城市軌道交通客流多維時(shí)空可視化表達(dá)

劉曉玲,廖沈美慧

（1.深圳技術(shù)大學(xué)城市交通與物流學(xué)院,廣東 深圳 518118; 2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,上海 201103）

0 引言

客流是城市軌道交通運(yùn)營管理的核心，是城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、線路走向、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)的基礎(chǔ)。針對海量多源客流數(shù)據(jù)挖掘分析，提取出有價(jià)值的信息是客流分析非常重要的工作。其中，將分析結(jié)果以合理的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出來，能夠有效提升分析結(jié)果的可解釋性和可理解性，更有助于發(fā)揮其輔助決策功能。根據(jù)實(shí)際的需求選擇最合適的可視化表達(dá)方式對于解讀、探索數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的規(guī)律能起到事半功倍的作用，能有效輔助相關(guān)人員進(jìn)行決策。

1 需求

客流數(shù)據(jù)的需求對象是多維的，針對不同的需求選擇客流數(shù)據(jù)可視化方式，有利于人們有目的地對數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，并加以利用。需求對象大致可以分為四類：管理者、執(zhí)行者、乘客、政府，其對客流解讀的需求可以總結(jié)為表1。

表1 不同對象對城市軌道交通客流解讀的需求

管理者主要是指各城市軌道交通運(yùn)營管理者，他們需要全面掌握客流情況，了解客流歷史規(guī)律，并可以初步預(yù)測客流趨勢，以應(yīng)對客流變化，對于客流異常情況迅速做出判斷以調(diào)整客流恢復(fù)正常水平。因此，客流變化趨勢、實(shí)時(shí)波動情況，是管理者關(guān)注的重點(diǎn)。執(zhí)行者主要是指各城市軌道交通運(yùn)營管理現(xiàn)場工作人員，現(xiàn)場客流的實(shí)時(shí)數(shù)量、趨勢是他們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場局部異常時(shí)，及時(shí)采取一定現(xiàn)場處置措施延緩客流積聚或疏導(dǎo)客流。乘客對客流的關(guān)注跟自身的出行緊密相關(guān)，與自身出行存在時(shí)間、空間交集的站點(diǎn)、線路客流情況是他們關(guān)注的重點(diǎn)。這些情況的變化直接影響乘客個(gè)體出行舒適度、出行路徑，甚至?xí)淖兂丝蛡€(gè)體出行的交通方式。政府主要關(guān)注客流的宏觀特征與變化，特別是比較大的波動和異常情況，對可能發(fā)生的重大事件進(jìn)行事前預(yù)警，起到監(jiān)督的作用。

2 可視化的表達(dá)形式

2.1 折線圖

在城市軌道交通客流可視化中，折線圖是最常見的圖形，它可以表現(xiàn)諸如車站分時(shí)客流分布等客流隨時(shí)間的變化情況（圖1）。x軸的標(biāo)簽通常與時(shí)間相關(guān)，如分鐘、小時(shí)、月份等；y軸的標(biāo)簽是與客流相關(guān)的，如進(jìn)站客流、斷面客流等。折線圖還適合多個(gè)二維數(shù)據(jù)集的比較，這些數(shù)據(jù)集可以是不同天數(shù)、站點(diǎn)、線路等。

圖1 折線圖

將折線圖的x軸徑向排列成一個(gè)環(huán)形，則折線圖就變成了雷達(dá)圖（圖2），也稱為蜘蛛網(wǎng)圖。雷達(dá)圖更多的是關(guān)注某個(gè)指標(biāo)下不同數(shù)據(jù)集的對比情況。雷達(dá)圖可以輔助快速定位到數(shù)據(jù)極值處，用于多指標(biāo)的比較分析。

圖2 雷達(dá)圖

2.2 柱狀圖

柱狀圖跟折線圖一樣可以表現(xiàn)客流隨時(shí)間的變化情況，柱狀圖的x軸坐標(biāo)可以是與時(shí)間或空間有關(guān)的（圖3）。柱狀圖還可以用于表示不同數(shù)據(jù)指標(biāo)間的差異，這種指標(biāo)間的差異包括但不限于不同日期、站點(diǎn)、客流類型等，但柱狀圖關(guān)心的重點(diǎn)不在于“趨勢”，而是不同類別間的差異。

圖3 柱狀圖

2.3 點(diǎn)圖

對于點(diǎn)圖來說，x軸、y軸可以是時(shí)間和空間的任意組合，不同的組合所表現(xiàn)的特征是不一樣的，具體的組合及表現(xiàn)特征如表2所示。

表2 x軸、y軸組合形式

x軸、y軸分別代表了一維的數(shù)據(jù)，此時(shí)的點(diǎn)圖被叫作“散點(diǎn)圖”，表示的是二維的數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 點(diǎn)圖展示二維數(shù)據(jù)

如果點(diǎn)的大小反映對應(yīng)x軸、y軸條件下的客流數(shù)量，則點(diǎn)圖表示的是三維的數(shù)據(jù)（圖5），此時(shí)的點(diǎn)圖通常被叫作“氣泡圖”。

圖5 點(diǎn)圖展示三維數(shù)據(jù)

在三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過不同的顏色或形狀表示不同的類別，那么點(diǎn)圖表示的就是四維的數(shù)據(jù)（圖6），此時(shí)還能進(jìn)行不同類別間的比較。

圖6 點(diǎn)圖展示四維數(shù)據(jù)

以點(diǎn)圖為原型，結(jié)合別的圖形，如箱型圖、小提琴圖等，可以衍生出許多新的圖形。在二維點(diǎn)圖上結(jié)合箱型圖，如圖7，為統(tǒng)計(jì)連續(xù)n個(gè)工作日某車站進(jìn)站客流情況，這樣的表現(xiàn)形式可以看出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的特征值（最小值、第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)與最大值）。圖8為比較一個(gè)月內(nèi)車站A、車站B進(jìn)站客流分布的情況，車站B在7：00時(shí)會集中出現(xiàn)x1、x2兩種客流量。

圖7 點(diǎn)圖結(jié)合箱型圖

圖8 點(diǎn)圖結(jié)合小提琴圖

2.4 餅圖

餅圖是在圓形上通過按照數(shù)值大小劃分成多個(gè)扇形的可視化圖形，能直觀地展示比例情況[1]，在客流組成分析、進(jìn)出站客流比較等方面具有很好的可視化效果。如圖9，一個(gè)餅圖代表一個(gè)車站，將多個(gè)餅圖串聯(lián)可以展示某線路上各車站客流情況，快速定位到線路上客流量最大的站點(diǎn)，獲取客流比例關(guān)系。

圖9 點(diǎn)圖結(jié)合餅圖

與餅圖類似，按照客流大小劃分一定面積，這樣的圖形還有矩形樹圖（圖10）和旭日圖（圖11）。這2類圖都是以車站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造出線路、網(wǎng)絡(luò)客流數(shù)據(jù)一體化的可視化表達(dá)形式。采用分級表達(dá)形式，指定城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)或幾條線路為一級單位，線路為二級單位，車站為三級單位，以表征網(wǎng)絡(luò)（或指定線路）上站點(diǎn)的客流情況及占比。

圖10 矩形樹圖

圖11 旭日圖

2.5 熱力圖

熱力圖是一種按照某種規(guī)則將圖表劃分成規(guī)整矩形，用顏色映射顯示數(shù)據(jù)大小的圖形。通過分別比較x軸標(biāo)簽、y軸標(biāo)簽的特殊值，該形式能高效地發(fā)現(xiàn)異常值。x軸、y軸的標(biāo)簽和點(diǎn)圖的坐標(biāo)軸標(biāo)簽相同（具體可參考表2），由x軸、y軸分割而成的小矩形可以表示車站客流、線路客流、斷面客流等。小矩形顏色的映射規(guī)則多種多樣，但大多都是顏色從深至淺依次代表該小矩形的數(shù)據(jù)量由大到小。在城市軌道交通客流可視化中，常用的熱力圖包括表格型熱力圖、日歷熱力圖和徑向分布熱力圖。

表格型熱力圖是最常見的熱力圖，可以快速查看全局總體情況，定位到異常值對應(yīng)x軸、y軸坐標(biāo)，進(jìn)行橫向或縱向標(biāo)簽間的比較。圖12是表示OD客流量的表格型熱力圖，可以看出，最大OD對是A—C和C—D，從C進(jìn)入的乘客中，最多的乘客去往D，從A出站的乘客中，最多的乘客是來自C。

圖12 表格型熱力圖

日歷圖將日歷和熱力圖結(jié)合起來，可以展示長周期時(shí)間客流變化的過程（圖13），可以直觀解釋節(jié)假日、大型活動期間的客流異常情況[2]。

圖13 日歷熱力圖

徑向布局熱力圖（圖14）是將表格型熱力圖環(huán)繞成環(huán)形的一種圖形，每個(gè)環(huán)表示一類數(shù)據(jù)集，如不同日期、不同站點(diǎn)等。每個(gè)扇區(qū)代表一類時(shí)間或空間的標(biāo)簽，如時(shí)間、車站，不同的組合探究的重點(diǎn)各有不同（表3）。

圖14 徑向布局熱力圖

表3 徑向布局熱力圖內(nèi)容組合

3 結(jié)語

總結(jié)常用的城市軌道交通客流可視化表達(dá)方式，從圖形不同維度的表現(xiàn)能力進(jìn)行比較總結(jié)，用依次表示展示能力由強(qiáng)至弱，如表4。從表中可以看出，在信息展示能力上，折線圖、柱狀圖、熱力圖均有較全面的能力。根據(jù)不同表現(xiàn)力需要，對客流可視化進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合表1和表4，針對性地選用或組合選用。

表4 可視化圖表對比總結(jié)

該文分析了城市軌道交通客流可視化中常見的各類表達(dá)方式的適用條件、使用特點(diǎn)，并進(jìn)行對比總結(jié)，為客流數(shù)據(jù)可視化方案設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)分析的輔助決策功能日益凸顯，有效的數(shù)據(jù)可視化表達(dá)是數(shù)據(jù)輔助決策的有力工具，仍值得進(jìn)一步深入探索研究。