基于GIS的城市軌道交通線網(wǎng)客流監(jiān)測預(yù)警

白 麗 王富章 張 銘

(中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081)

基于GIS的城市軌道交通線網(wǎng)客流監(jiān)測預(yù)警

白 麗 王富章 張 銘

(中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081)

在分析城軌客流特性的基礎(chǔ)上，提出線網(wǎng)實時客流的監(jiān)測算法;利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，動態(tài)展示城市軌道交通線網(wǎng)實時客流分布態(tài)勢;設(shè)定預(yù)警研判機理，對超過限定預(yù)警值的車站、區(qū)間的客流進行監(jiān)測預(yù)警;借助GIS動態(tài)定位特性，輔助實現(xiàn)公交接駁的緊急疏散，以滿足線網(wǎng)運營的可視化、高效的現(xiàn)代化管理。

城市軌道交通;地理信息系統(tǒng);客流;監(jiān)測預(yù)警;動態(tài)實時;疏散接駁

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，各大城市越來越多的軌道交通線路開通運營，促使軌道交通網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜化，軌道交通承擔(dān)的客流量也飛速上升。但在這種城市軌道交通線網(wǎng)運營的模式下，以單線或多線區(qū)域模式管理的控制中心監(jiān)控系統(tǒng)難以滿足軌道交通線網(wǎng)多個運營主體、線網(wǎng)的運營監(jiān)管要求，需要依托GIS(地理信息系統(tǒng))地圖展現(xiàn)的客流動態(tài)分布來實現(xiàn)對線網(wǎng)運營狀態(tài)的實時把握，運用多元信息融合技術(shù)和GIS空間分析能力及先進的客流計算方法來提升軌道交通的運營能力、管理水平，確保其有序發(fā)展。地理信息系統(tǒng)具有高效的空間數(shù)據(jù)處理能力與高度的可視性、易用性、可擴展性，可以為線網(wǎng)客流監(jiān)測預(yù)警提供輔助分析決策功能與查詢數(shù)據(jù)的功能。

1 城軌客流特性分析

城市軌道交通的客流具有周期性、集中性、每天的客流量變化大等特點，只有在較為準(zhǔn)確地把握客流變化的前提下，才能有效地進行軌道交通運營管理。目前，軌道交通客流數(shù)據(jù)是通過閘機刷卡登記的，每一筆交易作為一項記錄，累計取得車站的進站人數(shù)或出站人數(shù)。本線車站的進站、出站客流量，是通過車站的進站、出站人數(shù)匯總得到;線路間的換乘客流量，是通過清分算法，結(jié)合最短路徑、費用、清分比例等要素核算得到;當(dāng)日或歷史的客流統(tǒng)計量，由于客流交易記錄量通常十分龐大，數(shù)據(jù)采集頻率為5～15 min，通常在每日軌道交通停止運營后統(tǒng)一計算生成。因此，運營主體無法得到線網(wǎng)實時客流的運行狀態(tài)和客流分布情況，不能夠?qū)壍澜煌ň€網(wǎng)動態(tài)客流態(tài)勢把握，難以為客流擁堵區(qū)段及早制訂客流疏解組織方案。

2 動態(tài)客流的監(jiān)測預(yù)警

2.1 客流監(jiān)測方法

對按照一定頻率采集的軌道交通線路售檢票系統(tǒng)的實時客票數(shù)據(jù)進行抽取、過濾，根據(jù)客流統(tǒng)計真實性的要求，選擇以交易時間作為統(tǒng)計維度，在每次采集數(shù)據(jù)完畢后，對前一周期的數(shù)據(jù)進行計算，包括計算周期內(nèi)的進站客流量、出站客流量、任一車站經(jīng)某換乘站換乘到任一其他線路車站的換乘客流量、線網(wǎng)任一區(qū)間的客流量累計。

2.1.1 車站客流數(shù)據(jù)計算方法

2.1.2 區(qū)間客流數(shù)據(jù)計算方法

2.1.3 換乘客流數(shù)據(jù)計算方法

設(shè)線路li自車站ε1至換乘站εh間的任意中間站εk，向 εh的換入客流為 pεk，hi;自換乘站 εh至末站 εz的任意中間站 εk，向 εh的換出客流為。該換入、換出客流對應(yīng)各自的權(quán)重，則該換乘站在t時段內(nèi)換乘總客流量為

在計算周期時段t內(nèi)，設(shè)定客流換出線路為La，換出客流方向為Da，換入線路為Lb，換入客流方向為Db，換乘站Dh。首先搜索取得La在Da方向上從La首站至換乘站Dh之間所有車站的集合，然后搜索取得Lb在Db方向上從換乘站Dh至Lb末站所有車站的集合，查詢所有進站車站在I()集到所有出站車站在O()集的所有路徑集合R()。最后，在換乘客流數(shù)據(jù)表中，查找所有匹配時間段內(nèi)且路徑屬于R()的客流數(shù)據(jù)值，并累計求和，從而得到La的Da方向換乘到Lb的Db方向的客流量。

將上述方法應(yīng)用于軌道交通線路每一個區(qū)間的客流量計算，并將區(qū)間客流與換乘客流疊加求和，取得分布在任一區(qū)間的總客流量。

2.2 監(jiān)測預(yù)警機理

將每一個周期計算的3種客流量建立數(shù)據(jù)集存儲過程存到臨時表，將數(shù)據(jù)源表簡化為N個周期的分段客流量統(tǒng)計表，包含車站統(tǒng)計、區(qū)間統(tǒng)計、換乘統(tǒng)計3種類型的客流量統(tǒng)計表。設(shè)定客流預(yù)警4級限值為［P1(a，b)，P2(a，b)，P3(a，b)，P4(a，b)］，根據(jù)該周期客流量來分析是否超過預(yù)警值，如果超過分級則發(fā)出預(yù)警，如圖1所示。

3 GIS與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的融合

選擇ArcGIS軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件以及二次開發(fā)平臺，能更好地滿足系統(tǒng)功能的需要。采用高性能的商用服務(wù)器部署Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使得海量空間和客流業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更加獨立，可進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維護性。

3.1 空間數(shù)據(jù)處理思路

圖1 監(jiān)測預(yù)警原理

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理是利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理信息(含城市道路信息、公交信息圖層)，運用FME軟件工具，通過映射方法以及GIS地圖繪制工具(ArcGIS Desktop)，從地鐵線路的規(guī)劃設(shè)計圖中獲取新建地鐵的圖層(包括地鐵線路基礎(chǔ)設(shè)施信息、地鐵站點的總體框架信息、地鐵站點各個出入口位置信息、地鐵站點站廳相關(guān)設(shè)施信息、在建線路或規(guī)劃線路信息等)，然后利用獲取的地鐵線路地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過線性參考，補充完善地鐵專項應(yīng)急資源、地鐵應(yīng)急救援設(shè)備、社會專項應(yīng)急資源等圖層，如圖2所示。

圖2 GIS數(shù)據(jù)的處理

3.2 客流數(shù)據(jù)接入展示

利用自動售檢票清算中心既有與其他線路/運營商傳輸交易對賬文件的數(shù)據(jù)傳輸中間件IBM MQ的FTE中間件，在系統(tǒng)接口服務(wù)器端建立專屬客流數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈募A，按預(yù)定周期采集軌道交通線路售檢票系統(tǒng)的實時客票數(shù)據(jù)，經(jīng)過灰色模型算法得到車站客流量、線路區(qū)間客流量和換乘客流量，并將這三種客流量存儲在數(shù)據(jù)庫中進行定期的備份。然后，根據(jù)分周期計算得到的線路各區(qū)段的分布客流量，將車站的進出站客流量、區(qū)間客流量與換乘客流量沿路徑編號疊加在同一區(qū)間上，在地圖上顯示不同的顏色來表示線網(wǎng)每一區(qū)段當(dāng)前的車站、區(qū)間的客流聚集程度。

1)車站客流。查詢進站、出站人數(shù)，對應(yīng)車站所在的地圖坐標(biāo)，繪制柱狀的統(tǒng)計圖，柱狀圖的數(shù)據(jù)分別標(biāo)繪進站、出站客流數(shù)值。

2)區(qū)間客流。在空間數(shù)據(jù)庫中，搜索兩站連線所在區(qū)間線路形狀的坐標(biāo)，起、止車站的編碼，以及當(dāng)前區(qū)間上行、下行各自的客流量。在圖層上繪制所有具有客流的、與軌道交通線路類似形狀的線形，在該線段的一側(cè)浮動字符串上標(biāo)注客流量。將此客流量與預(yù)警閾值比較，根據(jù)客流量大小的色階來匹配顯示相應(yīng)的顏色。

4 客流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)(GIS)通過采集、處理、存儲空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)，利用空間數(shù)據(jù)引擎發(fā)布地圖文檔來提供基本地圖的服務(wù)和分析功能，采用基于ArcEngine技術(shù)的集成開發(fā)模式，通過開發(fā)具有良好客戶體驗和快速響應(yīng)的B/S Flex程序來滿足線網(wǎng)客流監(jiān)測預(yù)警的各項功能。城市軌道交通線網(wǎng)客流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是針對線網(wǎng)客流實時運營狀態(tài)進行監(jiān)控和預(yù)警的平臺，主要包括實時進出站客流數(shù)據(jù)的展示、實時區(qū)間客流數(shù)據(jù)的展示、客流預(yù)警監(jiān)控、客流疏散方案等功能。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)分層的設(shè)計思路，系統(tǒng)自上而下劃分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)層，如圖3所示。

4.2 客流動態(tài)查詢

通過基于GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)疊加上接口計算轉(zhuǎn)換的客流數(shù)據(jù)進行地圖展現(xiàn)，可在系統(tǒng)界面上查看到各條線路、各個車站的實時進出站客流，通過把地圖放大到一定比例時線路區(qū)間上下行方向的實時客流量統(tǒng)計，實現(xiàn)了準(zhǔn)確、實時動態(tài)地查看軌道交通線網(wǎng)日常運營的客流態(tài)勢。圖4是某站的實時進出站客流的地圖顯示及柱狀圖對比情況。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖4 車站實時進出站客流顯示

4.3 監(jiān)測預(yù)警功能

在節(jié)假日或重要時期，軌道交通線路的運營很容易出現(xiàn)大客流事件。運用GIS技術(shù)，利用可視化定位與分級預(yù)警的智能分析手段，可有效地捕捉到換乘樞紐、大型客流集散點以及客流集中區(qū)等大客流擁堵區(qū)段，實現(xiàn)客流預(yù)警功能。系統(tǒng)以采集的客流數(shù)據(jù)和歷史客流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并根據(jù)各條線路運營經(jīng)驗確定的客流預(yù)警值，對比客流分布數(shù)據(jù)，對超過預(yù)警值的區(qū)段或車站發(fā)出客流預(yù)警。按照突發(fā)公共事件的嚴(yán)重性和緊急程度，客流預(yù)警級別可分為一般(Ⅳ級)、較重(Ⅲ級)、嚴(yán)重(Ⅱ級)和特別嚴(yán)重(Ⅰ級)共4級，并依次用藍(lán)色、黃色、橙色和紅色表示。圖5表示了4級預(yù)警的顏色，并可以觀察到藍(lán)色線路段出現(xiàn)了一般客流預(yù)警的提示。

圖5 客流監(jiān)測預(yù)警

4.4 客流接駁功能

當(dāng)客流監(jiān)測發(fā)出預(yù)警信息時，可在客流緊急疏散過程中依據(jù)地圖通過空間位置的關(guān)聯(lián)，查詢到大客流可能影響范圍內(nèi)的地理狀況、周圍環(huán)境信息、線路應(yīng)急資源信息(消防、公安、維修設(shè)備等)以及樞紐、車站周邊其他交通方式的信息(如公交調(diào)度的信息)，為配合制訂軌道交通客流疏散計劃、接駁方案和實施措施提供依據(jù)。如圖6所示，通過地圖分析查詢功能，可查看到對應(yīng)車站附近的公交站、公交線路的地理信息及其屬性信息，并可以進行詳細(xì)的地理位置定位。

圖6 公交接駁線路

除此之外，客流接駁功能還可以依據(jù)對地鐵中各線路及各換乘站的乘客交換量的監(jiān)控預(yù)測，確定交通樞紐建設(shè)的合理規(guī)模、各種交通工具在樞紐中的布局分布等。

5 結(jié)語

筆者研究了城市軌道交通客流數(shù)據(jù)周期累計、監(jiān)測預(yù)警的算法，融合先進的GIS技術(shù)，顯示了實時動態(tài)監(jiān)測軌道交通線網(wǎng)客流態(tài)勢的分布情況;并利用可視化定位與分級預(yù)警的智能分析手段，有效地捕捉到大客流擁堵的區(qū)段，自動發(fā)出預(yù)警信號，及早預(yù)防客流爆滿。該系統(tǒng)完成了對線網(wǎng)客流日常運營、安全保障、疏散接駁全過程的集中統(tǒng)一管理，是軌道交通系統(tǒng)高效有序運營的重要保障，對提高軌道交通運營服務(wù)水平和提升客運組織能力具有較高的實用價值。

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Urban Rail Transit Network Passenger Flow Monitoring and Early Warning System Based on GIS

Bai LiWang Fuzhang Zhang Ming
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081)

Abstract:On the basis of analyzing the characteristics of urban rail passenger flow，the paper proposed a line network real-time passenger flow monitoring algorithm which dynamically displays the real-time passenger flow distribution trend of urban rail transit network by using GIS(Geographic Information System)technology.A warning-oriented mechanism was also established for monitoring an early warning passenger flow on a station or line interval that exceeded the limit warning value，which can help to realize emergency evacuation by bus connections with GIS dynamic positioning features.This meets the requirements of the line network operators'visual and high－efficiency modern management.

Key words:urban rail transit;GIS;passenger flow;monitoring and early warning;dynamic real－time;evacuation feeder

U29-39

A

1672-6073(2013)06-0056-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.014

收稿日期:2013-02-28

2013-04-01

作者簡介:白麗，女，博士生，助理研究員，主要研究交通信息工程與控制，baili@rails.cn

王富章，男，研究員，博士生導(dǎo)師

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2011BAG05B02);鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2012X010-A)

(編輯:郭 潔)