铁路综合客流与列流管理系统的研究与实现

汪健雄， 贾新茹， 王炜炜， 张军锋

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路综合客流与列流管理系统的研究与实现

汪健雄， 贾新茹， 王炜炜， 张军锋

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

本文介绍了铁路综合客流与列流管理系统关键技术和主要功能，基于区段密度和区段客座率理论的算法准确高效是该系统的主要创新，同时在系统实现策略上采用了基于DevExpress组件的数据可视化技术和轻量级桌面GIS技术，达到了数据可视化效果与程序交互性的良好平衡，符合客运业务人员的使用习惯和分析思路。

客流与列流管理；区段密度；区段客座率；客运营销辅助决策；GIS；数据可视化

中国铁路总公司自客票系统实施以来，积累了大量宝贵的旅客列车运营数据，为铁路客运营销辅助决策工作奠定了基础。长期以来，系统基于Sybase数据仓库技术以及Cognos业务智能技术，为铁路总公司和各铁路局提供统一的数据视图，从运能、运量和收入各个层面分析、评价客运组织情况，预测客流趋势并指导今后的发展，近年来逐步改变了铁路各级决策者的决策方式，客运业务的核心竞争能力不断提高[1]。但是由于技术手段的时效性和分析工具的专业性，使得系统出现了查询效率降低、数据指标过于庞杂具体、报表操作模式过于单一等缺陷，使得铁路总公司业务决策者不能迅速获得对全路客运主要指标尤其是路网客流与列流的整体信息。如何以可视化的方式协助铁路总公司决策者快速掌握运营信息和决策依据成为了急需解决的重要课题。铁路总公司于2011年开始了新一代客票系统的研究工作，其中客运营销辅助决策系统作为其中一个子系统为本研究提供了重要平台，结合业务需求，项目组开发了综合客流与列流管理系统。

1 综合客流与列流管理系统构架

综合客流与列流管理系统是通过GIS系统，构造路网图显示线路，区段和车站，采用图形化操作方式查询并显示指定区间和指定时段的客流和列流状况。是铁路总公司客运营销辅助决策系统中从宏观到微观的分析工具。体现了“点-线-面”联动的多视角的分析模式。

综合客流与列流管理系统构架如图1所示。

系统由数据源层、数据整合层和表示层构成。数据源层包括从中国铁路总公司客运营销系统数据仓库中提取的客运营销系统数据，以及由路网实测地理信息系统数据。在数据整合层，依据系统需要的数据视图，在ETL服务器上部署了一系列ETL程序，将数据仓库的数据抽取成系统可用的视图，加速数据计算和展现的效率。使用ArcGIS组件的ArcMap工具，依据路网实测GIS数据绘制抽象化的全路客运区段GIS示意数据，包括区段、车站图层。其中将ETL的客流与列流分析视图的区段字典数据与ArcMap的全路客运区段GIS示意数据进行映射，以供表示层进行编程使用。

图1 综合客流与列流管理系统构架

在表示层的设计中，考虑到系统用户对象为铁路总公司客运管理人员，数量不多且用户对界面操作的交互性要求较高，系统采用C/S结构，开发平台为微软Visiual C#2012、DevXpress2010可视化分析套件以及Esri的Arcgis 组件包。其中Arcgis Engine组件可在客户端实现GIS数据与C#工具的轻量级整合，并解析GIS全路客运区段GIS示意数据进行渲染。

该系统可将应用程序部署在多个客户机上，通过客票网与数据仓库相连。GIS地图展现和数据可视化分析界面全部在客户端展现，充分利用客户端计算资源，减少网络通信流量，以获得较为节约的通信开销和丰富的客户端界面。

2 关键技术

2.1 路网区段划分与关键指标计算模型

综合客流与列流管理系统的主要计算指标包括区段密度、区段客座率指标，前者用于表达区段客流的繁忙程度，后者用于表达区段内列车运能的综合利用情况。

2.1.1 路网区段划分

截止2014年1季度，我国铁路运营里程已经突破100 000 km，全路办理客运业务的车站达到4 000多个。由于传统的区段划分受线路建设的影响，存在着非一次建成导致区段割裂，局部运行线路及车站与客运经由与车站信息不对称等复杂情况。为研究各线路的客流密度以及能力安排合理程度，辅助旅客列车开行方案的设计，必须对现有的路网进行客运区段划分以适应分析的需要。由于此前并无可用的区段字典，因此系统设计并实现了全路客运区段定义字典，并按客运业务规则对线路的区段端点站、区段经由定期进行维护。部分路网区段定义如表1所示。

表1 路网区段定义

2.1.2 铁路旅客运输密度计算模型

铁路旅客运输密度（客流密度）是在一定时期内，某条线路（区段）或某铁路运输企业、全国路网平均每公里营业线上所承载的旅客周转量。该指标主要用于考核线路的客运利用程度和运输生产的强度，反映客运运能与运量之间的适应程度，可作为线路维修、既有线路改造、新线建设、运输设备利用和运输组织工作的重要依据[2]。

如图2所示，假设从区段站A到区段站B组成路网节点区段的第k个子区间，子区间的客流密度由上车旅客、下车旅客和通过旅客组成，根据初始计算得到的OD客流矩阵，对第k个子区间的客流密度τk(A, B)进行计算[3]：

段站A、下车站含区段站B的旅客人数；

图2 铁路旅客运输密度计算模型

计算该区段的密度，必须得到区段上所有列车的经由，计算出列车的行经区段以及列车行经此区段时的起始里程和终止里程，根据列车的区段里程信息从全路收集的旅客人数中提取其相应的区段密度。

2.1.3 区段客座率计算模型

旅客列车客座利用率（简称客座率）是反映旅客列车运能利用情况的科学指标，体现了列车定员在不虚糜的情况下所产生的有效运送位移量，传统的计算列车全程客座率的公式为：

列车全程客座率=旅客周转量/定员周转量

其中，旅客周转量=∑(旅客运送量×旅客运送里程)；定员周转量=∑(列车定员数量×列车全程运营里程)。

对于区段而言，其客座率实际为：列车经过该区段时对于区段所产生的局部客座率的分量。因此计算区段客座率的关键在于分析区段客流的特征。参考区段密度的计算方式，也应该根据发、到站与区段端点站之间的关系来计算运送周转量，而根据列车在区段上运行的里程来计算定员周转量。其中对于“接入”型旅客起始计算里程是该区段的起始站而不是实际的上车站；“发出”型旅客截止里程计算为区段终止站而非实际下车站；“通过”型旅客里程为本区段里程。因此，可得到区段客座率的计算公式：

区段客座率=区段旅客周转量/区段定员周转量

其中，区段旅客周转量=∑(旅客运送量×旅客在本区段的运送里程)；定员周转量=∑(列车定员数量×列车在本区段的运营里程)。

与计算区段密度类似，计算该区段的客座率首先必须得到区段上所有列车的经由，计算出列车的行经区段以及列车行经此区段时的起始里程和终止里程，根据售票记录中的旅客人数和在区段上的运送里程得到相应的区段密度。该指标可以在计算区段密度的同时一并得到。如表2所示，使用上述计算模型可得到某日陇海线上各区段密度及客座率。

表2 陇海线区段密度及客座率

2.2 基于DevExpress组件的数据可视化技术

数据可视化技术是将数据库中的数据项作为图形元素表示，大量的数据集可构成数据图像，同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示，可以从不同的维度观察数据，从而对数据进行更深入的观察和分析。

数据可视化借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息。为了有效地传达思想概念，需要同步考虑美学形式与功能需求，直观地传达业务的关键特征。在各种可视化工具当中，既需要全面展现业务数据并易于用户操作，同时也能够兼容图表的可视化特性，系统的用户界面主要基于DevExpress中的可视化组件来构建。

DevExpress是一个.NET平台的用户界面组件套装，其中包含Grid、Chart、Reporting、Tree-Grid等多个功能子控件，同时套包内包含Winfrom、WPF、Sliverlight、.net 版本和.NET Application Framework 开发框架，尤其适用于Winfrom应用程序开发。采用DevExpress能够在较短的时间内构建较为专业化的软件界面，缩短团队在构建UI方面的时间，可以把大部分的精力放在软件核心的业务逻辑上。本系统的数据表格、图表主要是基于DevExpress控件的Winform组件实现的。

2.3 轻量级桌面GIS技术

GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术，以地理信息科学、计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与地理信息系统为基础，并通过计算机技术、数字技术、多媒体技术动态、直观、形象地表现、解释、传输地理空间信息并揭示其规律[4]。

ArcGIS为用户提供一个可伸缩、全面的GIS平台。ArcObjects包含大量的可编程组件，从细粒度的对象（例如单个的几何对象）到粗粒度的对象（例如与现有ArcMap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。每一个使用ArcObjects建成的ArcGIS产品都为开发者提供了一个应用开发的容器，包括桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGIS Engine）以及服务端GIS（ArcGIS Server）。

铁路总公司客运营销辅助人员关注的焦点在于系统的交互性和实时性，并不关注车站站位、线路实际坐标的精确性，而是经过理想化分布的示意地图，尤其是在处理相邻的两条区段时，需要对区段站位进行特殊处理以示区别，因此真实的GIS地图反而不能得到很好的展示效果，因此利用ArcGIS Desktop工具根据站位、区段的大致位置，以全路区段划分字典为数据依据，绘制了理想化分布的示意地图，仅保留了用户所关心的车站、区段等图层，对于用户不关心的图层直接舍去，结合为定制开发GIS应用的嵌入式开发组件ArcGIS Engine开发轻量级的桌面GIS应用。将数据库中路网区段划分的定义数据域GIS图层数据实现关联，在客户端绘制路网区段主界面并利用图层的渲染实现预警功能。

3 系统功能

综合客流与列流管理系统以地图为基本界面，鼠标滑动线路区段时可呈现区段属性信息，包括：列车运行速度等技术标准，电化区段、线路等级，牵引定数等信息。系统提供区段客座率分析、区段列车开行对数、区段密度分析等功能，并以报表和图形等形式为客运营销决策者提供多种分析工具。利用地理信息系统技术对旅客列车列流和客流情况进行宏观表达，并按照自定义的阈值进行预警，主要功能如下。

3.1 区段客流分析与预警

3.1.1 区段线路选择

对于全路路网的数百个区段，需要准确的选取指定区段。系统提供了路网图缩放、点选功能，在多个区段距离较近的情况下，可根据选取区域推算出多个可能的备选区段让用户选择。同时还提供区段名称模糊查找、检索功能，可使用户尽快定位到需要考察的目标区段。

3.1.2 区段分析

（1）区段客座率分析。考察选中的区段上所有列车产生的客座率指标，同时还可显示各次列车通过该区段时对总客座率的贡献程度。在展示列车区段客座率的同时，将区段的整条线路的每个区段的上下车客流情况、客座率以堆积图的情况展示出来，可用于客座率在不同区段上的对比，反映区段客流的繁忙程度。

（2）区段列车开行对数。计算选中的区段上所有列车的对数，反映该区段上始发、通过、终到的上下行列车的运送人数。此功能反映区段上列车的开行对数、线路能力。

（3）区段密度。计算选中的区段上的区段密度，区段密度由区段通过人数、接入人数、发出人数、上下人数4种客流组成，除反映不同区段上客流的需求程度之外，还可以观测出区段客流的特征和组成成分。

3.1.3 区段预警

利用区段密度和区段客座率指标，结合用户自定义阀值的功能，如果区段指标落在报警区间，则系统在地图上直接用颜色表示出区段密度高、低或者区段客座率高、低，直观反映线路能力与需求的匹配程度，提示辅助客运决策人员进行能力调配。

3.2 客运通道客流分析

（1）目前系统可提供出发区域、到达区域组成的客运通道上的开行列车数量查询以及客流查询，并以箭头标绘图的形式展现客流方向。可使用颜色深浅标识客流大小。（2）根据历史售票记录，生成OD客流矩形表。可设定并生成独立站间，组合站间，铁路局，地区间、全国重点站间的OD表生成。（3）查询的时段或特定时期（如春运、小长假、十一黄金周），生成全路重点地区间的客流量矩形表，以及OD客流量增长与能力增长情况对比显示。

3.3 辅助功能

（1）在显示列车对数、区段密度以及客座率的界面上，可以进行深度钻取，查看列车密度表等运营图表，帮助客运决策者提供精细化决策。（2）根据铁路总公司营销管理的区段划分要求，维护区段划分信息。（3）可将区段客流密度、对数表、客座率分析等图表导出生成Excel文件。

4 结束语

铁路总公司客运营销辅助决策系统自2012年初在中国铁路总公司试运行，在各种节假日期间发挥了重要作用。尤其是综合客流与列流管理系统，利用GIS的直观展示技术使运输局领导一目了然的掌握每天的客流密度和区段客座率情况，对全路运输能力的调配和旅客列车临客开行方案的启动和截止起到了重要作用。系统中设计和实现的客流密度和区段客座率的算法准确高效，是系统的一项重要创新，对于客运营销和运输组织意义重大，同时采用了基于DevExpress组件的数据可视化技术和轻量级桌面GIS技术，实现了数据可视化效果与程序交互性的良好平衡，符合客运业务人员的使用习惯和分析思路。

[1]汪健雄，刘春煌，单杏花，张军锋. 业务智能技术在铁路客运营销辅助决策系统中的应用[J]. 铁路计算机应用，2009，18（12）：23-27.

[2]单杏花，贾新茹.铁路旅客运输密度的算法研究及应用实现[J].铁路计算机应用，2003，12（6）.

[3]汪健雄.改进的多目标量子遗传算法及其在旅客列车开行方案中的应用[D].北京：中国铁道科学研究院，2012.

[4]汪健雄，李 琪，王 芳，江 琳.基于WebGIS的铁路客运营销数据可视化[C].北京：第6届中国智能交通年会优秀论文集（上），2011.

责任编辑 陈 蓉

Railway Integrated Passenger and Train Flow Management System

WANG Jianxiong, JIA Xinru, WANG Weiwei, ZHANG Junfeng
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China )

Key technologies and main functions of Railway Integrated Passenger and Train Flow Management System were introduced in this paper. One of the main innovation of the System was that the algorithm based on section density and section passenger utilization rate theory was accurate and eff i cient. The other innovation was using data visualization and lightweight desktop GIS technology based on DevExpress components to implement a good balance of data visualization and interactive program, which conformed to the personnel’s habits and analysis of ideas.

Passenger and Train Flow Management System; section density; section passenger utilization rate;passenger transport marketing aided decision making; GIS; data visualization

U293∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0023-05

2014-06-30

汪健雄，副研究员；贾新茹，副研究员。