張 宇，賀振歡，聶 磊

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

列車開行方案是以客運(yùn)量為基礎(chǔ)，以客流性質(zhì)、特點(diǎn)和規(guī)律為依據(jù)，科學(xué)合理地安排列車開行等級(jí)、種類、起訖點(diǎn)、數(shù)量、經(jīng)由線路、停站方案、客座利用率、編組內(nèi)容和車底運(yùn)用等內(nèi)容，體現(xiàn)從客流到列車流的組織方案[1]。其編制是高速鐵路運(yùn)營管理及發(fā)展的基礎(chǔ)，采用科學(xué)合理的評(píng)估方法及表達(dá)方式對列車開行方案的運(yùn)營效果進(jìn)行評(píng)估，對于列車開行方案的進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對此展開了一系列研究，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等不同角度構(gòu)建了指標(biāo)體系，提出了列車開行方案的評(píng)估方法[2-6]，并開發(fā)了相關(guān)系統(tǒng)或功能模塊[7-9]，為列車開行方案評(píng)估提供了基礎(chǔ)的理論內(nèi)容。

1 問題分析

高速鐵路列車開行方案體系龐大，影響因素眾多，方案評(píng)估涉及數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，如圖 1所示。開行方案評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類多，要素復(fù)雜且數(shù)據(jù)量級(jí)龐大（以京滬單線列車開行方案評(píng)估為例，當(dāng)以日為評(píng)估單位時(shí)，評(píng)估涉及客流數(shù)據(jù)可達(dá)10萬條左右）。對于列車開行方案的評(píng)價(jià)可以劃分列車和整體方案兩個(gè)層次，建立包含經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)水平、旅客服務(wù)質(zhì)量和車流匹配4個(gè)方面的多層次綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[2]。其中，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反映開行方案的收益水平；技術(shù)指標(biāo)反映開行方案列車運(yùn)用以及OD服務(wù)的基礎(chǔ)信息；車流匹配和旅客服務(wù)質(zhì)量從客流角度分析開行方案的實(shí)際運(yùn)用效果。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容示意圖

目前，評(píng)估指標(biāo)與方法的研究相對比較成熟，而計(jì)算機(jī)評(píng)估系統(tǒng)方面的研究相對匱乏。傳統(tǒng)評(píng)估系統(tǒng)常以表格和簡單數(shù)據(jù)羅列等模式展示評(píng)估結(jié)果，對方案的評(píng)估精細(xì)程度及優(yōu)化方向指導(dǎo)力度不夠，指標(biāo)的可視化研究力度有待加強(qiáng)。評(píng)估系統(tǒng)的目的在于使用簡單明了的表達(dá)方式，將上述指標(biāo)內(nèi)容以定性或定量的方式簡單直觀的表達(dá)出來，服務(wù)于方案的優(yōu)化及調(diào)整。方案評(píng)估相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大、指標(biāo)結(jié)果側(cè)重點(diǎn)各有所異，表達(dá)模式已不僅局限于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)表格所能提供的數(shù)據(jù)表達(dá)模式，更需要結(jié)合指標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)類型、評(píng)估目的等針對性設(shè)計(jì)，諸如趨勢性數(shù)據(jù)表達(dá)、對比性數(shù)據(jù)表達(dá)等方式以突出方案的優(yōu)劣。

結(jié)合以上分析，如何以簡單嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)管理方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的管理以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確、靈活與高效；如何設(shè)計(jì)開發(fā)與指標(biāo)特點(diǎn)相適應(yīng)的表達(dá)技術(shù)以滿足各類指標(biāo)的表達(dá)需求，是開行方案評(píng)估系統(tǒng)亟待研究的重要問題。以C#語言為開發(fā)工具，重點(diǎn)研究高速鐵路列車開行方案評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)以及多級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示技術(shù)、通用圖表表達(dá)技術(shù)等指標(biāo)表達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，并在實(shí)際研究中予以應(yīng)用。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

列車開行方案評(píng)估數(shù)據(jù)主要受到時(shí)間、空間和邏輯時(shí)序3方面約束。由于開行方案影響因素眾多，評(píng)估過程涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，且評(píng)估指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)各有不同，系統(tǒng)極易形成邏輯復(fù)雜的龐大的數(shù)據(jù)樹。因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的主要需求是：根據(jù)開行方案評(píng)估需求，嚴(yán)格數(shù)據(jù)抽取及構(gòu)建的邏輯流程，保證數(shù)據(jù)管理及分析計(jì)算階段的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、高效性。

系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)邏輯約束及組織管理2種控制方法解決數(shù)據(jù)管理難題。其系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法，如圖 2所示，系統(tǒng)從“橫-縱”兩個(gè)方向建立數(shù)據(jù)組織管理關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法

橫向的數(shù)據(jù)管理關(guān)系主要按照數(shù)據(jù)類別分類管理，設(shè)計(jì)生成路網(wǎng)數(shù)據(jù)管理器、客流數(shù)據(jù)管理器在內(nèi)的若干邏輯數(shù)據(jù)管理器，統(tǒng)一負(fù)責(zé)本類數(shù)據(jù)的維護(hù)。

縱向的數(shù)據(jù)管理關(guān)系按照列車開行方案評(píng)估的邏輯順序：（1）將當(dāng)前方案評(píng)估過程中每一步操作過程下的數(shù)據(jù)集合起來運(yùn)用各層的數(shù)據(jù)管理器集中管理；（2）按照如圖所示的“從上到下”的邏輯順序，依次完成構(gòu)建方案評(píng)估對象、進(jìn)行單（多）方案評(píng)估、計(jì)算方案評(píng)估指標(biāo)以及指標(biāo)表達(dá)數(shù)據(jù)的傳遞等過程。

在此過程中，數(shù)據(jù)頂層邏輯管理器將依據(jù)數(shù)據(jù)類別及當(dāng)前數(shù)據(jù)的關(guān)系負(fù)責(zé)校驗(yàn)及維護(hù)數(shù)據(jù)的邏輯合理性。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)類別以及所處評(píng)估流程中的位置關(guān)系嚴(yán)格約束了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算邏輯，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算的安全性及高效性。

3 多級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示技術(shù)

傳統(tǒng)開行方案評(píng)估過程中較為關(guān)注的數(shù)據(jù)指標(biāo)包括客流量、周轉(zhuǎn)量和能力等單值型技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容。傳統(tǒng)評(píng)估以單值數(shù)據(jù)簡單表達(dá)方案整體性評(píng)估結(jié)果，而相對缺少按照技術(shù)指標(biāo)影響因素劃分更細(xì)致的評(píng)估角度對方案運(yùn)用的評(píng)估表達(dá)。本系統(tǒng)將上述單值指標(biāo)內(nèi)容按照列車類型、OD距離等劃分不同的評(píng)估維度，在表達(dá)整體方案技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，按照更細(xì)致的評(píng)估維度計(jì)算分析上述技術(shù)指標(biāo)并加以表達(dá)，從而重點(diǎn)突出方案內(nèi)不同類別列車開行情況或客流服務(wù)效果。

（1）單值指標(biāo)體系指標(biāo)層級(jí)與指標(biāo)內(nèi)容存在類樹形結(jié)構(gòu)，但指標(biāo)樹的深度以及各個(gè)分支子節(jié)點(diǎn)數(shù)量不固定；

（2）指標(biāo)表達(dá)過程中，指標(biāo)的展示層級(jí)及內(nèi)容的定義和表達(dá)可以根據(jù)不同的評(píng)估需求動(dòng)態(tài)調(diào)整；

（3）評(píng)估指標(biāo)結(jié)果的表達(dá)層級(jí)及表達(dá)內(nèi)容定義過程可動(dòng)態(tài)調(diào)整。

借鑒傳統(tǒng)表格所具有的數(shù)據(jù)表達(dá)直觀性的優(yōu)勢，將表格結(jié)構(gòu)予以改進(jìn)，設(shè)計(jì)研究出多級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)多層級(jí)評(píng)估指標(biāo)的清晰展示及表達(dá)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體效果，如圖3所示。

多級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示控件指標(biāo)表達(dá)界面實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)單值型評(píng)估指標(biāo)體系的類樹形結(jié)構(gòu)特征，采用遞歸算法為核心構(gòu)建控件繪制算法。

（1）系統(tǒng)將上述技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容不同影響因素作為指標(biāo)邊界構(gòu)建指標(biāo)樹分支以形成類樹形指標(biāo)結(jié)構(gòu)；

（2）根據(jù)指標(biāo)的樹形結(jié)構(gòu)以深度優(yōu)先的策略循環(huán)調(diào)用窗格繪制方法；

（3）根據(jù)指標(biāo)間的層級(jí)關(guān)系，修改的窗格繪制函數(shù)的表格背景色及字體顏色等參數(shù)從而區(qū)分指標(biāo)層級(jí)及從屬關(guān)系，形成如圖3a的表達(dá)效果。

圖3 多級(jí)指標(biāo)效果圖

多級(jí)指標(biāo)展示界面的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程則以回溯算法為核心實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過深度優(yōu)先搜索的方式，將指標(biāo)動(dòng)態(tài)定義界面所設(shè)置的指標(biāo)的顯示狀態(tài)由低層級(jí)到高層級(jí)進(jìn)行不斷回溯以獲取完整的指標(biāo)樹，待展示狀態(tài)設(shè)置結(jié)束后則交由指標(biāo)展示界面重繪指標(biāo)內(nèi)容及層級(jí)屬性，實(shí)現(xiàn)多級(jí)指標(biāo)表達(dá)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，具體動(dòng)態(tài)定義界面，如圖3b所示。

4 通用圖表表達(dá)技術(shù)

開行方案評(píng)估過程中，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，車流匹配指標(biāo)以及旅客服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)等指標(biāo)結(jié)果多為趨勢性或?qū)Ρ刃詳?shù)據(jù)，適用于折線圖、柱狀圖等表達(dá)方式對指標(biāo)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)展示。但由于類似指標(biāo)數(shù)量較多，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中如將上述指標(biāo)內(nèi)容逐個(gè)進(jìn)行表達(dá)圖表的繪制，將造成較大的冗余。設(shè)計(jì)研究通用圖表表達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)柱狀圖、折線圖內(nèi)容的統(tǒng)一繪制，解決了指標(biāo)表達(dá)過程中圖表繪制的重復(fù)性操作問題，降低了系統(tǒng)冗余性。

具體實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)利用基礎(chǔ)繪圖類庫內(nèi)容形成繪圖面板，設(shè)計(jì)包含界面縮放平移等基礎(chǔ)屬性在內(nèi)的底層控件；在控件之上封裝入柱狀圖、折線圖2類繪圖方法并保留數(shù)據(jù)傳入接口，數(shù)據(jù)表達(dá)過程中則可按照數(shù)據(jù)內(nèi)容選擇性傳遞數(shù)據(jù)參數(shù)以獲取不同的表達(dá)方式，滿足不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)表達(dá)需求，降低了指標(biāo)表達(dá)的重復(fù)性繪制工作，提高了系統(tǒng)運(yùn)算效率。具體實(shí)現(xiàn)效果，如圖4所示，其中，圖4a展示了柱狀圖表達(dá)模式，對比突出當(dāng)前方案較多的列車旅行速度分布在120～180 km/h；圖4b展示了折線圖表達(dá)模式，突出了日均客座收入日變化情況；圖4c展示了柱狀圖及折線圖綜合運(yùn)用的表達(dá)模式，柱狀圖表示車站平均服務(wù)人數(shù)，折線表示途經(jīng)列車服務(wù)頻率，二者結(jié)合表明，諸如濟(jì)南西、徐州東、南京南等重點(diǎn)站列車服務(wù)頻率較高于車站平均服務(wù)人數(shù)所需求的列車開行頻率，相關(guān)列車停站結(jié)構(gòu)有一定的調(diào)整空間。

圖4 通用圖表表達(dá)示意圖

5 基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

開行方案評(píng)估表達(dá)不僅僅是對于方案基礎(chǔ)指標(biāo)屬性的表達(dá)，更需要直觀、準(zhǔn)確展示開行方案的路網(wǎng)服務(wù)情況，線路資源配置情況等，以實(shí)現(xiàn)從空間或時(shí)空角度對方案整體效果進(jìn)行評(píng)估。因此基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容既包括當(dāng)前國內(nèi)高速鐵路網(wǎng)的基礎(chǔ)分布情況展示，又包括與物理網(wǎng)密切相關(guān)的列車開行方案評(píng)估指標(biāo)內(nèi)容的表達(dá)。具體指標(biāo)內(nèi)容包括：全網(wǎng)客流量及運(yùn)力資源分布情況；單一線路的輸送能力、線路客流量；節(jié)點(diǎn)（車站）的服務(wù)頻率以及可達(dá)性等。該部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容表達(dá)與物理網(wǎng)密切相關(guān)，范圍涵蓋全網(wǎng)、線路、節(jié)點(diǎn)或車站等多個(gè)層次，其實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)是如何以物理網(wǎng)為基礎(chǔ)合理展示指標(biāo)數(shù)據(jù)。

研發(fā)的基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)以實(shí)際高速鐵路路網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用分層設(shè)計(jì)、逐層繼承的控件集成開發(fā)模式定義開發(fā)普適性表達(dá)組件。該表達(dá)控件以GDI+繪圖技術(shù)為主要工具[10-11]，通過將實(shí)際路網(wǎng)縮放繪于計(jì)算機(jī)展示界面之上，以界面的線條顏色、粗細(xì)等屬性變化實(shí)現(xiàn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)的表達(dá)。根據(jù)高速鐵路網(wǎng)的路網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)（車站）、線路3大評(píng)估要素，相對應(yīng)的指標(biāo)表達(dá)控件劃分路網(wǎng)層、節(jié)點(diǎn)（車站）層以及線路層進(jìn)行指標(biāo)結(jié)果的表達(dá)。

（1）鐵路路網(wǎng)層，該層為整個(gè)控件的基礎(chǔ)層級(jí)，詳細(xì)展示了當(dāng)前我國大陸高速鐵路線路分布情況。

（2）節(jié)點(diǎn)（車站）指標(biāo)表達(dá)層，該層在路網(wǎng)層基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)線路中節(jié)點(diǎn)或車站的圖標(biāo)顏色及半徑等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)評(píng)估指標(biāo)結(jié)果的展示。如車站直達(dá)范圍評(píng)估指標(biāo)中以車站半徑表示車站列車服務(wù)頻率，顏色表示研究節(jié)點(diǎn)到該車站的平均旅行時(shí)間范圍。

（3）線路指標(biāo)表達(dá)層，該層在高鐵線路網(wǎng)的基礎(chǔ)上調(diào)整線路顏色繪制實(shí)現(xiàn)客流量等線路相關(guān)指標(biāo)內(nèi)容的表達(dá)。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述研究結(jié)果，系統(tǒng)已在.NET平臺(tái)下用C#語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)[12]。系統(tǒng)應(yīng)用上述數(shù)據(jù)管理技術(shù)以及評(píng)估指標(biāo)表達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對于數(shù)據(jù)內(nèi)容的高效管理以及評(píng)估指標(biāo)的可視化展示。目前該系統(tǒng)不僅服務(wù)于科研項(xiàng)目的開行方案評(píng)估優(yōu)化理論研究階段，更在鐵路運(yùn)輸企業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用并產(chǎn)生了良好的效果。

（1）系統(tǒng)運(yùn)用多集指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示技術(shù)，邏輯清晰的將方案基礎(chǔ)信息以及技術(shù)指標(biāo)等20余項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容采用列表形式進(jìn)行展示，詳細(xì)列出了不同分類層級(jí)下評(píng)估指標(biāo)結(jié)果；

（2）系統(tǒng)運(yùn)用通用圖表表達(dá)技術(shù)，通過柱狀圖、折線圖等表達(dá)模式，展現(xiàn)了諸如日收入變化，日客流量變化、車流匹配效果等23項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及客流服務(wù)相關(guān)指標(biāo)內(nèi)容；

（3）系統(tǒng)運(yùn)用基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，以線條顏色及粗細(xì)展示了高速鐵路路網(wǎng)分布、方案所服務(wù)的客流量、周轉(zhuǎn)量以及節(jié)點(diǎn)直達(dá)范圍等7項(xiàng)指標(biāo)內(nèi)容。

7 結(jié)束語

隨著鐵路運(yùn)營管理智能化的發(fā)展，開發(fā)研究智能化的列車開行方案評(píng)估系統(tǒng)對于開行方案的調(diào)整分析具有重要的意義。針對高速鐵路列車開行方案評(píng)估系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)研究基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)、多級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)展示技術(shù)、通用圖表表達(dá)技術(shù)和基于物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)4部分指標(biāo)表達(dá)技術(shù)內(nèi)容，從系統(tǒng)計(jì)算效率以及表達(dá)直觀性、準(zhǔn)確性角度上實(shí)現(xiàn)了對于評(píng)估系統(tǒng)的優(yōu)化，為開行方案智能化評(píng)估提供了科學(xué)可靠的輔助決策工具。