基于GIS的线路空间结构物分布优化方法研究

王 铮

(西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730030)

0 引言

铁路选线设计是铁路总体设计，集实践性、决策性和知识性为一体，是关系到全局的总体性工作，其目标是提出质量可靠的设计文件，保证铁路投资的经济效益。地理信息系统即Geo-spatial Information System，简称GIS，是对地理空间实体或地理现象的特征要素进行获取、处理、表达、管理、分析、显示和应用的计算机空间或时空信息系统。随着地理信息系统理论与技术的发展，由于其强大的数据管理和空间分析能力，使得基于GIS的铁路选线设计成为可能。

本文研究具体思路为：首先利用GIS的Network Analyst功能完成平面设计，然后利用ArcGIS的3D Analysist功能提取地面线的高程数据。借助于GIS强大的数据存储、分析和筛选功能，通过属性选择的方法确定不同空间结构物(路基、桥梁和隧道)的费用确定方法，在此基础上，在纵断面设计线拟定的条件下，按照工程量及工程造价最小的原则，对设计方案进行比选，从而得到拟定坡度条件下最优的路基、桥梁和隧道长度布置方案。

1 GIS线路平面设计

1.1 创建网络数据集

在ArcGIS环境下，用于网络分析的网络被存储在网络数据集中，网络数据集是进行网络分析的基础。在新建网络数据集的过程中，为网络数据集指定属性时，在本研究中用法选择“成本”，即后期是按照成本最低的原则来生成最优路径，如果需要修改，可以通过赋值器进行修改。

1.2 新建路径

首先要选中扩展模块中的“Network Analyst”。选择新建路径，打开Network Analyst窗口，在左侧可见停靠点、点障碍、线障碍、面障碍。停靠点是指线路需要行经的点；障碍用于临时限制网络各部分、向网络各部分添加阻抗以及调整网络各部分的阻抗大小。创建新的网络分析图层时，“障碍”类为空，只有将对象添加到该类后，它们才不会为空。障碍包括点障碍、线障碍和面障碍。单击创建网络位置工具，选择线路的停靠点，创建路径至少需要两个停靠点。然后设置点障碍、线障碍、面障碍，以点障碍为例，点击“点障碍”之后，可以选择禁止通过的点，见图1。

1.3 生成结果

在进行如上操作之后，单击求解按钮，运行当前分析，便可以生成结果，见图2。

2 目标函数建立及实现

2.1 目标函数建立

把工程造价最低的桥、隧、路基组合作为最终的结构物空间布置方案，从经济性角度来说适合可行的，因此，选取的目标函数如下：

minf=(f1+f2+f3)

(1)

其中，f1,f2,f3分别为建造路基、桥梁、隧道工程的造价。

2.2 目标函数的实现

首先收集已完工的路基、桥梁和隧道的工程实例，按照影响其工程造价的主要因素在EXCEL中进行整理。然后在GIS中建立文件地理数据库，将整理好的EXCEL表格导入到文件地理数据库中。目标函数的实现需要借助于GIS的属性选择的功能，目的是通过分析估算单位长度隧道或者桥梁的造价，以及单位体积路基土石方及挡土墙圬工的造价。图3 为目标函数实现的流程图。

3 计算结果分析

现有一项目工程概况大致：项目地处西秦岭南麓徽成盆地，属浅山丘陵地区，路线基本由东向西行进(见图4)，全线海拔高度在980 m～1 095 m之间，项目段地下水赋存形式主要有：孔隙潜水，主要分布在各河谷漫滩区，松散卵砾石层内；基岩裂隙水，为岩石构造裂隙和风化裂隙带赋存水；灰岩裂隙溶洞水，为石灰岩、白云岩裂隙及岩溶区赋存水。气候属暖温带半湿润气候。降水在年内分布不均匀，降水集中在夏季(6月～8月)为243.4 mm。项目沿犀牛江行进，施工用水、片石、块石、碎石及砂砾丰富，运输方便等。根据该工程概况构建相应的查询表达式，在数据库中进行筛选分析。对该项目的一段进行计算，结果如表1所示。

通过方案比选，方案一的总费用为1 865.34万元，方案二的总费用为1 847.06万元，从经济性来考虑，方案二为工程造价最优最小方案。

表1 方案比选

4 结语

1)利用GIS的Network Analyst功能获得线路的平面位置是一种行之有效的方法。

2)随着文件地理数据库的扩充，进行筛选分析时考虑的造价影响因素也随之增多，得到的造价函数会更加合理和准确。

3)计算结果对于实现GIS在空间结构物的分布优化具有一定的参考价值。