GGIISS在城市轨道交通中的功能分析

唐丹凤 朱志国

西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031

0 引 言

城市轨道交通以其大运量、低能耗、高效率、高环保的特有优势，在大型城市的公共交通体系中占有重要的地位，如今，城市轨道交通已成为城市交通现代化的重要标志之一。

随着人们对交通需求的持续高涨，作为城市交通骨干网的轨道交通在城市的建设和发展中正起着越来越重要的作用，大家对轨道交通是大城市缓解交通拥堵的必由之路已经成为共识。因此，城市轨道交通在建设、调度指挥以及应急过程中只有充分利用现代信息技术、计算机技术、网络技术、智能决策技术和地理信息系统(GIS)等高科技手段，实施加强城市轨道交通的科学化和现代化管理，提高轨道交通管理的快速反应能力和综合协调控制能力，才能较好的满足人们的要求。

在各种高科技手段中，地理信息系统是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需要信息的技术系统。它不仅是一个图库管理系统，更重要的是它具有空间分析功能，包括数字地形模型分析、空间特征的几何分析、网络分析、影像分析和地理变量的多元分析等[1]。GIS的主要功能有：数据的操作与处理功能、制图功能、空间查询与分析功能、地形分析功能、三维可视化功能等。将这些功能应用于城市轨道交通的各个阶段成为近年来的热点。

1 国内外研究现状

在北美和西欧等发达国家的城市轨道交通网中已逐步重视GIS技术的使用，集中应用在轨道交通的运营、调度、管理和维修等方面。如波兰市地铁采用GIS技术进行地铁线网规划管理，通过收集大范围的数据，输入到交通出行预测模型中，完成空间分析[2]；新加坡地铁在施工和土工数据管理中应用GIS[3]；德国汉堡地铁，多媒体墙的设备可供乘客查询有关交通信息、当地专门信息查询等多种服务；伦敦使用先进的通讯和网络设施为乘客提供信息服务。

在国内，GIS在铁路上已得到成功的应用。比如说，地理信息系统在青藏铁路和朔黄铁路综合网管中的应用，青藏线通过GIS平台实现了业务系统的信息集成，使得运营、应急救援、安全保障在一个公共的平台下进行统一的管理；地理信息系统在铁路工务管理、铁路运输、铁路勘测设计、铁路站场地下管线规划管理中的应用等。总之，GIS在铁路上的应用已经比较成熟。

在网络化运营条件下的中国城市轨道交通中，采用功能强大的GIS技术成为一个新的发展方向，相关学者对地理信息系统在城市轨道交通的应用有所研究并发表相关论文。比如刘瑜阐述了GIS在轨道交通调度指挥中应用的可行性，从业务层面分析轨道交通调度指挥对GIS的具体需求、建设目标及建设内容[4],蒋海琴等介绍了GIS在城市轨道交通建设中的应用，提出了系统设计的总体思路和框架及应用前景[5]，刘光武对GIS在城市轨道交通应急处理进行相关研究[6]，黄勇超对GIS在城市轨道交通的勘测测绘、规划设计、运营管理、应急指挥、辅助决策等方面的应用进行了分析[7]，朱若立在PURLS的基础上研究了基于GIS的城市轨道交通选线设计系统(URLS)，实现了基于GIS平台的城轨交通选线专业制图功能[9]，石瑜将 GIS和城市地铁站点的布设结合起来进行研究，使站点的属性信息和可视化地图数据实现相互访问，并利用 GIS的空间分析功能，进行站点的选址优化[10]。

2 GIS在城市轨道交通建设中的功能分析

城市轨道交通建设包括线路和车站的建设，在建设过程中涉及因素众多，既有工程量、工程费、建设周期等定量指标，又有线路沿线的地理信息、水文信息、社会经济、环境条件等定性指标。多种因素的混合使得城市轨道交通建设从一开始就变得复杂而难以做出正确的决策。这时，就需要地理信息系统的空间分析功能为用户提供解决多种问题的有效手段，从而帮助管理者从宏观的、科学的角度来认识轨道交通建设，做出正确的决策。

2.1 数据的操作与处理功能分析

该功能主要包括轨道工程、评价要素基础空间图形的数字化以及属性数据的输入、增加、修改、删除等操作；图形空间数据分层管理和输入[5]。要进行城市轨道交通建设，以地铁建设为例，必须要有足够的数据作为地铁选线、选站、地铁站规模大小、空间布局等的依据。这些数据包括线路沿线、车站周边的地理信息、社会经济、交通情况、土地利用、客流情况等。通过地理信息系统的数据操作与处理功能将这些数据输入、储存并加以管理，进而将这些数据应用到轨道交通建设中，作为城市轨道交通建设的基础数据。

2.2 制图功能

制图功能为 GIS最重要的功能，包括专题图制作，在地图上显示出地理要素，并赋予数值范围，同时可放大缩小以表明不同的细节层次。GIS除了能够对图形数据进行统计分析并以直方图、曲线图等多种方式显示或打印输出，实现属性数据报表的预览打印等基本操作外，还能基于GIS进行二次开发，建立基于GIS的选线、站址选择系统平台。在该系统中，可实现平面图、横断面、纵断面的设计，更好地为城市轨道交通线路、车站建设提供依据。

2.3 空间分析功能

该功能实现图形空间数据和属性数据的双向联合查询和分析，既可由图形信息查询所需的属性信息，又可根据各种的属性信息条件查询图形信息，并可根据需要进行最佳路径、车站选址分析。系统可以对城市轨道交通站以及城市轨道交通沿线的建筑、人口等要素的空间分析，再将空间分析的结果反映给建设部门，从其结果来判断轨道交通站的规模大小、空间布局以及选线的合理性。

2.4 预测与评价分析功能

在城市轨道交通的建设中，地理信息系统能对建好的轨道交通网进行预测与评价分析，能预测出轨道交通线网以及站点附近的建筑面积潜力、老城改造机会、新区开发机会、覆盖人口等预测值。进而对其建设阶段有一个很好的指导与引导作用，使城市轨道交通的建设更加合理，具有更大的发展潜力。

3 GIS在城市轨道交通调度指挥的功能分析

在轨道交通列车运营过程中，各种综合监控系统的广泛应用保证了轨道交通系统高效和安全运行，每条独立线路得到了很好的整合。但在线路与线路之间，信息仍相对孤立，全局协调能力较差，单靠各种综合监控系统的应用已不能很好地对轨道交通网进行调度指挥，此时只能加以地理信息系统来帮助进行调度指挥。

地理信息系统通过与列车运行实时监控系统等技术融合，获取实时乘客数量、列车运行时间间隔等数据以及调用视频监控等设备，将运营过程中的设备设施情况、实时监测数据等信息直观、准确地表现出来，进而对获得的各条线路的信息加以整合，使各条线路能够很好的协调从而达到整个交通网络的协调，辅助轨道交通网络化运营协调指挥调度。

3.1 信息整合及发送

GIS能实现各种实时监控系统的信息整合，监控系统先监控各条路线的信息并发送给GIS，然后GIS将监控系统获得的各条线路的信息进行融合并进行整理。GIS能显示所有这些监控设备的空间分布属性及其实时监测数据，并对其进行各类时间、空间统计及趋势分析，以直观的直方图、饼图或趋势曲线图等形式加以表现，对指定监测设备将其在指定时间、区间内的实测数据及其统计分析结果自动生成相关报表，并向有关部门发送。

3.2 辅助决策

GIS可实现信息共享和发布，通过网络电子地图可以实现共享和发布轨道客运量信息及分布情况，辅助进行运输服务质量监督管理；GIS技术可随时查询到相关设备的地理位置，掌握设备的静态和动态属性，辅助制定不同线路、区域和种类设备的维修计划和作业条件，实现设施管理；通过GIS建立城市轨道交通沿线的地质、地形、人口、经济和交通等数学模型，分析轨道交通分布，分析轨道交通铺设的位置和可达性，进行规划管理，为领导决策提供辅助支持[4]。

可见，GIS能够将获得的轨道交通各条线路的监控信息建立起联系，也能将地点的精确描述建立新的数据逻辑关系（数据的空间关系）。GIS本身具有的强大的空间信息处理功能，因此，GIS能辅助决策生成且能成为空间有关数据的决策依据。计算机系统获得相关数据及信息，能够对这些信息进行自动处理形成决策，这些决策能够通过GIS平台表现出来，从而帮助调度指挥中心进行列车运营过程中的调度指挥。在这个过程中，计算机系统的自动处理起到决策的作用，而地理信息系统起到辅助决策的作用。

4 GIS在城市轨道交通应急处理的功能分析

GIS除了在城市轨道交通运营过程中能够帮助进行调度指挥，也能辅助运营过程的应急处理。在运营过程中，突发的一些紧急事件是不可避免的。而城市轨道交通网络中的应急管理、应急指挥涉及事件发生地点、事件影响范围及人数、车站出口分布、车站周边地形、救援物资、救援队、救援与疏散进路等信息，这些信息具有很强的空间分布特征，因此城市轨道交通的应急处理必须与地理信息系统有效结合，通过地理信息系统的空间分析、时空分析功能，建立各类分析评估模型，辅助制定应急方案。

4.1 空间信息展示功能

当突发事件发生时，已建的各业务监控系统可将地铁车辆动态位置、时间、状态等信息，实时地通过无线通信网链传至监控中心。而 GIS能获得的信息有：（1）救援资源分布；（2）事发地设备信息如车站出口分布、车站周边地形；（3）事发点地理信息即车站所处的位置；（4）事发图像信息等信息；（5）事发点可能受到影响的范围及人数等信息。基于GIS的城轨监控和应急救援系统能够将这些信息进行合并统一展示出来，并使相关联的信息一体化显示，让指挥和技术人员在远离现场的情况下，就能对事发地段的情况一目了然，为抢险救灾赢得时间，为远程指挥提供强大的决策，从而为突发事件的有效处理打下基础。

4.2 空间分析功能

在已经获得突发事件空间信息并已将相关联的信息一体化显示的基础上，地理信息系统的空间分析功能能够在电子地图上进行载体轨迹显示，并能对载体的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等运行显示，从而对突发事件进行影响范围分析、缓冲区分析、救援路径分析、通视分析，进而建立各种分析评估模型，辅助制定应急方案。指挥和技术人员在空间分析后便对突发时间进行及时的处理，使得紧急事件造成的损失降到最低。

4.3 时空分析功能

在城市轨道交通运营的过程中，我们不仅要做到对突发事件的应急处理，也要做到突发事件的预防，从根本上减少突发事件造成的损失，因此地理信息系统的时空分析功能起着关键的作用。GIS的时空分析功能能够进行影响时间分析、事故推演分析、历史事故时空分析、损失评估分析等。通过这些分析，对事故进行仿真、模拟及评估，为事故预防办法的制定和事故总结分析提供辅助支持，进而起到事故预防的作用，减少突发事件的发生。

5 结束语

GIS能应用于城市轨道交通的建设阶段，能辅助城市轨道交通进行调度指挥以及应急处理等，它的许多技术能大大提高城市轨道交通建设和管理的效率与质量，使城市轨道交通建设向科学化、数字化、可视化、智能化方向发展。

基于GIS在城市轨道交通中的功能分析，本文得出GIS在城市轨道交通应用的结论及发展趋势如下：

（1）通过GIS的应用，可融合不同来源，包括城市轨道交通规划、建设、运营不同阶段，以及地上建筑与地下要素关联的城市轨道交通基础数据，从而构建多功能综合一体化的城市轨道交通地理信息系统。

（2）文中基于 GIS的选线系统和基于 GIS的城市轨道交通监控和应急救援系统等就是多技术融合、基于 GIS的二次开发，可见将孤立的 GIS应用于城市轨道交通并不能满足其需求，只有将GIS与其他信息技术融合，进行GIS的二次开发，不断深入地进行数据挖掘、开发集成所需的新功能才能较好地适应城市轨道交通的发展。

（3）三维GIS应用于城市轨道交通成为一新的发展趋势，如：城市轨道交通基础信息的可视化便于乘客直观获得相关信息；地铁站内乘客相关动态的可视化便于管理人员的管理运营；而地下管线、基础设施的可视化便于维修人员进行设备的维修管理工作[8]。

（4）随着网络技术和云计算的引入，WebGIS和云GIS已运用到其他领域，将WebGIS和云GIS应用于城市轨道交通中，实现GIS数据的网络化、数据的共享，也将成为一种趋势[11]。

[1] 黄杏元，马劲松，汤 勤. 地理信息系统概论[M].北京: 高等教育出版社，2001.

[2] 郭文军，施仲衡. “数字轨道交通”基本框架的研究[J]. 土木工程学报，2003，36(1)：108-110.

[3] 耕 耘. 地理信息系统(GIS)在新加坡地铁施工和土工数据管理中的应用[J]. 铁道建筑，2001，(2)：38.

[4] 刘瑜. GIS在城市轨道交通调度指挥中的应用[J].铁路计算机应用，2008，17(5)：45-48.

[5] 蒋海琴，于百勇. GIS在轨道交通建设中的应用[J].现代测绘，2003，26(2)：32-35.

[6] 刘光武. 城市轨道交通应急平台建设研究[J]. 都市快轨交通，2009，22(1)：12-15.

[7] 黄勇超. 地理信息系统在城市轨道交通中的应用前景[J]. 都市快轨交通，2008，21(6)：31-33.

[8] 刘兵，马全明等. 3维地理信息系统在城市轨道交通中的应用分析[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36（4）: 88-90.

[9] 朱若立. 基于GIS城轨交通选线系统的研究[D]. 成都：西南交通大学，2008.

[10] 石瑜. 基于 GIS的城市地铁站点布局研究[D]. 河北：石家庄铁道大学，2014.

[11] 聂鑫路. 基于云GIS的城市轨道交通控制保护区管理系统[J]. 都市快轨交通，2013，26(4)：112-115.