鐵路客貨OD大數(shù)據(jù)平臺總體設(shè)計研究

李恒鑫

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063）

0 引言

鐵路客貨運OD 大數(shù)據(jù)是開展鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、制定運輸組織計劃的重要依據(jù)。經(jīng)過若干年的調(diào)查統(tǒng)計，鐵路行業(yè)部門已經(jīng)積累了大量客貨運OD 大數(shù)據(jù)資源，而目前鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍存在應(yīng)用場景深度不足[1-2]、運輸特征解析不足[3-5]、數(shù)據(jù)高效易用性較差[6-7]等問題，亟待創(chuàng)新研發(fā)快速高效的鐵路客貨運OD 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)方法，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策，支持鐵路規(guī)劃設(shè)計科學(xué)化、精準(zhǔn)化發(fā)展。此外，由于鐵路運輸與運營系統(tǒng)的專業(yè)性和特殊性，尚未形成成熟的囊括鐵路客運和貨運的分析系統(tǒng)[8]，使得數(shù)據(jù)挖掘和分析對鐵路規(guī)劃、設(shè)計業(yè)務(wù)的支持十分有限，數(shù)據(jù)潛力亟待挖掘。

在總結(jié)大量既有研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)化、便利化原則，整合多級粒度地理信息、鐵路客貨運OD 數(shù)據(jù)資源，聯(lián)合研制開發(fā)了“鐵路OD 大數(shù)據(jù)分析和可視化平臺”（以下簡稱“平臺”），擬通過數(shù)字化、信息化、智能化手段顯著提升鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)分析和可視化的效率，促進鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)在鐵路規(guī)劃、綜合交通規(guī)劃中的價值發(fā)揮，為鐵路規(guī)劃人員提供一款易用、實用、常用的鐵路OD 大數(shù)據(jù)“生產(chǎn)力工具”。

1 數(shù)據(jù)源設(shè)計

1.1 地理空間數(shù)據(jù)

地理空間數(shù)據(jù)是進行OD 分析的基礎(chǔ)，主要用于OD 起終點的定位和運量的集計統(tǒng)計。平臺遵循數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則預(yù)制了多級粒度的地理空間數(shù)據(jù)，包括邊界面數(shù)據(jù)和代表點數(shù)據(jù)。多級粒度分別包括縣區(qū)級、地市級、省（自治區(qū)）級、城市群級、地區(qū)級。此外，鐵路交通小區(qū)作為特殊地理空間也被納入。

1.2 鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)

鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)是平臺使用的核心數(shù)據(jù)，包含有向的起終點信息和數(shù)量。平臺所使用的鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)粒度為鐵路小區(qū)級（近似縣區(qū)級）OD 數(shù)據(jù)，由于鐵路小區(qū)嚴格歸屬于地級市，故可由鐵路小區(qū)向上分別集計地市級、省（自治區(qū)）級等上級粒度OD。

鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)包含了豐富的品類信息，可分為客運、貨運兩大類，客運包含分車型客運量OD，貨運包含鋼鐵、糧食等16 種細分品類OD。

2 平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

2.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的主要有3 個：一是確立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，保障數(shù)據(jù)的易更新性；二是保障數(shù)據(jù)預(yù)處理流程的自動化；三是通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，保障算法、功能的標(biāo)準(zhǔn)化[9]。

平臺的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容包含數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表兩個層面。數(shù)據(jù)庫層面為上層框架設(shè)計，對支撐平臺各模塊、各算法的數(shù)據(jù)表進行總體設(shè)計，其中需重點考慮表與表之間的連接關(guān)系和層次。數(shù)據(jù)表設(shè)計為下層內(nèi)容設(shè)計，需對各表的字段、數(shù)據(jù)類型、字段含義進行設(shè)計。

平臺在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的過程中，同時關(guān)注數(shù)據(jù)的垂直化，確保各級數(shù)據(jù)向上級粒度集計統(tǒng)計時的嚴謹性和便捷性。一方面要求具有歸屬關(guān)系的下級粒度面層、點層要素需繼承上級粒度的屬性，如縣區(qū)級要素需同時記錄所屬的地市、省等上級粒度信息。另一方面要求鐵路特有要素，如鐵路站點、鐵路線段起終點、鐵路小區(qū)，需同時記錄所屬行政區(qū)劃、交通小區(qū)的屬性信息。

2.1.2 功能業(yè)務(wù)化原則

功能業(yè)務(wù)化是保障平臺成為“生產(chǎn)力工具”的必要條件，專業(yè)化平臺研發(fā)的首要目的是支撐實際業(yè)務(wù)而非僅看重可視化效果。平臺主要從多級粒度、品類選擇、輸出圖表三個方面體現(xiàn)功能業(yè)務(wù)化原則。

首先，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則的支撐下，平臺提供了滿足不同層面業(yè)務(wù)分析的多級粒度的OD 分析功能。多級粒度包含縣區(qū)級、鐵路交通小區(qū)級、?。ㄗ灾螀^(qū)）級、城市群級、地區(qū)級共五級粒度。

其次，平臺提供了靈活的鐵路客貨運品類、子品類OD 分析功能。鐵路OD 分析的一大特色是具備豐富的客貨品類信息，不同品類的OD 分析也是支撐鐵路規(guī)劃方案編制的重要依據(jù)。為滿足實際業(yè)務(wù)對分品類OD 分析的需求，平臺提供了客運量和貨運量的自定義品類功能。其中，客運量品類包含分車型運量子品類，貨運量品類包含煤炭、糧食等16 種子品類。

此外，平臺提供了地圖可視化、統(tǒng)計圖表、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等業(yè)務(wù)強相關(guān)功能。在鐵路規(guī)劃日常工作中，OD數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計圖表制作是高頻需求，為此平臺提供了靈活豐富的功能?？紤]到日常業(yè)務(wù)中需大量使用數(shù)據(jù)的范式化表格制作以及數(shù)據(jù)的二次分析加工，平臺提供了高效且實用的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

2.1.3 使用便利化原則

在保障平臺功能對業(yè)務(wù)充分支撐的基礎(chǔ)上，為了提升易用性、降低使用門檻、提升使用效率，平臺對界面設(shè)計、交互設(shè)計進行充分優(yōu)化，提升平臺使用的便利性。平臺主要從分析對象選擇、分析設(shè)置、工具箱三個角度體現(xiàn)使用便利化原則。

（1）靈活多樣的目標(biāo)區(qū)域選擇方式。OD 分析目標(biāo)區(qū)域是指平臺在自定義分析時所分析的對象。平臺對分析對象的選取提供了地圖點選、地圖框選、區(qū)域名稱搜索等靈活的選擇方式，提升了平臺使用的便利性。

（2）所選即所得的分析設(shè)置功能。平臺包括查詢設(shè)置和可視化設(shè)置兩種設(shè)置功能，均通過自動化手段進行了合理精簡，使用者僅需簡單設(shè)置即可得到預(yù)期分析結(jié)果。在運量統(tǒng)計方面提供了到達、發(fā)送、總到發(fā)、凈到發(fā)等常見分析項；在可視化設(shè)置方面提供了豐富的配色預(yù)設(shè)、端點大小、期望線粗細調(diào)整等功能，且均可在地圖可視化中即時生效。

（3）豐富快捷的工具箱功能。平臺提供了測距、測面積、半徑參考圓、圖幅書簽、設(shè)施搜索等小工具。用戶可使用半徑參考圓點擊地圖任意位置生成半徑為200km、400km 至1000km 的同心圓，便于進行距離參考；用戶可使用圖幅書簽記錄當(dāng)前地圖位置和縮放等級。工具箱可在平臺各個功能下使用，有效提升了日常OD 分析的便利性。

2.2 平臺總體設(shè)計

2.2.1 總體功能設(shè)計

平臺的總體功能由分析設(shè)定組件、地圖可視化組件、統(tǒng)計圖表組件三大組件構(gòu)成。其中，分析設(shè)定組件作為輸入端、控制端，由用戶輸入分析需求。地圖可視化組件和統(tǒng)計圖表組件為輸出端，輸出分析結(jié)果。在分析設(shè)定組件中，用戶可對分析時間、分析空間粒度、分析客貨品類、分析模式進行靈活便捷的設(shè)定；平臺根據(jù)分析設(shè)定的需求，從鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)結(jié)果，并傳輸給輸出端；地圖可視化組件將使用OD 查詢結(jié)果和配套的背景數(shù)據(jù)共同生成地圖可視化結(jié)果；與此同時，統(tǒng)計圖表組件將生成相應(yīng)的結(jié)果。

2.2.2 界面與交互設(shè)計

平臺采用清晰的分區(qū)界面設(shè)計保障了平臺的易用性和高效性。平臺總體界面包含上、下、左、右、中五部分。左面板為一級模塊選擇面板；右面板為分析設(shè)定面板；上面板為工具箱；下面板為統(tǒng)計圖表面板；中央最大面板為地圖可視化面板。其中，右側(cè)面板功能最為豐富，又包含上中下三個子面板：上部為分析粒度選擇面板，中部為自定義分析選擇集操作面板，下部為詳細設(shè)置面板。

3 平臺功能設(shè)計與實現(xiàn)效果

3.1 平臺功能設(shè)計

3.1.1 選擇功能

為提供靈活的分析與可視化手段，平臺提供靈活的時間選擇、分析單元選擇、客貨品類選擇功能。時間選擇可以對各個涉及時間范圍的功能產(chǎn)生影響。粒度選擇功能包含地理區(qū)域粒度和鐵路專用粒度兩類。地理區(qū)域粒度包含縣區(qū)級、地市級、?。ㄗ灾螀^(qū)）級、城市群級、地區(qū)級五種粒度。例如，選定地市級粒度，則OD 分析結(jié)果將以地市為單位集計統(tǒng)計。鐵路專用粒度包含鐵路小區(qū)、鐵路站點、鐵路線段、鐵路線四種粒度，其中鐵路小區(qū)和鐵路站點可用于鐵路OD分析平臺。品類選擇包括三級品類：一級品類為頂層品類，包含客運、貨運、行包三種類別；二級品類是對一級品類的展開，客運包含G、D、C、普車四種客運列車品類，貨運包括食品、農(nóng)業(yè)、能源、材料、礦石、集裝箱、其他七種品類；三級品類是對二級品類的進一步展開，如貨運—材料品類進一步包含鋼鐵、水泥、木材、礦建材料四種品類。

3.1.2 OD 分析可視化功能

平臺提供了端點、期望線、區(qū)域面三類可視化效果，為專業(yè)人員提供了充分、靈活、易用的OD 分析出圖業(yè)務(wù)支撐。三類可視化效果以圖層形式組織，圖層可獨立開關(guān)，每類可視化提供具體設(shè)置項。

端點可視化包含運量、凈運量、結(jié)構(gòu)構(gòu)成三種模式。其中，運量模式提供了發(fā)送量、到達量、總到發(fā)量三種子模式，以氣泡形式渲染；凈運量為發(fā)送量與到達量的差值，主要用于體現(xiàn)貨運品類的凈流入、流出情況，以雙色氣泡形式渲染；結(jié)構(gòu)構(gòu)成模式包含發(fā)送構(gòu)成、到達構(gòu)成兩種模式，主要用于分析呈現(xiàn)各級品類的構(gòu)成情況，以餅圖形式渲染。

期望線渲染模式包含發(fā)送模式、到達模式、雙向三種子模式。期望線以弧線形式根據(jù)右手規(guī)則嚴謹表達流向——從運輸?shù)钠瘘c觀察終點，期望線位于右手邊。期望線支持彩色、單色渲染，同時支持粗細渲染，顏色和粗細隨交流量大小自動變化。

區(qū)域面渲染與氣泡渲染所使用的數(shù)據(jù)一致，主要用于突出運量差異性，彌補僅憑端點氣泡大小區(qū)分度不直觀的缺陷。區(qū)域面渲染支持不同色帶的選擇，如紅、黃、綠、藍色帶，紫、藍、綠、黃色帶等彩色色帶和單色色帶。

3.1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能

為便于使用者下載數(shù)據(jù)進行文本編制或進一步分析數(shù)據(jù)，平臺提供了快捷的數(shù)據(jù)“一鍵導(dǎo)出”功能。數(shù)據(jù)導(dǎo)出將遵循分析控制組件設(shè)定的條件進行數(shù)據(jù)查詢，并將結(jié)果以Excel 格式下載至本地。數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和定制表格數(shù)據(jù)導(dǎo)出兩種模式?；A(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)出提供按選定粒度集計和原始OD 數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，如選定上海市（發(fā)送）對外省級OD 分析，則可導(dǎo)出上海至各省的發(fā)送量和相對應(yīng)的原始OD 數(shù)據(jù)。定制表格數(shù)據(jù)導(dǎo)出是指按照規(guī)劃方案編制技術(shù)規(guī)程要求，導(dǎo)出的特定格式OD 數(shù)據(jù)表格，以規(guī)定的矩陣形式組織OD 數(shù)據(jù)，并在鑲邊行進行自動集計統(tǒng)計。

3.2 應(yīng)用效果

平臺開發(fā)定位為生產(chǎn)力專業(yè)工具，故對日常工作的效率提升可直接體現(xiàn)應(yīng)用效果。平臺內(nèi)測版現(xiàn)已投入使用，根據(jù)來自兩家大型規(guī)劃單位的兩個業(yè)務(wù)部門的日常使用反饋，相比于使用SQL、Excel、ArcGIS等工具而言，以處理“特定年份自選某一地市至全國各省特定多種貨品的運量”為例，應(yīng)用平臺使OD 數(shù)據(jù)處理、查詢平均時間從18min 縮短至2min；基于桌面GIS 軟件的OD 標(biāo)準(zhǔn)化出圖（含數(shù)據(jù)處理、查詢）的平均時間從34min 縮短至4min；總體平均時耗減少約90%。

由此可見，平臺可顯著提升鐵路OD 分析工作的效率，有效減少數(shù)據(jù)處理、查詢和出圖時間，使專業(yè)規(guī)劃人員可以將更多的時間和精力投入規(guī)劃方案的編制，提升了生產(chǎn)力，達到了平臺預(yù)期的建設(shè)效果。

4 結(jié)語

結(jié)合“鐵路OD 大數(shù)據(jù)分析和可視化平臺”的實際開發(fā)經(jīng)驗，提出了鐵路大數(shù)據(jù)分析工具開發(fā)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)化、便利化原則，從數(shù)據(jù)組織、總體設(shè)計、功能實現(xiàn)方面介紹了鐵路OD 分析和可視化工具的構(gòu)建方法，并基于用戶的實際使用體驗對平臺的落地應(yīng)用效果進行了客觀評估。評估結(jié)果表明：平臺可作為生產(chǎn)力工具，有效提升日常鐵路OD 分析工作的效率，使鐵路客貨OD 數(shù)據(jù)分析工作時耗相較以往手工處理減少約90%。所研究內(nèi)容對鐵路規(guī)劃領(lǐng)域信息化系統(tǒng)的開發(fā)具有一定參考意義，對我國鐵路規(guī)劃領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展起到了一定的促進作用。