胡必松

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)施規(guī)劃建設(shè)、鐵路行車組織、運(yùn)營(yíng)管理及營(yíng)銷決策科學(xué)化的重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵支撐，每對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)等。在交通大數(shù)據(jù)及鐵路高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代背景下，我國(guó)鐵路客貨運(yùn)量統(tǒng)計(jì)小區(qū)劃分已由483個(gè)OD小區(qū)調(diào)整為582個(gè)OD小區(qū)，統(tǒng)計(jì)品類也擴(kuò)充到23個(gè)品類，即基于582個(gè)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(dòng)車、城際、普速和合計(jì)5個(gè)品名，貨類數(shù)據(jù)又分為煤炭、鋼鐵、木材、集裝箱、合計(jì)等18個(gè)品名。因此，對(duì)全國(guó)OD小區(qū)所有數(shù)據(jù)檢索是基于7790652對(duì)數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算。目前鐵路設(shè)計(jì)中OD客貨交流分析預(yù)測(cè)尚缺乏成熟的專業(yè)軟件，主要是利用已完成類似項(xiàng)目的EXCEL表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[3-6]，需要進(jìn)行大量繁瑣的重復(fù)性計(jì)算，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，同時(shí)OD數(shù)據(jù)合并計(jì)算容易出錯(cuò)，預(yù)測(cè)分析功能不足，設(shè)計(jì)人員難以有效聚焦于OD數(shù)據(jù)分析、運(yùn)量預(yù)測(cè)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)任意OD小區(qū)間運(yùn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢索、分析和預(yù)測(cè)是非常有必要的。

2 系統(tǒng)需求分析

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

基礎(chǔ)年度客運(yùn)OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可直觀反映區(qū)域鐵路旅客運(yùn)輸市場(chǎng)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(yùn)輸供給產(chǎn)品日益豐富，客運(yùn)OD數(shù)據(jù)規(guī)模也愈加龐大和復(fù)雜，需結(jié)合不同項(xiàng)目進(jìn)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(gè)省區(qū)及其下轄市、縣、鎮(zhèn)等細(xì)分為582個(gè)OD小區(qū)，能夠結(jié)合具體項(xiàng)目影響范圍進(jìn)行整合與歸并。(2)研究區(qū)域旅客到發(fā)總量統(tǒng)計(jì)。主要用于以時(shí)間為軸的發(fā)展變化態(tài)勢(shì)，對(duì)掌握鐵路承擔(dān)市場(chǎng)份額、研判增長(zhǎng)率等提供重要支撐，因此，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地區(qū)、不同年度發(fā)到量的統(tǒng)計(jì)與導(dǎo)出。(3)基于出行區(qū)劃的OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。OD分布進(jìn)一步明確流量的產(chǎn)生和消失地，也是進(jìn)行流量流向分析的基礎(chǔ)，不同層級(jí)鐵路項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)OD數(shù)據(jù)的分析范圍、分析深度是存在差距的，因此需進(jìn)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(yùn)輸供給的OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。目前鐵路客運(yùn)市場(chǎng)已形成涵蓋高速鐵路、城際鐵路、普速鐵路等多種模式的運(yùn)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(yùn)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(yùn)OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需求

基礎(chǔ)年度貨運(yùn)OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可直觀反應(yīng)區(qū)域鐵路貨運(yùn)市場(chǎng)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(yùn)OD范圍劃定與細(xì)分。與旅客OD范圍劃分類似，但貨運(yùn)OD范圍劃分還需結(jié)合地區(qū)資源互補(bǔ)特征、產(chǎn)業(yè)合作領(lǐng)域等進(jìn)行考量，需根據(jù)項(xiàng)目服務(wù)區(qū)內(nèi)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的資源稟賦、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)全國(guó)582個(gè)OD進(jìn)行合并。(2)研究區(qū)域貨物到發(fā)量統(tǒng)計(jì)。對(duì)現(xiàn)狀鐵路貨運(yùn)發(fā)送量、到達(dá)量的分類統(tǒng)計(jì)分析可反應(yīng)區(qū)域現(xiàn)狀貨運(yùn)市場(chǎng)發(fā)展水平、承擔(dān)比例，同時(shí)也可結(jié)合區(qū)域不同發(fā)展時(shí)期的政策環(huán)境變化及時(shí)掌握鐵路貨運(yùn)發(fā)展的推動(dòng)因素、受限因素等，因此，需實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地區(qū)、不同年度發(fā)送量、到達(dá)量的統(tǒng)計(jì)與導(dǎo)出。同時(shí)，不同地區(qū)的貨運(yùn)品名之間存在較大差異，需進(jìn)一步按品名進(jìn)行劃分。(3)研究區(qū)域貨運(yùn)OD分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。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(dá)量的主要來(lái)源區(qū)域以及交流強(qiáng)度，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)貨運(yùn)總量及分布提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.3 研究年度客運(yùn)OD數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)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(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(xué)模型將主要影響因素進(jìn)行合理量化，并選取適宜的數(shù)理方法對(duì)研究年度的旅客到發(fā)總量、空間分布等進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(yù)測(cè)。合理量化不同時(shí)期的客運(yùn)增長(zhǎng)率，通過(guò)對(duì)相關(guān)模型的參數(shù)標(biāo)定，及時(shí)生成研究年度的旅客總量。(2)研究區(qū)域客運(yùn)OD分布預(yù)測(cè)。采用OD分布預(yù)測(cè)模型，結(jié)合現(xiàn)狀OD分布，將預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)區(qū)域內(nèi)外主要方向進(jìn)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(yùn)OD數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)需求

在基礎(chǔ)年度貨物發(fā)送量、到達(dá)量、空間分布特征以及歷年變化趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，選取適宜的數(shù)理方法對(duì)研究年度貨物到發(fā)總量、空間分布等進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(yù)測(cè)。(2)研究區(qū)域貨流OD分布預(yù)測(cè)，包括貨運(yùn)總量OD分布預(yù)測(cè)與分品類貨運(yùn)OD分布預(yù)測(cè)。(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(shì)及流向圖。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織

系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作對(duì)象為常見(jiàn)的excel、txt文件，圖形輸出包括jpg、png、emf等格式，軟件應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，使用方便，運(yùn)行快速，保密性好，具有很好的適應(yīng)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(guò).NET文件流進(jìn)行操作，在內(nèi)存中建立相應(yīng)的邏輯關(guān)系，但對(duì)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(wàn)t

表4 指定品類發(fā)送量、到達(dá)量統(tǒng)計(jì) 萬(wàn)t

表5 指定年度分品類發(fā)送量、到達(dá)量統(tǒng)計(jì) 萬(wàn)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(shè)計(jì)

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(wèn)層主要負(fù)責(zé)excel、txt、二進(jìn)制等文件類的讀寫操作；BLL邏輯處理層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，封裝了OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、OD生成量預(yù)測(cè)、OD分布量預(yù)測(cè)等業(yè)務(wù)方法類；UI表示層負(fù)責(zé)用戶與整個(gè)系統(tǒng)的交互，僅與界面元素有關(guān)；Model實(shí)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(guò)“原始小區(qū)”、“已選小區(qū)”、“合并小區(qū)”3個(gè)列選框?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)存中通過(guò)C#字典格式進(jìn)行存儲(chǔ)。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(guò)鼠標(biāo)上下拖動(dòng)小區(qū)位置，后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析生成的excel表格中行列順序即以此為依據(jù)；ctrl+鼠標(biāo)左鍵選擇多個(gè)小區(qū)，點(diǎn)擊進(jìn)行合并小區(qū)名稱設(shè)置，合并后的小區(qū)進(jìn)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(guò)讀取小區(qū)操作，可彈出打開對(duì)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(shè)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(jìn)行計(jì)算查詢、圖表分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

指定年份分品類查詢模塊：OD小區(qū)選擇及設(shè)置完成后，復(fù)選框中進(jìn)行品類全選或者自定義選擇，之后進(jìn)行計(jì)算查詢、圖表分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

OD生成量預(yù)測(cè)模塊：需先進(jìn)行指定品類分年度查詢，同時(shí)需保證至少有3個(gè)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(shì)，之后設(shè)置預(yù)測(cè)年度、預(yù)測(cè)方法及權(quán)重、預(yù)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行OD生成量預(yù)測(cè)、圖表分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于歷史年均增長(zhǎng)率法、灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型[12-15]、時(shí)間序列等組合方法。

OD分布量預(yù)測(cè)模塊：需要原始OD分布量表、目標(biāo)年度發(fā)送量、到達(dá)量，可以是系統(tǒng)自動(dòng)生成的內(nèi)存格式，支持用戶人機(jī)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(jìn)行分布量預(yù)測(cè)，用戶可設(shè)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(dá)量、發(fā)送量、分布量傳遞到圖表分析組件，生產(chǎn)趨勢(shì)圖、流量流向等圖形。

4 系統(tǒng)效果及評(píng)價(jià)

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(yùn)輸需求分析、運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)等工作，系統(tǒng)界面及功能詳見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 OD小區(qū)管理及查詢分析

圖4 OD生成量預(yù)測(cè)

圖5 OD分布量預(yù)測(cè)及對(duì)比

本系統(tǒng)快捷、方便、高效，運(yùn)行耗用內(nèi)存僅為1M左右，能夠滿足現(xiàn)行PC機(jī)實(shí)際運(yùn)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(jī)上運(yùn)行效率為：以全國(guó)33個(gè)省份OD、23個(gè)運(yùn)輸品類OD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢測(cè)試，耗時(shí)不到8 s，單個(gè)品類OD查詢數(shù)據(jù)耗時(shí)控制在1 s以內(nèi)；能夠即時(shí)進(jìn)行OD小區(qū)發(fā)送量、到達(dá)量預(yù)測(cè)；進(jìn)行50×50個(gè)OD分布量預(yù)測(cè)，求解耗時(shí)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(yù)留相關(guān)接口，有利于標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)和各層邏輯的復(fù)用，通過(guò)動(dòng)態(tài)DLL鏈接庫(kù)將數(shù)據(jù)實(shí)體與各邏輯操作層分開，各個(gè)層次能夠保持獨(dú)立，系統(tǒng)維護(hù)和版本升級(jí)時(shí)只需替換相應(yīng)的DLL鏈接庫(kù)即可，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的可拓展性和適應(yīng)性，并能降低成本，易于配置和維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵路基礎(chǔ)OD數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)全國(guó)鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)等23個(gè)運(yùn)輸品類的綜合管理，對(duì)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(yīng)用，對(duì)任意OD小區(qū)研究年度生成量、分布量進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)OD數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)OD數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢索、分析，實(shí)現(xiàn)基于歷史年均增長(zhǎng)率法、灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型、時(shí)間序列等組合方法及Fratar模型進(jìn)行預(yù)測(cè)等方面具有一定的創(chuàng)新性。

該系統(tǒng)已在新時(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)用，得到了實(shí)際工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)，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(yùn)量預(yù)測(cè)方法拓展及OD小區(qū)地理信息可視化角度進(jìn)一步完善系統(tǒng)。