汪健雄，閻志遠(yuǎn)，張瀛丹，李禎怡

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引言

“多模態(tài)”概念源于20世紀(jì)末的社會符號學(xué)[1]，指“在符號產(chǎn)品或者事件中幾種符號模態(tài)的使用，促進(jìn)人類感官與外界環(huán)境發(fā)生交互的符號系統(tǒng)”。隨著時代的發(fā)展和各類新技術(shù)的沖擊，多模態(tài)被賦予了更多的含義和應(yīng)用。

在實際中，多模態(tài)信息融合常用于預(yù)測過程，在預(yù)測的過程中融合了2 個及以上模態(tài)的信息，從而有效地實現(xiàn)了信息之間的互相補充，拓寬了覆蓋范圍，進(jìn)而提高預(yù)測的精度和魯棒性[2]。該技術(shù)已經(jīng)在民航、醫(yī)學(xué)、情緒識別等領(lǐng)域得到了應(yīng)用：民航系統(tǒng)中的訂單數(shù)據(jù)、客票數(shù)據(jù)以及離港數(shù)據(jù)都屬于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，應(yīng)用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法很好地解決了民航收益漏洞的損失[3]；隨著影像技術(shù)的不斷發(fā)展，多模態(tài)影像序列進(jìn)行預(yù)處理和配準(zhǔn)后，基于一定的融合策略，可以提升癌癥惡性分類的準(zhǔn)確度[4]；通過多模態(tài)技術(shù)對人們情緒的識別，將有效促進(jìn)票房預(yù)測、輿情監(jiān)控、智能客服以及商品推薦等系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。

在國內(nèi)，包括地鐵及高速鐵路在內(nèi)的軌道交通售檢票系統(tǒng)中，多模態(tài)概念還沒有得到充分地發(fā)揮和利用，閻志遠(yuǎn)等[5]首次將多模態(tài)概念引入到鐵路票務(wù)體系，立足于人工智能時代“多模態(tài)”的價值內(nèi)涵，從多模態(tài)信息融合、多模態(tài)感知交互、多模態(tài)智能計算3 個方面實現(xiàn)了“多模態(tài)”意蘊的分解，研究并提出了多模態(tài)智能票務(wù)系統(tǒng)，賦予了多模態(tài)鐵路客票系統(tǒng)更深的含義。

京張高速鐵路(北京北—張家口)于2019年12月30 日正式開通運營，是世界首條速度350 km/h 的智能化高速鐵路，是支撐2022 年北京冬奧會成功舉辦的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，主要承擔(dān)跨賽區(qū)的交通出行，包括干線鐵路、崇禮支線、延慶支線?？紤]到北京冬奧會對旅客運輸保障技術(shù)提出的極高要求，為此提出多模態(tài)信息融合在鐵路票務(wù)領(lǐng)域新概念，構(gòu)建多模態(tài)信息融合票務(wù)體系總體架構(gòu)，研究多模態(tài)信息融合在鐵路智能票務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并結(jié)合疫情背景下，對京張高速鐵路助力全球首個三賽區(qū)聯(lián)動冬奧會成功舉辦所提供的旅客運輸保障手段進(jìn)行探討。

1 多模態(tài)信息融合在鐵路票務(wù)體系的概念及總體架構(gòu)

針對北京冬奧會智能票務(wù)體系提出的多模態(tài)信息融合[6]概念是指通過融合客票系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)倉庫的有效信息和在物理世界采集到的冬奧會、冬殘奧會舉辦模式下的不同時間、空間的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)信息，通過有效的數(shù)據(jù)管理和挖掘手段，從而更準(zhǔn)確地實現(xiàn)客流預(yù)測、客流密度監(jiān)測、客流形態(tài)分析，最終更智能地服務(wù)于多元運輸模式匹配、多元化票制與票樣設(shè)計、時空演化條件下旅客全流程出行鏈挖掘的過程。具體表現(xiàn)如下。

（1）提供面向冬奧會全流程出行鏈的票制。通過分析冬奧會賽時出行人群的多元需求信息，結(jié)合全球首次跨區(qū)域冬奧會及冬殘奧會舉辦模式帶來的多重影響因素，構(gòu)建出時空演化條件下的高速鐵路全流程出行鏈；根據(jù)不同出行人群對票制的多元需求信息，設(shè)計出適應(yīng)冬奧會場景的單日票、計次票、儲值票、團(tuán)體票等多元票制；基于鐵路電子客票旅客服務(wù)記錄(Passenger Service Record，PSR)構(gòu)建冬奧會旅客出行服務(wù)數(shù)據(jù)模型，支持冬奧會多元票制驗檢票服務(wù)，為冬奧會不同旅客人群便捷購票出行提供保障支持。

（2）多模態(tài)信息融合的車票樣式。將歷屆冬奧會票制和京張高速鐵路文化、冬奧文化、審美學(xué)等不同維度的信息進(jìn)行有機融合，研發(fā)出具有冬奧特色的車票樣式，為旅客營造富含冬奧氛圍的票制體驗。

（3）提供面向冬奧的京張高速鐵路票務(wù)運營保障服務(wù)。結(jié)合全球首次跨區(qū)域冬奧會及冬殘奧會舉辦模式帶來的多重影響因素，基于京張高速鐵路冬奧期間列車開行方案，針對多元運輸需求，設(shè)計出匹配的高速鐵路運輸資源配給，形成旅客運輸保障匹配技術(shù)，同時，研究面向多種人群的列車席位管理技術(shù)和票額分配模型；解決典型交通異常情況下超?？刂萍邦A(yù)警問題，實現(xiàn)京張高速鐵路列車票務(wù)運營保障智能化提升。

基于上述分析，鐵路票務(wù)體系通過各種差異渠道感知和采集不同利益群體、冬奧時空信息、旅客出行需求信息、天氣信息、觀眾對比賽項目的接納度和喜愛信息、疫情信息等，這些數(shù)據(jù)通常具有空間、時間或時空特性，如氣象數(shù)據(jù)通常是時間數(shù)據(jù)/序列，而三賽區(qū)辦賽信息、節(jié)假日交通流量同時涉及時間與空間數(shù)據(jù)，這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在采集后，結(jié)合鐵路12306 數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建多模態(tài)數(shù)據(jù)層，通過有效的數(shù)據(jù)管理方法，形成多元化車票信息、運輸能力信息、全時空需求鏈信息庫，而后采用機器學(xué)習(xí)及相關(guān)預(yù)測算法等對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，以提供需要的服務(wù)，最終服務(wù)提供的數(shù)據(jù)將進(jìn)一步修正和優(yōu)化多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量，形成多模態(tài)信息融合閉環(huán)。多模態(tài)信息融合應(yīng)用在鐵路票務(wù)體系技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多模態(tài)信息融合應(yīng)用在鐵路票務(wù)體系技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of multi-modal information fusion applied in railway ticketing system

2 基于多模態(tài)信息融合的旅客運輸保障服務(wù)

旅客運輸保障服務(wù)主要是指針對鐵路票務(wù)體系提出的一系列運營保障措施和服務(wù)，主要包括多元客流運輸模式匹配、復(fù)雜非常態(tài)票額及席位管理、列車超停控制與預(yù)警等。

2.1 基于多元運輸客流需求分析的運輸模式匹配

2.1.1 多元運輸客流成分分析

對冬奧會期間京張高速鐵路客流成分進(jìn)行分析，主要包括常態(tài)化通勤客流、周末客流、春運客流、冬季滑雪愛好者客流、奧組委客流(含官員、媒體、志愿者、利益相關(guān)方等)、運動員客流、觀賽群眾客流及基礎(chǔ)隨機客流等?？土鞒煞址治霰砣绫?所示。

表1 客流成分分析表Tab.1 Analysis of passenger flow component

2.1.2 旅客運輸模式

綜合冬奧會期間京張高速鐵路多元客流需求，提出3 種旅客運輸模式。運輸模式分析表如表2所示。

表2 運輸模式分析表Tab.2 Transportation mode analysis

2.1.3 多元客流跨區(qū)域高速鐵路運輸模式匹配

對多類別客流與多種旅客運輸模式進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配是針對不同客流的需求得出其理想乘坐方式進(jìn)而推導(dǎo)出高速鐵路列車運輸資源的分配。為解決這個問題，首先要尋找出合適的決策方法。竇慧娟等[7]應(yīng)用層次分析法解決交通運輸方式選擇問題，李慶華[8]將層次分析法用于解決交通工具的選擇問題。因此，將多元客流與多種旅客運輸模式匹配問題轉(zhuǎn)化為旅客選擇哪種運輸方式的決策問題，建立旅客滿意度影響因子體系作為評價準(zhǔn)則，以運輸模式作為備選方案，建立多因素層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 多因素層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Multi-factor hierarchy model

按照層次分析法的計算步驟進(jìn)行計算，具體如下。

（1）按照上述結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建對比矩陣，首先構(gòu)建中間層對最高層的對比矩陣，依據(jù)Santy 的1-9標(biāo)度方法[9]，利用專家打分法對評價指標(biāo)進(jìn)行打分，進(jìn)而得出不同類別客流-滿意度對比矩陣，經(jīng)過計算，并通過一致性檢驗可得到各類客流看重的因素排序。

（2）分別構(gòu)建最低層對中間層的對比矩陣，即乘坐舒適度-運輸模式對比矩陣、服務(wù)專業(yè)性-運輸模式對比矩陣、流線管控度-運輸模式對比矩陣、時間自由度-運輸模式對比矩陣、運輸可靠性-運輸模式對比矩陣，經(jīng)計算，最下層針對中間層的5 個對比矩陣均通過一致性檢驗，對上述結(jié)果計算組合權(quán)重并做組合一致性檢驗，可得到各類客流選擇運輸方式的權(quán)重排序。

（3）綜合各計算結(jié)果，得出各類別客流與高速鐵路運輸模式的匹配結(jié)果如表3所示。

表3 各類別客流與高速鐵路運輸模式的匹配結(jié)果Tab.3 Matching results of various passenger flow types and high speed railway transportation modes

2.2 冬奧背景下復(fù)雜非常態(tài)票額及席位管理

受疫情管控等因素制約，冬奧會期間高速鐵路運輸管理模式不同于正常運營時期，分為閉環(huán)管理和非閉環(huán)管理。因此，票額及席位管理應(yīng)在充分滿足多元運輸客流需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)分類管理，針對不同的運輸模式設(shè)置相關(guān)差異化管理策略。

2.2.1 票額管理

票額管理的基礎(chǔ)是客流預(yù)測，根據(jù)多模態(tài)信息融合的客流預(yù)測手段得到不同類別客流的主要特征，以運輸模式匹配結(jié)果為依據(jù)設(shè)置票額管理方案。

（1）整列運輸模式下的票務(wù)管理。整列運輸主要面向運動員，屬于閉環(huán)管理人員，在該模式下，票額在預(yù)售期外可整列預(yù)留為特殊用途。

（2）分車廂運輸模式下的票額管理。分車廂運輸適用于奧組委人員，可滿足冬奧期間不同管理模式下多種客流的出行，其中媒體等冬奧注冊人員一般均在閉環(huán)內(nèi)出行，僅能乘坐閉環(huán)車廂。分車廂運輸?shù)钠鳖~根據(jù)列車的車廂定員，按照閉環(huán)與非閉環(huán)分席別、分用途進(jìn)行設(shè)置，同時票額均需指定到發(fā)站。

（3）零散運輸模式下的票額管理。在考慮列車管理定級與列車自有客流形態(tài)的基礎(chǔ)上，綜合運用精確投放、彈性投放、票額通售、共用等策略對預(yù)售期外和預(yù)售期內(nèi)的票額設(shè)置規(guī)則體系，滿足京張高速鐵路冬奧會期間沿線客流的出行需求。

2.2.2 席位管理

席位管理主要考慮乘車日期、始發(fā)日期、全車次、乘車站、限售站、以遠(yuǎn)站、席位范圍、車廂號、席位號等。通過席位設(shè)置、訂座權(quán)限設(shè)置和車廂設(shè)置等方式管理列車席位。

（1）席位設(shè)置。根據(jù)前述對客流成分以及冬奧會期間管理模式的分析，將席位類別劃分為閉環(huán)注冊人員(奧運閉環(huán))、非閉環(huán)注冊人員(奧運非閉環(huán))、持冬奧門票觀賽旅客(奧運觀賽)及普通購票旅客。為區(qū)別各類人群，在客票系統(tǒng)對“奧運閉環(huán)”“奧運非閉環(huán)”“奧運觀賽”3個奧運專用用途分別設(shè)置對應(yīng)的用途代碼以示區(qū)別。席位策略按照一站直達(dá)設(shè)置，不設(shè)共用、復(fù)用和轉(zhuǎn)票策略。

（2）訂座權(quán)限設(shè)置。為方便冬奧會多元客流的高速鐵路列車席位管理，需對不同類客流設(shè)置相應(yīng)的訂座權(quán)限，如一級交通權(quán)限可預(yù)訂商務(wù)座、一等座、二等座；二級交通權(quán)限可預(yù)訂一等座、二等座；三級交通權(quán)限可預(yù)訂二等座；特殊需求交通權(quán)限可預(yù)訂多功能座、二等座。對應(yīng)的管理原則為：對每類人員設(shè)置可預(yù)訂席位的最高權(quán)限；如果預(yù)定者對應(yīng)的最高權(quán)限席位不足且低于該權(quán)限的席位有剩余時，可預(yù)定低于預(yù)定者交通權(quán)限的席位。

（3）車廂設(shè)置。冬奧會列車車廂設(shè)置如表4所示。

表4 列車車廂設(shè)置Tab.4 Train carriage setting

2.3 列車超停控制與預(yù)警

從前述票額管理策略可以看出冬奧會服務(wù)列車相比于普通列車票額管控更嚴(yán)格，超員風(fēng)險極低，但考慮到冬奧會期與春運時間部分重疊，常規(guī)旅客的運輸可能存在超員風(fēng)險，而常規(guī)列車的超停會對冬奧服務(wù)列車產(chǎn)生影響。因此，超員控制研究對象主要指冬奧會期間的常規(guī)列車。

2.3.1 超員業(yè)務(wù)場景

（1）列車無坐席超員。車站業(yè)務(wù)人員可以通過增加無座席票額來滿足中途旅客乘車需求，但是在實際操作過程中，車站業(yè)務(wù)人員對列車前方車站無座席發(fā)售、到達(dá)本站的車內(nèi)人數(shù)、下車人數(shù)、后方乘車站的客流等情況均無法掌握和了解，故存在該站發(fā)售無座席席位過多，造成列車在該站超員的可能。極端情況下，每一車站都可能出現(xiàn)這種情況，則該趟列車將全程超員[10]。由于京張高速鐵路本線列車尤其是冬奧列車均為復(fù)興號高等級動車組，只有部分跨局列車才允許發(fā)售無坐席，因此對于冬奧保障列車該場景并不會出現(xiàn)。

（2）短途車票超售。在客流高峰期，會采用票額共用和席位復(fù)用相結(jié)合的售票組織方式，更好地滿足旅客的乘車需求和列車安全組織需求。這種情況下，一張有座席票額在共用售出時，會售出一張乘車站為共享車站的有座席，這張票在未售區(qū)間產(chǎn)生復(fù)用席位時，向前、向后可復(fù)用則產(chǎn)生的是原有座席席位號的有座席席位。但是，如果列車全程共用和復(fù)用，則會造成短途車票過多，冬奧需求無法被有效滿足，造成冬奧會旅客大量滯留，影響觀賽，造成負(fù)面影響。

（3）以短乘長超售。如前所述，在客流高峰期，為充分發(fā)揮鐵路運力，會采用共復(fù)用相結(jié)合的售票組織方式進(jìn)行票額發(fā)售，但共復(fù)用的售票組織方式會把原從始發(fā)至終到的票額拆分生成多段短途票額，但如果原來的持前段票額的旅客不按票面上的到站下車，持短途票乘車至下一車站甚至是終到站，則會造成以短乘長超售，始發(fā)站至終到站的票額被拆分成的短途票額越多，超員的情況可能就會越嚴(yán)重。

2.3.2 超員控制策略

（1）列車無坐席上限控制方式。列車超員率控制可以通過設(shè)置無座席上限閥值的方法實現(xiàn)。當(dāng)列車沒有設(shè)置無座席上限時，則該趟車不允許發(fā)售無座席票額[10]。

（2）短途車票超售控制方式。鐵路運輸需優(yōu)先滿足長途旅行的需求，為防止從始發(fā)至終到站的票額被過早拆分成短途票額，通過以遠(yuǎn)站設(shè)置只可發(fā)售以遠(yuǎn)站(包含)后續(xù)車站的車票。如果至發(fā)車前規(guī)定時間內(nèi)，長途票額未全部售出，可以通過取消以遠(yuǎn)站限售設(shè)置以充分滿足短途旅客出行需求。在客流高峰期，采用共復(fù)用相結(jié)合的售票組織方式時，可以對列車的復(fù)用方式設(shè)置成復(fù)用產(chǎn)生無座，此時，一張有座席票額在共用售出時，會售出一張乘車站為共享車站的無座席，這張票在未售區(qū)間產(chǎn)生復(fù)用席位時，向前復(fù)用則產(chǎn)生的是原有座席席位號的有座席席位，向后復(fù)用則產(chǎn)生的是無座席。如果“以短乘長”情況發(fā)生較多，可能出現(xiàn)無座票額超售，從而對旅客安全候乘車造成影響，此種狀態(tài)下，可以通過減少無座席位和停售無座席位2 種方式來控制列車超售，進(jìn)而有效保障旅客全方位的旅程安全[11]。

（3）指定區(qū)間停售。當(dāng)出現(xiàn)極端天氣情況，如冬季突發(fā)的雨雪天氣或其他突發(fā)事件時，可能會對冬奧會的賽事舉辦進(jìn)行臨時調(diào)整，此時高速鐵路客流臨時出現(xiàn)較大變動，需要提供靈活的保障措施，如調(diào)整車票策略，停止發(fā)售特定發(fā)到站的車票等。在指定區(qū)間執(zhí)行車票停售控制措施時，特定日期某車次從特定發(fā)站到特定到站的車票將無法購買，但旅客可購買該車次其余發(fā)到站的車票。

2.4 運用效果

基于冬奧會期間實際客流組成，提出的多元客流預(yù)測方法在冬奧會客流預(yù)測方面起到了技術(shù)和方法儲備的作用。冬奧會期間，該方法在常規(guī)客流預(yù)測方面開展了應(yīng)用，為票額組織和席位管理提供了運輸需求輸入。面對運輸模式多樣與多元需求匹配方法不足的問題，設(shè)計了一套運輸模式與多元需求匹配方法，為冬奧運輸模式與用戶匹配安排方案提供了理論性支撐。結(jié)合后期實測客流驗證，出行前3天內(nèi)常規(guī)客流預(yù)測誤差率可穩(wěn)定低于10%。

針對疫情下客流組織的特點，提出的多元客流票額組織和席位管理技術(shù)，將票額與席位按照客流種類進(jìn)行分類管理。在冬奧會期間，為用戶提供了管理精細(xì)化、流線不交叉的組織策略，有效降低了疫情擴散的風(fēng)險，降低了賽區(qū)間的社會面疫情管理成本。同時，利用精確投放、彈性投放、票額通售、共用等策略對預(yù)售期外和預(yù)售期內(nèi)的票額進(jìn)行管理，盡量減少冬奧運輸對京張高速鐵路沿線客流出行需求的影響。冬奧會期間，京張高速鐵路非冬奧列車的全程平均客座率僅比2021 年同期增長0.5%，基本持平，說明冬奧運輸對京張高速鐵路沿線客流出行影響甚小。

面對冬奧會期與春運期的需求疊加，提出包含列車超員控制和超員預(yù)警的京張高速鐵路超員預(yù)警技術(shù)，從票額監(jiān)控和實時監(jiān)測方面支撐列車超員預(yù)警。該項技術(shù)主要應(yīng)用于京張高速鐵路普通列車超員監(jiān)控，輔助保障冬奧列車的運輸安全。

后續(xù)票務(wù)運營保障技術(shù)為疫情下舉辦重大賽事時鐵路客流分類保障提供了可復(fù)制和推廣的經(jīng)驗。同時在日常運營中，票額組織和席位管理技術(shù)、超員預(yù)警技術(shù)仍可以繼續(xù)發(fā)揮相應(yīng)作用，保障鐵路運輸?shù)陌踩椒€(wěn)運營。

3 結(jié)束語

研究將多模態(tài)信息融合理論引入智能票務(wù)體系，基于多模態(tài)信息進(jìn)行客流分析及預(yù)測，提出一系列旅客運輸保障手段，相關(guān)成果在冬奧會期間應(yīng)用于京張高速鐵路。所提供的旅客運輸保障手段大幅提升了旅客出行服務(wù)質(zhì)量和客運生產(chǎn)組織工作效率，有效保障了站車運營安全?？土黝A(yù)測的準(zhǔn)確性與列車開行方案息息相關(guān)，基于多模態(tài)信息融合的預(yù)測結(jié)果可以更準(zhǔn)確地對其進(jìn)行指導(dǎo)，有效提升資源利用率，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；多元客流跨區(qū)域高速鐵路運輸模式匹配靈活多樣，可以有效提升不同旅客滿意度，節(jié)省運輸資源；均衡合理的票額分配及不同方式的席位管理策略可以更智能地服務(wù)冬奧期間的普通客流及賽事客流，為高效運輸保駕護(hù)航；列車超?？刂婆c預(yù)警的研究保證了冬奧會期間京張高速鐵路列車運行的穩(wěn)定性。