綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)架構及流程設計

朱穎婷，楊立鵬，王洪業(yè)，梅巧玲，吳首蓉

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

2022年北京冬奧會在北京、張家口2個城市的3 個賽區(qū)舉行，是全球首次3 賽區(qū)聯(lián)動的冬季奧運會。2018 年平昌冬奧會在相隔60 km 的2 賽區(qū)聯(lián)動舉辦，期間觀賽游客達141.2 萬人次、參與文化活動和慶典的游客有211.6萬人次[1]。參照平昌冬奧會期間的客流量情況，在無疫情影響下，結合我國經濟、賽區(qū)人口流動、辦賽時間和城市文旅設施等多種因素，賽前預計參與冬奧會服務的注冊利益相關方將達到20萬人次，觀賽游客將達200萬人次，參與文化活動和慶典的游客可達500萬~1 000萬人次。受北京冬奧會賽事安排、賽區(qū)周圍文旅設施和活動、春節(jié)放假等多種因素的影響，冬奧會期間注冊利益相關方、觀眾、普通民眾等多種客流交織匯聚，具有出行需求復雜、易短時聚集等特點。不同出行群體在兩地三賽區(qū)間流動，需要通過不同交通方式實現(xiàn)換乘接駁，各交通方式配置過多運力資源可能增加運輸企業(yè)成本，配置過少運力資源可能導致接駁點擁堵、影響相關人群出行體驗。

近年來，綜合交通背景下各交通方式間的運力配置協(xié)作和出行誘導主要基于理想的完全數(shù)據共享基礎，往往忽視了不同交通方式間的商業(yè)壁壘和各自的業(yè)務規(guī)則限制，導致多數(shù)研究思路只能停留于理論研究層面，很難在實際工程中推廣應用。為解決冬奧會期間可能出現(xiàn)的交通問題，在分析當前綜合交通運力資源調控和出行誘導現(xiàn)狀的基礎上，考慮到系統(tǒng)相關業(yè)務數(shù)據來源于不同交通方式、跨越多個物理隔離網絡、不同交通方式有特定的業(yè)務規(guī)則約束，設計了具備應對高并發(fā)、實時處理多種異質數(shù)據的系統(tǒng)總體架構、技術架構和關鍵業(yè)務流程，研發(fā)了面向北京冬奧會多元需求的綜合交通運力資源調控和出行誘導系統(tǒng)，為冬奧會期間多種交通方式調控運力資源提供決策依據，向出行人群提供最優(yōu)路徑規(guī)劃路線和出行提示，為推進后奧運時代綜合交通一體化出行提供經驗。

1 綜合交通運力資源調控和出行誘導現(xiàn)狀

1.1 運力資源調控現(xiàn)狀

通常意義上的運力資源，指的是各交通方式的運輸能力，由載運工具數(shù)量、定員、發(fā)車頻次等共同決定。因各交通方式間運力信息不透明、旅客出行選擇行為存在不確定性，易導致樞紐站旅客積壓和換乘接駁不暢、各交通方式運力資源浪費等現(xiàn)象。

在理論研究層面，近年來國內外學者對綜合交通樞紐運力資源調控的研究主要集中在宏觀層面的指導性思路[2-5]、多交通方式運力資源調控算法[6-15]等方面。在宏觀層面，羅濤等[2]較早提出要建設綜合交通智能系統(tǒng)，向出行用戶和各種交通方式提供實時信息服務，幫助各交通方式靈活調整運力，向用戶提供最優(yōu)出行路線和向導；張軍等[3]提出要推進多種交通信息服務平臺的對接和交通共享出行模式的建立，為公眾提供精準、人性化的綜合交通信息服務；單杏花等[4]提出了構建綜合交通信息平臺、促進各交通方式數(shù)據共享和協(xié)同合作的思路；周新軍等[5]從廣義范圍提出了綜合樞紐中不同運力資源的優(yōu)化配置建議。上述文獻提出了綜合交通運力資源調控的想法，但沒有說明具體實施思路。

在多交通方式運力資源調控算法方面，梁英慧等[6]針對大型鐵路客運樞紐站建立了各種交通方式的換乘接運能力協(xié)調匹配模型；邊莉莉等[7]提出了樞紐運力配置的解決方案，并對方案緩解交通矛盾的效能進行了分析；云亮[8]針對鐵路到達旅客離站出行需求研究了綜合交通系統(tǒng)的運力配置優(yōu)化方案；宋悅[9]建立空港樞紐陸側多方式交通運力配置優(yōu)化模型，研究其運力配置與客流分擔率之間的互動影響問題；Long 等[10]、馮書霞等[11]主要從參數(shù)優(yōu)化角度研究了多種交通方式的運力配置求解算法；陳慧等[12]、劉鵬[13]、Herbon等[14]以乘客出行成本為最優(yōu)化目標，研究了綜合交通運力協(xié)調模型；汪雯文等[15]綜合分析了鐵路綜合樞紐的定位及功能，提出了鐵路到發(fā)能力、樞紐交通方式客流分擔率、城軌疏散能力和樞紐設施設備能力的計算方法。大量相關論文模型均基于存在一個合法的綜合交通信息中心的立場，并假設掌握所有交通方式信息和用戶出行選擇行為，相關交通方式可直接執(zhí)行模型策略，在短期內難以實施應用。

1.2 出行誘導現(xiàn)狀

交通擁堵狀況的評價及其誘導策略一直是城市交通、高速公路等交通方式最關注的熱點之一，主流出行服務軟件以提供面向單一交通方式的、實時的出行誘導服務為主。如百度地圖、高德地圖均以城市交通為主，向用戶提供實時出行路線導航、交通狀態(tài)實時監(jiān)測、約車出行等服務；鐵路12306 APP向用戶提供鐵路客運站的站內導航服務；支付寶、多個城市地鐵出行軟件可向用戶提供地鐵站內導航服務。

在綜合交通領域，要實現(xiàn)向用戶提供合理的出行誘導信息，理論上要求掌握一定的用戶全出行鏈行為特征。但是，因各交通方式的業(yè)務規(guī)則區(qū)別較大，如鐵路和民航規(guī)定旅客必須實名制乘車、其他交通方式則無此要求，導致即使共享數(shù)據也難以辨別個體用戶的跨交通方式出行需求，難以向用戶提供準確的、個性化的出行提示。

2 綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)架構與流程設計

2.1 總體架構

綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)總體架構如圖1所示，自上而下分為3大部分。

圖1 綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)總體架構Fig.1 Capacity resource control and travel guidance system architecture of passenger comprehensive transport

（1）訪問層。訪問層面向決策管理者、公共交通出行者兩大群體，基于不同需求與關注點提供相應的服務與管理入口。以大屏和Web端為載體，基于后端業(yè)務向決策管理者提供基礎信息管理、交通運營綜合監(jiān)控、交通態(tài)勢預判和應急指揮調度等功能，輔助運營用戶靈活調控運力；以Web和APP為前端載體，基于后端業(yè)務向公共交通出行者提供聯(lián)程出行路徑規(guī)劃、路況與事件查詢等功能，用戶可獲取包含鐵路在內的聯(lián)程出行路線方案、出行路線相關道路交通狀態(tài)等信息。

（2）系統(tǒng)業(yè)務層。系統(tǒng)業(yè)務層以兩大用戶群體需求為導向規(guī)劃功能模塊，面向決策管理者設計基礎信息管理、客流預測、運行監(jiān)控和運力資源配置等功能，面向出行用戶設計聯(lián)程出行路徑規(guī)劃與出行誘導功能。

①運營管理平臺。在基礎信息管理模塊，可查詢各交通方式的運力運量和賽事安排，管理突發(fā)事件和主要客運樞紐站的承載能力等信息；在運行監(jiān)控模塊，實時計算并可視化展示客流量、交通狀態(tài)和供需關系等3 大類指標，并和其他交通方式共享約定的指標數(shù)據；在客流預測模塊，圍繞鐵路運輸和售票組織流程，分別面向中長期(預售期前)、短期(預售期內和用戶出行時)、突發(fā)事件構建客流預測模型；在運力資源配置模塊，基于客流預測結果，分別設計面向預售期前的鐵路運行計劃和售票組織方案、進入預售期內的鐵路票額調整和應急方案。

②出行誘導平臺。圍繞鐵路客運業(yè)務，對用戶出行流程劃分為購票和出行2 個環(huán)節(jié)，并考慮突發(fā)事件對用戶出行的影響，向用戶提供面向不同行程階段的聯(lián)程出行路徑規(guī)劃和出行誘導功能。

（3）數(shù)據層。數(shù)據層是以邏輯集中或物理集中的方式接入既有的系統(tǒng)和數(shù)據源，并對所有數(shù)據進行有效管理，滿足用戶查詢的及時響應、各業(yè)務模塊的實時與離線分析提取需求等。根據數(shù)據源頭與業(yè)務屬性的不同，需要采集接入綜合交通運營信息和互聯(lián)網數(shù)據。

2.2 技術架構

綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)技術架構如圖2所示，面向公共交通出行和運營決策用戶采用基本一致的技術架構。系統(tǒng)以鐵路12306大數(shù)據平臺為基礎，實時采集數(shù)據、實時和離線計算業(yè)務特征指標、構建路徑規(guī)劃模型，根據功能需求將計算結果分別同步至分布式緩存和常規(guī)數(shù)據庫；通過負載均衡將公共交通出行用戶請求分發(fā)至不同服務器處理，將用戶人數(shù)較少的運營用戶請求直接發(fā)送至指定服務器處理；系統(tǒng)將應用和接口服務分開部署，從而實現(xiàn)前后端分離，從而提高網站應用、數(shù)據庫和其他服務的性能和可靠性；應用和接口服務程序通過快速訪問分布式緩存和常規(guī)數(shù)據庫，獲取響應請求相關的參數(shù)、基礎數(shù)據和特征值，最終向用戶展示數(shù)據結果。

圖2 綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)技術架構Fig.2 Capacity resource control and travel guidance system technical architecture for passenger comprehensive transport

2.3 關鍵業(yè)務流程

（1）運力資源調控。各交通方式的運營主體、業(yè)務規(guī)則不同，且在一定范圍內存在競爭關系。在市場競爭環(huán)境下，面對高度復雜的業(yè)務和異質交通數(shù)據，很難存在一個可統(tǒng)一調配不同交通方式運力資源的綜合交通信息中心。因此，需要從實際情況出發(fā)，采用不同于理論研究層面的綜合交通運力資源調控方法，從產品層面設計綜合交通運力資源調控方法，即各交通方式間盡可能共享有益于對方調控運力資源的信息，并基于共享信息優(yōu)化自身運力資源配置，以冬奧會期間的綜合交通運力資源調控為例，綜合交通運力資源調控流程如圖3所示。

圖3 綜合交通運力資源調控流程Fig.3 Capacity resource control process for passenger comprehensive transport

鐵路運營方首先對觀賽出行相關的重點車站客流和候車能力、車次運能等基礎信息進行管理；基于北京市交通委員會提供的主要車站相關公交、地鐵線路運力、客流、路況信息和鐵路客運站出發(fā)、到達客流信息，重點分析北京西站、北京南站、北京北站的鐵路出發(fā)和到達客流規(guī)律、車站內部和周邊交通擁堵狀態(tài)變化規(guī)律、鐵路客流和城市交通運力的相關性等規(guī)律，設計客流量、交通狀態(tài)、鐵路客流和城市交通運力的供需關系等運行監(jiān)控指標；構建中長期、短期和應急客流預測模型，分別向制定鐵路運行計劃和售票組織策略、進入預售期內的鐵路票額調整、車站運營管理提供決策基礎。在冬奧會期間，鐵路運營方預測觀賽出行相關車站的出發(fā)到達客流數(shù)據，并以約定的頻率發(fā)送至城市交通運營方，城市交通以此為依據靈活調控公交、地鐵、網約車等運力資源。

（2）聯(lián)程出行路徑規(guī)劃和出行誘導。以冬奧會期間的綜合交通聯(lián)程出行路徑規(guī)劃和出行誘導為例，用戶需要在預售期內較出發(fā)日期提前一段時間購買鐵路車票，據此將用戶的聯(lián)程出行劃分為購票時、出發(fā)時和旅途中3 個階段，綜合交通路徑規(guī)劃和出行誘導流程如圖4所示。

圖4 綜合交通路徑規(guī)劃和出行誘導流程Fig.4 Path planning and travel guidance for passenger comprehensive transport

① 購票時。為了保護用戶隱私，各交通方式間不共享涉及用戶隱私的身份、設備等信息，且不同交通方式對實名制乘車要求不同，系統(tǒng)無法根據各交通方式的共享數(shù)據精準判斷個體用戶的詳細出行需求，但以用戶歷史出發(fā)地和到達地作為默認需求。用戶購票時需輸入城市內具體出發(fā)和到達地點，根據冬奧會3賽區(qū)和相關區(qū)域的交通規(guī)劃、賽事安排以及運力資源配置，進行偏靜態(tài)的出行路徑方案測算與規(guī)劃，滿足前端用戶的訪問與查詢，方便用戶安排旅行規(guī)劃，并可為后續(xù)提供一站式購買多種交通方式的聯(lián)程票提供票務方案；對于出行方案中包含鐵路出行的用戶，基于對鐵路用戶出行偏好、出行目的等需求特征結果，系統(tǒng)為不同出行群體展示差異化的出行路線，提高用戶購票體驗；用戶選擇聯(lián)程出行路線后，可查詢和其出發(fā)到達車站相關的周邊公共交通歷史和實時狀態(tài)、歷史和實時運力等信息，為旅客提前安排出行計劃提供判斷依據。

② 出發(fā)時和旅途中。以鐵路出行為主導方式，針對鐵路出行用戶，在用戶出行過程中，需要基于實時道路網交通運行態(tài)勢、突發(fā)事件、運力資源、鐵路客運站出發(fā)到達客流變化趨勢等動態(tài)擾動因素，結合出行群體當前所處位置不斷采用啟發(fā)式的算法以最小成本、最少換乘、最短用時等優(yōu)化目標動態(tài)規(guī)劃局部最優(yōu)出行路徑；通過消息推送、可視化等方式告知用戶和其出行路線相關道路網和車站的交通狀態(tài)、交通管制、車站內擁堵狀況和臨時進出站要求等，盡可能高效便捷地引導用戶出行。

3 結束語

面向冬奧會研制的綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)，以運營管理用戶、公共出行用戶的需求為出發(fā)點，兼顧各交通方式的業(yè)務規(guī)則，在冬奧會賽區(qū)相關車站和城市路網實現(xiàn)各交通方式間的運力聯(lián)動協(xié)調，向用戶提供跨多個交通方式的全出行鏈誘導服務。相比目前綜合交通運力資源調控研究現(xiàn)狀，研究方案更符合交通行業(yè)的市場發(fā)展規(guī)律；相比目前出行誘導現(xiàn)狀，研究方案以鐵路出行作為核心環(huán)節(jié)，打通了鐵路和其他交通方式的出行誘導服務，為鐵路用戶提供更好的出行服務。但是，一方面因后期疫情影響導致無社會觀眾觀賽，各交通方式面向注冊利益相關方和志愿者等其他具有確定出行需求的人員以計劃運輸?shù)姆绞教峁┓?，綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)僅在幾次測試賽中測試應用，未在正式賽中投入使用，系統(tǒng)功能、性能還有待在實際環(huán)境中檢驗；另一方面因全國不同鐵路車站規(guī)模、用戶出行規(guī)律、城市交通建設差異較大，還需進一步完善面向全路的車站分類、發(fā)到站客流預測、鐵路客流和其他交通方式運力關系挖掘等方法，提高綜合交通運力資源調控與出行誘導系統(tǒng)的適用范圍。