地鐵路網客流數據特征分析系統設計

蘆 毅，翁勇南，蔡 宇，張 欣

（1.北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心，北京 102208；2.地鐵運營安全保障技術 北京市重點實驗室，北京 102208；3.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

客流分布對于城市軌道交通運營階段的影響作用十分明顯[1]，其分布特征可從時間、地點、車站類型等不同方面進行分析[2]。客流數據是軌道交通規劃設計和運營管理的重要數據基礎[3]，對客流數據的精準分析，是掌握客流分布規律、提高城市軌道交通運營管理能力的重要前提。

目前，對軌道交通運營進行統計分析的客流數據，通常源于自動售檢票(AFC)系統獲得的客票數據[4]。從1998年底開始，AFC系統在我國城市軌道交通系統中投入使用[5]，2008年6月起，北京城市軌道交通啟用新型AFC檢票售票系統[6]，為客流的自動化統計分析提供了基礎。

然而，通過AFC系統匯總的客流數據，從軌道交通指揮中心導出后仍為Excel表格方式[7]。隨著地鐵系統規模以及客流量的日益增大，通過 Excel表格進行數據統計分析越來越難以適應當今地鐵客流數據量巨大的發展趨勢。本文通過分析大量客流數據及現有統計方法，設計了地鐵路網客流數據特征分析系統的總體架構及內部各功能模塊的形式、內容和查詢方法，該系統可以快速準確地統計客流數據信息，已在運營實踐中得到了應用。

1 系統設計

1.1 設計原則

（1）模塊化原則

模塊化是指將系統劃分成相對獨立模塊的過程，可以將復雜問題化簡，節約解決問題的成本[8]，合理劃分功能模塊是本系統研究的重點，決定了系統功能的總體架構。

（2）高內聚低耦合原則

模塊耦合是指兩個模塊間聯系的緊密程度，模塊內聚是指一個模塊內各組成部分聯系的緊密程度[8]，系統的高內聚低耦合是系統設計的重點和難點，直接影響系統各個功能的設計思路。

（3）可擴展性原則

可擴展性為今后系統數據及功能升級擴充的保障，目前，地鐵路網規模逐年增大，一線部門的需求也將不斷更新，系統在軟件設計時必須考慮相應的升級接口和升級空間。

1.2 系統功能設計

系統主要功能包括包括以下6個部分。

（1）全路網查詢：主要是通過對北京市城市軌道交通全路網所有線路斷面客流、斷面滿載率、車站客流的整體顯示，以圖形的方式為管理者總體把握全網運營情況提供直觀的描述。

（2）統計查詢：通過對日期、周期、星期等時間信息，對線路、車站、換乘站、斷面等位置信息，對客運量、換乘量、票卡等類型信息的選擇，以表格的形式展現所需上述客流數據的任意統計結果。

（3）定制查詢：以Excel表格直接輸出，旨在自動生成日常的對日、周、月、季度、年等固定時期需要的特定統計表格，以自動化形式簡化工作內容，提高工作效率，同時規范各分公司的日常工作。

（4）運力運量配比：通過表格配圖形的形式對斷面的運力運量配比情況實現全方位多角度的分析。

（5）同比環比查詢：目的是以表格配圖形的形式對以往的客流信息走勢進行統計分析。

（6）系統管理：為系統管理員專用功能，旨在為系統以后的管理、維護、更新、完善提供保證。

系統的6大功能模塊各有特點。全路網查詢功能側重于對全路網整體客流分布的直觀描述，統計查詢功能側重于任意類型特定的查詢結果，定制查詢功能側重于定期的定制報表輸出，運力運量配比和同比環比功能針對兩類特定方面的實際需求，系統管理功能則是對用戶、時間、地點、數據源等方面的數據維護。

1.3 系統總體設計

系統總體設計以實現現有客流數據的統計查詢、匯總分析、導入導出、管理維護等功能為目的，系統輸出形式以圖形和表格為主。

系統基于Java平臺開發，使用DB2數據管理系統，采用B/S結構，信息的分析處理在服務器端完成。系統總體設計如圖1所示。

2 關鍵技術

本系統中統計查詢和運力運量配比的功能設計相對復雜，在此對其設計分析過程進行詳細闡述。

2.1 統計查詢

如前所述，統計查詢功能旨在實現客流數據在任意時間、任意地點、任意維度的統計結果，其查詢思想也貫穿于地鐵客流數據分析系統其它功能之中。

查詢思想具體而言即通過本系統的開發，最終實現快速及時地統計任意時期(年、月、周、日、工作日、節假日等)、任意時段（24 h、1 h、0.5 h、早高峰、晚高峰等）、任意地點（線路、車站、換乘站、斷面區間等）、任意類型（客運量、換乘量、進出站量、票卡信息、斷面信息、滿載率信息等）、任意統計方式（同比、環比、日報表、周報表、月報表等）的各種客流數據信息，以及其不同表示方法（圖、表等）的統計分析結果。

通過對客流數據源[7]中各種參數的研究發現，其間關系相對比較復雜，交織在一起可以形成諸多不同的需求結果，以下為一些典型的實例：

（1）某段時間某條線路的客運量匯總（按本線、其它線進出劃分），內容包括進線量、換乘量、客運量、路網客運量；

（2）某段時間某條線路的客運量匯總（按付費性質、票種劃分），內容包括進線量、換乘量、客運量；

（3）某段時間某換乘站客運量匯總，內容包括日換乘總量、小時最大換乘量、對應小時段、占全日比例；

（4）某段時間某換乘站按每0.5 h統計的進站量、出站量、換乘量及合計量，換乘量包括上、下行間的交叉換乘量和總換乘量；

（5）某段時間某條線路某車站按每0.5 h統計的進站量、出站量、進出站量及日合計量；

圖1 系統總體設計圖

（6）某段時間某條線路某車站的出站票、車站工作票、單程票、定值紀念票、福利票、一卡通員工卡、一卡通儲值卡等票卡信息；

（7）某段時間某條線路某斷面區間按每0.5 h統計的斷面客流量；

（8）某段時間某條線路某斷面客流量匯總，內容包括小時最大斷面客流量、對應區間段、時間段、滿載率等。

根據對以上諸多不同參數及不同功能的分析，最終確定系統基礎查詢的具體設計方案。即按時間周期到地點再到類型的選擇順序進行查詢，時間周期為最初始、最關鍵也是最基礎的查詢選項類別，其影響后面的地點和類型的結構，也決定了最終查詢結果的表格結構。

圖2所示為統計查詢功能中客運量和換乘量的基礎查詢功能設計圖。圖3所示為統計查詢功能中客運量查詢最終的系統截圖，其基礎查詢過程與設計思路完全一致。

2.2 運力運量配比

通過對斷面客流數據源[7]的深入分析，發現斷面運力運量配比功能的數據結構冗余維度比較多。

2.2.1 維度分析

就單日單線路單行車方向而言，可從以下幾個角度進行分析。

（1）時間維度

以整點0.5 h為坐標劃分，全日24 h可以劃分為48個時間坐標（由于本日結束時刻即為下一日開始時刻，所以不能重合），而可以組合形成的時間段為個，即有276個時間段之多。

圖2 基礎查詢功能設計圖

圖3 客運量基礎查詢功能系統截圖

（2）地點維度

以地鐵線路的車站為坐標點劃分，全線n個車站可以劃分為n個地點坐標，如果以某兩個車站間的區間為一個區間單元，一條線路n個車站可以劃分為個斷面區間，如考慮斷面區間的上下行方向即為個斷面區間（假定線路為非環線線路）。例如某條地鐵線路有車站23座，相鄰斷面區間為22個，可組合形成的斷面區間為253個，考慮上下行情況的話，斷面區間分別為44個和506個。

（3）斷面極值維度

由上所述，斷面客流數據在時間和空間上全面反映了全路網客運流量的整體運行情況，而就某一時間或某一地點維度統計的斷面客流量的極值即最大峰值，其在對應的地點或時間維度又可以形成反映最大斷面流量的客流數據統計。

此極值流量不僅和時間、地點維度密切相關，反映了地鐵運營的潮汐特點，而且即便是同一時間同一斷面在運力和運量上的表現也不盡相同，對其分布規律的研究將為提高地鐵運營管理質量提供非常有益的支持。

（4）運力與運量維度

運力與運量作為兩個不同的維度，實質上是理論與實際在運營組織中的不同表現，即運力是為了滿足運量需要和運營效率最大化而不斷變化的，運力的不斷變化又不斷影響著運量，運力與運量的相互作用又形成了滿載率。由此可見，運力與運量在實際中是運營管理的核心。

圖4為北京地鐵5號線（上行）某工作日全日全斷面客流運量分布圖，其中，x軸為時間維度，y軸為斷面維度，z軸為斷面運量維度。根據運行圖車次時刻表也可得出類似的列車運力分布圖。

圖4 北京地鐵5號線（上行）全日全斷面客流分布圖

2.2.2 統計方式分析

通過以上分析可知，以時間維度和地點維度構成的二維平面基礎上，加之運力或運量維度共同構成的三維立體客流數據平臺上，沿時間維度、地點維度和流量維度依次切割可形成不同類型的統計形式。

此統計方式相對復雜，因其在運力運量配比功能中體現較為明顯，下面就以此功能為例詳細說明設計的分析過程。

根據對全日全斷面客流分布圖的研究，可從以下不同角度對數據進行分析。

（1）全時段全斷面

全時段全斷面統計為各線路每日斷面的最全面最詳細的統計結果，其又包括上行和下行、運力和運量等不同類型。

（2）單時段全斷面和全時段單斷面

單時段全斷面和全時段單斷面統計為把全日全斷面三維分布圖按時間維度和地點維度分別切入得出的統計結果，也包括上行和下行、運力和運量等不同類型。

（3）單時段單斷面最大與全日最大

單時段或單斷面最大值為之上所述單時段全斷面和全時段單斷面統計的延伸，全日最大為單日中最大值對應的時段和區間。最大值除了包括上行和下行、運力和運量等不同類型外，每個極值還有著各自對應的時段和區間，也可以理解為沿值的維度對全日全斷面三維分布圖的分析研究。

（4）相加問題

根據現有的數據源表格，時間維度取每整半小時的客運量數據，地點維度表示為每相鄰車站區間的客運量數據，結合上述2.2.1中所指時間維度和地點維度中的多相鄰時間段和區間段，經過分析可得如下結論：

a. 不同日，相同時間段或區間段，對應運力或運量均可相加；b. 不同日，相同或不同時間段或區間段，最大運力或運量均不可相加；c. 同一日，相同時間段不同區間段，運力或運量均不可相加；d. 同一日，相同區間段不同時間段，運力或運量均可相加；e. 同一日，不同時間段或不同區間段，最大運力或運量均不可相加。

（5）滿載率及其它因素

除了上述幾方面的研究，功能設計時還要考慮滿載率及其它方面的因素。滿載率是運量和運力的比值，使其達到一定的合理范圍是運營管理的出發點和落腳點，而其它方面的因素還包括工作日和節假日的區分、列車定員數量等。

通過對以上5個問題的分析，運力運量配比功能的設計最終選取了8項相對有價值的子功能，其查詢原則基于基礎查詢思想但相對更加復雜精細。圖5所示為運力運量配比功能中全斷面單時段運力運量配比最終的系統截圖。

圖5 全斷面單時段運力運量配比截圖

3 結束語

本文詳細研究了地鐵客流數據分析系統的功能設計，由于篇幅所限許多功能不能詳盡描述。該系統已應用于北京地鐵運營公司客運管理相關部門，有助于地鐵工作人員對整體客流信息的把握，實現對客流數據系統化、規模化管理，為優化運營組織提供基礎，是線網運營計劃制訂和協調的重要依據。

[1] 李 樸，徐田坤，劉夏楠.網絡化運營模式下城市軌道交通客流分布特性[J].綜合運輸，2013（2）：73-77.

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[4] 邵星杰，李其林.票卡清分客流分析系統的功能設計[J].都市快軌交通，2011（5）：51-54.

[5] 鄧先平，陳鳳敏.我國城市軌道交通AFC系統的現狀及發展[J].都市快軌交通，2005，18（3）：18-21.

[6] 汪 波.城市軌道交通網絡運營理論與應用[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014：12-16.

[7] 北京市軌道交通指揮中心. 2016軌道交通路網運營信息日報[R]. 北京：北京市軌道交通指揮中心， 2016：1-365.

[8] 劉新航.軟件工程與項目管理案例教程[M].北京：北京大學出版社，2009：58-63.