基于GIS的城市轨道交通线网客流监测预警

白 丽 王富章 张 铭

(中国铁道科学研究院 北京 100081)

基于GIS的城市轨道交通线网客流监测预警

白 丽 王富章 张 铭

(中国铁道科学研究院 北京 100081)

在分析城轨客流特性的基础上，提出线网实时客流的监测算法;利用地理信息系统(GIS)技术，动态展示城市轨道交通线网实时客流分布态势;设定预警研判机理，对超过限定预警值的车站、区间的客流进行监测预警;借助GIS动态定位特性，辅助实现公交接驳的紧急疏散，以满足线网运营的可视化、高效的现代化管理。

城市轨道交通;地理信息系统;客流;监测预警;动态实时;疏散接驳

随着城市轨道交通的快速发展，各大城市越来越多的轨道交通线路开通运营，促使轨道交通网络日趋复杂化，轨道交通承担的客流量也飞速上升。但在这种城市轨道交通线网运营的模式下，以单线或多线区域模式管理的控制中心监控系统难以满足轨道交通线网多个运营主体、线网的运营监管要求，需要依托GIS(地理信息系统)地图展现的客流动态分布来实现对线网运营状态的实时把握，运用多元信息融合技术和GIS空间分析能力及先进的客流计算方法来提升轨道交通的运营能力、管理水平，确保其有序发展。地理信息系统具有高效的空间数据处理能力与高度的可视性、易用性、可扩展性，可以为线网客流监测预警提供辅助分析决策功能与查询数据的功能。

1 城轨客流特性分析

城市轨道交通的客流具有周期性、集中性、每天的客流量变化大等特点，只有在较为准确地把握客流变化的前提下，才能有效地进行轨道交通运营管理。目前，轨道交通客流数据是通过闸机刷卡登记的，每一笔交易作为一项记录，累计取得车站的进站人数或出站人数。本线车站的进站、出站客流量，是通过车站的进站、出站人数汇总得到;线路间的换乘客流量，是通过清分算法，结合最短路径、费用、清分比例等要素核算得到;当日或历史的客流统计量，由于客流交易记录量通常十分庞大，数据采集频率为5～15 min，通常在每日轨道交通停止运营后统一计算生成。因此，运营主体无法得到线网实时客流的运行状态和客流分布情况，不能够对轨道交通线网动态客流态势把握，难以为客流拥堵区段及早制订客流疏解组织方案。

2 动态客流的监测预警

2.1 客流监测方法

对按照一定频率采集的轨道交通线路售检票系统的实时客票数据进行抽取、过滤，根据客流统计真实性的要求，选择以交易时间作为统计维度，在每次采集数据完毕后，对前一周期的数据进行计算，包括计算周期内的进站客流量、出站客流量、任一车站经某换乘站换乘到任一其他线路车站的换乘客流量、线网任一区间的客流量累计。

2.1.1 车站客流数据计算方法

2.1.2 区间客流数据计算方法

2.1.3 换乘客流数据计算方法

设线路li自车站ε1至换乘站εh间的任意中间站εk，向 εh的换入客流为 pεk，hi;自换乘站 εh至末站 εz的任意中间站 εk，向 εh的换出客流为。该换入、换出客流对应各自的权重，则该换乘站在t时段内换乘总客流量为

在计算周期时段t内，设定客流换出线路为La，换出客流方向为Da，换入线路为Lb，换入客流方向为Db，换乘站Dh。首先搜索取得La在Da方向上从La首站至换乘站Dh之间所有车站的集合，然后搜索取得Lb在Db方向上从换乘站Dh至Lb末站所有车站的集合，查询所有进站车站在I()集到所有出站车站在O()集的所有路径集合R()。最后，在换乘客流数据表中，查找所有匹配时间段内且路径属于R()的客流数据值，并累计求和，从而得到La的Da方向换乘到Lb的Db方向的客流量。

将上述方法应用于轨道交通线路每一个区间的客流量计算，并将区间客流与换乘客流叠加求和，取得分布在任一区间的总客流量。

2.2 监测预警机理

将每一个周期计算的3种客流量建立数据集存储过程存到临时表，将数据源表简化为N个周期的分段客流量统计表，包含车站统计、区间统计、换乘统计3种类型的客流量统计表。设定客流预警4级限值为［P1(a，b)，P2(a，b)，P3(a，b)，P4(a，b)］，根据该周期客流量来分析是否超过预警值，如果超过分级则发出预警，如图1所示。

3 GIS与监测预警技术的融合

选择ArcGIS软件作为数据处理软件以及二次开发平台，能更好地满足系统功能的需要。采用高性能的商用服务器部署Oracle数据库系统，使得海量空间和客流业务数据更加独立，可进一步提高系统的稳定性和维护性。

3.1 空间数据处理思路

图1 监测预警原理

本系统数据的处理是利用现有的基础地理信息(含城市道路信息、公交信息图层)，运用FME软件工具，通过映射方法以及GIS地图绘制工具(ArcGIS Desktop)，从地铁线路的规划设计图中获取新建地铁的图层(包括地铁线路基础设施信息、地铁站点的总体框架信息、地铁站点各个出入口位置信息、地铁站点站厅相关设施信息、在建线路或规划线路信息等)，然后利用获取的地铁线路地理基础数据，通过线性参考，补充完善地铁专项应急资源、地铁应急救援设备、社会专项应急资源等图层，如图2所示。

图2 GIS数据的处理

3.2 客流数据接入展示

利用自动售检票清算中心既有与其他线路/运营商传输交易对账文件的数据传输中间件IBM MQ的FTE中间件，在系统接口服务器端建立专属客流数据传输的文件夹，按预定周期采集轨道交通线路售检票系统的实时客票数据，经过灰色模型算法得到车站客流量、线路区间客流量和换乘客流量，并将这三种客流量存储在数据库中进行定期的备份。然后，根据分周期计算得到的线路各区段的分布客流量，将车站的进出站客流量、区间客流量与换乘客流量沿路径编号叠加在同一区间上，在地图上显示不同的颜色来表示线网每一区段当前的车站、区间的客流聚集程度。

1)车站客流。查询进站、出站人数，对应车站所在的地图坐标，绘制柱状的统计图，柱状图的数据分别标绘进站、出站客流数值。

2)区间客流。在空间数据库中，搜索两站连线所在区间线路形状的坐标，起、止车站的编码，以及当前区间上行、下行各自的客流量。在图层上绘制所有具有客流的、与轨道交通线路类似形状的线形，在该线段的一侧浮动字符串上标注客流量。将此客流量与预警阈值比较，根据客流量大小的色阶来匹配显示相应的颜色。

4 客流监测预警系统的设计与实现

地理信息系统(GIS)通过采集、处理、存储空间数据及属性数据，利用空间数据引擎发布地图文档来提供基本地图的服务和分析功能，采用基于ArcEngine技术的集成开发模式，通过开发具有良好客户体验和快速响应的B/S Flex程序来满足线网客流监测预警的各项功能。城市轨道交通线网客流监测预警系统是针对线网客流实时运营状态进行监控和预警的平台，主要包括实时进出站客流数据的展示、实时区间客流数据的展示、客流预警监控、客流疏散方案等功能。

4.1 系统结构设计

根据分层的设计思路，系统自上而下划分为表现层、应用层、服务层、数据访问层、数据层，如图3所示。

4.2 客流动态查询

通过基于GIS基础数据叠加上接口计算转换的客流数据进行地图展现，可在系统界面上查看到各条线路、各个车站的实时进出站客流，通过把地图放大到一定比例时线路区间上下行方向的实时客流量统计，实现了准确、实时动态地查看轨道交通线网日常运营的客流态势。图4是某站的实时进出站客流的地图显示及柱状图对比情况。

图3 系统架构设计

图4 车站实时进出站客流显示

4.3 监测预警功能

在节假日或重要时期，轨道交通线路的运营很容易出现大客流事件。运用GIS技术，利用可视化定位与分级预警的智能分析手段，可有效地捕捉到换乘枢纽、大型客流集散点以及客流集中区等大客流拥堵区段，实现客流预警功能。系统以采集的客流数据和历史客流数据为基础，并根据各条线路运营经验确定的客流预警值，对比客流分布数据，对超过预警值的区段或车站发出客流预警。按照突发公共事件的严重性和紧急程度，客流预警级别可分为一般(Ⅳ级)、较重(Ⅲ级)、严重(Ⅱ级)和特别严重(Ⅰ级)共4级，并依次用蓝色、黄色、橙色和红色表示。图5表示了4级预警的颜色，并可以观察到蓝色线路段出现了一般客流预警的提示。

图5 客流监测预警

4.4 客流接驳功能

当客流监测发出预警信息时，可在客流紧急疏散过程中依据地图通过空间位置的关联，查询到大客流可能影响范围内的地理状况、周围环境信息、线路应急资源信息(消防、公安、维修设备等)以及枢纽、车站周边其他交通方式的信息(如公交调度的信息)，为配合制订轨道交通客流疏散计划、接驳方案和实施措施提供依据。如图6所示，通过地图分析查询功能，可查看到对应车站附近的公交站、公交线路的地理信息及其属性信息，并可以进行详细的地理位置定位。

图6 公交接驳线路

除此之外，客流接驳功能还可以依据对地铁中各线路及各换乘站的乘客交换量的监控预测，确定交通枢纽建设的合理规模、各种交通工具在枢纽中的布局分布等。

5 结语

笔者研究了城市轨道交通客流数据周期累计、监测预警的算法，融合先进的GIS技术，显示了实时动态监测轨道交通线网客流态势的分布情况;并利用可视化定位与分级预警的智能分析手段，有效地捕捉到大客流拥堵的区段，自动发出预警信号，及早预防客流爆满。该系统完成了对线网客流日常运营、安全保障、疏散接驳全过程的集中统一管理，是轨道交通系统高效有序运营的重要保障，对提高轨道交通运营服务水平和提升客运组织能力具有较高的实用价值。

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Urban Rail Transit Network Passenger Flow Monitoring and Early Warning System Based on GIS

Bai LiWang Fuzhang Zhang Ming
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081)

Abstract:On the basis of analyzing the characteristics of urban rail passenger flow，the paper proposed a line network real-time passenger flow monitoring algorithm which dynamically displays the real-time passenger flow distribution trend of urban rail transit network by using GIS(Geographic Information System)technology.A warning-oriented mechanism was also established for monitoring an early warning passenger flow on a station or line interval that exceeded the limit warning value，which can help to realize emergency evacuation by bus connections with GIS dynamic positioning features.This meets the requirements of the line network operators'visual and high－efficiency modern management.

Key words:urban rail transit;GIS;passenger flow;monitoring and early warning;dynamic real－time;evacuation feeder

U29-39

A

1672-6073(2013)06-0056-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.014

收稿日期:2013-02-28

2013-04-01

作者简介:白丽，女，博士生，助理研究员，主要研究交通信息工程与控制，baili@rails.cn

王富章，男，研究员，博士生导师

“十一五”国家科技支撑计划项目(2011BAG05B02);铁道部科技研究开发计划课题(2012X010-A)

(编辑:郭 洁)