鐵路綜合客流與列流管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

汪健雄， 賈新茹， 王煒煒， 張軍鋒

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路綜合客流與列流管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

汪健雄， 賈新茹， 王煒煒， 張軍鋒

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

本文介紹了鐵路綜合客流與列流管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和主要功能，基于區(qū)段密度和區(qū)段客座率理論的算法準(zhǔn)確高效是該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新，同時在系統(tǒng)實現(xiàn)策略上采用了基于DevExpress組件的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和輕量級桌面GIS技術(shù)，達(dá)到了數(shù)據(jù)可視化效果與程序交互性的良好平衡，符合客運(yùn)業(yè)務(wù)人員的使用習(xí)慣和分析思路。

客流與列流管理；區(qū)段密度；區(qū)段客座率；客運(yùn)營銷輔助決策；GIS；數(shù)據(jù)可視化

中國鐵路總公司自客票系統(tǒng)實施以來，積累了大量寶貴的旅客列車運(yùn)營數(shù)據(jù)，為鐵路客運(yùn)營銷輔助決策工作奠定了基礎(chǔ)。長期以來，系統(tǒng)基于Sybase數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)以及Cognos業(yè)務(wù)智能技術(shù)，為鐵路總公司和各鐵路局提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，從運(yùn)能、運(yùn)量和收入各個層面分析、評價客運(yùn)組織情況，預(yù)測客流趨勢并指導(dǎo)今后的發(fā)展，近年來逐步改變了鐵路各級決策者的決策方式，客運(yùn)業(yè)務(wù)的核心競爭能力不斷提高[1]。但是由于技術(shù)手段的時效性和分析工具的專業(yè)性，使得系統(tǒng)出現(xiàn)了查詢效率降低、數(shù)據(jù)指標(biāo)過于龐雜具體、報表操作模式過于單一等缺陷，使得鐵路總公司業(yè)務(wù)決策者不能迅速獲得對全路客運(yùn)主要指標(biāo)尤其是路網(wǎng)客流與列流的整體信息。如何以可視化的方式協(xié)助鐵路總公司決策者快速掌握運(yùn)營信息和決策依據(jù)成為了急需解決的重要課題。鐵路總公司于2011年開始了新一代客票系統(tǒng)的研究工作，其中客運(yùn)營銷輔助決策系統(tǒng)作為其中一個子系統(tǒng)為本研究提供了重要平臺，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，項目組開發(fā)了綜合客流與列流管理系統(tǒng)。

1 綜合客流與列流管理系統(tǒng)構(gòu)架

綜合客流與列流管理系統(tǒng)是通過GIS系統(tǒng)，構(gòu)造路網(wǎng)圖顯示線路，區(qū)段和車站，采用圖形化操作方式查詢并顯示指定區(qū)間和指定時段的客流和列流狀況。是鐵路總公司客運(yùn)營銷輔助決策系統(tǒng)中從宏觀到微觀的分析工具。體現(xiàn)了“點(diǎn)-線-面”聯(lián)動的多視角的分析模式。

綜合客流與列流管理系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)整合層和表示層構(gòu)成。數(shù)據(jù)源層包括從中國鐵路總公司客運(yùn)營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫中提取的客運(yùn)營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及由路網(wǎng)實測地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)整合層，依據(jù)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)視圖，在ETL服務(wù)器上部署了一系列ETL程序，將數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)抽取成系統(tǒng)可用的視圖，加速數(shù)據(jù)計算和展現(xiàn)的效率。使用ArcGIS組件的ArcMap工具，依據(jù)路網(wǎng)實測GIS數(shù)據(jù)繪制抽象化的全路客運(yùn)區(qū)段GIS示意數(shù)據(jù)，包括區(qū)段、車站圖層。其中將ETL的客流與列流分析視圖的區(qū)段字典數(shù)據(jù)與ArcMap的全路客運(yùn)區(qū)段GIS示意數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，以供表示層進(jìn)行編程使用。

圖1 綜合客流與列流管理系統(tǒng)構(gòu)架

在表示層的設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)用戶對象為鐵路總公司客運(yùn)管理人員，數(shù)量不多且用戶對界面操作的交互性要求較高，系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，開發(fā)平臺為微軟Visiual C#2012、DevXpress2010可視化分析套件以及Esri的Arcgis 組件包。其中Arcgis Engine組件可在客戶端實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)與C#工具的輕量級整合，并解析GIS全路客運(yùn)區(qū)段GIS示意數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染。

該系統(tǒng)可將應(yīng)用程序部署在多個客戶機(jī)上，通過客票網(wǎng)與數(shù)據(jù)倉庫相連。GIS地圖展現(xiàn)和數(shù)據(jù)可視化分析界面全部在客戶端展現(xiàn)，充分利用客戶端計算資源，減少網(wǎng)絡(luò)通信流量，以獲得較為節(jié)約的通信開銷和豐富的客戶端界面。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 路網(wǎng)區(qū)段劃分與關(guān)鍵指標(biāo)計算模型

綜合客流與列流管理系統(tǒng)的主要計算指標(biāo)包括區(qū)段密度、區(qū)段客座率指標(biāo)，前者用于表達(dá)區(qū)段客流的繁忙程度，后者用于表達(dá)區(qū)段內(nèi)列車運(yùn)能的綜合利用情況。

2.1.1 路網(wǎng)區(qū)段劃分

截止2014年1季度，我國鐵路運(yùn)營里程已經(jīng)突破100 000 km，全路辦理客運(yùn)業(yè)務(wù)的車站達(dá)到4 000多個。由于傳統(tǒng)的區(qū)段劃分受線路建設(shè)的影響，存在著非一次建成導(dǎo)致區(qū)段割裂，局部運(yùn)行線路及車站與客運(yùn)經(jīng)由與車站信息不對稱等復(fù)雜情況。為研究各線路的客流密度以及能力安排合理程度，輔助旅客列車開行方案的設(shè)計，必須對現(xiàn)有的路網(wǎng)進(jìn)行客運(yùn)區(qū)段劃分以適應(yīng)分析的需要。由于此前并無可用的區(qū)段字典，因此系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了全路客運(yùn)區(qū)段定義字典，并按客運(yùn)業(yè)務(wù)規(guī)則對線路的區(qū)段端點(diǎn)站、區(qū)段經(jīng)由定期進(jìn)行維護(hù)。部分路網(wǎng)區(qū)段定義如表1所示。

表1 路網(wǎng)區(qū)段定義

2.1.2 鐵路旅客運(yùn)輸密度計算模型

鐵路旅客運(yùn)輸密度（客流密度）是在一定時期內(nèi)，某條線路（區(qū)段）或某鐵路運(yùn)輸企業(yè)、全國路網(wǎng)平均每公里營業(yè)線上所承載的旅客周轉(zhuǎn)量。該指標(biāo)主要用于考核線路的客運(yùn)利用程度和運(yùn)輸生產(chǎn)的強(qiáng)度，反映客運(yùn)運(yùn)能與運(yùn)量之間的適應(yīng)程度，可作為線路維修、既有線路改造、新線建設(shè)、運(yùn)輸設(shè)備利用和運(yùn)輸組織工作的重要依據(jù)[2]。

如圖2所示，假設(shè)從區(qū)段站A到區(qū)段站B組成路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)區(qū)段的第k個子區(qū)間，子區(qū)間的客流密度由上車旅客、下車旅客和通過旅客組成，根據(jù)初始計算得到的OD客流矩陣，對第k個子區(qū)間的客流密度τk(A, B)進(jìn)行計算[3]：

段站A、下車站含區(qū)段站B的旅客人數(shù)；

圖2 鐵路旅客運(yùn)輸密度計算模型

計算該區(qū)段的密度，必須得到區(qū)段上所有列車的經(jīng)由，計算出列車的行經(jīng)區(qū)段以及列車行經(jīng)此區(qū)段時的起始里程和終止里程，根據(jù)列車的區(qū)段里程信息從全路收集的旅客人數(shù)中提取其相應(yīng)的區(qū)段密度。

2.1.3 區(qū)段客座率計算模型

旅客列車客座利用率（簡稱客座率）是反映旅客列車運(yùn)能利用情況的科學(xué)指標(biāo)，體現(xiàn)了列車定員在不虛糜的情況下所產(chǎn)生的有效運(yùn)送位移量，傳統(tǒng)的計算列車全程客座率的公式為：

列車全程客座率=旅客周轉(zhuǎn)量/定員周轉(zhuǎn)量

其中，旅客周轉(zhuǎn)量=∑(旅客運(yùn)送量×旅客運(yùn)送里程)；定員周轉(zhuǎn)量=∑(列車定員數(shù)量×列車全程運(yùn)營里程)。

對于區(qū)段而言，其客座率實際為：列車經(jīng)過該區(qū)段時對于區(qū)段所產(chǎn)生的局部客座率的分量。因此計算區(qū)段客座率的關(guān)鍵在于分析區(qū)段客流的特征。參考區(qū)段密度的計算方式，也應(yīng)該根據(jù)發(fā)、到站與區(qū)段端點(diǎn)站之間的關(guān)系來計算運(yùn)送周轉(zhuǎn)量，而根據(jù)列車在區(qū)段上運(yùn)行的里程來計算定員周轉(zhuǎn)量。其中對于“接入”型旅客起始計算里程是該區(qū)段的起始站而不是實際的上車站；“發(fā)出”型旅客截止里程計算為區(qū)段終止站而非實際下車站；“通過”型旅客里程為本區(qū)段里程。因此，可得到區(qū)段客座率的計算公式：

區(qū)段客座率=區(qū)段旅客周轉(zhuǎn)量/區(qū)段定員周轉(zhuǎn)量

其中，區(qū)段旅客周轉(zhuǎn)量=∑(旅客運(yùn)送量×旅客在本區(qū)段的運(yùn)送里程)；定員周轉(zhuǎn)量=∑(列車定員數(shù)量×列車在本區(qū)段的運(yùn)營里程)。

與計算區(qū)段密度類似，計算該區(qū)段的客座率首先必須得到區(qū)段上所有列車的經(jīng)由，計算出列車的行經(jīng)區(qū)段以及列車行經(jīng)此區(qū)段時的起始里程和終止里程，根據(jù)售票記錄中的旅客人數(shù)和在區(qū)段上的運(yùn)送里程得到相應(yīng)的區(qū)段密度。該指標(biāo)可以在計算區(qū)段密度的同時一并得到。如表2所示，使用上述計算模型可得到某日隴海線上各區(qū)段密度及客座率。

表2 隴海線區(qū)段密度及客座率

2.2 基于DevExpress組件的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)項作為圖形元素表示，大量的數(shù)據(jù)集可構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時將數(shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。

數(shù)據(jù)可視化借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。為了有效地傳達(dá)思想概念，需要同步考慮美學(xué)形式與功能需求，直觀地傳達(dá)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵特征。在各種可視化工具當(dāng)中，既需要全面展現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并易于用戶操作，同時也能夠兼容圖表的可視化特性，系統(tǒng)的用戶界面主要基于DevExpress中的可視化組件來構(gòu)建。

DevExpress是一個.NET平臺的用戶界面組件套裝，其中包含Grid、Chart、Reporting、Tree-Grid等多個功能子控件，同時套包內(nèi)包含Winfrom、WPF、Sliverlight、.net 版本和.NET Application Framework 開發(fā)框架，尤其適用于Winfrom應(yīng)用程序開發(fā)。采用DevExpress能夠在較短的時間內(nèi)構(gòu)建較為專業(yè)化的軟件界面，縮短團(tuán)隊在構(gòu)建UI方面的時間，可以把大部分的精力放在軟件核心的業(yè)務(wù)邏輯上。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格、圖表主要是基于DevExpress控件的Winform組件實現(xiàn)的。

2.3 輕量級桌面GIS技術(shù)

GIS可視化技術(shù)是目前信息領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一項技術(shù)，以地理信息科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息傳輸學(xué)與地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并通過計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、多媒體技術(shù)動態(tài)、直觀、形象地表現(xiàn)、解釋、傳輸?shù)乩砜臻g信息并揭示其規(guī)律[4]。

ArcGIS為用戶提供一個可伸縮、全面的GIS平臺。ArcObjects包含大量的可編程組件，從細(xì)粒度的對象（例如單個的幾何對象）到粗粒度的對象（例如與現(xiàn)有ArcMap文檔交互的地圖對象）涉及面極廣，這些對象為開發(fā)者集成了全面的GIS功能。每一個使用ArcObjects建成的ArcGIS產(chǎn)品都為開發(fā)者提供了一個應(yīng)用開發(fā)的容器，包括桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGIS Engine）以及服務(wù)端GIS（ArcGIS Server）。

鐵路總公司客運(yùn)營銷輔助人員關(guān)注的焦點(diǎn)在于系統(tǒng)的交互性和實時性，并不關(guān)注車站站位、線路實際坐標(biāo)的精確性，而是經(jīng)過理想化分布的示意地圖，尤其是在處理相鄰的兩條區(qū)段時，需要對區(qū)段站位進(jìn)行特殊處理以示區(qū)別，因此真實的GIS地圖反而不能得到很好的展示效果，因此利用ArcGIS Desktop工具根據(jù)站位、區(qū)段的大致位置，以全路區(qū)段劃分字典為數(shù)據(jù)依據(jù)，繪制了理想化分布的示意地圖，僅保留了用戶所關(guān)心的車站、區(qū)段等圖層，對于用戶不關(guān)心的圖層直接舍去，結(jié)合為定制開發(fā)GIS應(yīng)用的嵌入式開發(fā)組件ArcGIS Engine開發(fā)輕量級的桌面GIS應(yīng)用。將數(shù)據(jù)庫中路網(wǎng)區(qū)段劃分的定義數(shù)據(jù)域GIS圖層數(shù)據(jù)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，在客戶端繪制路網(wǎng)區(qū)段主界面并利用圖層的渲染實現(xiàn)預(yù)警功能。

3 系統(tǒng)功能

綜合客流與列流管理系統(tǒng)以地圖為基本界面，鼠標(biāo)滑動線路區(qū)段時可呈現(xiàn)區(qū)段屬性信息，包括：列車運(yùn)行速度等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電化區(qū)段、線路等級，牽引定數(shù)等信息。系統(tǒng)提供區(qū)段客座率分析、區(qū)段列車開行對數(shù)、區(qū)段密度分析等功能，并以報表和圖形等形式為客運(yùn)營銷決策者提供多種分析工具。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對旅客列車列流和客流情況進(jìn)行宏觀表達(dá)，并按照自定義的閾值進(jìn)行預(yù)警，主要功能如下。

3.1 區(qū)段客流分析與預(yù)警

3.1.1 區(qū)段線路選擇

對于全路路網(wǎng)的數(shù)百個區(qū)段，需要準(zhǔn)確的選取指定區(qū)段。系統(tǒng)提供了路網(wǎng)圖縮放、點(diǎn)選功能，在多個區(qū)段距離較近的情況下，可根據(jù)選取區(qū)域推算出多個可能的備選區(qū)段讓用戶選擇。同時還提供區(qū)段名稱模糊查找、檢索功能，可使用戶盡快定位到需要考察的目標(biāo)區(qū)段。

3.1.2 區(qū)段分析

（1）區(qū)段客座率分析。考察選中的區(qū)段上所有列車產(chǎn)生的客座率指標(biāo)，同時還可顯示各次列車通過該區(qū)段時對總客座率的貢獻(xiàn)程度。在展示列車區(qū)段客座率的同時，將區(qū)段的整條線路的每個區(qū)段的上下車客流情況、客座率以堆積圖的情況展示出來，可用于客座率在不同區(qū)段上的對比，反映區(qū)段客流的繁忙程度。

（2）區(qū)段列車開行對數(shù)。計算選中的區(qū)段上所有列車的對數(shù)，反映該區(qū)段上始發(fā)、通過、終到的上下行列車的運(yùn)送人數(shù)。此功能反映區(qū)段上列車的開行對數(shù)、線路能力。

（3）區(qū)段密度。計算選中的區(qū)段上的區(qū)段密度，區(qū)段密度由區(qū)段通過人數(shù)、接入人數(shù)、發(fā)出人數(shù)、上下人數(shù)4種客流組成，除反映不同區(qū)段上客流的需求程度之外，還可以觀測出區(qū)段客流的特征和組成成分。

3.1.3 區(qū)段預(yù)警

利用區(qū)段密度和區(qū)段客座率指標(biāo)，結(jié)合用戶自定義閥值的功能，如果區(qū)段指標(biāo)落在報警區(qū)間，則系統(tǒng)在地圖上直接用顏色表示出區(qū)段密度高、低或者區(qū)段客座率高、低，直觀反映線路能力與需求的匹配程度，提示輔助客運(yùn)決策人員進(jìn)行能力調(diào)配。

3.2 客運(yùn)通道客流分析

（1）目前系統(tǒng)可提供出發(fā)區(qū)域、到達(dá)區(qū)域組成的客運(yùn)通道上的開行列車數(shù)量查詢以及客流查詢，并以箭頭標(biāo)繪圖的形式展現(xiàn)客流方向。可使用顏色深淺標(biāo)識客流大小。（2）根據(jù)歷史售票記錄，生成OD客流矩形表。可設(shè)定并生成獨(dú)立站間，組合站間，鐵路局，地區(qū)間、全國重點(diǎn)站間的OD表生成。（3）查詢的時段或特定時期（如春運(yùn)、小長假、十一黃金周），生成全路重點(diǎn)地區(qū)間的客流量矩形表，以及OD客流量增長與能力增長情況對比顯示。

3.3 輔助功能

（1）在顯示列車對數(shù)、區(qū)段密度以及客座率的界面上，可以進(jìn)行深度鉆取，查看列車密度表等運(yùn)營圖表，幫助客運(yùn)決策者提供精細(xì)化決策。（2）根據(jù)鐵路總公司營銷管理的區(qū)段劃分要求，維護(hù)區(qū)段劃分信息。（3）可將區(qū)段客流密度、對數(shù)表、客座率分析等圖表導(dǎo)出生成Excel文件。

4 結(jié)束語

鐵路總公司客運(yùn)營銷輔助決策系統(tǒng)自2012年初在中國鐵路總公司試運(yùn)行，在各種節(jié)假日期間發(fā)揮了重要作用。尤其是綜合客流與列流管理系統(tǒng)，利用GIS的直觀展示技術(shù)使運(yùn)輸局領(lǐng)導(dǎo)一目了然的掌握每天的客流密度和區(qū)段客座率情況，對全路運(yùn)輸能力的調(diào)配和旅客列車臨客開行方案的啟動和截止起到了重要作用。系統(tǒng)中設(shè)計和實現(xiàn)的客流密度和區(qū)段客座率的算法準(zhǔn)確高效，是系統(tǒng)的一項重要創(chuàng)新，對于客運(yùn)營銷和運(yùn)輸組織意義重大，同時采用了基于DevExpress組件的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和輕量級桌面GIS技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化效果與程序交互性的良好平衡，符合客運(yùn)業(yè)務(wù)人員的使用習(xí)慣和分析思路。

[1]汪健雄，劉春煌，單杏花，張軍鋒. 業(yè)務(wù)智能技術(shù)在鐵路客運(yùn)營銷輔助決策系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 鐵路計算機(jī)應(yīng)用，2009，18（12）：23-27.

[2]單杏花，賈新茹.鐵路旅客運(yùn)輸密度的算法研究及應(yīng)用實現(xiàn)[J].鐵路計算機(jī)應(yīng)用，2003，12（6）.

[3]汪健雄.改進(jìn)的多目標(biāo)量子遺傳算法及其在旅客列車開行方案中的應(yīng)用[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

[4]汪健雄，李 琪，王 芳，江 琳.基于WebGIS的鐵路客運(yùn)營銷數(shù)據(jù)可視化[C].北京：第6屆中國智能交通年會優(yōu)秀論文集（上），2011.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Railway Integrated Passenger and Train Flow Management System

WANG Jianxiong, JIA Xinru, WANG Weiwei, ZHANG Junfeng
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China )

Key technologies and main functions of Railway Integrated Passenger and Train Flow Management System were introduced in this paper. One of the main innovation of the System was that the algorithm based on section density and section passenger utilization rate theory was accurate and eff i cient. The other innovation was using data visualization and lightweight desktop GIS technology based on DevExpress components to implement a good balance of data visualization and interactive program, which conformed to the personnel’s habits and analysis of ideas.

Passenger and Train Flow Management System; section density; section passenger utilization rate;passenger transport marketing aided decision making; GIS; data visualization

U293∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0023-05

2014-06-30

汪健雄，副研究員；賈新茹，副研究員。