et al. An Optimal Method for Railway Origin Destination Assignment[J]. China Railway Science，2004，25(4)：116-119.
[8] 周荣征. 中长期铁路网规划布局及优化方法研究[D]. 成都：西南交通大学，2011.ZHOU Rongzheng. Research on the Planning and Optimization of the Long-term Railway Network[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2011.
[9] 储 恒，王英杰，封博卿，等. 基于 GIS 服务聚合和扩展技术的高速铁路地理信息系统应用研究[J]. 铁道运输与经济，2017，12(6)：49-53，81.CHU Heng，WANG Yingjie，FENG Boqing，et al.Application of High-Speed Railway Geographic Information System based on GIS Service Aggregation and GIS SOE Technologies[J]. Railway Transport and Economy，2017，12(6)：49-53，81.
A Tentative Study on the GIS for Railway Planning and Traffic Volume Analysis
CHEN Haiping
(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization， China Railway First Survey & Design Institute Group Co. Ltd， Xi’an 710043， Shaanxi， China)
Abstract: To improve the efficiency, accuracy and visualization of railway planning and traffic volume analysis, the overall layout of railway planning and traffic volume analysis GIS system is elaborated from the integration of railway planning and traffic volume analysis with geographic information system(GIS). Aiming at the seven functional modules including general map operation module, railway transport economy module, railway OD data analysis module, railway transportation route analysis module, road network planning analysis module, economic geography analysis module and data update management module, this paper discusses the functional structure layout, function realization idea, and practical case analysis in order to introduce the concept of geographic information in the railway planning and traffic planning analysis through theoretical researches and practical operations which will help optimize the concept, method,technology and means of railway planning and traffic volume analysis, raise the overall level of railway planning and traffic volume analysis.
Keywords: Railway Traffic Volume; GIS; Economic Geography; Traffic Analysis; Railway Origin Destination; Railway Network Planning
文章编号： 1003-1421(2019)02-0065-06
中图分类号： F532.1
文献标识码： A
DOI： 10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2019.02.13
收稿日期： 2018-08-30
基金项目： 中铁第一勘察设计院集团有限公司软件开发项目 (院软 11-01)
责任编辑： 金 颖
标签：铁路运量论文; 地理信息系统论文; 经济地理论文; 运量分析论文; 铁路OD论文; 路网规划论文; 中铁第一勘察设计院集团有限公司轨道交通工程信息化国家重点实验室论文;