高速铁路列车开行方案评估系统关键技术研究

张 宇，贺振欢，聂 磊

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

列车开行方案是以客运量为基础，以客流性质、特点和规律为依据，科学合理地安排列车开行等级、种类、起讫点、数量、经由线路、停站方案、客座利用率、编组内容和车底运用等内容，体现从客流到列车流的组织方案[1]。其编制是高速铁路运营管理及发展的基础，采用科学合理的评估方法及表达方式对列车开行方案的运营效果进行评估，对于列车开行方案的进一步调整和优化具有重要的意义。

国内外学者对此展开了一系列研究，从技术、经济等不同角度构建了指标体系，提出了列车开行方案的评估方法[2-6]，并开发了相关系统或功能模块[7-9]，为列车开行方案评估提供了基础的理论内容。

1 问题分析

高速铁路列车开行方案体系庞大，影响因素众多，方案评估涉及数据内容较多，如图 1所示。开行方案评估基础数据种类多，要素复杂且数据量级庞大（以京沪单线列车开行方案评估为例，当以日为评估单位时，评估涉及客流数据可达10万条左右）。对于列车开行方案的评价可以划分列车和整体方案两个层次，建立包含经济效益、技术水平、旅客服务质量和车流匹配4个方面的多层次综合评价指标体系[2]。其中，经济指标反映开行方案的收益水平；技术指标反映开行方案列车运用以及OD服务的基础信息；车流匹配和旅客服务质量从客流角度分析开行方案的实际运用效果。

图1 系统数据内容示意图

目前，评估指标与方法的研究相对比较成熟，而计算机评估系统方面的研究相对匮乏。传统评估系统常以表格和简单数据罗列等模式展示评估结果，对方案的评估精细程度及优化方向指导力度不够，指标的可视化研究力度有待加强。评估系统的目的在于使用简单明了的表达方式，将上述指标内容以定性或定量的方式简单直观的表达出来，服务于方案的优化及调整。方案评估相关指标数据类型多、数据量大、指标结果侧重点各有所异，表达模式已不仅局限于传统数据表格所能提供的数据表达模式，更需要结合指标结果数据类型、评估目的等针对性设计，诸如趋势性数据表达、对比性数据表达等方式以突出方案的优劣。

结合以上分析，如何以简单严谨的数据管理方式对数据进行高效的管理以保证系统的准确、灵活与高效；如何设计开发与指标特点相适应的表达技术以满足各类指标的表达需求，是开行方案评估系统亟待研究的重要问题。以C#语言为开发工具，重点研究高速铁路列车开行方案评估系统数据管理关键技术以及多级指标动态展示技术、通用图表表达技术等指标表达关键技术，并在实际研究中予以应用。

2 系统数据管理技术

列车开行方案评估数据主要受到时间、空间和逻辑时序3方面约束。由于开行方案影响因素众多，评估过程涉及基础数据内容复杂，且评估指标侧重点各有不同，系统极易形成逻辑复杂的庞大的数据树。因此，系统数据管理的主要需求是：根据开行方案评估需求，严格数据抽取及构建的逻辑流程，保证数据管理及分析计算阶段的数据准确性、高效性。

系统主要采用数据逻辑约束及组织管理2种控制方法解决数据管理难题。其系统数据管理方法，如图 2所示，系统从“横-纵”两个方向建立数据组织管理关系。

图2 系统数据管理方法

横向的数据管理关系主要按照数据类别分类管理，设计生成路网数据管理器、客流数据管理器在内的若干逻辑数据管理器，统一负责本类数据的维护。

纵向的数据管理关系按照列车开行方案评估的逻辑顺序：（1）将当前方案评估过程中每一步操作过程下的数据集合起来运用各层的数据管理器集中管理；（2）按照如图所示的“从上到下”的逻辑顺序，依次完成构建方案评估对象、进行单（多）方案评估、计算方案评估指标以及指标表达数据的传递等过程。

在此过程中，数据顶层逻辑管理器将依据数据类别及当前数据的关系负责校验及维护数据的逻辑合理性。系统根据数据类别以及所处评估流程中的位置关系严格约束了系统数据的运算逻辑，保证系统数据运算的安全性及高效性。

3 多级指标动态展示技术

传统开行方案评估过程中较为关注的数据指标包括客流量、周转量和能力等单值型技术指标内容。传统评估以单值数据简单表达方案整体性评估结果，而相对缺少按照技术指标影响因素划分更细致的评估角度对方案运用的评估表达。本系统将上述单值指标内容按照列车类型、OD距离等划分不同的评估维度，在表达整体方案技术指标的同时，按照更细致的评估维度计算分析上述技术指标并加以表达，从而重点突出方案内不同类别列车开行情况或客流服务效果。

（1）单值指标体系指标层级与指标内容存在类树形结构，但指标树的深度以及各个分支子节点数量不固定；

（2）指标表达过程中，指标的展示层级及内容的定义和表达可以根据不同的评估需求动态调整；

（3）评估指标结果的表达层级及表达内容定义过程可动态调整。

借鉴传统表格所具有的数据表达直观性的优势，将表格结构予以改进，设计研究出多级指标动态展示技术实现多层级评估指标的清晰展示及表达内容的动态调整。具体效果，如图3所示。

多级指标动态展示控件指标表达界面实现过程中，根据单值型评估指标体系的类树形结构特征，采用递归算法为核心构建控件绘制算法。

（1）系统将上述技术指标内容不同影响因素作为指标边界构建指标树分支以形成类树形指标结构；

（2）根据指标的树形结构以深度优先的策略循环调用窗格绘制方法；

（3）根据指标间的层级关系，修改的窗格绘制函数的表格背景色及字体颜色等参数从而区分指标层级及从属关系，形成如图3a的表达效果。

图3 多级指标效果图

多级指标展示界面的动态调整过程则以回溯算法为核心实现，系统通过深度优先搜索的方式，将指标动态定义界面所设置的指标的显示状态由低层级到高层级进行不断回溯以获取完整的指标树，待展示状态设置结束后则交由指标展示界面重绘指标内容及层级属性，实现多级指标表达的动态调整，具体动态定义界面，如图3b所示。

4 通用图表表达技术

开行方案评估过程中，经济效益指标，车流匹配指标以及旅客服务质量指标等指标结果多为趋势性或对比性数据，适用于折线图、柱状图等表达方式对指标内容进行详细展示。但由于类似指标数量较多，系统实现过程中如将上述指标内容逐个进行表达图表的绘制，将造成较大的冗余。设计研究通用图表表达技术，实现柱状图、折线图内容的统一绘制，解决了指标表达过程中图表绘制的重复性操作问题，降低了系统冗余性。

具体实现过程中，系统利用基础绘图类库内容形成绘图面板，设计包含界面缩放平移等基础属性在内的底层控件；在控件之上封装入柱状图、折线图2类绘图方法并保留数据传入接口，数据表达过程中则可按照数据内容选择性传递数据参数以获取不同的表达方式，满足不同指标的数据表达需求，降低了指标表达的重复性绘制工作，提高了系统运算效率。具体实现效果，如图4所示，其中，图4a展示了柱状图表达模式，对比突出当前方案较多的列车旅行速度分布在120～180 km/h；图4b展示了折线图表达模式，突出了日均客座收入日变化情况；图4c展示了柱状图及折线图综合运用的表达模式，柱状图表示车站平均服务人数，折线表示途经列车服务频率，二者结合表明，诸如济南西、徐州东、南京南等重点站列车服务频率较高于车站平均服务人数所需求的列车开行频率，相关列车停站结构有一定的调整空间。

图4 通用图表表达示意图

5 基于物理网的数据可视化技术

开行方案评估表达不仅仅是对于方案基础指标属性的表达，更需要直观、准确展示开行方案的路网服务情况，线路资源配置情况等，以实现从空间或时空角度对方案整体效果进行评估。因此基于物理网的数据可视化内容既包括当前国内高速铁路网的基础分布情况展示，又包括与物理网密切相关的列车开行方案评估指标内容的表达。具体指标内容包括：全网客流量及运力资源分布情况；单一线路的输送能力、线路客流量；节点（车站）的服务频率以及可达性等。该部分数据内容表达与物理网密切相关，范围涵盖全网、线路、节点或车站等多个层次，其实现的主要难点是如何以物理网为基础合理展示指标数据。

研发的基于物理网的数据可视化技术以实际高速铁路路网数据为基础，采用分层设计、逐层继承的控件集成开发模式定义开发普适性表达组件。该表达控件以GDI+绘图技术为主要工具[10-11]，通过将实际路网缩放绘于计算机展示界面之上，以界面的线条颜色、粗细等属性变化实现评估指标数据的表达。根据高速铁路网的路网、节点（车站）、线路3大评估要素，相对应的指标表达控件划分路网层、节点（车站）层以及线路层进行指标结果的表达。

（1）铁路路网层，该层为整个控件的基础层级，详细展示了当前我国大陆高速铁路线路分布情况。

（2）节点（车站）指标表达层，该层在路网层基础上，调节线路中节点或车站的图标颜色及半径等内容实现评估指标结果的展示。如车站直达范围评估指标中以车站半径表示车站列车服务频率，颜色表示研究节点到该车站的平均旅行时间范围。

（3）线路指标表达层，该层在高铁线路网的基础上调整线路颜色绘制实现客流量等线路相关指标内容的表达。

6 系统实现

根据上述研究结果，系统已在.NET平台下用C#语言开发实现[12]。系统应用上述数据管理技术以及评估指标表达技术实现了对于数据内容的高效管理以及评估指标的可视化展示。目前该系统不仅服务于科研项目的开行方案评估优化理论研究阶段，更在铁路运输企业中得到实际应用并产生了良好的效果。

（1）系统运用多集指标动态展示技术，逻辑清晰的将方案基础信息以及技术指标等20余项数据内容采用列表形式进行展示，详细列出了不同分类层级下评估指标结果；

（2）系统运用通用图表表达技术，通过柱状图、折线图等表达模式，展现了诸如日收入变化，日客流量变化、车流匹配效果等23项经济指标以及客流服务相关指标内容；

（3）系统运用基于物理网的数据可视化技术，以线条颜色及粗细展示了高速铁路路网分布、方案所服务的客流量、周转量以及节点直达范围等7项指标内容。

7 结束语

随着铁路运营管理智能化的发展，开发研究智能化的列车开行方案评估系统对于开行方案的调整分析具有重要的意义。针对高速铁路列车开行方案评估系统关键技术，设计研究基于系统数据管理技术、多级指标动态展示技术、通用图表表达技术和基于物理网的数据可视化技术4部分指标表达技术内容，从系统计算效率以及表达直观性、准确性角度上实现了对于评估系统的优化，为开行方案智能化评估提供了科学可靠的辅助决策工具。