鐵路綜合客流與列流管理系統的研究與實現

汪健雄， 賈新茹， 王煒煒， 張軍鋒

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

鐵路綜合客流與列流管理系統的研究與實現

汪健雄， 賈新茹， 王煒煒， 張軍鋒

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

本文介紹了鐵路綜合客流與列流管理系統關鍵技術和主要功能，基于區段密度和區段客座率理論的算法準確高效是該系統的主要創新，同時在系統實現策略上采用了基于DevExpress組件的數據可視化技術和輕量級桌面GIS技術，達到了數據可視化效果與程序交互性的良好平衡，符合客運業務人員的使用習慣和分析思路。

客流與列流管理；區段密度；區段客座率；客運營銷輔助決策；GIS；數據可視化

中國鐵路總公司自客票系統實施以來，積累了大量寶貴的旅客列車運營數據，為鐵路客運營銷輔助決策工作奠定了基礎。長期以來，系統基于Sybase數據倉庫技術以及Cognos業務智能技術，為鐵路總公司和各鐵路局提供統一的數據視圖，從運能、運量和收入各個層面分析、評價客運組織情況，預測客流趨勢并指導今后的發展，近年來逐步改變了鐵路各級決策者的決策方式，客運業務的核心競爭能力不斷提高[1]。但是由于技術手段的時效性和分析工具的專業性，使得系統出現了查詢效率降低、數據指標過于龐雜具體、報表操作模式過于單一等缺陷，使得鐵路總公司業務決策者不能迅速獲得對全路客運主要指標尤其是路網客流與列流的整體信息。如何以可視化的方式協助鐵路總公司決策者快速掌握運營信息和決策依據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的研究工作，其中客運營銷輔助決策系統作為其中一個子系統為本研究提供了重要平臺，結合業務需求，項目組開發了綜合客流與列流管理系統。

1 綜合客流與列流管理系統構架

綜合客流與列流管理系統是通過GIS系統，構造路網圖顯示線路，區段和車站，采用圖形化操作方式查詢并顯示指定區間和指定時段的客流和列流狀況。是鐵路總公司客運營銷輔助決策系統中從宏觀到微觀的分析工具。體現了“點-線-面”聯動的多視角的分析模式。

綜合客流與列流管理系統構架如圖1所示。

系統由數據源層、數據整合層和表示層構成。數據源層包括從中國鐵路總公司客運營銷系統數據倉庫中提取的客運營銷系統數據，以及由路網實測地理信息系統數據。在數據整合層，依據系統需要的數據視圖，在ETL服務器上部署了一系列ETL程序，將數據倉庫的數據抽取成系統可用的視圖，加速數據計算和展現的效率。使用ArcGIS組件的ArcMap工具，依據路網實測GIS數據繪制抽象化的全路客運區段GIS示意數據，包括區段、車站圖層。其中將ETL的客流與列流分析視圖的區段字典數據與ArcMap的全路客運區段GIS示意數據進行映射，以供表示層進行編程使用。

圖1 綜合客流與列流管理系統構架

在表示層的設計中，考慮到系統用戶對象為鐵路總公司客運管理人員，數量不多且用戶對界面操作的交互性要求較高，系統采用C/S結構，開發平臺為微軟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GIS數據與C#工具的輕量級整合，并解析GIS全路客運區段GIS示意數據進行渲染。

該系統可將應用程序部署在多個客戶機上，通過客票網與數據倉庫相連。GIS地圖展現和數據可視化分析界面全部在客戶端展現，充分利用客戶端計算資源，減少網絡通信流量，以獲得較為節約的通信開銷和豐富的客戶端界面。

2 關鍵技術

2.1 路網區段劃分與關鍵指標計算模型

綜合客流與列流管理系統的主要計算指標包括區段密度、區段客座率指標，前者用于表達區段客流的繁忙程度，后者用于表達區段內列車運能的綜合利用情況。

2.1.1 路網區段劃分

截止2014年1季度，我國鐵路運營里程已經突破100 000 km，全路辦理客運業務的車站達到4 000多個。由于傳統的區段劃分受線路建設的影響，存在著非一次建成導致區段割裂，局部運行線路及車站與客運經由與車站信息不對稱等復雜情況。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計，必須對現有的路網進行客運區段劃分以適應分析的需要。由于此前并無可用的區段字典，因此系統設計并實現了全路客運區段定義字典，并按客運業務規則對線路的區段端點站、區段經由定期進行維護。部分路網區段定義如表1所示。

表1 路網區段定義

2.1.2 鐵路旅客運輸密度計算模型

鐵路旅客運輸密度（客流密度）是在一定時期內，某條線路（區段）或某鐵路運輸企業、全國路網平均每公里營業線上所承載的旅客周轉量。該指標主要用于考核線路的客運利用程度和運輸生產的強度，反映客運運能與運量之間的適應程度，可作為線路維修、既有線路改造、新線建設、運輸設備利用和運輸組織工作的重要依據[2]。

如圖2所示，假設從區段站A到區段站B組成路網節點區段的第k個子區間，子區間的客流密度由上車旅客、下車旅客和通過旅客組成，根據初始計算得到的OD客流矩陣，對第k個子區間的客流密度τk(A, B)進行計算[3]：

段站A、下車站含區段站B的旅客人數；

圖2 鐵路旅客運輸密度計算模型

計算該區段的密度，必須得到區段上所有列車的經由，計算出列車的行經區段以及列車行經此區段時的起始里程和終止里程，根據列車的區段里程信息從全路收集的旅客人數中提取其相應的區段密度。

2.1.3 區段客座率計算模型

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

列車全程客座率=旅客周轉量/定員周轉量

其中，旅客周轉量=∑(旅客運送量×旅客運送里程)；定員周轉量=∑(列車定員數量×列車全程運營里程)。

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

區段客座率=區段旅客周轉量/區段定員周轉量

其中，區段旅客周轉量=∑(旅客運送量×旅客在本區段的運送里程)；定員周轉量=∑(列車定員數量×列車在本區段的運營里程)。

與計算區段密度類似，計算該區段的客座率首先必須得到區段上所有列車的經由，計算出列車的行經區段以及列車行經此區段時的起始里程和終止里程，根據售票記錄中的旅客人數和在區段上的運送里程得到相應的區段密度。該指標可以在計算區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段密度及客座率。

表2 隴海線區段密度及客座率

2.2 基于DevExpress組件的數據可視化技術

數據可視化技術是將數據庫中的數據項作為圖形元素表示，大量的數據集可構成數據圖像，同時將數據的各個屬性值以多維數據的形式表示，可以從不同的維度觀察數據，從而對數據進行更深入的觀察和分析。

數據可視化借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。為了有效地傳達思想概念，需要同步考慮美學形式與功能需求，直觀地傳達業務的關鍵特征。在各種可視化工具當中，既需要全面展現業務數據并易于用戶操作，同時也能夠兼容圖表的可視化特性，系統的用戶界面主要基于DevExpress中的可視化組件來構建。

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，同時套包內包含Winfrom、WPF、Sliverlight、.net 版本和.NET Application Framework 開發框架，尤其適用于Winfrom應用程序開發。采用DevExpress能夠在較短的時間內構建較為專業化的軟件界面，縮短團隊在構建UI方面的時間，可以把大部分的精力放在軟件核心的業務邏輯上。本系統的數據表格、圖表主要是基于DevExpress控件的Winform組件實現的。

2.3 輕量級桌面GIS技術

GIS可視化技術是目前信息領域中廣泛應用的一項技術，以地理信息科學、計算機科學、地圖學、認知科學、信息傳輸學與地理信息系統為基礎，并通過計算機技術、數字技術、多媒體技術動態、直觀、形象地表現、解釋、傳輸地理空間信息并揭示其規律[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（例如與現有ArcMap文檔交互的地圖對象）涉及面極廣，這些對象為開發者集成了全面的GIS功能。每一個使用ArcObjects建成的ArcGIS產品都為開發者提供了一個應用開發的容器，包括桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGIS Engine）以及服務端GIS（ArcGIS Server）。

鐵路總公司客運營銷輔助人員關注的焦點在于系統的交互性和實時性，并不關注車站站位、線路實際坐標的精確性，而是經過理想化分布的示意地圖，尤其是在處理相鄰的兩條區段時，需要對區段站位進行特殊處理以示區別，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工具根據站位、區段的大致位置，以全路區段劃分字典為數據依據，繪制了理想化分布的示意地圖，僅保留了用戶所關心的車站、區段等圖層，對于用戶不關心的圖層直接舍去，結合為定制開發GIS應用的嵌入式開發組件ArcGIS Engine開發輕量級的桌面GIS應用。將數據庫中路網區段劃分的定義數據域GIS圖層數據實現關聯，在客戶端繪制路網區段主界面并利用圖層的渲染實現預警功能。

3 系統功能

綜合客流與列流管理系統以地圖為基本界面，鼠標滑動線路區段時可呈現區段屬性信息，包括：列車運行速度等技術標準，電化區段、線路等級，牽引定數等信息。系統提供區段客座率分析、區段列車開行對數、區段密度分析等功能，并以報表和圖形等形式為客運營銷決策者提供多種分析工具。利用地理信息系統技術對旅客列車列流和客流情況進行宏觀表達，并按照自定義的閾值進行預警，主要功能如下。

3.1 區段客流分析與預警

3.1.1 區段線路選擇

對于全路路網的數百個區段，需要準確的選取指定區段。系統提供了路網圖縮放、點選功能，在多個區段距離較近的情況下，可根據選取區域推算出多個可能的備選區段讓用戶選擇。同時還提供區段名稱模糊查找、檢索功能，可使用戶盡快定位到需要考察的目標區段。

3.1.2 區段分析

（1）區段客座率分析。考察選中的區段上所有列車產生的客座率指標，同時還可顯示各次列車通過該區段時對總客座率的貢獻程度。在展示列車區段客座率的同時，將區段的整條線路的每個區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段上的對比，反映區段客流的繁忙程度。

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

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

3.1.3 區段預警

利用區段密度和區段客座率指標，結合用戶自定義閥值的功能，如果區段指標落在報警區間，則系統在地圖上直接用顏色表示出區段密度高、低或者區段客座率高、低，直觀反映線路能力與需求的匹配程度，提示輔助客運決策人員進行能力調配。

3.2 客運通道客流分析

（1）目前系統可提供出發區域、到達區域組成的客運通道上的開行列車數量查詢以及客流查詢，并以箭頭標繪圖的形式展現客流方向。可使用顏色深淺標識客流大小。（2）根據歷史售票記錄，生成OD客流矩形表。可設定并生成獨立站間，組合站間，鐵路局，地區間、全國重點站間的OD表生成。（3）查詢的時段或特定時期（如春運、小長假、十一黃金周），生成全路重點地區間的客流量矩形表，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、區段密度以及客座率的界面上，可以進行深度鉆取，查看列車密度表等運營圖表，幫助客運決策者提供精細化決策。（2）根據鐵路總公司營銷管理的區段劃分要求，維護區段劃分信息。（3）可將區段客流密度、對數表、客座率分析等圖表導出生成Excel文件。

4 結束語

鐵路總公司客運營銷輔助決策系統自2012年初在中國鐵路總公司試運行，在各種節假日期間發揮了重要作用。尤其是綜合客流與列流管理系統，利用GIS的直觀展示技術使運輸局領導一目了然的掌握每天的客流密度和區段客座率情況，對全路運輸能力的調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。系統中設計和實現的客流密度和區段客座率的算法準確高效，是系統的一項重要創新，對于客運營銷和運輸組織意義重大，同時采用了基于DevExpress組件的數據可視化技術和輕量級桌面GIS技術，實現了數據可視化效果與程序交互性的良好平衡，符合客運業務人員的使用習慣和分析思路。

[1]汪健雄，劉春煌，單杏花，張軍鋒. 業務智能技術在鐵路客運營銷輔助決策系統中的應用[J]. 鐵路計算機應用，2009，18（12）：23-27.

[2]單杏花，賈新茹.鐵路旅客運輸密度的算法研究及應用實現[J].鐵路計算機應用，2003，12（6）.

[3]汪健雄.改進的多目標量子遺傳算法及其在旅客列車開行方案中的應用[D].北京：中國鐵道科學研究院，2012.

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

責任編輯 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。