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)

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。

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

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。

（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。

区段客货流密度分析案例如图4所示。

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

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。

（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。

（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。

车站到发量分析案例如图5所示。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

铁路运输径路比选结果实时显示如图8所示。

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。

（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。