高速鐵路列車開行方案評估系統關鍵技術研究

張 宇，賀振歡，聶 磊

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

列車開行方案是以客運量為基礎，以客流性質、特點和規律為依據，科學合理地安排列車開行等級、種類、起訖點、數量、經由線路、停站方案、客座利用率、編組內容和車底運用等內容，體現從客流到列車流的組織方案[1]。其編制是高速鐵路運營管理及發展的基礎，采用科學合理的評估方法及表達方式對列車開行方案的運營效果進行評估，對于列車開行方案的進一步調整和優化具有重要的意義。

國內外學者對此展開了一系列研究，從技術、經濟等不同角度構建了指標體系，提出了列車開行方案的評估方法[2-6]，并開發了相關系統或功能模塊[7-9]，為列車開行方案評估提供了基礎的理論內容。

1 問題分析

高速鐵路列車開行方案體系龐大，影響因素眾多，方案評估涉及數據內容較多，如圖 1所示。開行方案評估基礎數據種類多，要素復雜且數據量級龐大（以京滬單線列車開行方案評估為例，當以日為評估單位時，評估涉及客流數據可達10萬條左右）。對于列車開行方案的評價可以劃分列車和整體方案兩個層次，建立包含經濟效益、技術水平、旅客服務質量和車流匹配4個方面的多層次綜合評價指標體系[2]。其中，經濟指標反映開行方案的收益水平；技術指標反映開行方案列車運用以及OD服務的基礎信息；車流匹配和旅客服務質量從客流角度分析開行方案的實際運用效果。

圖1 系統數據內容示意圖

目前，評估指標與方法的研究相對比較成熟，而計算機評估系統方面的研究相對匱乏。傳統評估系統常以表格和簡單數據羅列等模式展示評估結果，對方案的評估精細程度及優化方向指導力度不夠，指標的可視化研究力度有待加強。評估系統的目的在于使用簡單明了的表達方式，將上述指標內容以定性或定量的方式簡單直觀的表達出來，服務于方案的優化及調整。方案評估相關指標數據類型多、數據量大、指標結果側重點各有所異，表達模式已不僅局限于傳統數據表格所能提供的數據表達模式，更需要結合指標結果數據類型、評估目的等針對性設計，諸如趨勢性數據表達、對比性數據表達等方式以突出方案的優劣。

結合以上分析，如何以簡單嚴謹的數據管理方式對數據進行高效的管理以保證系統的準確、靈活與高效；如何設計開發與指標特點相適應的表達技術以滿足各類指標的表達需求，是開行方案評估系統亟待研究的重要問題。以C#語言為開發工具，重點研究高速鐵路列車開行方案評估系統數據管理關鍵技術以及多級指標動態展示技術、通用圖表表達技術等指標表達關鍵技術，并在實際研究中予以應用。

2 系統數據管理技術

列車開行方案評估數據主要受到時間、空間和邏輯時序3方面約束。由于開行方案影響因素眾多，評估過程涉及基礎數據內容復雜，且評估指標側重點各有不同，系統極易形成邏輯復雜的龐大的數據樹。因此，系統數據管理的主要需求是：根據開行方案評估需求，嚴格數據抽取及構建的邏輯流程，保證數據管理及分析計算階段的數據準確性、高效性。

系統主要采用數據邏輯約束及組織管理2種控制方法解決數據管理難題。其系統數據管理方法，如圖 2所示，系統從“橫-縱”兩個方向建立數據組織管理關系。

圖2 系統數據管理方法

橫向的數據管理關系主要按照數據類別分類管理，設計生成路網數據管理器、客流數據管理器在內的若干邏輯數據管理器，統一負責本類數據的維護。

縱向的數據管理關系按照列車開行方案評估的邏輯順序：（1）將當前方案評估過程中每一步操作過程下的數據集合起來運用各層的數據管理器集中管理；（2）按照如圖所示的“從上到下”的邏輯順序，依次完成構建方案評估對象、進行單（多）方案評估、計算方案評估指標以及指標表達數據的傳遞等過程。

在此過程中，數據頂層邏輯管理器將依據數據類別及當前數據的關系負責校驗及維護數據的邏輯合理性。系統根據數據類別以及所處評估流程中的位置關系嚴格約束了系統數據的運算邏輯，保證系統數據運算的安全性及高效性。

3 多級指標動態展示技術

傳統開行方案評估過程中較為關注的數據指標包括客流量、周轉量和能力等單值型技術指標內容。傳統評估以單值數據簡單表達方案整體性評估結果，而相對缺少按照技術指標影響因素劃分更細致的評估角度對方案運用的評估表達。本系統將上述單值指標內容按照列車類型、OD距離等劃分不同的評估維度，在表達整體方案技術指標的同時，按照更細致的評估維度計算分析上述技術指標并加以表達，從而重點突出方案內不同類別列車開行情況或客流服務效果。

（1）單值指標體系指標層級與指標內容存在類樹形結構，但指標樹的深度以及各個分支子節點數量不固定；

（2）指標表達過程中，指標的展示層級及內容的定義和表達可以根據不同的評估需求動態調整；

（3）評估指標結果的表達層級及表達內容定義過程可動態調整。

借鑒傳統表格所具有的數據表達直觀性的優勢，將表格結構予以改進，設計研究出多級指標動態展示技術實現多層級評估指標的清晰展示及表達內容的動態調整。具體效果，如圖3所示。

多級指標動態展示控件指標表達界面實現過程中，根據單值型評估指標體系的類樹形結構特征，采用遞歸算法為核心構建控件繪制算法。

（1）系統將上述技術指標內容不同影響因素作為指標邊界構建指標樹分支以形成類樹形指標結構；

（2）根據指標的樹形結構以深度優先的策略循環調用窗格繪制方法；

（3）根據指標間的層級關系，修改的窗格繪制函數的表格背景色及字體顏色等參數從而區分指標層級及從屬關系，形成如圖3a的表達效果。

圖3 多級指標效果圖

多級指標展示界面的動態調整過程則以回溯算法為核心實現，系統通過深度優先搜索的方式，將指標動態定義界面所設置的指標的顯示狀態由低層級到高層級進行不斷回溯以獲取完整的指標樹，待展示狀態設置結束后則交由指標展示界面重繪指標內容及層級屬性，實現多級指標表達的動態調整，具體動態定義界面，如圖3b所示。

4 通用圖表表達技術

開行方案評估過程中，經濟效益指標，車流匹配指標以及旅客服務質量指標等指標結果多為趨勢性或對比性數據，適用于折線圖、柱狀圖等表達方式對指標內容進行詳細展示。但由于類似指標數量較多，系統實現過程中如將上述指標內容逐個進行表達圖表的繪制，將造成較大的冗余。設計研究通用圖表表達技術，實現柱狀圖、折線圖內容的統一繪制，解決了指標表達過程中圖表繪制的重復性操作問題，降低了系統冗余性。

具體實現過程中，系統利用基礎繪圖類庫內容形成繪圖面板，設計包含界面縮放平移等基礎屬性在內的底層控件；在控件之上封裝入柱狀圖、折線圖2類繪圖方法并保留數據傳入接口，數據表達過程中則可按照數據內容選擇性傳遞數據參數以獲取不同的表達方式，滿足不同指標的數據表達需求，降低了指標表達的重復性繪制工作，提高了系統運算效率。具體實現效果，如圖4所示，其中，圖4a展示了柱狀圖表達模式，對比突出當前方案較多的列車旅行速度分布在120～180 km/h；圖4b展示了折線圖表達模式，突出了日均客座收入日變化情況；圖4c展示了柱狀圖及折線圖綜合運用的表達模式，柱狀圖表示車站平均服務人數，折線表示途經列車服務頻率，二者結合表明，諸如濟南西、徐州東、南京南等重點站列車服務頻率較高于車站平均服務人數所需求的列車開行頻率，相關列車停站結構有一定的調整空間。

圖4 通用圖表表達示意圖

5 基于物理網的數據可視化技術

開行方案評估表達不僅僅是對于方案基礎指標屬性的表達，更需要直觀、準確展示開行方案的路網服務情況，線路資源配置情況等，以實現從空間或時空角度對方案整體效果進行評估。因此基于物理網的數據可視化內容既包括當前國內高速鐵路網的基礎分布情況展示，又包括與物理網密切相關的列車開行方案評估指標內容的表達。具體指標內容包括：全網客流量及運力資源分布情況；單一線路的輸送能力、線路客流量；節點（車站）的服務頻率以及可達性等。該部分數據內容表達與物理網密切相關，范圍涵蓋全網、線路、節點或車站等多個層次，其實現的主要難點是如何以物理網為基礎合理展示指標數據。

研發的基于物理網的數據可視化技術以實際高速鐵路路網數據為基礎，采用分層設計、逐層繼承的控件集成開發模式定義開發普適性表達組件。該表達控件以GDI+繪圖技術為主要工具[10-11]，通過將實際路網縮放繪于計算機展示界面之上，以界面的線條顏色、粗細等屬性變化實現評估指標數據的表達。根據高速鐵路網的路網、節點（車站）、線路3大評估要素，相對應的指標表達控件劃分路網層、節點（車站）層以及線路層進行指標結果的表達。

（1）鐵路路網層，該層為整個控件的基礎層級，詳細展示了當前我國大陸高速鐵路線路分布情況。

（2）節點（車站）指標表達層，該層在路網層基礎上，調節線路中節點或車站的圖標顏色及半徑等內容實現評估指標結果的展示。如車站直達范圍評估指標中以車站半徑表示車站列車服務頻率，顏色表示研究節點到該車站的平均旅行時間范圍。

（3）線路指標表達層，該層在高鐵線路網的基礎上調整線路顏色繪制實現客流量等線路相關指標內容的表達。

6 系統實現

根據上述研究結果，系統已在.NET平臺下用C#語言開發實現[12]。系統應用上述數據管理技術以及評估指標表達技術實現了對于數據內容的高效管理以及評估指標的可視化展示。目前該系統不僅服務于科研項目的開行方案評估優化理論研究階段，更在鐵路運輸企業中得到實際應用并產生了良好的效果。

（1）系統運用多集指標動態展示技術，邏輯清晰的將方案基礎信息以及技術指標等20余項數據內容采用列表形式進行展示，詳細列出了不同分類層級下評估指標結果；

（2）系統運用通用圖表表達技術，通過柱狀圖、折線圖等表達模式，展現了諸如日收入變化，日客流量變化、車流匹配效果等23項經濟指標以及客流服務相關指標內容；

（3）系統運用基于物理網的數據可視化技術，以線條顏色及粗細展示了高速鐵路路網分布、方案所服務的客流量、周轉量以及節點直達范圍等7項指標內容。

7 結束語

隨著鐵路運營管理智能化的發展，開發研究智能化的列車開行方案評估系統對于開行方案的調整分析具有重要的意義。針對高速鐵路列車開行方案評估系統關鍵技術，設計研究基于系統數據管理技術、多級指標動態展示技術、通用圖表表達技術和基于物理網的數據可視化技術4部分指標表達技術內容，從系統計算效率以及表達直觀性、準確性角度上實現了對于評估系統的優化，為開行方案智能化評估提供了科學可靠的輔助決策工具。