城市軌道交通客流多維時空可視化表達

劉曉玲,廖沈美慧

（1.深圳技術大學城市交通與物流學院,廣東 深圳 518118; 2.上海申通地鐵集團有限公司技術中心,上海 201103）

0 引言

客流是城市軌道交通運營管理的核心，是城市軌道交通線網規劃、線路走向、項目經濟評價的基礎。針對海量多源客流數據挖掘分析，提取出有價值的信息是客流分析非常重要的工作。其中，將分析結果以合理的表現形式呈現出來，能夠有效提升分析結果的可解釋性和可理解性，更有助于發揮其輔助決策功能。根據實際的需求選擇最合適的可視化表達方式對于解讀、探索數據中蘊含的規律能起到事半功倍的作用，能有效輔助相關人員進行決策。

1 需求

客流數據的需求對象是多維的，針對不同的需求選擇客流數據可視化方式，有利于人們有目的地對數據進行解讀，并加以利用。需求對象大致可以分為四類：管理者、執行者、乘客、政府，其對客流解讀的需求可以總結為表1。

表1 不同對象對城市軌道交通客流解讀的需求

管理者主要是指各城市軌道交通運營管理者，他們需要全面掌握客流情況，了解客流歷史規律，并可以初步預測客流趨勢，以應對客流變化，對于客流異常情況迅速做出判斷以調整客流恢復正常水平。因此，客流變化趨勢、實時波動情況，是管理者關注的重點。執行者主要是指各城市軌道交通運營管理現場工作人員，現場客流的實時數量、趨勢是他們關注的重點。當發現現場局部異常時，及時采取一定現場處置措施延緩客流積聚或疏導客流。乘客對客流的關注跟自身的出行緊密相關，與自身出行存在時間、空間交集的站點、線路客流情況是他們關注的重點。這些情況的變化直接影響乘客個體出行舒適度、出行路徑，甚至會改變乘客個體出行的交通方式。政府主要關注客流的宏觀特征與變化，特別是比較大的波動和異常情況，對可能發生的重大事件進行事前預警，起到監督的作用。

2 可視化的表達形式

2.1 折線圖

在城市軌道交通客流可視化中，折線圖是最常見的圖形，它可以表現諸如車站分時客流分布等客流隨時間的變化情況（圖1）。x軸的標簽通常與時間相關，如分鐘、小時、月份等；y軸的標簽是與客流相關的，如進站客流、斷面客流等。折線圖還適合多個二維數據集的比較，這些數據集可以是不同天數、站點、線路等。

圖1 折線圖

將折線圖的x軸徑向排列成一個環形，則折線圖就變成了雷達圖（圖2），也稱為蜘蛛網圖。雷達圖更多的是關注某個指標下不同數據集的對比情況。雷達圖可以輔助快速定位到數據極值處，用于多指標的比較分析。

圖2 雷達圖

2.2 柱狀圖

柱狀圖跟折線圖一樣可以表現客流隨時間的變化情況，柱狀圖的x軸坐標可以是與時間或空間有關的（圖3）。柱狀圖還可以用于表示不同數據指標間的差異，這種指標間的差異包括但不限于不同日期、站點、客流類型等，但柱狀圖關心的重點不在于“趨勢”，而是不同類別間的差異。

圖3 柱狀圖

2.3 點圖

對于點圖來說，x軸、y軸可以是時間和空間的任意組合，不同的組合所表現的特征是不一樣的，具體的組合及表現特征如表2所示。

表2 x軸、y軸組合形式

x軸、y軸分別代表了一維的數據，此時的點圖被叫作“散點圖”，表示的是二維的數據（圖4）。

圖4 點圖展示二維數據

如果點的大小反映對應x軸、y軸條件下的客流數量，則點圖表示的是三維的數據（圖5），此時的點圖通常被叫作“氣泡圖”。

圖5 點圖展示三維數據

在三維數據的基礎上，通過不同的顏色或形狀表示不同的類別，那么點圖表示的就是四維的數據（圖6），此時還能進行不同類別間的比較。

圖6 點圖展示四維數據

以點圖為原型，結合別的圖形，如箱型圖、小提琴圖等，可以衍生出許多新的圖形。在二維點圖上結合箱型圖，如圖7，為統計連續n個工作日某車站進站客流情況，這樣的表現形式可以看出統計數據的特征值（最小值、第一四分位數、中位數、第三四分位數與最大值）。圖8為比較一個月內車站A、車站B進站客流分布的情況，車站B在7：00時會集中出現x1、x2兩種客流量。

圖7 點圖結合箱型圖

圖8 點圖結合小提琴圖

2.4 餅圖

餅圖是在圓形上通過按照數值大小劃分成多個扇形的可視化圖形，能直觀地展示比例情況[1]，在客流組成分析、進出站客流比較等方面具有很好的可視化效果。如圖9，一個餅圖代表一個車站，將多個餅圖串聯可以展示某線路上各車站客流情況，快速定位到線路上客流量最大的站點，獲取客流比例關系。

圖9 點圖結合餅圖

與餅圖類似，按照客流大小劃分一定面積，這樣的圖形還有矩形樹圖（圖10）和旭日圖（圖11）。這2類圖都是以車站數據為基礎，構造出線路、網絡客流數據一體化的可視化表達形式。采用分級表達形式，指定城市軌道交通網絡或幾條線路為一級單位，線路為二級單位，車站為三級單位，以表征網絡（或指定線路）上站點的客流情況及占比。

圖10 矩形樹圖

圖11 旭日圖

2.5 熱力圖

熱力圖是一種按照某種規則將圖表劃分成規整矩形，用顏色映射顯示數據大小的圖形。通過分別比較x軸標簽、y軸標簽的特殊值，該形式能高效地發現異常值。x軸、y軸的標簽和點圖的坐標軸標簽相同（具體可參考表2），由x軸、y軸分割而成的小矩形可以表示車站客流、線路客流、斷面客流等。小矩形顏色的映射規則多種多樣，但大多都是顏色從深至淺依次代表該小矩形的數據量由大到小。在城市軌道交通客流可視化中，常用的熱力圖包括表格型熱力圖、日歷熱力圖和徑向分布熱力圖。

表格型熱力圖是最常見的熱力圖，可以快速查看全局總體情況，定位到異常值對應x軸、y軸坐標，進行橫向或縱向標簽間的比較。圖12是表示OD客流量的表格型熱力圖，可以看出，最大OD對是A—C和C—D，從C進入的乘客中，最多的乘客去往D，從A出站的乘客中，最多的乘客是來自C。

圖12 表格型熱力圖

日歷圖將日歷和熱力圖結合起來，可以展示長周期時間客流變化的過程（圖13），可以直觀解釋節假日、大型活動期間的客流異常情況[2]。

圖13 日歷熱力圖

徑向布局熱力圖（圖14）是將表格型熱力圖環繞成環形的一種圖形，每個環表示一類數據集，如不同日期、不同站點等。每個扇區代表一類時間或空間的標簽，如時間、車站，不同的組合探究的重點各有不同（表3）。

圖14 徑向布局熱力圖

表3 徑向布局熱力圖內容組合

3 結語

總結常用的城市軌道交通客流可視化表達方式，從圖形不同維度的表現能力進行比較總結，用依次表示展示能力由強至弱，如表4。從表中可以看出，在信息展示能力上，折線圖、柱狀圖、熱力圖均有較全面的能力。根據不同表現力需要，對客流可視化進行設計時，可結合表1和表4，針對性地選用或組合選用。

表4 可視化圖表對比總結

該文分析了城市軌道交通客流可視化中常見的各類表達方式的適用條件、使用特點，并進行對比總結，為客流數據可視化方案設計提供可參考的依據。隨著大數據分析技術的不斷發展，數據分析的輔助決策功能日益凸顯，有效的數據可視化表達是數據輔助決策的有力工具，仍值得進一步深入探索研究。