地铁路网客流数据特征分析系统设计

2018-01-26翁勇南

铁路计算机应用 2018年1期

芦毅，翁勇南，蔡宇，张欣

（1.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京 102208；2.地铁运营安全保障技术北京市重点实验室，北京 102208；3.北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

客流分布对于城市轨道交通运营阶段的影响作用十分明显[1]，其分布特征可从时间、地点、车站类型等不同方面进行分析[2]。客流数据是轨道交通规划设计和运营管理的重要数据基础[3]，对客流数据的精准分析，是掌握客流分布规律、提高城市轨道交通运营管理能力的重要前提。

目前，对轨道交通运营进行统计分析的客流数据，通常源于自动售检票(AFC)系统获得的客票数据[4]。从1998年底开始，AFC系统在我国城市轨道交通系统中投入使用[5]，2008年6月起，北京城市轨道交通启用新型AFC检票售票系统[6]，为客流的自动化统计分析提供了基础。

然而，通过AFC系统汇总的客流数据，从轨道交通指挥中心导出后仍为Excel表格方式[7]。随着地铁系统规模以及客流量的日益增大，通过 Excel表格进行数据统计分析越来越难以适应当今地铁客流数据量巨大的发展趋势。本文通过分析大量客流数据及现有统计方法，设计了地铁路网客流数据特征分析系统的总体架构及内部各功能模块的形式、内容和查询方法，该系统可以快速准确地统计客流数据信息，已在运营实践中得到了应用。

1 系统设计

1.1 设计原则

（1）模块化原则

模块化是指将系统划分成相对独立模块的过程，可以将复杂问题化简，节约解决问题的成本[8]，合理划分功能模块是本系统研究的重点，决定了系统功能的总体架构。

（2）高内聚低耦合原则

模块耦合是指两个模块间联系的紧密程度，模块内聚是指一个模块内各组成部分联系的紧密程度[8]，系统的高内聚低耦合是系统设计的重点和难点，直接影响系统各个功能的设计思路。

（3）可扩展性原则

可扩展性为今后系统数据及功能升级扩充的保障，目前，地铁路网规模逐年增大，一线部门的需求也将不断更新，系统在软件设计时必须考虑相应的升级接口和升级空间。

1.2 系统功能设计

系统主要功能包括包括以下6个部分。

（1）全路网查询：主要是通过对北京市城市轨道交通全路网所有线路断面客流、断面满载率、车站客流的整体显示，以图形的方式为管理者总体把握全网运营情况提供直观的描述。

（2）统计查询：通过对日期、周期、星期等时间信息，对线路、车站、换乘站、断面等位置信息，对客运量、换乘量、票卡等类型信息的选择，以表格的形式展现所需上述客流数据的任意统计结果。

（3）定制查询：以Excel表格直接输出，旨在自动生成日常的对日、周、月、季度、年等固定时期需要的特定统计表格，以自动化形式简化工作内容，提高工作效率，同时规范各分公司的日常工作。

（4）运力运量配比：通过表格配图形的形式对断面的运力运量配比情况实现全方位多角度的分析。

（5）同比环比查询：目的是以表格配图形的形式对以往的客流信息走势进行统计分析。

（6）系统管理：为系统管理员专用功能，旨在为系统以后的管理、维护、更新、完善提供保证。

系统的6大功能模块各有特点。全路网查询功能侧重于对全路网整体客流分布的直观描述，统计查询功能侧重于任意类型特定的查询结果，定制查询功能侧重于定期的定制报表输出，运力运量配比和同比环比功能针对两类特定方面的实际需求，系统管理功能则是对用户、时间、地点、数据源等方面的数据维护。

1.3 系统总体设计

系统总体设计以实现现有客流数据的统计查询、汇总分析、导入导出、管理维护等功能为目的，系统输出形式以图形和表格为主。

系统基于Java平台开发，使用DB2数据管理系统，采用B/S结构，信息的分析处理在服务器端完成。系统总体设计如图1所示。

2 关键技术

本系统中统计查询和运力运量配比的功能设计相对复杂，在此对其设计分析过程进行详细阐述。

2.1 统计查询

如前所述，统计查询功能旨在实现客流数据在任意时间、任意地点、任意维度的统计结果，其查询思想也贯穿于地铁客流数据分析系统其它功能之中。

查询思想具体而言即通过本系统的开发，最终实现快速及时地统计任意时期(年、月、周、日、工作日、节假日等)、任意时段（24 h、1 h、0.5 h、早高峰、晚高峰等）、任意地点（线路、车站、换乘站、断面区间等）、任意类型（客运量、换乘量、进出站量、票卡信息、断面信息、满载率信息等）、任意统计方式（同比、环比、日报表、周报表、月报表等）的各种客流数据信息，以及其不同表示方法（图、表等）的统计分析结果。

通过对客流数据源[7]中各种参数的研究发现，其间关系相对比较复杂，交织在一起可以形成诸多不同的需求结果，以下为一些典型的实例：

（1）某段时间某条线路的客运量汇总（按本线、其它线进出划分），内容包括进线量、换乘量、客运量、路网客运量；

（2）某段时间某条线路的客运量汇总（按付费性质、票种划分），内容包括进线量、换乘量、客运量；

（3）某段时间某换乘站客运量汇总，内容包括日换乘总量、小时最大换乘量、对应小时段、占全日比例；

（4）某段时间某换乘站按每0.5 h统计的进站量、出站量、换乘量及合计量，换乘量包括上、下行间的交叉换乘量和总换乘量；

（5）某段时间某条线路某车站按每0.5 h统计的进站量、出站量、进出站量及日合计量；

图1 系统总体设计图

（6）某段时间某条线路某车站的出站票、车站工作票、单程票、定值纪念票、福利票、一卡通员工卡、一卡通储值卡等票卡信息；

（7）某段时间某条线路某断面区间按每0.5 h统计的断面客流量；

（8）某段时间某条线路某断面客流量汇总，内容包括小时最大断面客流量、对应区间段、时间段、满载率等。

根据对以上诸多不同参数及不同功能的分析，最终确定系统基础查询的具体设计方案。即按时间周期到地点再到类型的选择顺序进行查询，时间周期为最初始、最关键也是最基础的查询选项类别，其影响后面的地点和类型的结构，也决定了最终查询结果的表格结构。

图2所示为统计查询功能中客运量和换乘量的基础查询功能设计图。图3所示为统计查询功能中客运量查询最终的系统截图，其基础查询过程与设计思路完全一致。

2.2 运力运量配比

通过对断面客流数据源[7]的深入分析，发现断面运力运量配比功能的数据结构冗余维度比较多。

2.2.1 维度分析

就单日单线路单行车方向而言，可从以下几个角度进行分析。

（1）时间维度

以整点0.5 h为坐标划分，全日24 h可以划分为48个时间坐标（由于本日结束时刻即为下一日开始时刻，所以不能重合），而可以组合形成的时间段为个，即有276个时间段之多。

图2 基础查询功能设计图

图3 客运量基础查询功能系统截图

（2）地点维度

以地铁线路的车站为坐标点划分，全线n个车站可以划分为n个地点坐标，如果以某两个车站间的区间为一个区间单元，一条线路n个车站可以划分为个断面区间，如考虑断面区间的上下行方向即为个断面区间（假定线路为非环线线路）。例如某条地铁线路有车站23座，相邻断面区间为22个，可组合形成的断面区间为253个，考虑上下行情况的话，断面区间分别为44个和506个。

（3）断面极值维度

由上所述，断面客流数据在时间和空间上全面反映了全路网客运流量的整体运行情况，而就某一时间或某一地点维度统计的断面客流量的极值即最大峰值，其在对应的地点或时间维度又可以形成反映最大断面流量的客流数据统计。

此极值流量不仅和时间、地点维度密切相关，反映了地铁运营的潮汐特点，而且即便是同一时间同一断面在运力和运量上的表现也不尽相同，对其分布规律的研究将为提高地铁运营管理质量提供非常有益的支持。

（4）运力与运量维度

运力与运量作为两个不同的维度，实质上是理论与实际在运营组织中的不同表现，即运力是为了满足运量需要和运营效率最大化而不断变化的，运力的不断变化又不断影响着运量，运力与运量的相互作用又形成了满载率。由此可见，运力与运量在实际中是运营管理的核心。

图4为北京地铁5号线（上行）某工作日全日全断面客流运量分布图，其中，x轴为时间维度，y轴为断面维度，z轴为断面运量维度。根据运行图车次时刻表也可得出类似的列车运力分布图。

图4 北京地铁5号线（上行）全日全断面客流分布图

2.2.2 统计方式分析

通过以上分析可知，以时间维度和地点维度构成的二维平面基础上，加之运力或运量维度共同构成的三维立体客流数据平台上，沿时间维度、地点维度和流量维度依次切割可形成不同类型的统计形式。

此统计方式相对复杂，因其在运力运量配比功能中体现较为明显，下面就以此功能为例详细说明设计的分析过程。

根据对全日全断面客流分布图的研究，可从以下不同角度对数据进行分析。

（1）全时段全断面

全时段全断面统计为各线路每日断面的最全面最详细的统计结果，其又包括上行和下行、运力和运量等不同类型。

（2）单时段全断面和全时段单断面

单时段全断面和全时段单断面统计为把全日全断面三维分布图按时间维度和地点维度分别切入得出的统计结果，也包括上行和下行、运力和运量等不同类型。

（3）单时段单断面最大与全日最大

单时段或单断面最大值为之上所述单时段全断面和全时段单断面统计的延伸，全日最大为单日中最大值对应的时段和区间。最大值除了包括上行和下行、运力和运量等不同类型外，每个极值还有着各自对应的时段和区间，也可以理解为沿值的维度对全日全断面三维分布图的分析研究。

（4）相加问题

根据现有的数据源表格，时间维度取每整半小时的客运量数据，地点维度表示为每相邻车站区间的客运量数据，结合上述2.2.1中所指时间维度和地点维度中的多相邻时间段和区间段，经过分析可得如下结论：

a. 不同日，相同时间段或区间段，对应运力或运量均可相加；b. 不同日，相同或不同时间段或区间段，最大运力或运量均不可相加；c. 同一日，相同时间段不同区间段，运力或运量均不可相加；d. 同一日，相同区间段不同时间段，运力或运量均可相加；e. 同一日，不同时间段或不同区间段，最大运力或运量均不可相加。

（5）满载率及其它因素

除了上述几方面的研究，功能设计时还要考虑满载率及其它方面的因素。满载率是运量和运力的比值，使其达到一定的合理范围是运营管理的出发点和落脚点，而其它方面的因素还包括工作日和节假日的区分、列车定员数量等。

通过对以上5个问题的分析，运力运量配比功能的设计最终选取了8项相对有价值的子功能，其查询原则基于基础查询思想但相对更加复杂精细。图5所示为运力运量配比功能中全断面单时段运力运量配比最终的系统截图。