地鐵路網(wǎng)客流數(shù)據(jù)特征分析系統(tǒng)設(shè)計

蘆 毅，翁勇南，蔡 宇，張 欣

（1.北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208；2.地鐵運營安全保障技術(shù) 北京市重點實驗室，北京 102208；3.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

客流分布對于城市軌道交通運營階段的影響作用十分明顯[1]，其分布特征可從時間、地點、車站類型等不同方面進行分析[2]?？土鲾?shù)據(jù)是軌道交通規(guī)劃設(shè)計和運營管理的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]，對客流數(shù)據(jù)的精準分析，是掌握客流分布規(guī)律、提高城市軌道交通運營管理能力的重要前提。

目前，對軌道交通運營進行統(tǒng)計分析的客流數(shù)據(jù)，通常源于自動售檢票(AFC)系統(tǒng)獲得的客票數(shù)據(jù)[4]。從1998年底開始，AFC系統(tǒng)在我國城市軌道交通系統(tǒng)中投入使用[5]，2008年6月起，北京城市軌道交通啟用新型AFC檢票售票系統(tǒng)[6]，為客流的自動化統(tǒng)計分析提供了基礎(chǔ)。

然而，通過AFC系統(tǒng)匯總的客流數(shù)據(jù)，從軌道交通指揮中心導(dǎo)出后仍為Excel表格方式[7]。隨著地鐵系統(tǒng)規(guī)模以及客流量的日益增大，通過 Excel表格進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析越來越難以適應(yīng)當今地鐵客流數(shù)據(jù)量巨大的發(fā)展趨勢。本文通過分析大量客流數(shù)據(jù)及現(xiàn)有統(tǒng)計方法，設(shè)計了地鐵路網(wǎng)客流數(shù)據(jù)特征分析系統(tǒng)的總體架構(gòu)及內(nèi)部各功能模塊的形式、內(nèi)容和查詢方法，該系統(tǒng)可以快速準確地統(tǒng)計客流數(shù)據(jù)信息，已在運營實踐中得到了應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

（1）模塊化原則

模塊化是指將系統(tǒng)劃分成相對獨立模塊的過程，可以將復(fù)雜問題化簡，節(jié)約解決問題的成本[8]，合理劃分功能模塊是本系統(tǒng)研究的重點，決定了系統(tǒng)功能的總體架構(gòu)。

（2）高內(nèi)聚低耦合原則

模塊耦合是指兩個模塊間聯(lián)系的緊密程度，模塊內(nèi)聚是指一個模塊內(nèi)各組成部分聯(lián)系的緊密程度[8]，系統(tǒng)的高內(nèi)聚低耦合是系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，直接影響系統(tǒng)各個功能的設(shè)計思路。

（3）可擴展性原則

可擴展性為今后系統(tǒng)數(shù)據(jù)及功能升級擴充的保障，目前，地鐵路網(wǎng)規(guī)模逐年增大，一線部門的需求也將不斷更新，系統(tǒng)在軟件設(shè)計時必須考慮相應(yīng)的升級接口和升級空間。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能包括包括以下6個部分。

（1）全路網(wǎng)查詢：主要是通過對北京市城市軌道交通全路網(wǎng)所有線路斷面客流、斷面滿載率、車站客流的整體顯示，以圖形的方式為管理者總體把握全網(wǎng)運營情況提供直觀的描述。

（2）統(tǒng)計查詢：通過對日期、周期、星期等時間信息，對線路、車站、換乘站、斷面等位置信息，對客運量、換乘量、票卡等類型信息的選擇，以表格的形式展現(xiàn)所需上述客流數(shù)據(jù)的任意統(tǒng)計結(jié)果。

（3）定制查詢：以Excel表格直接輸出，旨在自動生成日常的對日、周、月、季度、年等固定時期需要的特定統(tǒng)計表格，以自動化形式簡化工作內(nèi)容，提高工作效率，同時規(guī)范各分公司的日常工作。

（4）運力運量配比：通過表格配圖形的形式對斷面的運力運量配比情況實現(xiàn)全方位多角度的分析。

（5）同比環(huán)比查詢：目的是以表格配圖形的形式對以往的客流信息走勢進行統(tǒng)計分析。

（6）系統(tǒng)管理：為系統(tǒng)管理員專用功能，旨在為系統(tǒng)以后的管理、維護、更新、完善提供保證。

系統(tǒng)的6大功能模塊各有特點。全路網(wǎng)查詢功能側(cè)重于對全路網(wǎng)整體客流分布的直觀描述，統(tǒng)計查詢功能側(cè)重于任意類型特定的查詢結(jié)果，定制查詢功能側(cè)重于定期的定制報表輸出，運力運量配比和同比環(huán)比功能針對兩類特定方面的實際需求，系統(tǒng)管理功能則是對用戶、時間、地點、數(shù)據(jù)源等方面的數(shù)據(jù)維護。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計以實現(xiàn)現(xiàn)有客流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢、匯總分析、導(dǎo)入導(dǎo)出、管理維護等功能為目的，系統(tǒng)輸出形式以圖形和表格為主。

系統(tǒng)基于Java平臺開發(fā)，使用DB2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，采用B/S結(jié)構(gòu)，信息的分析處理在服務(wù)器端完成。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)中統(tǒng)計查詢和運力運量配比的功能設(shè)計相對復(fù)雜，在此對其設(shè)計分析過程進行詳細闡述。

2.1 統(tǒng)計查詢

如前所述，統(tǒng)計查詢功能旨在實現(xiàn)客流數(shù)據(jù)在任意時間、任意地點、任意維度的統(tǒng)計結(jié)果，其查詢思想也貫穿于地鐵客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)其它功能之中。

查詢思想具體而言即通過本系統(tǒng)的開發(fā)，最終實現(xiàn)快速及時地統(tǒng)計任意時期(年、月、周、日、工作日、節(jié)假日等)、任意時段（24 h、1 h、0.5 h、早高峰、晚高峰等）、任意地點（線路、車站、換乘站、斷面區(qū)間等）、任意類型（客運量、換乘量、進出站量、票卡信息、斷面信息、滿載率信息等）、任意統(tǒng)計方式（同比、環(huán)比、日報表、周報表、月報表等）的各種客流數(shù)據(jù)信息，以及其不同表示方法（圖、表等）的統(tǒng)計分析結(jié)果。

通過對客流數(shù)據(jù)源[7]中各種參數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，其間關(guān)系相對比較復(fù)雜，交織在一起可以形成諸多不同的需求結(jié)果，以下為一些典型的實例：

（1）某段時間某條線路的客運量匯總（按本線、其它線進出劃分），內(nèi)容包括進線量、換乘量、客運量、路網(wǎng)客運量；

（2）某段時間某條線路的客運量匯總（按付費性質(zhì)、票種劃分），內(nèi)容包括進線量、換乘量、客運量；

（3）某段時間某換乘站客運量匯總，內(nèi)容包括日換乘總量、小時最大換乘量、對應(yīng)小時段、占全日比例；

（4）某段時間某換乘站按每0.5 h統(tǒng)計的進站量、出站量、換乘量及合計量，換乘量包括上、下行間的交叉換乘量和總換乘量；

（5）某段時間某條線路某車站按每0.5 h統(tǒng)計的進站量、出站量、進出站量及日合計量；

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

（6）某段時間某條線路某車站的出站票、車站工作票、單程票、定值紀念票、福利票、一卡通員工卡、一卡通儲值卡等票卡信息；

（7）某段時間某條線路某斷面區(qū)間按每0.5 h統(tǒng)計的斷面客流量；

（8）某段時間某條線路某斷面客流量匯總，內(nèi)容包括小時最大斷面客流量、對應(yīng)區(qū)間段、時間段、滿載率等。

根據(jù)對以上諸多不同參數(shù)及不同功能的分析，最終確定系統(tǒng)基礎(chǔ)查詢的具體設(shè)計方案。即按時間周期到地點再到類型的選擇順序進行查詢，時間周期為最初始、最關(guān)鍵也是最基礎(chǔ)的查詢選項類別，其影響后面的地點和類型的結(jié)構(gòu)，也決定了最終查詢結(jié)果的表格結(jié)構(gòu)。

圖2所示為統(tǒng)計查詢功能中客運量和換乘量的基礎(chǔ)查詢功能設(shè)計圖。圖3所示為統(tǒng)計查詢功能中客運量查詢最終的系統(tǒng)截圖，其基礎(chǔ)查詢過程與設(shè)計思路完全一致。

2.2 運力運量配比

通過對斷面客流數(shù)據(jù)源[7]的深入分析，發(fā)現(xiàn)斷面運力運量配比功能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)冗余維度比較多。

2.2.1 維度分析

就單日單線路單行車方向而言，可從以下幾個角度進行分析。

（1）時間維度

以整點0.5 h為坐標劃分，全日24 h可以劃分為48個時間坐標（由于本日結(jié)束時刻即為下一日開始時刻，所以不能重合），而可以組合形成的時間段為個，即有276個時間段之多。

圖2 基礎(chǔ)查詢功能設(shè)計圖

圖3 客運量基礎(chǔ)查詢功能系統(tǒng)截圖

（2）地點維度

以地鐵線路的車站為坐標點劃分，全線n個車站可以劃分為n個地點坐標，如果以某兩個車站間的區(qū)間為一個區(qū)間單元，一條線路n個車站可以劃分為個斷面區(qū)間，如考慮斷面區(qū)間的上下行方向即為個斷面區(qū)間（假定線路為非環(huán)線線路）。例如某條地鐵線路有車站23座，相鄰斷面區(qū)間為22個，可組合形成的斷面區(qū)間為253個，考慮上下行情況的話，斷面區(qū)間分別為44個和506個。

（3）斷面極值維度

由上所述，斷面客流數(shù)據(jù)在時間和空間上全面反映了全路網(wǎng)客運流量的整體運行情況，而就某一時間或某一地點維度統(tǒng)計的斷面客流量的極值即最大峰值，其在對應(yīng)的地點或時間維度又可以形成反映最大斷面流量的客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

此極值流量不僅和時間、地點維度密切相關(guān)，反映了地鐵運營的潮汐特點，而且即便是同一時間同一斷面在運力和運量上的表現(xiàn)也不盡相同，對其分布規(guī)律的研究將為提高地鐵運營管理質(zhì)量提供非常有益的支持。

（4）運力與運量維度

運力與運量作為兩個不同的維度，實質(zhì)上是理論與實際在運營組織中的不同表現(xiàn)，即運力是為了滿足運量需要和運營效率最大化而不斷變化的，運力的不斷變化又不斷影響著運量，運力與運量的相互作用又形成了滿載率。由此可見，運力與運量在實際中是運營管理的核心。

圖4為北京地鐵5號線（上行）某工作日全日全斷面客流運量分布圖，其中，x軸為時間維度，y軸為斷面維度，z軸為斷面運量維度。根據(jù)運行圖車次時刻表也可得出類似的列車運力分布圖。

圖4 北京地鐵5號線（上行）全日全斷面客流分布圖

2.2.2 統(tǒng)計方式分析

通過以上分析可知，以時間維度和地點維度構(gòu)成的二維平面基礎(chǔ)上，加之運力或運量維度共同構(gòu)成的三維立體客流數(shù)據(jù)平臺上，沿時間維度、地點維度和流量維度依次切割可形成不同類型的統(tǒng)計形式。

此統(tǒng)計方式相對復(fù)雜，因其在運力運量配比功能中體現(xiàn)較為明顯，下面就以此功能為例詳細說明設(shè)計的分析過程。

根據(jù)對全日全斷面客流分布圖的研究，可從以下不同角度對數(shù)據(jù)進行分析。

（1）全時段全斷面

全時段全斷面統(tǒng)計為各線路每日斷面的最全面最詳細的統(tǒng)計結(jié)果，其又包括上行和下行、運力和運量等不同類型。

（2）單時段全斷面和全時段單斷面

單時段全斷面和全時段單斷面統(tǒng)計為把全日全斷面三維分布圖按時間維度和地點維度分別切入得出的統(tǒng)計結(jié)果，也包括上行和下行、運力和運量等不同類型。

（3）單時段單斷面最大與全日最大

單時段或單斷面最大值為之上所述單時段全斷面和全時段單斷面統(tǒng)計的延伸，全日最大為單日中最大值對應(yīng)的時段和區(qū)間。最大值除了包括上行和下行、運力和運量等不同類型外，每個極值還有著各自對應(yīng)的時段和區(qū)間，也可以理解為沿值的維度對全日全斷面三維分布圖的分析研究。

（4）相加問題

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源表格，時間維度取每整半小時的客運量數(shù)據(jù)，地點維度表示為每相鄰車站區(qū)間的客運量數(shù)據(jù)，結(jié)合上述2.2.1中所指時間維度和地點維度中的多相鄰時間段和區(qū)間段，經(jīng)過分析可得如下結(jié)論：

a. 不同日，相同時間段或區(qū)間段，對應(yīng)運力或運量均可相加；b. 不同日，相同或不同時間段或區(qū)間段，最大運力或運量均不可相加；c. 同一日，相同時間段不同區(qū)間段，運力或運量均不可相加；d. 同一日，相同區(qū)間段不同時間段，運力或運量均可相加；e. 同一日，不同時間段或不同區(qū)間段，最大運力或運量均不可相加。

（5）滿載率及其它因素

除了上述幾方面的研究，功能設(shè)計時還要考慮滿載率及其它方面的因素。滿載率是運量和運力的比值，使其達到一定的合理范圍是運營管理的出發(fā)點和落腳點，而其它方面的因素還包括工作日和節(jié)假日的區(qū)分、列車定員數(shù)量等。

通過對以上5個問題的分析，運力運量配比功能的設(shè)計最終選取了8項相對有價值的子功能，其查詢原則基于基礎(chǔ)查詢思想但相對更加復(fù)雜精細。圖5所示為運力運量配比功能中全斷面單時段運力運量配比最終的系統(tǒng)截圖。

圖5 全斷面單時段運力運量配比截圖

3 結(jié)束語

本文詳細研究了地鐵客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能設(shè)計，由于篇幅所限許多功能不能詳盡描述。該系統(tǒng)已應(yīng)用于北京地鐵運營公司客運管理相關(guān)部門，有助于地鐵工作人員對整體客流信息的把握，實現(xiàn)對客流數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、規(guī)模化管理，為優(yōu)化運營組織提供基礎(chǔ)，是線網(wǎng)運營計劃制訂和協(xié)調(diào)的重要依據(jù)。

[1] 李 樸，徐田坤，劉夏楠.網(wǎng)絡(luò)化運營模式下城市軌道交通客流分布特性[J].綜合運輸，2013（2）：73-77.

[2] 王 洋，賈利民，徐 杰，等.城市軌道交通突發(fā)事件客流誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵路計算機應(yīng)用，2012，21（10）：55-58.

[3] 盧 愷，韓寶明，魯 放.城市軌道交通運營客流數(shù)據(jù)分析缺陷及應(yīng)對[J].都市快軌交通，2014，27（4）：25-29.

[4] 邵星杰，李其林.票卡清分客流分析系統(tǒng)的功能設(shè)計[J].都市快軌交通，2011（5）：51-54.

[5] 鄧先平，陳鳳敏.我國城市軌道交通AFC系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].都市快軌交通，2005，18（3）：18-21.

[6] 汪 波.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營理論與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014：12-16.

[7] 北京市軌道交通指揮中心. 2016軌道交通路網(wǎng)運營信息日報[R]. 北京：北京市軌道交通指揮中心， 2016：1-365.

[8] 劉新航.軟件工程與項目管理案例教程[M].北京：北京大學出版社，2009：58-63.