實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)相結(jié)合的高鐵客流數(shù)據(jù)獲取方法研究

□ 呂 葉

一、引言

目前，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程占世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的60%以上，這表明我國(guó)已真正進(jìn)入了高鐵時(shí)代。高速鐵路旅客列車開行方案的設(shè)計(jì)，是高速鐵路旅客運(yùn)輸組織工作的核心，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)于提升鐵路社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益具有決定性作用，關(guān)系到高速鐵路運(yùn)營(yíng)管理工作的成敗。而客流，作為制定開行方案的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其合理有效的獲取方法，是制定高速鐵路列車開行方案，指導(dǎo)高鐵列車運(yùn)輸組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

二、高速鐵路客流數(shù)據(jù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)

隨著我國(guó)客票發(fā)售系統(tǒng)的不斷升級(jí)和更新，鐵路系統(tǒng)徹底告別了以往的硬板票時(shí)代，不但使得客票的發(fā)售更加方便快捷，并且使客票數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)在技術(shù)上完全突破了壁壘。

旅客購(gòu)買車票后，以下關(guān)鍵信息會(huì)記錄于鐵路客票發(fā)售系統(tǒng)當(dāng)中。系統(tǒng)中所記錄的下列關(guān)鍵信息便可以全面而準(zhǔn)確地描述制定和調(diào)整列車開行方案所需要的客流數(shù)據(jù):購(gòu)票人姓名及身份證號(hào)碼可以識(shí)別不同的旅客;購(gòu)票人所選乘列車車次即可識(shí)別出選乘相關(guān)高速鐵路列車的旅客;購(gòu)票人的出發(fā)站和到達(dá)站便可以反映出旅客的OD(Origin and Destination，即出發(fā)地和目的地)。

根據(jù)以上信息，便可以初步得到所需統(tǒng)計(jì)的高速鐵路系統(tǒng)中的客流數(shù)據(jù):若aij表示該高速鐵路線路中在第i站上車，在第j站下車的旅客數(shù)，則可以利用鐵路客票系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到一個(gè)初步的旅客出行OD。對(duì)于設(shè)有n個(gè)車站的高速鐵路線路而言，該高速鐵路系統(tǒng)內(nèi)的旅客出行OD如表1所示:

表1 旅客出行OD統(tǒng)計(jì)表

三、高速鐵路客流數(shù)據(jù)的修正

上文研究了鐵路客流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法以及旅客出行的初步OD矩陣的獲取方法。有學(xué)者認(rèn)為，通過(guò)鐵路客票數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)不能夠完全準(zhǔn)確地得出旅客的出行OD，而通過(guò)路段流量的反推方法才能更好地獲得旅客出行OD流量［1］。

路段流量是指在相鄰兩個(gè)站點(diǎn)間的路段中沿某一方向輸送的旅客總流量。事實(shí)上，通過(guò)表1便可以求出路段流量。設(shè)ai、bi分別為在鐵路線路的第 i站的上、下客流人數(shù)，vi表示第i個(gè)路段(第i站和第i+1站之間的路段)的客流流量，則根據(jù)表1所示的各數(shù)據(jù)可以得到某一方向的路段流量(流向?yàn)榈?i站到第i+1站)［2］:

根據(jù)上述三式，就可以把鐵路線路的所有路段流量計(jì)算出來(lái)，另一個(gè)方向的路段流量也按照上述方法計(jì)算。

根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣的思路可以概括性地描述為:路段流量實(shí)際上是OD客流在路段上的線性疊加，在某一方向上，一個(gè)路段上的流量，是該方向的所有OD點(diǎn)對(duì)的流量按照該OD點(diǎn)對(duì)流量在該路段上的分配比例分配在該路段上的流量的總和。因此，根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣實(shí)際上是一個(gè)將OD流量分配至各路段的逆過(guò)程，即交通分配的逆過(guò)程。

根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣的方法可以簡(jiǎn)單地概括為:

第1步:構(gòu)造一個(gè)初始的旅客出行OD矩陣描述初始OD流量;

第2步:在初始OD矩陣的基礎(chǔ)上，利用交通分配模型求解初始OD流量分配在各路段上的理論流量vk

a;第3步:計(jì)算理論路段流量vka和實(shí)測(cè)路段流量va的偏差量Dka:

第4步:引入一個(gè)旅客出行OD矩陣的精度要求ε，若所構(gòu)造的旅客出行OD矩陣滿足精度要求，即所有路段理論流量vka的偏離度滿足精度要求，如式(5)所述:

則認(rèn)為所構(gòu)造的初始OD矩陣可以描述實(shí)際的旅客出行的OD矩陣，若不滿足精度要求，則進(jìn)行下一步計(jì)算;

第5步:利用此次計(jì)算所得出的偏差量Dka構(gòu)造初始OD矩陣修正率的計(jì)算公式，利用該修正率修正初始OD矩陣后得到新的OD矩陣;

第6步:在迭代后得到的新OD矩陣的基礎(chǔ)上，按照上述步驟判斷該OD矩陣是否滿足精度要求，如此重復(fù)迭代，直到經(jīng)過(guò)修正后的OD矩陣滿足精度要求為止，此OD矩陣被認(rèn)為是可以描述實(shí)際的旅客出行的OD矩陣。

四、實(shí)際監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)相結(jié)合的高鐵客流數(shù)據(jù)獲取方法

由于鐵路部門獲取客流數(shù)據(jù)和執(zhí)行按照客流數(shù)據(jù)編制的列車開行方案在時(shí)間上不是同步的，因此在制定列車開行方案時(shí)，列車開行方案執(zhí)行當(dāng)日的客流數(shù)據(jù)是不能提前通過(guò)監(jiān)測(cè)獲得的。這就需要對(duì)列車開行方案執(zhí)行當(dāng)日的客流情況進(jìn)行短期客流預(yù)測(cè)。

在高速鐵路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，根據(jù)一般的客流變化規(guī)律可以將客流分為三種情況，即日?？土?、周期性變化的客流以及突發(fā)事件誘發(fā)的客流。因此在進(jìn)行短期客流預(yù)測(cè)時(shí)，需要針對(duì)上述三種客流情況采取不同的方法:

(一)日?？土?。本文將高速鐵路的日?？土鞫x為非節(jié)假日時(shí)期的工作日客流，因?yàn)楦鶕?jù)我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，高速鐵路的周末客流較工作日存在較為明顯的增長(zhǎng)，因此在這里不把周末客流作為日?？土鳌?/p>

在預(yù)測(cè)之前，需要將已經(jīng)獲取的最新近階段的客流數(shù)據(jù)分為等分若干個(gè)時(shí)期。越近的時(shí)期的客流數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的影響越大。基于此，日?？土鞯念A(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)遵循以下公式計(jì)算:

上式中，An+1ij為預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)站點(diǎn)i和j之間的OD流量;Akij為已獲得客流數(shù)據(jù)的時(shí)間段k內(nèi)站點(diǎn)i和j之間的OD流量;xk為已獲得客流數(shù)據(jù)的時(shí)間段k對(duì)預(yù)測(cè)客流數(shù)據(jù)的影響權(quán)重，其中k值越大(距離預(yù)測(cè)時(shí)間段越近)，權(quán)重值越大。根據(jù)上式，即可預(yù)測(cè)出列車開行方法執(zhí)行期間各站點(diǎn)間的旅客出行OD流量，并以此指導(dǎo)列車開行方案的制定與調(diào)整。

(二)周期性變化客流。按照客流周期性的變化規(guī)律，客流會(huì)發(fā)生明顯的波動(dòng)，例如日常運(yùn)營(yíng)時(shí)期發(fā)生在周末的小高峰客流、“十一黃金周”等全國(guó)性節(jié)假日期間的客流還有春運(yùn)、暑運(yùn)期間的客流，這些客流稱為周期性變化客流。

周期性變化客流是基于對(duì)近期日?？土鲾?shù)據(jù)以及歷史時(shí)期客流數(shù)據(jù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行的，有條件細(xì)化到對(duì)鐵路線路統(tǒng)計(jì)范圍的各站點(diǎn)的OD流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此可以提出周期性變化客流的預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算公式:

上式中，A?ij為考慮周期性客流波動(dòng)的站點(diǎn)i和j之間的OD流量預(yù)測(cè)值;Aij為不考慮周期性客流波動(dòng)的站點(diǎn)i和j之間的OD流量預(yù)測(cè)值，S為周期性波動(dòng)指數(shù)。

周期性波動(dòng)指數(shù)，需要通過(guò)從歷史數(shù)據(jù)中比較日?？土鲾?shù)據(jù)和波動(dòng)后的客流數(shù)據(jù)而獲得。通過(guò)觀察每一個(gè)周期的日常客流數(shù)據(jù)和波動(dòng)后的客流數(shù)據(jù)，可以獲得該周期內(nèi)的周期性波動(dòng)指數(shù)，如式(8)所示:

按照上述方法獲取每個(gè)周期的波動(dòng)指數(shù)后，選取所獲取的近期若干個(gè)周期的周期波動(dòng)指數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單移動(dòng)平均法求得所需要的周期性波動(dòng)指數(shù):

上式中，Sn+1為所需預(yù)測(cè)的周期波動(dòng)指數(shù);Sn為通過(guò)歷史數(shù)據(jù)求得的近期各個(gè)周期的周期波動(dòng)指數(shù)。

按照上述方法，可以求得客流發(fā)生周期性變化的時(shí)期各站點(diǎn)間的旅客出行OD流量，并以此指導(dǎo)列車開行方案的制定與調(diào)整。

(三)突發(fā)事件誘發(fā)客流。突發(fā)事件所誘發(fā)的客流變化，主要是指自然災(zāi)害、線路整修、大型經(jīng)貿(mào)或文體活動(dòng)等事件所導(dǎo)致的較大規(guī)模的客流波動(dòng)。這些事件當(dāng)然在大多數(shù)情況下是可以預(yù)知的，這便為其所誘發(fā)的客流波動(dòng)的預(yù)測(cè)提供了可能。針對(duì)突發(fā)事件誘發(fā)客流的客流量預(yù)測(cè)可以按照下述方式進(jìn)行:

1．根據(jù)事件的實(shí)際情況確定大致的客流變化總量。事實(shí)上，針對(duì)自然災(zāi)害、線路整修、大型經(jīng)貿(mào)或文體活動(dòng)等事件，是可以大致預(yù)估出此事件所導(dǎo)致的客流變化量的。

2．確定與事件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的站點(diǎn)OD對(duì)。根據(jù)突發(fā)事件的發(fā)生地點(diǎn)以及影響范圍，結(jié)合預(yù)測(cè)對(duì)象線路的各站點(diǎn)吸收客流的能力，確定事件會(huì)影響到的站點(diǎn)OD對(duì):

設(shè)S是受到事件影響的站點(diǎn)OD對(duì)的集合，引入變量x，有:

3．確定事件誘發(fā)的各關(guān)聯(lián)OD對(duì)上的客流改變量。針對(duì)事件誘發(fā)的客流總量的改變量，根據(jù)事件對(duì)各關(guān)聯(lián)OD站點(diǎn)影響程度的大小，參考站點(diǎn)OD對(duì)原OD量的大小，將其分配至各站點(diǎn)OD對(duì)ΔAij中，使得:

4．預(yù)測(cè)突發(fā)事件誘發(fā)后統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)各站點(diǎn)間的旅客出行OD流量。首先預(yù)測(cè)未發(fā)生突發(fā)事件的情況下各站點(diǎn)間的旅客出行OD量Aij，然后根據(jù)突發(fā)事件作用下各站點(diǎn)OD的改變量ΔAij確定突發(fā)事件誘發(fā)后的各站點(diǎn)間的旅客出行OD流量 A?ij:

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分別對(duì)高鐵客流數(shù)據(jù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)方法、客流數(shù)據(jù)的修正方法以及短期客流預(yù)測(cè)方法進(jìn)行研究，從而提出了實(shí)際監(jiān)測(cè)與客流預(yù)測(cè)相結(jié)合的高速鐵路客流數(shù)據(jù)獲取方法，以期對(duì)高速鐵路列車開行方案的制定提供技術(shù)支持。

［1］王濟(jì)儒，查偉雄，李劍．由車站上下車客流量估計(jì)鐵路OD矩陣［J］．交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2004

［2］楊永凱，宋瑞，李海榮．地鐵客流預(yù)測(cè)模型的分析與研究［A］．中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)．第四屆中國(guó)青年運(yùn)籌與管理學(xué)者大會(huì)論文集［C］．中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)，2001