基于GIS技術(shù)的高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性研究

郇曉喜

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830011）

引言

交通運(yùn)輸對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義，其中高速鐵路運(yùn)輸是整個(gè)交通運(yùn)輸?shù)暮诵牟糠諿1,2]。近幾年來，高速鐵路不論是規(guī)模還是水平都得以迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了國家提出的相關(guān)政策。

高速鐵路線網(wǎng)是進(jìn)行高速鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)以及作業(yè)的支撐基礎(chǔ)，同時(shí)它也是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的反映。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于各個(gè)國家的國情以及時(shí)代背景完全不同，所以其高速鐵路發(fā)展規(guī)模也是完全不同，合理的規(guī)劃高速鐵路線網(wǎng)能夠有效促使經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3]。

相關(guān)學(xué)家針對該方面給出了一些較好的研究成果，例如王忠強(qiáng)等人大量查閱相關(guān)資料，對各個(gè)高速鐵路線網(wǎng)進(jìn)行分析，同時(shí)設(shè)定三項(xiàng)指標(biāo)為后續(xù)高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性研究奠定基礎(chǔ)；顧金山主要總結(jié)了不同城市在軌道運(yùn)輸方面的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出“樞紐錨定網(wǎng)”鐵路線網(wǎng)規(guī)劃方法?，F(xiàn)階段我國高速鐵路線網(wǎng)發(fā)展十分迅速，為了滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求，本文將結(jié)合GIS技術(shù)對高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性進(jìn)行研究，通過具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全面驗(yàn)證了所提方法的綜合有效性。

1 基于GIS技術(shù)的高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性研究

1.1 高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模預(yù)測模型的組建

為了全面了解高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模，首先需要相關(guān)影響因素進(jìn)行具體的分析研究，方便后續(xù)清理各個(gè)影響因素對高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模的影響程度[4,5]，同時(shí)為高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模預(yù)算奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)高速鐵路線網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)影響因素之間的相互關(guān)系組建鄰接矩陣，經(jīng)過運(yùn)算獲取可達(dá)矩陣，其中鄰接矩陣代表不同矩陣之間的相互關(guān)聯(lián)性，以下采用A；其中各個(gè)元素aij的計(jì)算式如下所示：

各個(gè)元素之間的鄰接矩陣能夠表示為以下的形式：

不同元素的可達(dá)矩陣R能夠利用鄰接矩陣A加上矩陣I獲取，其中矩陣I代表單位矩陣，可達(dá)矩陣代表各個(gè)影響因素之間通過任意路徑后達(dá)到可達(dá)到的程度[6]。

結(jié)合上述分析，能夠?qū)⒖蛇_(dá)矩陣?yán)脜^(qū)域劃分以及極間分解的方法依次組建不同因素之間的層次關(guān)系。

結(jié)合可達(dá)矩陣，能夠?qū)⒑鸵蛩豬n相關(guān)的因素組成對應(yīng)的可達(dá)集到達(dá)因素in的因素組成先行集則有：

式中：

N—全部因素組建的集合；

mij—i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)值；

mji—j點(diǎn)到i點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)值。

高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模預(yù)算方法的好壞決定了最終測試結(jié)果的好壞，同時(shí)也會對高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生一定的影響[7,8]。以下給出具體的操作過程：

首先對高速鐵路線網(wǎng)的合理規(guī)模選用網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行計(jì)算，其中該方法的原始計(jì)算模型為：

式中：

L—鐵路網(wǎng)規(guī)模；

S—城市群的面積；

N—城市群內(nèi)能夠進(jìn)行連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；

C—連通度系數(shù)。

由于鐵路網(wǎng)的線路在實(shí)際應(yīng)用的過程中會受到自然條件等相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致鐵路線路并不是全部都為直線，根據(jù)各個(gè)城市規(guī)模的大小，需要在地理?xiàng)l件的類型中加入線路的非直線系數(shù)ξ，結(jié)合GIS技術(shù)，則經(jīng)過修改的模型能夠表示為以下的形式：

由于各個(gè)城市內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)的平均連通度系數(shù)是不同的，需要利用各個(gè)節(jié)點(diǎn)連通度之后和進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，以下給出具體的計(jì)算式：

式中：

為了滿足城市鐵路網(wǎng)的發(fā)展需求，需要結(jié)合相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)將定性因素設(shè)定為調(diào)整參數(shù)，帶入到對應(yīng)的模型中，則能夠獲取以下計(jì)算式：

式中：

R—城市中高速鐵路網(wǎng)密度；

P—城市人口密度；

E—城市人均收入。

以上模型忽略了空間結(jié)構(gòu)以及政府的相關(guān)政策等影響因素，因此以下需要加入高速鐵路網(wǎng)依賴性偏好指數(shù)，則有：

式中：

δ—高速鐵路網(wǎng)依賴性偏好指數(shù)；

rR—高速鐵路網(wǎng)密度統(tǒng)計(jì)總值；

hR—模型估計(jì)值。

經(jīng)過調(diào)整后的高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模預(yù)算模型為：

1.2 基于GIS技術(shù)的高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性研究

高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃預(yù)測試高速鐵路線路分布的基礎(chǔ)，測算結(jié)果需要滿足對應(yīng)的規(guī)劃目標(biāo)需求，其中規(guī)劃目標(biāo)主要包含人口規(guī)模以及空間范圍等相關(guān)參數(shù)，主要是以城市覆蓋率、線網(wǎng)密度等進(jìn)行衡量，在于其他規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對比其發(fā)展階段。

高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模是城市群鏡以及空間結(jié)構(gòu)以及需求結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，合理的線網(wǎng)規(guī)模能夠有效滿足不同層次的運(yùn)輸需求，同時(shí)也能夠適應(yīng)城市群的階段性發(fā)展需求以及發(fā)展速度。

立足于運(yùn)輸系統(tǒng)本身，線網(wǎng)規(guī)模的合理性主要體現(xiàn)在量以及質(zhì)兩個(gè)層次上，同時(shí)需要分別引入供需均衡系數(shù)以及層次平衡次數(shù)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量[9]。

其中供求平衡系數(shù)主要從總量的角度全面反映高速鐵路網(wǎng)規(guī)模需要滿足的運(yùn)輸需求能力，則：

式中：

ζ—供需均衡系數(shù)；

c—單位長度的線路運(yùn)輸能力；

O—需求總量。

層次平衡系數(shù)是為了滿足不同層次的需求進(jìn)行配置，通過不同路線的規(guī)劃程度進(jìn)行合理性判斷，具體的計(jì)算模型如下所示：

式中：

為了進(jìn)一步促進(jìn)城市的發(fā)展，需要從以下兩方面判斷整個(gè)線網(wǎng)規(guī)模的合理性，分別為：

1）線網(wǎng)規(guī)模的合理性；

2）城市群發(fā)育程度的適應(yīng)性[10]。以下給出具體的計(jì)算式：

式中：

η—線網(wǎng)規(guī)模以及城市群發(fā)育程度的適應(yīng)性；

φ—城市群的發(fā)育程度；

φ—線網(wǎng)的綜合密度。

其中φ的計(jì)算式如下所示：

式中：

A—城市群面積；

δ—居住面積修正系數(shù)；

P—人口總數(shù)。

其中：

式中：

ELG—彈性系數(shù)；

ΔL—線網(wǎng)規(guī)模增量；

G—經(jīng)濟(jì)總量；

ΔG—經(jīng)濟(jì)增量。

結(jié)合上述分析，能夠獲取以下高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性評價(jià)體系，具體如圖1所示。

圖1 高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性評價(jià)體系結(jié)構(gòu)圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，環(huán)境選取某地區(qū)高速鐵路線網(wǎng)作為研究對象進(jìn)行仿真測試，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

1）節(jié)點(diǎn)重要度/（%）：

仿真實(shí)驗(yàn)測試選取兩種傳統(tǒng)方法作為對比方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以下實(shí)驗(yàn)主要對比不同方法的節(jié)點(diǎn)重要度，具體對比的結(jié)果如圖2所示。

圖2不同方法的節(jié)點(diǎn)重要度對比結(jié)果

分析圖2可知，所提方法的節(jié)點(diǎn)重要度一直呈直線上升趨勢；文獻(xiàn)[7]方法的節(jié)點(diǎn)重要度呈直線下降趨勢；文獻(xiàn)[8]方法的節(jié)點(diǎn)重要度則呈現(xiàn)忽高忽低的狀態(tài)。其中節(jié)點(diǎn)重要度越高，則說明線路網(wǎng)越具有推廣價(jià)值，相比其它兩種方法，所提方法的節(jié)點(diǎn)重要度明顯較高。

2）高速鐵路線網(wǎng)平均造價(jià)/（萬元）：

分析表1～3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比其它兩種方法，所提方法的高速鐵路線網(wǎng)平均造價(jià)明顯較低。

3）高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率/（%）：

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，以下對比各個(gè)方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率，具體的對比結(jié)果如表4～6所示。

表1 所提方法的高速鐵路線網(wǎng)平均造價(jià)

表2 文獻(xiàn)[7]方法的高速鐵路線網(wǎng)平均造價(jià)

表3 文獻(xiàn)[8]方法的高速鐵路線網(wǎng)平均造價(jià)

表4 所提方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率

表5 文獻(xiàn)[7]方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率

表6 文獻(xiàn)[7]方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率

綜合分析表4～6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著測試樣本數(shù)量的不斷增加，各種方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率也在不斷發(fā)生變化，其中所提方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率在三種方法中為最高；文獻(xiàn)[7]方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率次之；文獻(xiàn)[8]方法的高速鐵路線網(wǎng)運(yùn)行效率最高。

3 結(jié)束語

隨著全球的經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，城市已經(jīng)成為我國發(fā)展的主要趨勢，大力發(fā)展城市群高速鐵路線網(wǎng)是解決交通問題的重要途徑，也是城市化進(jìn)程的必然結(jié)果。本文重點(diǎn)針對基于GIS技術(shù)的高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃適應(yīng)性展開研究。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法對于高速鐵路線網(wǎng)規(guī)劃以及指導(dǎo)具有十分重要的意義。雖然現(xiàn)階段所提方法取得了十分滿意的研究成果，但是仍然存在一定的不足，后續(xù)將針對所提方法存在的不足進(jìn)行進(jìn)一步完善。