高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間發(fā)展：基于國(guó)際經(jīng)驗(yàn)的探討及斯噪聲源電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間發(fā)展：基于國(guó)際經(jīng)驗(yàn)的探討【摘要】基于對(duì)日本、法國(guó)、德國(guó)三國(guó)的經(jīng)驗(yàn)借鑒，對(duì)高鐵沿線(xiàn)大都市帶（Metropolis）的空間發(fā)展進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：（1）以可達(dá)性變化引起的“時(shí)空收縮”為基礎(chǔ)，高鐵在大都市帶空間發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用；（2）高鐵通過(guò)深化分工與專(zhuān)業(yè)化、促進(jìn)聚集與擴(kuò)散等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)推動(dòng)沿線(xiàn)大都市帶的空間發(fā)展，但其影響作用具有差異性；（3）在“高鐵走廊”這一整體空間發(fā)展背景下，沿線(xiàn)大都市帶的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為一體型、端點(diǎn)型和混合型三種形式?！娟P(guān)鍵詞】高鐵；大都市帶；空間發(fā)展；國(guó)際經(jīng)驗(yàn)

緒言作為21世紀(jì)最具革命性和創(chuàng)新性的交通運(yùn)輸方式，高鐵極大縮短了城市間的時(shí)空距離，使得城市發(fā)展呈現(xiàn)出同城化、一體化、區(qū)域化等特征和趨勢(shì)，成為大都市帶形成和發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。霍爾將高鐵的出現(xiàn)視為第二個(gè)鐵路時(shí)代（AgeofRail）的來(lái)臨，認(rèn)為高鐵所導(dǎo)致的地理空間收縮，將使整個(gè)歐洲成為多中心的大都市帶[1][2]。2008年8月，北京至天津城際鐵路正式投入營(yíng)運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)高鐵時(shí)代的來(lái)臨；而2009年12月，武漢至廣州客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)建成通車(chē)，則標(biāo)志著我國(guó)長(zhǎng)大干線(xiàn)高速鐵路開(kāi)始陸續(xù)投用。根據(jù)國(guó)家《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2008年調(diào)整），至2020年我國(guó)高速鐵路總規(guī)模將達(dá)到1.8萬(wàn)km，連接除拉薩市以外的所有省會(huì)城市以及人口50萬(wàn)以上的城市，并形成“四縱四橫”的鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，高鐵將成為我國(guó)區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展和城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)重構(gòu)的重要因素，而高鐵沿線(xiàn)大都市帶的發(fā)展則尤為值得關(guān)注。高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間發(fā)展受何種因素的影響?有何內(nèi)在機(jī)制?沿線(xiàn)區(qū)域和城市如何應(yīng)對(duì)?日本、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家城市化發(fā)展水平較高、高鐵建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期長(zhǎng)，各國(guó)高鐵沿線(xiàn)大都市帶的形成和發(fā)展可作為我國(guó)高鐵沿線(xiàn)城市和區(qū)域發(fā)展的有益借鑒。1國(guó)外典型高鐵線(xiàn)路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)概況1.1日本東京—大阪東海道新干線(xiàn)沿線(xiàn)（TokaidoShinkansen）截至2012年7月，日本運(yùn)行、在建和規(guī)劃建設(shè)的高鐵線(xiàn)路合計(jì)3625km①。其中，全長(zhǎng)552.6km的東海道新干線(xiàn)起止于東京和大阪，于1964年10月建成通車(chē)，是世界上第一條高速鐵路。20世紀(jì)50年代中后期，隨著日本戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和快速增長(zhǎng)，東海道地帶人口和產(chǎn)業(yè)高度集中、鐵路運(yùn)能飽和。為滿(mǎn)足區(qū)域交通運(yùn)輸需求、縮短大都市圈之間的交通時(shí)間，日本中央政府決定采用高速鐵路以增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸能力，解決這一重要經(jīng)濟(jì)帶的運(yùn)輸問(wèn)題。東海道新干線(xiàn)線(xiàn)路獨(dú)立于原有傳統(tǒng)鐵路線(xiàn)路，沿線(xiàn)共設(shè)有17個(gè)車(chē)站，最高運(yùn)行速度為每小時(shí)270km，將東京和大阪之間的鐵路通行時(shí)間由原來(lái)的6小時(shí)50分縮短為2小時(shí)25分（1992年前為4小時(shí)）。東海道新干線(xiàn)途經(jīng)橫濱、名古屋、京都等主要城市，連接?xùn)|京、名古屋、大阪三大都市圈，是日本經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口最密集的區(qū)域，其服務(wù)的區(qū)域人口約占全國(guó)總?cè)丝诘?9.3%②。東海道新干線(xiàn)的建成通車(chē)為沿線(xiàn)區(qū)域和城市帶來(lái)巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，對(duì)世界鐵路經(jīng)營(yíng)和歐洲各國(guó)的高速鐵路發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。以東京、名古屋、大阪等都市圈為主組成的日本太平洋沿岸大都市帶（TaiheiyoBelt）在六十年代后期逐步形成和完善，被戈特曼視為世界六大城市帶之一。.正是基于高鐵對(duì)區(qū)域發(fā)展的重要作用，日本中部經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會(huì)使用“巨型經(jīng)濟(jì)帶”（ExtraHugeEconomicZone，EHEZ）來(lái)描述經(jīng)高鐵推動(dòng)所形成的經(jīng)濟(jì)區(qū)域[3]。1.2法國(guó)巴黎—里昂高鐵沿線(xiàn)（TGVSud-Est）與促進(jìn)區(qū)域均衡發(fā)展相比，法國(guó)高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加側(cè)重增加鐵路運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)力、克服傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)力瓶頸、打造交通運(yùn)輸通道和與歐洲高鐵網(wǎng)絡(luò)的連接，并以此促進(jìn)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。截至2012年7月，法國(guó)運(yùn)行、在建和規(guī)劃建設(shè)的高鐵線(xiàn)路合計(jì)5200km。其中，法國(guó)TGV東南線(xiàn)是世界上第二條商業(yè)運(yùn)行的高鐵線(xiàn)路，TGV東南線(xiàn)的開(kāi)通標(biāo)志著歐洲高鐵的開(kāi)端。TGV東南線(xiàn)分別于1981年（南段）和1983年（北段）建成運(yùn)營(yíng)，連接了法國(guó)兩個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)區(qū)域，即巴黎和羅納—阿爾卑斯地區(qū)，全長(zhǎng)425km。20世紀(jì)70年代，由巴黎通往東南部的傳統(tǒng)鐵路網(wǎng)（Paris-Lyon-Mediterranean，PLM）服務(wù)于法國(guó)40%的人口，是通往法國(guó)東南部的重要通道，但其運(yùn)力已達(dá)到飽和。為解決鐵路運(yùn)力瓶頸，并與航空運(yùn)輸有效競(jìng)爭(zhēng)，TGV東南線(xiàn)的修建被提上議程。TGV東南線(xiàn)線(xiàn)路與傳統(tǒng)鐵路線(xiàn)路兼容，最高運(yùn)行速度為每小時(shí)300km，將巴黎和里昂之間的通行時(shí)間由原來(lái)的4.5小時(shí)縮短為2小時(shí)。與該國(guó)經(jīng)濟(jì)、人口的空間分布相適應(yīng)，法國(guó)高鐵線(xiàn)路的一大特征是以巴黎為中心輻射狀分布，連接各省首府和主要城市。TGV東南線(xiàn)設(shè)計(jì)就是為盡可能的縮短從巴黎到里昂的交通時(shí)間，因此沿線(xiàn)只有勒克勒佐（LeCreusot）和馬孔（Macon）2個(gè)中間站點(diǎn)。1.3德國(guó)科隆—法蘭克福高鐵沿線(xiàn)（ICE）截至2012年7月，德國(guó)運(yùn)行、在建和規(guī)劃建設(shè)的高鐵線(xiàn)路合計(jì)2320km。德國(guó)于1991年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)第一條高速鐵路，其高鐵建設(shè)以提升鐵路運(yùn)輸能力和融入歐洲高鐵網(wǎng)絡(luò)為主要目的，并希望通過(guò)高鐵連接人口密集區(qū)、緩解交通擁堵、降低能源消耗和實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。2002年開(kāi)通的科隆—法蘭克福高鐵全長(zhǎng)177km，是德國(guó)第一條高鐵客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)?？坡　ㄌm克福線(xiàn)最高運(yùn)行時(shí)速為320km，將兩市間的鐵路交通時(shí)間從2.4小時(shí)縮減至1小時(shí)10分鐘。與法國(guó)相比，德國(guó)人口和經(jīng)濟(jì)在地理空間聚集且在國(guó)土范圍內(nèi)均勻分布；在國(guó)家城市體系中，中小城市的發(fā)展更為完善，其高鐵網(wǎng)絡(luò)也具有多中心、網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)特征，有著更多的區(qū)域交通中心和沿線(xiàn)站點(diǎn)?？坡　ㄌm克福線(xiàn)連接德國(guó)最為活躍的兩個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，即萊茵—魯爾地區(qū)（人口超過(guò)1000萬(wàn)人）和法蘭克福萊茵—美因地區(qū)（人口超過(guò)500萬(wàn)人），自西向東設(shè)立三個(gè)中間站點(diǎn)：錫格堡（Siegburg）/波恩（Bonn）、蒙塔鮑爾（Montabaur）和林堡（Limburg）。2高鐵影響下的大都市帶空間發(fā)展比較前述日本、法國(guó)和德國(guó)各典型高鐵線(xiàn)路，雖然區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況、建設(shè)背景、線(xiàn)路特征、城市發(fā)展等方面各不相同，但沿線(xiàn)區(qū)域皆為各國(guó)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和人口的主要聚集區(qū)，也是各國(guó)最有代表性的大都市帶。基于對(duì)這些大都市帶空間發(fā)展的分析和借鑒，以下分別從影響基礎(chǔ)、作用機(jī)制和典型特征三個(gè)方面論述高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間發(fā)展。2.1影響基礎(chǔ)：高鐵、可達(dá)性與時(shí)空收縮后現(xiàn)代主義地理學(xué)家將空間置于具體的社會(huì)生產(chǎn)、歷史實(shí)踐中進(jìn)行分析，認(rèn)為現(xiàn)代生產(chǎn)方式和技術(shù)極大地改變了時(shí)空關(guān)系，使得我們進(jìn)入新的物質(zhì)實(shí)踐和新的空間再現(xiàn)模式。其中，哈維（DavidHarvey）則將近現(xiàn)代交通及通信技術(shù)導(dǎo)致的時(shí)空變化稱(chēng)為“時(shí)空收縮”。高鐵有效縮短了交通時(shí)間，提高了交通與運(yùn)輸效率，但更重要的是高鐵通過(guò)可達(dá)性改善，使得區(qū)域和城市的區(qū)位條件和相互關(guān)系發(fā)生變化，各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)得以在新的時(shí)空范圍內(nèi)展開(kāi)，從而產(chǎn)生一系列的深遠(yuǎn)影響。正是在這個(gè)意義上，霍爾指出，“高速鐵路重要的不是速度，而是它引起的時(shí)空收縮。[4]”如圖4所示，本文案例中各高鐵沿線(xiàn)主要城市間不同交通方式間的出行耗時(shí)對(duì)比表明，各國(guó)高鐵線(xiàn)路的開(kāi)通運(yùn)行有效改善了沿線(xiàn)區(qū)域的交通可達(dá)性，縮短區(qū)域和城市間的交通時(shí)間，并成為沿線(xiàn)大都市帶發(fā)展的重要基礎(chǔ)。2.2作用機(jī)制：時(shí)空收縮與沿線(xiàn)大都市帶發(fā)展（1）高鐵對(duì)沿線(xiàn)大都市帶空間發(fā)展的基礎(chǔ)影響要深入理解上述變化的產(chǎn)生機(jī)制，考察高鐵及“時(shí)空收縮”所引起的區(qū)域和城市空間關(guān)系調(diào)整、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)再配置，則需從“時(shí)空收縮”所引起的分工與專(zhuān)業(yè)化、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的聚集與擴(kuò)散等方面進(jìn)行分析?；趨^(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)地理學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)理論，本文構(gòu)建了如下圖所示的高鐵影響沿線(xiàn)大都市帶空間發(fā)展的分析框架。如圖5所示，其外層循環(huán)結(jié)構(gòu)表明了交通建設(shè)與區(qū)域發(fā)展的互動(dòng)關(guān)系；而內(nèi)層結(jié)構(gòu)則表明在時(shí)空收縮背景下區(qū)域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的空間調(diào)整過(guò)程。在此背景下，城市間的相互作用不斷增強(qiáng)，高鐵沿線(xiàn)多個(gè)大都市區(qū)一體化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展效應(yīng)不斷增強(qiáng)。在上述影響機(jī)制的作用下，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的具體空間調(diào)整則可從交通與出行、人口遷移與就業(yè)、企業(yè)選址、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等各個(gè)方面進(jìn)行分析。從交通與出行來(lái)看，一方面，高鐵所產(chǎn)生的“時(shí)空收縮”降低交通成本（時(shí)間、費(fèi)用）等，交通需求增大，尤其是大量的商務(wù)出行、旅游購(gòu)物及其他一日往返出行等；另一方面，高鐵的出現(xiàn)改變了居民出行方式，并對(duì)航空、汽車(chē)等其他交通方式產(chǎn)生較大影響。如TGV東南線(xiàn)極大地增加了交通出行，尤其是產(chǎn)生了大量的商業(yè)和貿(mào)易出行。據(jù)估計(jì)，1980～1985年間，巴黎至里昂間的商務(wù)出行增加了56%[5]。如表1所示，科隆—法蘭克福高鐵開(kāi)通后，商務(wù)出行、私人出行有較大增加，兩個(gè)城市間的航空運(yùn)輸則被取消。從經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)來(lái)看，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)條件下，更關(guān)注貨物的貿(mào)易，而消費(fèi)者、勞動(dòng)者的流動(dòng)較少，知識(shí)經(jīng)濟(jì)背景下第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展則愈加倚重人和高附加值產(chǎn)品的運(yùn)輸，高鐵的重要性凸顯。從就業(yè)與人口流動(dòng)來(lái)看，高鐵營(yíng)運(yùn)后城市可達(dá)性的提高將促進(jìn)人口流動(dòng)、創(chuàng)造大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，并帶動(dòng)沿線(xiàn)城市人口增長(zhǎng)。一方面，高鐵通過(guò)改善站點(diǎn)所在城市或城市中心的可達(dá)性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和勞動(dòng)力價(jià)值，并激勵(lì)企業(yè)創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)；另一方面，更高的薪資水平和更加方便的通勤吸引就業(yè)人口進(jìn)入當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力市場(chǎng)。（2）高鐵對(duì)沿線(xiàn)大都市帶空間發(fā)展的影響差異然而，受高鐵運(yùn)輸特性、區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征、“時(shí)空收縮”在空間上的不均衡性等因素影響，高鐵對(duì)區(qū)域發(fā)展的影響也具有差異性，主要體現(xiàn)在作用類(lèi)刑、作用結(jié)果等方面。區(qū)域自身社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性決定著高鐵對(duì)區(qū)域發(fā)展的效用，包括區(qū)域發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)特性、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通條件等。如圖6所示，橫坐標(biāo)所示的可達(dá)性是一個(gè)綜合性指標(biāo)，包括交通可達(dá)性及其引起的勞動(dòng)力供給、區(qū)位條件等方面的變化；縱坐標(biāo)表示區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特性，包括區(qū)域制度特征、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀、對(duì)外經(jīng)濟(jì)聯(lián)系、區(qū)內(nèi)外市場(chǎng)狀況等。巴尼斯特（BanisterD）認(rèn)為，僅有可達(dá)性的改善還不足以實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其決定性因素為縱坐標(biāo)所示的區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性[6]。以此為基礎(chǔ)，沃爾弗萊姆（WolfframM）進(jìn)一步將高鐵對(duì)沿線(xiàn)區(qū)域發(fā)展的作用由強(qiáng)至弱劃分為催化（Catalyst）、促進(jìn)（Facilitating）、無(wú)影響（NotRelevant）、負(fù)面影響（NegativeRole）四類(lèi)，如圖6中所示[7]。類(lèi)似的差異在高鐵設(shè)站城市也可觀察到，設(shè)站城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性、高鐵站點(diǎn)的規(guī)模和等級(jí)，以及站點(diǎn)地區(qū)與城市的交通、功能等關(guān)系則是重要的影響因素。以東海道新干線(xiàn)為例，高鐵所帶來(lái)的服務(wù)業(yè)主要在東京、大阪聚集，1955～1970年間，兩個(gè)城市就業(yè)崗位數(shù)量上升了35%；而由于以制造業(yè)為主的原有產(chǎn)業(yè)特性，同期名古屋的就業(yè)崗位數(shù)量則下降了30%；在TGV東南線(xiàn)，新增經(jīng)濟(jì)活動(dòng)則進(jìn)一步向巴黎和里昂的服務(wù)產(chǎn)業(yè)聚集[8]。針對(duì)高鐵未設(shè)站的城市，已有研究普遍認(rèn)為這些城市將在與站點(diǎn)所在城市的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，并將這一作用稱(chēng)為高鐵的“忽略效應(yīng)”（BypassEffect）。從高鐵對(duì)區(qū)域發(fā)展的作用結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)外政府機(jī)構(gòu)和研究人員普遍關(guān)注“高鐵能否促進(jìn)區(qū)域均衡發(fā)展”這一問(wèn)題，即高鐵所產(chǎn)生的聚集經(jīng)濟(jì)能否由區(qū)域中心城市向外圍地區(qū)或城市有效擴(kuò)散，以及高鐵是否進(jìn)一步加劇了區(qū)域差距。雖然尚未形成一致共識(shí)，但多數(shù)的研究指出高鐵將進(jìn)一步增強(qiáng)大城市聚集效應(yīng)、并導(dǎo)致區(qū)域差距的擴(kuò)大。2.3典型特征：高鐵走廊與大都市帶空間結(jié)構(gòu)形態(tài)（1）大都市帶的空間發(fā)展與高鐵走廊交通走廊聯(lián)系區(qū)域內(nèi)的核心城市及沿線(xiàn)中小城市，成為大都市帶的發(fā)展軸線(xiàn)，是大都市帶形成的必要條件之一。區(qū)域經(jīng)濟(jì)越是發(fā)達(dá)，其交通需求則越多樣化，因此大都市帶間的交通走廊通常是多種交通方式的復(fù)合。而與高速公路、航空等運(yùn)輸方式相比，高鐵在大都市帶這一地理空間尺度有著更多優(yōu)勢(shì)，在區(qū)域間或各大都市區(qū)間的交通運(yùn)輸中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。類(lèi)似交通經(jīng)濟(jì)帶或交通走廊，以高鐵為依托所形成的區(qū)域發(fā)展走廊被稱(chēng)為高鐵走廊。布拉姆（BlumU）則使用“擴(kuò)展型功能區(qū)（ExtendedFunctionalRegion）”來(lái)強(qiáng)調(diào)高鐵走廊沿線(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展。擴(kuò)展性功能區(qū)是指共享勞動(dòng)力市場(chǎng)、服務(wù)市場(chǎng)的地理區(qū)域，是眾多社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的共同基礎(chǔ)，是地區(qū)生產(chǎn)和消費(fèi)的共同區(qū)域[9]。地域鄰接性是擴(kuò)展性功能區(qū)的重要基礎(chǔ)，而由高鐵和其他基礎(chǔ)設(shè)施、聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)所影響的通勤區(qū)域則決定著功能區(qū)的邊界。（2）高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)大都市帶在空間形態(tài)上表現(xiàn)為組成要素在核心地區(qū)高度密集，以及沿走廊軸線(xiàn)展開(kāi)的多核心星云狀結(jié)構(gòu)，是由多個(gè)大都市區(qū)相互作用、緊密聯(lián)系而形成的組合體。以起始站點(diǎn)連接兩個(gè)大都市區(qū)的高鐵走廊基礎(chǔ)，根據(jù)都市區(qū)和城市間的空間關(guān)系，以及高鐵的不同影響作用，高鐵沿線(xiàn)大都市帶的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為一體型、端點(diǎn)型、混合型三種。在各種類(lèi)型中，高鐵走廊起始站點(diǎn)所在的核心大都市區(qū)都是構(gòu)成大都市帶的基本要素。如圖7（a），一體型是指高鐵走廊沿線(xiàn)的核心城市與沿線(xiàn)設(shè)站城市相互作用，在走廊的起始端點(diǎn)形成功能區(qū)域，大都市帶即由若干功能性區(qū)域構(gòu)成。在一體型的沿線(xiàn)大都市帶中，高鐵促進(jìn)沿線(xiàn)設(shè)站城市的發(fā)展，高鐵沿線(xiàn)的通勤交通、商務(wù)交通、單日往返出行等主要產(chǎn)生于沿線(xiàn)設(shè)站城市與起始站點(diǎn)核心城市間。如圖8中（a）、（b）所示，日本東京—大阪東海道新干線(xiàn)、德國(guó)科隆—法蘭克福高鐵沿線(xiàn)大都市帶即為此種類(lèi)型。圖7（b）所示端點(diǎn)型則是指由于核心大都市區(qū)和沿線(xiàn)設(shè)站城市的空間影響差異較大，空間相互作用較少，大都市帶由高鐵走廊兩端的核心大都市區(qū)相互作用形成。在端點(diǎn)型的沿線(xiàn)大都市帶中，高鐵進(jìn)一步強(qiáng)化了起始站點(diǎn)核心大都市區(qū)的聚集效應(yīng)，高鐵誘發(fā)的交通出行主要產(chǎn)生于起始站點(diǎn)間，對(duì)沿線(xiàn)的設(shè)站城市影響較小。如圖8（c）所示，法國(guó)巴黎—里昂高鐵沿線(xiàn)大都市帶即為此種類(lèi)型?；旌闲蜑樯鲜鲆惑w型和端點(diǎn)型的復(fù)合。高鐵走廊端點(diǎn)大都市區(qū)間社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集，但同時(shí)存在由端點(diǎn)核心城市與鄰近設(shè)站城市所界定的功能區(qū)，如圖7（C）所示。3結(jié)論與討論大都市帶是城市體系空間演變的高級(jí)階段，而交通走廊則是其形成和發(fā)展的必要條件，高鐵為大都市帶的空間發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)。高鐵影響下可達(dá)性變化及其引起的“時(shí)空收縮”產(chǎn)生減少交通成本、改善區(qū)位條件、降低空間交易成本等積極影響，并帶來(lái)一系列的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，包括生產(chǎn)要素的加速流動(dòng)、產(chǎn)業(yè)分工與專(zhuān)業(yè)化、市場(chǎng)區(qū)域擴(kuò)大等；進(jìn)而基于聚集與擴(kuò)散機(jī)制，推動(dòng)區(qū)域城市體系空間發(fā)展與空間結(jié)構(gòu)重構(gòu)。但受區(qū)域和城市特性、高鐵自身因素等影響，高鐵對(duì)大都市帶的作用還表現(xiàn)出差異性。高鐵走廊沿線(xiàn)大都市帶內(nèi)的都市區(qū)之間、城市之間的相互作用各不相同，并表現(xiàn)為不同的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。

【注釋】①數(shù)據(jù)來(lái)源：UIC，HighSpeedLinesintheWorld，2012.URL：http：///spip.php?article573。以下法國(guó)、德國(guó)高鐵建設(shè)數(shù)據(jù)也來(lái)源于此資料。②數(shù)據(jù)來(lái)源：CentralJapanRailwayCompany.CENTRALJAPANRAILWAYCOMPANY-DATABOOK2011[R].2011.【參考文獻(xiàn)】[1]HallP，BanisterD.TheSecondRailwayAge[J].BuiltEnvironment，1994，3/4（19）：157-162.[2]HallP.LookingBackward，LookingForward：TheCityRegionoftheMid-21stCentury[J].RegionalStudies，2009，43（6）：803-817.[3]IshiiM.FlexibleSystemDevelopmentStrategiesfortheChuoShinkansenMaglevProject：DealingWithUncertainDemandandR&DOutcomes[D].MassachusettsInstituteofTechnologyEngineeringSystemsDivision。2007：33-35.[4]ChenCL，HallP.TheImpactsofHigh-speedTrainsonBritishEconomicGeography：astudyoftheUK'SInterCity125/225anditsEffects[J].JournalofTransportGeography，2011，19（4）：689-704.[5]RothDL.TheTGVSystem：ATechnical，Commercial，F(xiàn)inancialandSocio-economicRenaissanceoftheRailMode[D].UniversityofthePennsylvania，1990：50-56.[6]BanisterD，BerechmanY.TransportInvestmentandthePromotionofEconomicGrowth[J].JournalofTransportGeography，2001，9（3）：209-218.[7]WolfframM.PlanningtheIntegrationoftheHigh-speedTrain-ADiscourseAnalyticalStudyinFourEuropeanRegions[D].Universit?tStuttgartSt?dte.2003：50-52.[8]AlbalateD，BelG.High-SpeedRail：LessonsforPolicyMakersfromExperiencesAbroad[J].PublicAdministrationReview，2012：336-349.[9]Blum，U.，K.E.Haynes，C.Karlsson.TheRegionalandUrbanEffectsofHigh-speedTrains[J].TheAnnalsofRegionalScience，1997.31（1）：1-20.高斯噪聲源電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：為了實(shí)現(xiàn)占用資源少、精度高的高斯噪聲源電路，設(shè)計(jì)了一種新的高斯噪聲產(chǎn)生方案，該方案在FPGA上通過(guò)線(xiàn)性反饋移位寄存器產(chǎn)生高速均勻分布偽隨機(jī)數(shù)，接著利用均勻分布與高斯分布之間的映射關(guān)系生成高斯噪聲，并創(chuàng)新地采用非均勻劃分的折線(xiàn)逼近映射曲線(xiàn)，同時(shí)設(shè)計(jì)尋址電路，從而減少噪聲源占用的資源，改善噪聲精度。在XILINXVirtex5XC5VLX50T上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該方案僅使用了2%的可配置SLICE和1塊片上BRAM，實(shí)現(xiàn)了±4σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差）的高斯噪聲源。時(shí)序分析表明其最高頻率可達(dá)131MHZ。關(guān)鍵詞：高斯噪聲源電路；查表法；非均勻劃分；尋址電路

DesignandImplementofGaussNoiseSourceCircuitAbstract:InordertoachieveaGaussnoisesourcecircuitwithlowresourceoccupationandhighprecision,anewmethodisproposedinthispaper.Themethodgeneratehighspeeduniformlydistributedpseudo-randomnumberbylinearfeedbackshiftregisteronFPGA,GaussnoiseisgeneratedaccordingtothemappingrelationshipbetweenuniformdistributionandGaussiandistributionthen.Nonuniformpartitionlinesareusedtoapproximatethemappingcurveandthecorrespondingaddressingcircuitisdesignedwhichreducetheoccupiedresourcesandimproveprecisionofnoise.TheimplementeddesignonaXILINXVirtex5XC5VLX50Tutilizesonly2%configurableSLICEand1on-chipBRAMtogenerateGaussiansampleswithinupto±4σ,whereσisthestandarddeviation.Timinganalysisshowsthatthefrequencyofthecircuitcanbeupto131MHZ.Keywords:Gaussiannoisesourcecircuit;look-uptablemethod;nonuniformpartition;addressingcircuit

在硬件實(shí)現(xiàn)的跟蹤系統(tǒng)中，經(jīng)常需要高斯噪聲信號(hào)源來(lái)提供噪聲。傳統(tǒng)的高斯噪聲大多在基于DSP的軟件系統(tǒng)上生成，其產(chǎn)生速度比硬件系統(tǒng)工作頻率要慢很多，且不利于SOC（systemonchip）的集成。通常，在這樣的系統(tǒng)里有大量的運(yùn)算與邏輯操作（例如，硬件粒子濾波系統(tǒng)），高斯源作為噪聲模塊只是很小的一個(gè)功能塊，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減少噪聲源占用的資源，以便將有限的FPGA的資源盡量留給其它計(jì)算模塊[1]。然而，噪聲的精度卻對(duì)最終的跟蹤結(jié)果精度有著直接影響，因此要想獲得高精度的跟蹤結(jié)果必須改善噪聲的精度。為了獲得占用資源少、精度高的高斯噪聲源電路，設(shè)計(jì)了本文的高斯噪聲產(chǎn)生方案。該方案由VerilogHDL編程，可移植性強(qiáng)，可作為功能模塊移植到其它系統(tǒng)中產(chǎn)生高斯噪聲。1.方案選擇為了獲得高斯噪聲，通常采用數(shù)字合成方法[2]，首先產(chǎn)生均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)噪聲，然后通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換方法獲得高斯白噪聲。均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生已經(jīng)有較長(zhǎng)的研究歷史，主要的方法有：線(xiàn)性同余法、m序列產(chǎn)生法、logist方程法、進(jìn)位加方法[3]。FPGA具有并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，可以勝任基本邏輯、簡(jiǎn)單加減法、大小比較、多路選擇和時(shí)序邏輯等操作。通常FPGA采用查找表實(shí)現(xiàn)組合邏輯運(yùn)算，當(dāng)組合邏輯過(guò)于復(fù)雜時(shí)，往往需要使用多級(jí)查找表來(lái)完成運(yùn)算，大大降低速度，如乘除法[4]。因此用FPGA實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，算法應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，并盡量不要使用乘除法?？紤]到以上因素，本設(shè)計(jì)采用m序列產(chǎn)生法，該算法具有簡(jiǎn)單、產(chǎn)生速度快、可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且得到的偽隨機(jī)序列周期較長(zhǎng)。將均勻分布的隨機(jī)序列轉(zhuǎn)化為高斯分布的隨機(jī)序列的方法主要有函數(shù)變換法、中心極限法、查找表法三種[5]。前兩種方法都使用到了復(fù)雜的運(yùn)算，在FPGA上實(shí)現(xiàn)時(shí)需要占用較多的邏輯資源。查找表法通過(guò)圖[1]所示的均勻噪聲和高斯噪聲之間的映射關(guān)系建立查找表，通過(guò)查表方法得到對(duì)應(yīng)高斯噪聲。若對(duì)每個(gè)均勻輸入都建立查找關(guān)系，則對(duì)于n位的均勻噪聲輸入需要建立2n大小的查找表，查找表大小隨著輸入位數(shù)增加成指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)為了增加精度而提高n時(shí)，查找表大小迅速增長(zhǎng)到不能接受。文獻(xiàn)[2]利用折線(xiàn)來(lái)逼近映射曲線(xiàn)，查找表里存儲(chǔ)折線(xiàn)的偏移和斜率，從而減少查找表的大小。觀察圖1我們發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)在高斯噪聲絕對(duì)值小的地方斜率小，在絕對(duì)值大的地方斜率大。如果采用均勻量化的方法，則在高斯噪聲絕對(duì)值越大的地方精度越差。要想得到更高精度，就要增加均勻量化級(jí)數(shù)，增大查找表[6]。本文引入非均勻劃分的思想，在斜率較小的地方，用較少的折線(xiàn)逼近映射曲線(xiàn)，在斜率大的地方，用更多的折線(xiàn)逼近映射曲線(xiàn)，這樣可以在不增加查找表大小的情況下改善精度。本文的安排如下：在第二節(jié)中給出了均勻偽隨機(jī)數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。第三節(jié)我們?cè)敿?xì)描述了本文的非均勻劃分的方法和尋址方式。在最后一節(jié)，我們給出設(shè)計(jì)結(jié)果和結(jié)論。圖（1）（0，1）均勻分布與（0，1）高斯分布的映射關(guān)系Fig.1Mappingrelationshipbetween(0,1)uniformdistributionand(0,1)Gaussiandistribution2.均勻分布偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生m序列是最長(zhǎng)線(xiàn)性反饋移位寄存器的簡(jiǎn)稱(chēng)[7]，它是由帶線(xiàn)性反饋的移位寄存器（LinearFeedbackShiftRegister,LFSR）產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的序列。m序列的每個(gè)狀態(tài)可以看成對(duì)應(yīng)一個(gè)隨機(jī)噪聲，當(dāng)m序列使用n級(jí)寄存器時(shí)，對(duì)應(yīng)的均勻噪聲的重復(fù)周期最大為2n-1。為了生成m序列，需要選擇合適的反饋節(jié)點(diǎn)使得輸出序列最長(zhǎng)。反饋節(jié)點(diǎn)的選擇決定了輸出序列的周期。例如：對(duì)于一個(gè)3位寬的LFSR，如果選擇節(jié)點(diǎn)[1，2]，輸出將在兩個(gè)值間循環(huán)。相比，如果選擇節(jié)點(diǎn)[0，2]，輸出值的周期可以達(dá)到23-1個(gè)。表一給出了不同位寬時(shí)的LFSR達(dá)到最大周期時(shí)節(jié)點(diǎn)的選擇。表1最長(zhǎng)周期的LFSR的節(jié)點(diǎn)選擇Table.1TapsformaximallengthLFSRs位寬周期長(zhǎng)度節(jié)點(diǎn)選擇82551，2，3，716655351，2，4，1524167772150，2，3，233242949672951，5，6，31對(duì)于采用異或門(mén)作為反饋的LFSR，當(dāng)進(jìn)入所有位狀態(tài)為邏輯0時(shí)，輸出將阻滯在全0狀態(tài)。為了避免在電路進(jìn)入這種全0狀態(tài)，我們對(duì)常規(guī)的LFSR電路稍微做了一點(diǎn)改進(jìn)，使得當(dāng)電路進(jìn)入全0時(shí)，將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到合法狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。圖（2）以n等于8為例給出了本人LFSR的電路。圖（2）8位的LFSR實(shí)現(xiàn)電路Fig.2Implementationcircuitfor8bitsLFSR從m序列的實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)看，相鄰的兩個(gè)輸出值間相關(guān)性很強(qiáng)，這必然影響到均勻噪聲信號(hào)的獨(dú)立性，為了減少這種相關(guān)性，可以采取L個(gè)LFSR并行工作，分別給予每個(gè)LFSR不同的初始種子，再?gòu)腖個(gè)輸出中抽取一個(gè)作為均勻噪聲序列的輸出。參考文獻(xiàn)[5]，我們選擇LFSR的位寬n=32，并行運(yùn)行L=6個(gè)LFSR來(lái)產(chǎn)生均勻分布噪聲序列。3.高斯噪聲產(chǎn)生方法圖（1）的映射關(guān)系可以用函數(shù)表示為QUOTEx=-∞yfzdz=-∞y12π式中x為均勻隨機(jī)變量，y為高斯隨機(jī)變量。隨著高斯噪聲y的絕對(duì)值增大，用來(lái)逼近曲線(xiàn)的直線(xiàn)的斜率也增大，若使用均勻分段的折線(xiàn)來(lái)逼近映射曲線(xiàn)，則高斯噪聲絕對(duì)值越大的地方，用來(lái)逼近映射曲線(xiàn)的斜率越大，由于逼近所帶來(lái)的誤差越大。因此，我們使用非均勻劃分的方法，在高斯噪聲絕對(duì)值小的地方采用更少的直線(xiàn)來(lái)逼近，相反，在高斯噪聲絕對(duì)值大的地方，采用更多的直線(xiàn)來(lái)逼近，這樣在逼近直線(xiàn)總數(shù)不變的情況下，改善噪聲的精度。同時(shí)，均勻噪聲與高斯噪聲之間的映射關(guān)系曲線(xiàn)關(guān)于點(diǎn)（0.5，0）對(duì)稱(chēng)，因此只考慮橫坐標(biāo)位于（0.5，1）的情形，從而節(jié)約一半的存儲(chǔ)空間。對(duì)于橫坐標(biāo)位于（0，0.5）的情況，可以通過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換獲得。我們以8位的輸入為例來(lái)解釋本文的非均勻劃分方法和尋址方式。首先，我們選擇1-2-n（1<=n<=8）作為邊界點(diǎn)來(lái)劃分曲線(xiàn)，總共劃分為7段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)空間，如圖（3）。圖（3）映射曲線(xiàn)非均勻分區(qū)示意圖Fig.3Diagramofnonuniformpartitiontomappingcurve為了對(duì)這七段空間進(jìn)行尋址，我們?cè)O(shè)計(jì)圖（4）的尋址電路，該尋址電路具有收縮的特性[8]，隨著地址增長(zhǎng)，兩個(gè)相鄰地址對(duì)應(yīng)的輸入x間的距離越來(lái)越小。當(dāng)x7=1時(shí)，對(duì)應(yīng)x坐標(biāo)大于0.5，尋址電路中間部分可以視為通路，電路直接尋址取得直線(xiàn)斜率和偏移后通過(guò)計(jì)算模塊獲得高斯噪聲輸出。當(dāng)x7=0時(shí)，通過(guò)多路選擇器對(duì)尋址做相應(yīng)變換，同時(shí)x7作為控制信號(hào)，控制計(jì)算模塊結(jié)果取反。圖（4）尋址電路Fig.4Addressingcircuit4.仿真結(jié)果本文采用XILINX公司的Virtex5系列的XC5VLX50T芯片上實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要占用了2%的可配置的SLICE和一塊片上BRAM，實(shí)現(xiàn)了±4σ的高斯噪聲源，將5000點(diǎn)的輸出結(jié)果導(dǎo)入到matlab里并繪制直方圖，得到圖（5）：圖（5）輸出噪聲序列直方圖Fig.5Histogramoftheoutputnoisesequence由圖可以看出，生成的噪聲序列密度函數(shù)基本符合高斯分布，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5.結(jié)束語(yǔ)高斯源噪聲作為最常用的噪聲源之一，經(jīng)常被應(yīng)用于各種需要加噪處理的系統(tǒng)和算法。相對(duì)于傳統(tǒng)的高斯噪聲源來(lái)說(shuō)，基于FPGA的非均勻折線(xiàn)逼近的高斯噪聲源具有高速、占用資源少、精度高、可移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。容易作為IP核，移植到高速的數(shù)字系統(tǒng)中。

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