铁路客货OD大数据平台总体设计研究

李恒鑫

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

0 引言

铁路客货运OD 大数据是开展铁路网络规划、制定运输组织计划的重要依据。经过若干年的调查统计，铁路行业部门已经积累了大量客货运OD 大数据资源，而目前铁路客货OD 数据的应用仍存在应用场景深度不足[1-2]、运输特征解析不足[3-5]、数据高效易用性较差[6-7]等问题，亟待创新研发快速高效的铁路客货运OD 大数据分析技术方法，充分挖掘数据价值，实现数据驱动决策，支持铁路规划设计科学化、精准化发展。此外，由于铁路运输与运营系统的专业性和特殊性，尚未形成成熟的囊括铁路客运和货运的分析系统[8]，使得数据挖掘和分析对铁路规划、设计业务的支持十分有限，数据潜力亟待挖掘。

在总结大量既有研究经验的基础上，基于标准化、业务化、便利化原则，整合多级粒度地理信息、铁路客货运OD 数据资源，联合研制开发了“铁路OD 大数据分析和可视化平台”（以下简称“平台”），拟通过数字化、信息化、智能化手段显著提升铁路客货OD 数据分析和可视化的效率，促进铁路客货OD 数据在铁路规划、综合交通规划中的价值发挥，为铁路规划人员提供一款易用、实用、常用的铁路OD 大数据“生产力工具”。

1 数据源设计

1.1 地理空间数据

地理空间数据是进行OD 分析的基础，主要用于OD 起终点的定位和运量的集计统计。平台遵循数据标准化原则预制了多级粒度的地理空间数据，包括边界面数据和代表点数据。多级粒度分别包括县区级、地市级、省（自治区）级、城市群级、地区级。此外，铁路交通小区作为特殊地理空间也被纳入。

1.2 铁路客货OD 数据

铁路客货OD 数据是平台使用的核心数据，包含有向的起终点信息和数量。平台所使用的铁路客货OD 数据粒度为铁路小区级（近似县区级）OD 数据，由于铁路小区严格归属于地级市，故可由铁路小区向上分别集计地市级、省（自治区）级等上级粒度OD。

铁路客货OD 数据包含了丰富的品类信息，可分为客运、货运两大类，客运包含分车型客运量OD，货运包含钢铁、粮食等16 种细分品类OD。

2 平台架构设计

2.1 设计原则

2.1.1 数据标准化原则

数据标准化的目的主要有3 个：一是确立数据标准，保障数据的易更新性；二是保障数据预处理流程的自动化；三是通过数据标准化，保障算法、功能的标准化[9]。

平台的数据标准化的内容包含数据库和数据表两个层面。数据库层面为上层框架设计，对支撑平台各模块、各算法的数据表进行总体设计，其中需重点考虑表与表之间的连接关系和层次。数据表设计为下层内容设计，需对各表的字段、数据类型、字段含义进行设计。

平台在数据标准化的过程中，同时关注数据的垂直化，确保各级数据向上级粒度集计统计时的严谨性和便捷性。一方面要求具有归属关系的下级粒度面层、点层要素需继承上级粒度的属性，如县区级要素需同时记录所属的地市、省等上级粒度信息。另一方面要求铁路特有要素，如铁路站点、铁路线段起终点、铁路小区，需同时记录所属行政区划、交通小区的属性信息。

2.1.2 功能业务化原则

功能业务化是保障平台成为“生产力工具”的必要条件，专业化平台研发的首要目的是支撑实际业务而非仅看重可视化效果。平台主要从多级粒度、品类选择、输出图表三个方面体现功能业务化原则。

首先，在数据标准化原则的支撑下，平台提供了满足不同层面业务分析的多级粒度的OD 分析功能。多级粒度包含县区级、铁路交通小区级、省（自治区）级、城市群级、地区级共五级粒度。

其次，平台提供了灵活的铁路客货运品类、子品类OD 分析功能。铁路OD 分析的一大特色是具备丰富的客货品类信息，不同品类的OD 分析也是支撑铁路规划方案编制的重要依据。为满足实际业务对分品类OD 分析的需求，平台提供了客运量和货运量的自定义品类功能。其中，客运量品类包含分车型运量子品类，货运量品类包含煤炭、粮食等16 种子品类。

此外，平台提供了地图可视化、统计图表、数据导出等业务强相关功能。在铁路规划日常工作中，OD数据可视化、统计图表制作是高频需求，为此平台提供了灵活丰富的功能。考虑到日常业务中需大量使用数据的范式化表格制作以及数据的二次分析加工，平台提供了高效且实用的数据导出功能。

2.1.3 使用便利化原则

在保障平台功能对业务充分支撑的基础上，为了提升易用性、降低使用门槛、提升使用效率，平台对界面设计、交互设计进行充分优化，提升平台使用的便利性。平台主要从分析对象选择、分析设置、工具箱三个角度体现使用便利化原则。

（1）灵活多样的目标区域选择方式。OD 分析目标区域是指平台在自定义分析时所分析的对象。平台对分析对象的选取提供了地图点选、地图框选、区域名称搜索等灵活的选择方式，提升了平台使用的便利性。

（2）所选即所得的分析设置功能。平台包括查询设置和可视化设置两种设置功能，均通过自动化手段进行了合理精简，使用者仅需简单设置即可得到预期分析结果。在运量统计方面提供了到达、发送、总到发、净到发等常见分析项；在可视化设置方面提供了丰富的配色预设、端点大小、期望线粗细调整等功能，且均可在地图可视化中即时生效。

（3）丰富快捷的工具箱功能。平台提供了测距、测面积、半径参考圆、图幅书签、设施搜索等小工具。用户可使用半径参考圆点击地图任意位置生成半径为200km、400km 至1000km 的同心圆，便于进行距离参考；用户可使用图幅书签记录当前地图位置和缩放等级。工具箱可在平台各个功能下使用，有效提升了日常OD 分析的便利性。

2.2 平台总体设计

2.2.1 总体功能设计

平台的总体功能由分析设定组件、地图可视化组件、统计图表组件三大组件构成。其中，分析设定组件作为输入端、控制端，由用户输入分析需求。地图可视化组件和统计图表组件为输出端，输出分析结果。在分析设定组件中，用户可对分析时间、分析空间粒度、分析客货品类、分析模式进行灵活便捷的设定；平台根据分析设定的需求，从铁路客货OD 数据库中查询数据结果，并传输给输出端；地图可视化组件将使用OD 查询结果和配套的背景数据共同生成地图可视化结果；与此同时，统计图表组件将生成相应的结果。

2.2.2 界面与交互设计

平台采用清晰的分区界面设计保障了平台的易用性和高效性。平台总体界面包含上、下、左、右、中五部分。左面板为一级模块选择面板；右面板为分析设定面板；上面板为工具箱；下面板为统计图表面板；中央最大面板为地图可视化面板。其中，右侧面板功能最为丰富，又包含上中下三个子面板：上部为分析粒度选择面板，中部为自定义分析选择集操作面板，下部为详细设置面板。

3 平台功能设计与实现效果

3.1 平台功能设计

3.1.1 选择功能

为提供灵活的分析与可视化手段，平台提供灵活的时间选择、分析单元选择、客货品类选择功能。时间选择可以对各个涉及时间范围的功能产生影响。粒度选择功能包含地理区域粒度和铁路专用粒度两类。地理区域粒度包含县区级、地市级、省（自治区）级、城市群级、地区级五种粒度。例如，选定地市级粒度，则OD 分析结果将以地市为单位集计统计。铁路专用粒度包含铁路小区、铁路站点、铁路线段、铁路线四种粒度，其中铁路小区和铁路站点可用于铁路OD分析平台。品类选择包括三级品类：一级品类为顶层品类，包含客运、货运、行包三种类别；二级品类是对一级品类的展开，客运包含G、D、C、普车四种客运列车品类，货运包括食品、农业、能源、材料、矿石、集装箱、其他七种品类；三级品类是对二级品类的进一步展开，如货运—材料品类进一步包含钢铁、水泥、木材、矿建材料四种品类。

3.1.2 OD 分析可视化功能

平台提供了端点、期望线、区域面三类可视化效果，为专业人员提供了充分、灵活、易用的OD 分析出图业务支撑。三类可视化效果以图层形式组织，图层可独立开关，每类可视化提供具体设置项。

端点可视化包含运量、净运量、结构构成三种模式。其中，运量模式提供了发送量、到达量、总到发量三种子模式，以气泡形式渲染；净运量为发送量与到达量的差值，主要用于体现货运品类的净流入、流出情况，以双色气泡形式渲染；结构构成模式包含发送构成、到达构成两种模式，主要用于分析呈现各级品类的构成情况，以饼图形式渲染。

期望线渲染模式包含发送模式、到达模式、双向三种子模式。期望线以弧线形式根据右手规则严谨表达流向——从运输的起点观察终点，期望线位于右手边。期望线支持彩色、单色渲染，同时支持粗细渲染，颜色和粗细随交流量大小自动变化。

区域面渲染与气泡渲染所使用的数据一致，主要用于突出运量差异性，弥补仅凭端点气泡大小区分度不直观的缺陷。区域面渲染支持不同色带的选择，如红、黄、绿、蓝色带，紫、蓝、绿、黄色带等彩色色带和单色色带。

3.1.3 数据导出功能

为便于使用者下载数据进行文本编制或进一步分析数据，平台提供了快捷的数据“一键导出”功能。数据导出将遵循分析控制组件设定的条件进行数据查询，并将结果以Excel 格式下载至本地。数据导出功能包含基础数据导出和定制表格数据导出两种模式。基础数据导出提供按选定粒度集计和原始OD 数据导出功能，如选定上海市（发送）对外省级OD 分析，则可导出上海至各省的发送量和相对应的原始OD 数据。定制表格数据导出是指按照规划方案编制技术规程要求，导出的特定格式OD 数据表格，以规定的矩阵形式组织OD 数据，并在镶边行进行自动集计统计。

3.2 应用效果

平台开发定位为生产力专业工具，故对日常工作的效率提升可直接体现应用效果。平台内测版现已投入使用，根据来自两家大型规划单位的两个业务部门的日常使用反馈，相比于使用SQL、Excel、ArcGIS等工具而言，以处理“特定年份自选某一地市至全国各省特定多种货品的运量”为例，应用平台使OD 数据处理、查询平均时间从18min 缩短至2min；基于桌面GIS 软件的OD 标准化出图（含数据处理、查询）的平均时间从34min 缩短至4min；总体平均时耗减少约90%。

由此可见，平台可显著提升铁路OD 分析工作的效率，有效减少数据处理、查询和出图时间，使专业规划人员可以将更多的时间和精力投入规划方案的编制，提升了生产力，达到了平台预期的建设效果。

4 结语

结合“铁路OD 大数据分析和可视化平台”的实际开发经验，提出了铁路大数据分析工具开发应遵循的标准化、业务化、便利化原则，从数据组织、总体设计、功能实现方面介绍了铁路OD 分析和可视化工具的构建方法，并基于用户的实际使用体验对平台的落地应用效果进行了客观评估。评估结果表明：平台可作为生产力工具，有效提升日常铁路OD 分析工作的效率，使铁路客货OD 数据分析工作时耗相较以往手工处理减少约90%。所研究内容对铁路规划领域信息化系统的开发具有一定参考意义，对我国铁路规划领域的数字化、信息化、智能化发展起到了一定的促进作用。