實時監(jiān)測和預(yù)測相結(jié)合的高鐵客流數(shù)據(jù)獲取方法研究

□ 呂 葉

一、引言

目前，我國高速鐵路營業(yè)里程占世界高鐵運營里程的60%以上，這表明我國已真正進入了高鐵時代。高速鐵路旅客列車開行方案的設(shè)計，是高速鐵路旅客運輸組織工作的核心，其設(shè)計質(zhì)量對于提升鐵路社會和經(jīng)濟效益具有決定性作用，關(guān)系到高速鐵路運營管理工作的成敗。而客流，作為制定開行方案的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其合理有效的獲取方法，是制定高速鐵路列車開行方案，指導高鐵列車運輸組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

二、高速鐵路客流數(shù)據(jù)的實際監(jiān)測

隨著我國客票發(fā)售系統(tǒng)的不斷升級和更新，鐵路系統(tǒng)徹底告別了以往的硬板票時代，不但使得客票的發(fā)售更加方便快捷，并且使客票數(shù)據(jù)的統(tǒng)計在技術(shù)上完全突破了壁壘。

旅客購買車票后，以下關(guān)鍵信息會記錄于鐵路客票發(fā)售系統(tǒng)當中。系統(tǒng)中所記錄的下列關(guān)鍵信息便可以全面而準確地描述制定和調(diào)整列車開行方案所需要的客流數(shù)據(jù):購票人姓名及身份證號碼可以識別不同的旅客;購票人所選乘列車車次即可識別出選乘相關(guān)高速鐵路列車的旅客;購票人的出發(fā)站和到達站便可以反映出旅客的OD(Origin and Destination，即出發(fā)地和目的地)。

根據(jù)以上信息，便可以初步得到所需統(tǒng)計的高速鐵路系統(tǒng)中的客流數(shù)據(jù):若aij表示該高速鐵路線路中在第i站上車，在第j站下車的旅客數(shù)，則可以利用鐵路客票系統(tǒng)中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到一個初步的旅客出行OD。對于設(shè)有n個車站的高速鐵路線路而言，該高速鐵路系統(tǒng)內(nèi)的旅客出行OD如表1所示:

表1 旅客出行OD統(tǒng)計表

三、高速鐵路客流數(shù)據(jù)的修正

上文研究了鐵路客流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法以及旅客出行的初步OD矩陣的獲取方法。有學者認為，通過鐵路客票數(shù)據(jù)的統(tǒng)計不能夠完全準確地得出旅客的出行OD，而通過路段流量的反推方法才能更好地獲得旅客出行OD流量［1］。

路段流量是指在相鄰兩個站點間的路段中沿某一方向輸送的旅客總流量。事實上，通過表1便可以求出路段流量。設(shè)ai、bi分別為在鐵路線路的第 i站的上、下客流人數(shù)，vi表示第i個路段(第i站和第i+1站之間的路段)的客流流量，則根據(jù)表1所示的各數(shù)據(jù)可以得到某一方向的路段流量(流向為第 i站到第i+1站)［2］:

根據(jù)上述三式，就可以把鐵路線路的所有路段流量計算出來，另一個方向的路段流量也按照上述方法計算。

根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣的思路可以概括性地描述為:路段流量實際上是OD客流在路段上的線性疊加，在某一方向上，一個路段上的流量，是該方向的所有OD點對的流量按照該OD點對流量在該路段上的分配比例分配在該路段上的流量的總和。因此，根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣實際上是一個將OD流量分配至各路段的逆過程，即交通分配的逆過程。

根據(jù)路段流量反推旅客出行OD矩陣的方法可以簡單地概括為:

第1步:構(gòu)造一個初始的旅客出行OD矩陣描述初始OD流量;

第2步:在初始OD矩陣的基礎(chǔ)上，利用交通分配模型求解初始OD流量分配在各路段上的理論流量vk

a;第3步:計算理論路段流量vka和實測路段流量va的偏差量Dka:

第4步:引入一個旅客出行OD矩陣的精度要求ε，若所構(gòu)造的旅客出行OD矩陣滿足精度要求，即所有路段理論流量vka的偏離度滿足精度要求，如式(5)所述:

則認為所構(gòu)造的初始OD矩陣可以描述實際的旅客出行的OD矩陣，若不滿足精度要求，則進行下一步計算;

第5步:利用此次計算所得出的偏差量Dka構(gòu)造初始OD矩陣修正率的計算公式，利用該修正率修正初始OD矩陣后得到新的OD矩陣;

第6步:在迭代后得到的新OD矩陣的基礎(chǔ)上，按照上述步驟判斷該OD矩陣是否滿足精度要求，如此重復(fù)迭代，直到經(jīng)過修正后的OD矩陣滿足精度要求為止，此OD矩陣被認為是可以描述實際的旅客出行的OD矩陣。

四、實際監(jiān)測和預(yù)測相結(jié)合的高鐵客流數(shù)據(jù)獲取方法

由于鐵路部門獲取客流數(shù)據(jù)和執(zhí)行按照客流數(shù)據(jù)編制的列車開行方案在時間上不是同步的，因此在制定列車開行方案時，列車開行方案執(zhí)行當日的客流數(shù)據(jù)是不能提前通過監(jiān)測獲得的。這就需要對列車開行方案執(zhí)行當日的客流情況進行短期客流預(yù)測。

在高速鐵路的運營過程中，根據(jù)一般的客流變化規(guī)律可以將客流分為三種情況，即日?？土鳌⒅芷谛宰兓目土饕约巴话l(fā)事件誘發(fā)的客流。因此在進行短期客流預(yù)測時，需要針對上述三種客流情況采取不同的方法:

(一)日?？土?。本文將高速鐵路的日?？土鞫x為非節(jié)假日時期的工作日客流，因為根據(jù)我國高速鐵路的運營經(jīng)驗，高速鐵路的周末客流較工作日存在較為明顯的增長，因此在這里不把周末客流作為日?？土?。

在預(yù)測之前，需要將已經(jīng)獲取的最新近階段的客流數(shù)據(jù)分為等分若干個時期。越近的時期的客流數(shù)據(jù)對預(yù)測數(shù)據(jù)的影響越大?；诖耍粘？土鞯念A(yù)測結(jié)果應(yīng)遵循以下公式計算:

上式中，An+1ij為預(yù)測時段內(nèi)站點i和j之間的OD流量;Akij為已獲得客流數(shù)據(jù)的時間段k內(nèi)站點i和j之間的OD流量;xk為已獲得客流數(shù)據(jù)的時間段k對預(yù)測客流數(shù)據(jù)的影響權(quán)重，其中k值越大(距離預(yù)測時間段越近)，權(quán)重值越大。根據(jù)上式，即可預(yù)測出列車開行方法執(zhí)行期間各站點間的旅客出行OD流量，并以此指導列車開行方案的制定與調(diào)整。

(二)周期性變化客流。按照客流周期性的變化規(guī)律，客流會發(fā)生明顯的波動，例如日常運營時期發(fā)生在周末的小高峰客流、“十一黃金周”等全國性節(jié)假日期間的客流還有春運、暑運期間的客流，這些客流稱為周期性變化客流。

周期性變化客流是基于對近期日常客流數(shù)據(jù)以及歷史時期客流數(shù)據(jù)的實際監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果進行的，有條件細化到對鐵路線路統(tǒng)計范圍的各站點的OD流量進行預(yù)測，因此可以提出周期性變化客流的預(yù)測結(jié)果計算公式:

上式中，A?ij為考慮周期性客流波動的站點i和j之間的OD流量預(yù)測值;Aij為不考慮周期性客流波動的站點i和j之間的OD流量預(yù)測值，S為周期性波動指數(shù)。

周期性波動指數(shù)，需要通過從歷史數(shù)據(jù)中比較日?？土鲾?shù)據(jù)和波動后的客流數(shù)據(jù)而獲得。通過觀察每一個周期的日?？土鲾?shù)據(jù)和波動后的客流數(shù)據(jù)，可以獲得該周期內(nèi)的周期性波動指數(shù)，如式(8)所示:

按照上述方法獲取每個周期的波動指數(shù)后，選取所獲取的近期若干個周期的周期波動指數(shù)，通過簡單移動平均法求得所需要的周期性波動指數(shù):

上式中，Sn+1為所需預(yù)測的周期波動指數(shù);Sn為通過歷史數(shù)據(jù)求得的近期各個周期的周期波動指數(shù)。

按照上述方法，可以求得客流發(fā)生周期性變化的時期各站點間的旅客出行OD流量，并以此指導列車開行方案的制定與調(diào)整。

(三)突發(fā)事件誘發(fā)客流。突發(fā)事件所誘發(fā)的客流變化，主要是指自然災(zāi)害、線路整修、大型經(jīng)貿(mào)或文體活動等事件所導致的較大規(guī)模的客流波動。這些事件當然在大多數(shù)情況下是可以預(yù)知的，這便為其所誘發(fā)的客流波動的預(yù)測提供了可能。針對突發(fā)事件誘發(fā)客流的客流量預(yù)測可以按照下述方式進行:

1．根據(jù)事件的實際情況確定大致的客流變化總量。事實上，針對自然災(zāi)害、線路整修、大型經(jīng)貿(mào)或文體活動等事件，是可以大致預(yù)估出此事件所導致的客流變化量的。

2．確定與事件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的站點OD對。根據(jù)突發(fā)事件的發(fā)生地點以及影響范圍，結(jié)合預(yù)測對象線路的各站點吸收客流的能力，確定事件會影響到的站點OD對:

設(shè)S是受到事件影響的站點OD對的集合，引入變量x，有:

3．確定事件誘發(fā)的各關(guān)聯(lián)OD對上的客流改變量。針對事件誘發(fā)的客流總量的改變量，根據(jù)事件對各關(guān)聯(lián)OD站點影響程度的大小，參考站點OD對原OD量的大小，將其分配至各站點OD對ΔAij中，使得:

4．預(yù)測突發(fā)事件誘發(fā)后統(tǒng)計范圍內(nèi)各站點間的旅客出行OD流量。首先預(yù)測未發(fā)生突發(fā)事件的情況下各站點間的旅客出行OD量Aij，然后根據(jù)突發(fā)事件作用下各站點OD的改變量ΔAij確定突發(fā)事件誘發(fā)后的各站點間的旅客出行OD流量 A?ij:

五、結(jié)語

本文通過分別對高鐵客流數(shù)據(jù)的實際監(jiān)測方法、客流數(shù)據(jù)的修正方法以及短期客流預(yù)測方法進行研究，從而提出了實際監(jiān)測與客流預(yù)測相結(jié)合的高速鐵路客流數(shù)據(jù)獲取方法，以期對高速鐵路列車開行方案的制定提供技術(shù)支持。

［1］王濟儒，查偉雄，李劍．由車站上下車客流量估計鐵路OD矩陣［J］．交通運輸工程與信息學報，2004

［2］楊永凱，宋瑞，李海榮．地鐵客流預(yù)測模型的分析與研究［A］．中國運籌學會．第四屆中國青年運籌與管理學者大會論文集［C］．中國運籌學會，2001