基于GIS的線路空間結(jié)構(gòu)物分布優(yōu)化方法研究

王 錚

(西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

鐵路選線設(shè)計(jì)是鐵路總體設(shè)計(jì)，集實(shí)踐性、決策性和知識(shí)性為一體，是關(guān)系到全局的總體性工作，其目標(biāo)是提出質(zhì)量可靠的設(shè)計(jì)文件，保證鐵路投資的經(jīng)濟(jì)效益。地理信息系統(tǒng)即Geo-spatial Information System，簡(jiǎn)稱GIS，是對(duì)地理空間實(shí)體或地理現(xiàn)象的特征要素進(jìn)行獲取、處理、表達(dá)、管理、分析、顯示和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)空間或時(shí)空信息系統(tǒng)。隨著地理信息系統(tǒng)理論與技術(shù)的發(fā)展，由于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力，使得基于GIS的鐵路選線設(shè)計(jì)成為可能。

本文研究具體思路為：首先利用GIS的Network Analyst功能完成平面設(shè)計(jì)，然后利用ArcGIS的3D Analysist功能提取地面線的高程數(shù)據(jù)。借助于GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和篩選功能，通過屬性選擇的方法確定不同空間結(jié)構(gòu)物(路基、橋梁和隧道)的費(fèi)用確定方法，在此基礎(chǔ)上，在縱斷面設(shè)計(jì)線擬定的條件下，按照工程量及工程造價(jià)最小的原則，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，從而得到擬定坡度條件下最優(yōu)的路基、橋梁和隧道長(zhǎng)度布置方案。

1 GIS線路平面設(shè)計(jì)

1.1 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集

在ArcGIS環(huán)境下，用于網(wǎng)絡(luò)分析的網(wǎng)絡(luò)被存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。在新建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的過程中，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集指定屬性時(shí)，在本研究中用法選擇“成本”，即后期是按照成本最低的原則來生成最優(yōu)路徑，如果需要修改，可以通過賦值器進(jìn)行修改。

1.2 新建路徑

首先要選中擴(kuò)展模塊中的“Network Analyst”。選擇新建路徑，打開Network Analyst窗口，在左側(cè)可見停靠點(diǎn)、點(diǎn)障礙、線障礙、面障礙。停靠點(diǎn)是指線路需要行經(jīng)的點(diǎn)；障礙用于臨時(shí)限制網(wǎng)絡(luò)各部分、向網(wǎng)絡(luò)各部分添加阻抗以及調(diào)整網(wǎng)絡(luò)各部分的阻抗大小。創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)分析圖層時(shí)，“障礙”類為空，只有將對(duì)象添加到該類后，它們才不會(huì)為空。障礙包括點(diǎn)障礙、線障礙和面障礙。單擊創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)位置工具，選擇線路的停靠點(diǎn)，創(chuàng)建路徑至少需要兩個(gè)停靠點(diǎn)。然后設(shè)置點(diǎn)障礙、線障礙、面障礙，以點(diǎn)障礙為例，點(diǎn)擊“點(diǎn)障礙”之后，可以選擇禁止通過的點(diǎn)，見圖1。

1.3 生成結(jié)果

在進(jìn)行如上操作之后，單擊求解按鈕，運(yùn)行當(dāng)前分析，便可以生成結(jié)果，見圖2。

2 目標(biāo)函數(shù)建立及實(shí)現(xiàn)

2.1 目標(biāo)函數(shù)建立

把工程造價(jià)最低的橋、隧、路基組合作為最終的結(jié)構(gòu)物空間布置方案，從經(jīng)濟(jì)性角度來說適合可行的，因此，選取的目標(biāo)函數(shù)如下：

minf=(f1+f2+f3)

(1)

其中，f1,f2,f3分別為建造路基、橋梁、隧道工程的造價(jià)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

首先收集已完工的路基、橋梁和隧道的工程實(shí)例，按照影響其工程造價(jià)的主要因素在EXCEL中進(jìn)行整理。然后在GIS中建立文件地理數(shù)據(jù)庫，將整理好的EXCEL表格導(dǎo)入到文件地理數(shù)據(jù)庫中。目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要借助于GIS的屬性選擇的功能，目的是通過分析估算單位長(zhǎng)度隧道或者橋梁的造價(jià)，以及單位體積路基土石方及擋土墻圬工的造價(jià)。圖3 為目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的流程圖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)有一項(xiàng)目工程概況大致：項(xiàng)目地處西秦嶺南麓徽成盆地，屬淺山丘陵地區(qū)，路線基本由東向西行進(jìn)(見圖4)，全線海拔高度在980 m～1 095 m之間，項(xiàng)目段地下水賦存形式主要有：孔隙潛水，主要分布在各河谷漫灘區(qū)，松散卵礫石層內(nèi)；基巖裂隙水，為巖石構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙帶賦存水；灰?guī)r裂隙溶洞水，為石灰?guī)r、白云巖裂隙及巖溶區(qū)賦存水。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)氣候。降水在年內(nèi)分布不均勻，降水集中在夏季(6月～8月)為243.4 mm。項(xiàng)目沿犀牛江行進(jìn)，施工用水、片石、塊石、碎石及砂礫豐富，運(yùn)輸方便等。根據(jù)該工程概況構(gòu)建相應(yīng)的查詢表達(dá)式，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行篩選分析。對(duì)該項(xiàng)目的一段進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

通過方案比選，方案一的總費(fèi)用為1 865.34萬元，方案二的總費(fèi)用為1 847.06萬元，從經(jīng)濟(jì)性來考慮，方案二為工程造價(jià)最優(yōu)最小方案。

表1 方案比選

4 結(jié)語

1)利用GIS的Network Analyst功能獲得線路的平面位置是一種行之有效的方法。

2)隨著文件地理數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)充，進(jìn)行篩選分析時(shí)考慮的造價(jià)影響因素也隨之增多，得到的造價(jià)函數(shù)會(huì)更加合理和準(zhǔn)確。

3)計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)GIS在空間結(jié)構(gòu)物的分布優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。