鐵路基礎(chǔ)OD數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)研究

胡必松

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

鐵路基礎(chǔ)OD(Origination and Destination)數(shù)據(jù)是開展鐵路基礎(chǔ)設施規(guī)劃建設、鐵路行車組織、運營管理及營銷決策科學化的重要統(tǒng)計數(shù)據(jù)和關(guān)鍵支撐，每對OD數(shù)據(jù)均包含了行政區(qū)劃范圍、小區(qū)名、小區(qū)重心、所包含的鐵路車站以及客貨交流統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。在交通大數(shù)據(jù)及鐵路高質(zhì)量發(fā)展時代背景下，我國鐵路客貨運量統(tǒng)計小區(qū)劃分已由483個OD小區(qū)調(diào)整為582個OD小區(qū)，統(tǒng)計品類也擴充到23個品類，即基于582個OD小區(qū)的客貨分布交流數(shù)據(jù)[1-2]，其中客類數(shù)據(jù)分為高速、動車、城際、普速和合計5個品名，貨類數(shù)據(jù)又分為煤炭、鋼鐵、木材、集裝箱、合計等18個品名。因此，對全國OD小區(qū)所有數(shù)據(jù)檢索是基于7790652對數(shù)據(jù)的疊加計算。目前鐵路設計中OD客貨交流分析預測尚缺乏成熟的專業(yè)軟件，主要是利用已完成類似項目的EXCEL表格進行統(tǒng)計分析[3-6]，需要進行大量繁瑣的重復性計算，工作效率低，勞動強度較大，同時OD數(shù)據(jù)合并計算容易出錯，預測分析功能不足，設計人員難以有效聚焦于OD數(shù)據(jù)分析、運量預測及項目設計的優(yōu)化上，因此，開發(fā)鐵路基礎(chǔ)OD數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)任意OD小區(qū)間運量數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢索、分析和預測是非常有必要的。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 基礎(chǔ)年度客運OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計需求

基礎(chǔ)年度客運OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可直觀反映區(qū)域鐵路旅客運輸市場發(fā)展水平、分布規(guī)律等基礎(chǔ)特征。隨著區(qū)域鐵路網(wǎng)逐步完善、運輸供給產(chǎn)品日益豐富，客運OD數(shù)據(jù)規(guī)模也愈加龐大和復雜，需結(jié)合不同項目進行合理歸并與分析，主要需求包括以下4方面。(1)旅客OD范圍劃定與歸并。分為華北、東北、華東、中南、西北、西南、香港、澳門等大區(qū)域，以及根據(jù)32個省區(qū)及其下轄市、縣、鎮(zhèn)等細分為582個OD小區(qū)，能夠結(jié)合具體項目影響范圍進行整合與歸并。(2)研究區(qū)域旅客到發(fā)總量統(tǒng)計。主要用于以時間為軸的發(fā)展變化態(tài)勢，對掌握鐵路承擔市場份額、研判增長率等提供重要支撐，因此，需要實現(xiàn)對不同地區(qū)、不同年度發(fā)到量的統(tǒng)計與導出。(3)基于出行區(qū)劃的OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計。OD分布進一步明確流量的產(chǎn)生和消失地，也是進行流量流向分析的基礎(chǔ)，不同層級鐵路項目的規(guī)劃設計對OD數(shù)據(jù)的分析范圍、分析深度是存在差距的，因此需進行不同深度的劃分，具體可分為大區(qū)、省間、市鎮(zhèn)間旅客OD交流等層次。(4)基于運輸供給的OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計。目前鐵路客運市場已形成涵蓋高速鐵路、城際鐵路、普速鐵路等多種模式的運輸產(chǎn)品，不同地區(qū)內(nèi)產(chǎn)品組合也不同，因此，需根據(jù)運輸供給產(chǎn)品分類分析鐵路旅客OD數(shù)據(jù)特征，用于分析旅客出行選擇特征、相關(guān)線路分工等。

2.2 基礎(chǔ)年度貨運OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計需求

基礎(chǔ)年度貨運OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可直觀反應區(qū)域鐵路貨運市場發(fā)展水平、區(qū)域間產(chǎn)業(yè)合作、貨物流量流向等，其系統(tǒng)需求包括以下3方面。(1)貨運OD范圍劃定與細分。與旅客OD范圍劃分類似，但貨運OD范圍劃分還需結(jié)合地區(qū)資源互補特征、產(chǎn)業(yè)合作領(lǐng)域等進行考量，需根據(jù)項目服務區(qū)內(nèi)相關(guān)節(jié)點的資源稟賦、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對全國582個OD進行合并。(2)研究區(qū)域貨物到發(fā)量統(tǒng)計。對現(xiàn)狀鐵路貨運發(fā)送量、到達量的分類統(tǒng)計分析可反應區(qū)域現(xiàn)狀貨運市場發(fā)展水平、承擔比例，同時也可結(jié)合區(qū)域不同發(fā)展時期的政策環(huán)境變化及時掌握鐵路貨運發(fā)展的推動因素、受限因素等，因此，需實現(xiàn)對不同地區(qū)、不同年度發(fā)送量、到達量的統(tǒng)計與導出。同時，不同地區(qū)的貨運品名之間存在較大差異，需進一步按品名進行劃分。(3)研究區(qū)域貨運OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計。需要合理反映不同品名貨物發(fā)送量的主要流向區(qū)域、到達量的主要來源區(qū)域以及交流強度，為進一步預測貨運總量及分布提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.3 研究年度客運OD數(shù)據(jù)預測需求

在基礎(chǔ)年度旅客發(fā)到總量、空間分布特征以及歷年變化趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人口發(fā)展規(guī)劃、路網(wǎng)布局等綜合因素，借助一定的數(shù)學模型將主要影響因素進行合理量化，并選取適宜的數(shù)理方法對研究年度的旅客到發(fā)總量、空間分布等進行預測。主要需求包括以下3方面。(1)研究區(qū)域旅客到發(fā)總量預測。合理量化不同時期的客運增長率，通過對相關(guān)模型的參數(shù)標定，及時生成研究年度的旅客總量。(2)研究區(qū)域客運OD分布預測。采用OD分布預測模型，結(jié)合現(xiàn)狀OD分布，將預測的旅客發(fā)到總量合理分配到空間各區(qū)域之間，生成OD交流分布預測表。(3)研究區(qū)域旅客流量流向分析。需結(jié)合OD小區(qū)劃分及OD分布預測結(jié)果，對區(qū)域內(nèi)外主要方向進一步整合歸并，獲得區(qū)域鐵路旅客流量流向表。

2.4 研究年度貨運OD數(shù)據(jù)預測需求

在基礎(chǔ)年度貨物發(fā)送量、到達量、空間分布特征以及歷年變化趨勢分析的基礎(chǔ)上，選取適宜的數(shù)理方法對研究年度貨物到發(fā)總量、空間分布等進行預測。主要包括以下3方面。(1)研究區(qū)域貨物到發(fā)量總量及分品類預測。(2)研究區(qū)域貨流OD分布預測，包括貨運總量OD分布預測與分品類貨運OD分布預測。(3)研究區(qū)域貨物OD流量流向分析。結(jié)合OD小區(qū)劃分結(jié)果確定貨物的主要空間流向及流量，生成趨勢及流向圖。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織

系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作對象為常見的excel、txt文件，圖形輸出包括jpg、png、emf等格式，軟件應盡量簡潔，使用方便，運行快速，保密性好，具有很好的適應性和靈活性。因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織主要為讀取文件類數(shù)據(jù)，通過.NET文件流進行操作，在內(nèi)存中建立相應的邏輯關(guān)系，但對excel、txt文件表頭有一定的數(shù)據(jù)格式要求，如表1～表5所示。

表1 OD小區(qū)與省份關(guān)系

表2 OD小區(qū)劃分

表3 指定年度指定品類OD交流 萬t

表4 指定品類發(fā)送量、到達量統(tǒng)計 萬t

表5 指定年度分品類發(fā)送量、到達量統(tǒng)計 萬t

3.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊劃分如表6所示。

表6 系統(tǒng)功能模塊劃分

3.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用微軟推薦的三層架構(gòu)體系[7-11]，如圖1所示。其中，DAL數(shù)據(jù)訪問層主要負責excel、txt、二進制等文件類的讀寫操作；BLL邏輯處理層是整個系統(tǒng)的核心，封裝了OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、OD生成量預測、OD分布量預測等業(yè)務方法類；UI表示層負責用戶與整個系統(tǒng)的交互，僅與界面元素有關(guān)；Model實體層是內(nèi)存中操作的各類數(shù)據(jù)類。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.4 系統(tǒng)功能模塊關(guān)系與處理流程

系統(tǒng)功能模塊關(guān)系及處理流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊邏輯關(guān)系及流程

OD小區(qū)管理模塊：主要通過“原始小區(qū)”、“已選小區(qū)”、“合并小區(qū)”3個列選框?qū)崿F(xiàn)，同時在系統(tǒng)內(nèi)存中通過C#字典格式進行存儲。其邏輯關(guān)系為：系統(tǒng)讀取OD小區(qū)與省份關(guān)系表中的數(shù)據(jù)更新到“原始小區(qū)”列選框，供用戶選擇或取消；通過鼠標上下拖動小區(qū)位置，后續(xù)統(tǒng)計分析生成的excel表格中行列順序即以此為依據(jù)；ctrl+鼠標左鍵選擇多個小區(qū)，點擊進行合并小區(qū)名稱設置，合并后的小區(qū)進入“合并小區(qū)”列選框，也可取消合并；選好的小區(qū)可保存為txt文件；通過讀取小區(qū)操作，可彈出打開對話框讀取文件，并更新“已選小區(qū)”列選框。

指定品類分年度查詢模塊：OD小區(qū)選擇及設置完成后，下拉框中選擇“品類”及“到發(fā)量”，起始年份中“結(jié)束年份”下拉框中選擇的年份要大于“開始年份”下拉框中選擇的年份，之后進行計算查詢、圖表分析和數(shù)據(jù)導出。

指定年份分品類查詢模塊：OD小區(qū)選擇及設置完成后，復選框中進行品類全選或者自定義選擇，之后進行計算查詢、圖表分析和數(shù)據(jù)導出。

OD生成量預測模塊：需先進行指定品類分年度查詢，同時需保證至少有3個年度以上數(shù)據(jù)，以便獲得原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及歷年發(fā)展趨勢，之后設置預測年度、預測方法及權(quán)重、預測參數(shù)，進行OD生成量預測、圖表分析和數(shù)據(jù)導出。系統(tǒng)實現(xiàn)了基于歷史年均增長率法、灰色預測GM(1，1)模型[12-15]、時間序列等組合方法。

OD分布量預測模塊：需要原始OD分布量表、目標年度發(fā)送量、到達量，可以是系統(tǒng)自動生成的內(nèi)存格式，支持用戶人機交互更改，也可以是用戶新建符合格式的Excel表格，系統(tǒng)采用Fratar模型[16-17]進行分布量預測，用戶可設置誤差及迭代次數(shù)等參數(shù)。

OD數(shù)據(jù)圖表分析模塊：將各年度到達量、發(fā)送量、分布量傳遞到圖表分析組件，生產(chǎn)趨勢圖、流量流向等圖形。

4 系統(tǒng)效果及評價

本系統(tǒng)是一套具有鐵路特色的專業(yè)OD數(shù)據(jù)管理分析軟件，適用于鐵路網(wǎng)規(guī)劃、運輸需求分析、運輸組織設計等工作，系統(tǒng)界面及功能詳見圖3～圖5。

圖3 OD小區(qū)管理及查詢分析

圖4 OD生成量預測

圖5 OD分布量預測及對比

本系統(tǒng)快捷、方便、高效，運行耗用內(nèi)存僅為1M左右，能夠滿足現(xiàn)行PC機實際運行環(huán)境的需求。系統(tǒng)在內(nèi)存為4G、處理器主頻為2.67 GHz的PC機上運行效率為：以全國33個省份OD、23個運輸品類OD數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)查詢測試，耗時不到8 s，單個品類OD查詢數(shù)據(jù)耗時控制在1 s以內(nèi)；能夠即時進行OD小區(qū)發(fā)送量、到達量預測；進行50×50個OD分布量預測，求解耗時控制在2 s以內(nèi)。

系統(tǒng)采用3層架構(gòu)體系構(gòu)建，并預留相關(guān)接口，有利于標準化的實現(xiàn)和各層邏輯的復用，通過動態(tài)DLL鏈接庫將數(shù)據(jù)實體與各邏輯操作層分開，各個層次能夠保持獨立，系統(tǒng)維護和版本升級時只需替換相應的DLL鏈接庫即可，從而增強系統(tǒng)的可拓展性和適應性，并能降低成本，易于配置和維護。

5 結(jié)語

鐵路基礎(chǔ)OD數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對全國鐵路客運、貨運等23個運輸品類的綜合管理，對任意OD小區(qū)的分品類客貨交流數(shù)據(jù)查詢綜合分析應用，對任意OD小區(qū)研究年度生成量、分布量進行預測和對OD數(shù)據(jù)進行圖表分析等功能。系統(tǒng)深入分析用戶需求，采用3層架構(gòu)體系，實現(xiàn)OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢索、分析，實現(xiàn)基于歷史年均增長率法、灰色預測GM(1，1)模型、時間序列等組合方法及Fratar模型進行預測等方面具有一定的創(chuàng)新性。

該系統(tǒng)已在新時代西北及西藏自治區(qū)鐵路網(wǎng)規(guī)劃、陜西省鐵路網(wǎng)規(guī)劃、西安至十堰高鐵、川藏鐵路等項目設計中應用，得到了實際工程項目的檢驗，大幅提高了工作效率，具有很好的支撐輔助作用，下一步將從運量預測方法拓展及OD小區(qū)地理信息可視化角度進一步完善系統(tǒng)。