摘要:为满足铁路基础OD数据快速统计、分析和预测,采用C#语言和.NET平台进行铁路基础OD数据管理分析系统开发。在系统需求分析的基础上,从系统数据组织、系统功能模块设计、系统体系结构设计、系统功能模块关系与处理流程等方面进行系统设计,最后进行系统效果及评价分析。系统实现了OD小区指定品类分年度查询、指定年份分品类查询、OD生成量预测、OD分布量预测、OD数据图表分析等功能。应用结果表明:系统结构完整、界面友好、操作方便、运行高效,可为铁路基础设施规划建设、铁路行车组织、运营管理等提供决策辅助支撑。
关键词:铁路运输;OD数据;管理分析;系统设计;运量预测
1概述
铁路基础OD(OriginationandDestination)数据是开展铁路基础设施规划建设、铁路行车组织、运营管理及营销决策科学化的重要统计数据和关键支撑,每对OD数据均包含了行政区划范围、小区名、小区重心、所包含的铁路车站以及客货交流统计数据等。在交通大数据及铁路高质量发展时代背景下,我国铁路客货运量统计小区划分已由483个OD小区调整为582个OD小区,统计品类也扩充到23个品类,即基于582个OD小区的客货分布交流数据[1-2],其中客类数据分为高速、动车、城际、普速和合计5个品名,货类数据又分为煤炭、钢铁、木材、集装箱、合计等18个品名。因此,对全国OD小区所有数据检索是基于7790652对数据的叠加计算。目前铁路设计中OD客货交流分析预测尚缺乏成熟的专业软件,主要是利用已完成类似项目的EXCEL表格进行统计分析[3-6],需要进行大量繁琐的重复性计算,工作效率低,劳动强度较大,同时OD数据合并计算容易出错,预测分析功能不足,设计人员难以有效聚焦于OD数据分析、运量预测及项目设计的优化上,因此,开发铁路基础OD数据管理分析系统,实现全国范围内任意OD小区间运量数据统计检索、分析和预测是非常有必要的。
2系统需求分析
2.1基础年度客运OD数据统计需求
基础年度客运OD数据统计分析可直观反映区域铁路旅客运输市场发展水平、分布规律等基础特征。随着区域铁路网逐步完善、运输供给产品日益丰富,客运OD数据规模也愈加庞大和复杂,需结合不同项目进行合理归并与分析,主要需求包括以下4方面。(1)旅客OD范围划定与归并。分为华北、东北、华东、中南、西北、西南、香港、澳门等大区域,以及根据32个省区及其下辖市、县、镇等细分为582个OD小区,能够结合具体项目影响范围进行整合与归并。(2)研究区域旅客到发总量统计。主要用于以时间为轴的发展变化态势,对掌握铁路承担市场份额、研判增长率等提供重要支撑,因此,需要实现对不同地区、不同年度发到量的统计与导出。(3)基于出行区划的OD分布数据统计。OD分布进一步明确流量的产生和消失地,也是进行流量流向分析的基础,不同层级铁路项目的规划设计对OD数据的分析范围、分析深度是存在差距的,因此需进行不同深度的划分,具体可分为大区、省间、市镇间旅客OD交流等层次。(4)基于运输供给的OD分布数据统计。目前铁路客运市场已形成涵盖高速铁路、城际铁路、普速铁路等多种模式的运输产品,不同地区内产品组合也不同,因此,需根据运输供给产品分类分析铁路旅客OD数据特征,用于分析旅客出行选择特征、相关线路分工等。
2.2基础年度货运OD数据统计需求
基础年度货运OD数据统计分析可直观反应区域铁路货运市场发展水平、区域间产业合作、货物流量流向等,其系统需求包括以下3方面。(1)货运OD范围划定与细分。与旅客OD范围划分类似,但货运OD范围划分还需结合地区资源互补特征、产业合作领域等进行考量,需根据项目服务区内相关节点的资源禀赋、产业结构对全国582个OD进行合并。(2)研究区域货物到发量统计。对现状铁路货运发送量、到达量的分类统计分析可反应区域现状货运市场发展水平、承担比例,同时也可结合区域不同发展时期的政策环境变化及时掌握铁路货运发展的推动因素、受限因素等,因此,需实现对不同地区、不同年度发送量、到达量的统计与导出。同时,不同地区的货运品名之间存在较大差异,需进一步按品名进行划分。(3)研究区域货运OD分布数据统计。需要合理反映不同品名货物发送量的主要流向区域、到达量的主要来源区域以及交流强度,为进一步预测货运总量及分布提供基础依据。
2.3研究年度客运OD数据预测需求
在基础年度旅客发到总量、空间分布特征以及历年变化趋势的基础上,结合相关区域经济发展、人口发展规划、路网布局等综合因素,借助一定的数学模型将主要影响因素进行合理量化,并选取适宜的数理方法对研究年度的旅客到发总量、空间分布等进行预测。主要需求包括以下3方面。(1)研究区域旅客到发总量预测。合理量化不同时期的客运增长率,通过对相关模型的参数标定,及时生成研究年度的旅客总量。(2)研究区域客运OD分布预测。采用OD分布预测模型,结合现状OD分布,将预测的旅客发到总量合理分配到空间各区域之间,生成OD交流分布预测表。(3)研究区域旅客流量流向分析。需结合OD小区划分及OD分布预测结果,对区域内外主要方向进一步整合归并,获得区域铁路旅客流量流向表。
2.4研究年度货运OD数据预测需求
在基础年度货物发送量、到达量、空间分布特征以及历年变化趋势分析的基础上,选取适宜的数理方法对研究年度货物到发总量、空间分布等进行预测。主要包括以下3方面。(1)研究区域货物到发量总量及分品类预测。(2)研究区域货流OD分布预测,包括货运总量OD分布预测与分品类货运OD分布预测。(3)研究区域货物OD流量流向分析。结合OD小区划分结果确定货物的主要空间流向及流量,生成趋势及流向图。
3系统设计
3.1系统数据组织
系统数据操作对象为常见的excel、txt文件,图形输出包括jpg、png、emf等格式,软件应尽量简洁,使用方便,运行快速,保密性好,具有很好的适应性和灵活性。因此,系统数据组织主要为读取文件类数据,通过.NET文件流进行操作,在内存中建立相应的逻辑关系,但对excel、txt文件表头有一定的数据格式要求,如表1~表5所示。
3.2系统功能模块
系统功能模块划分如表6所示。
3.3系统体系结构设计
系统体系结构采用微软推荐的三层架构体系[7-11],如图1所示。其中,DAL数据访问层主要负责excel、txt、二进制等文件类的读写操作;BLL逻辑处理层是整个系统的核心,封装了OD数据统计分析、OD生成量预测、OD分布量预测等业务方法类;UI表示层负责用户与整个系统的交互,仅与界面元素有关;Model实体层是内存中操作的各类数据类。
3.4系统功能模块关系与处理流程
系统功能模块关系及处理流程如图2所示。OD小区管理模块:主要通过“原始小区”、“已选小区”、“合并小区”3个列选框实现,同时在系统内存中通过C#字典格式进行存储。其逻辑关系为:系统读取OD小区与省份关系表中的数据更新到“原始小区”列选框,供用户选择或取消;通过鼠标上下拖动小区位置,后续统计分析生成的excel表格中行列顺序即以此为依据;ctrl+鼠标左键选择多个小区,点击进行合并小区名称设置,合并后的小区进入“合并小区”列选框,也可取消合并;选好的小区可保存为txt文件;通过读取小区操作,可弹出打开对话框读取文件,并更新“已选小区”列选框。
指定品类分年度查询模块:OD小区选择及设置完成后,下拉框中选择“品类”及“到发量”,起始年份中“结束年份”下拉框中选择的年份要大于“开始年份”下拉框中选择的年份,之后进行计算查询、图表分析和数据导出。
相关期刊推荐：《铁道标准设计》(月刊)创刊于1957年，是中国铁路工程总公司主管、中铁工程设计咨询集团有限公司主办服务于铁路基本建设，以及运营管理、勘测设计、桥隧工程、工务工程、房建水电工程、机务车辆工程等各领域，将最新的技术成果和标准设计动态奉献给广大读者的期刊。设有：建设管理、标准规范、线路路基无砟轨道、桥梁工程、隧道地下工程、电力电力索引、通信信号、铁路客站房屋建筑等栏目。
指定年份分品类查询模块:OD小区选择及设置完成后,复选框中进行品类全选或者自定义选择,之后进行计算查询、图表分析和数据导出。
OD生成量预测模块:需先进行指定品类分年度查询,同时需保证至少有3个年度以上数据,以便获得原始基础数据及历年发展趋势,之后设置预测年度、预测方法及权重、预测参数,进行OD生成量预测、图表分析和数据导出。系统实现了基于历史年均增长率法、灰色预测GM(1,1)模型[12-15]、时间序列等组合方法。
OD分布量预测模块:需要原始OD分布量表、目标年度发送量、到达量,可以是系统自动生成的内存格式,支持用户人机交互更改,也可以是用户新建符合格式的Excel表格,系统采用Fratar模型[16-17]进行分布量预测,用户可设置误差及迭代次数等参数。
OD数据图表分析模块:将各年度到达量、发送量、分布量传递到图表分析组件,生产趋势图、流量流向等图形。
4系统效果及评价
本系统是一套具有铁路特色的专业OD数据管理分析软件,适用于铁路网规划、运输需求分析、运输组织设计等工作,系统界面及功能详见图3~图5。
本系统快捷、方便、高效,运行耗用内存仅为1M左右,能够满足现行PC机实际运行环境的需求。系统在内存为4G、处理器主频为2.67GHz的PC机上运行效率为:以全国33个省份OD、23个运输品类OD数据进行数据查询测试,耗时不到8s,单个品类OD查询数据耗时控制在1s以内;能够即时进行OD小区发送量、到达量预测;进行50×50个OD分布量预测,求解耗时控制在2s以内。
系统采用3层架构体系构建,并预留相关接口,有利于标准化的实现和各层逻辑的复用,通过动态DLL链接库将数据实体与各逻辑操作层分开,各个层次能够保持独立,系统维护和版本升级时只需替换相应的DLL链接库即可,从而增强系统的可拓展性和适应性,并能降低成本,易于配置和维护。
5结语
铁路基础OD数据管理分析系统实现了对全国铁路客运、货运等23个运输品类的综合管理,对任意OD小区的分品类客货交流数据查询综合分析应用,对任意OD小区研究年度生成量、分布量进行预测和对OD数据进行图表分析等功能。系统深入分析用户需求,采用3层架构体系,实现OD数据统计检索、分析,实现基于历史年均增长率法、灰色预测GM(1,1)模型、时间序列等组合方法及Fratar模型进行预测等方面具有一定的创新性。
该系统已在新时代西北及西藏自治区铁路网规划、陕西省铁路网规划、西安至十堰高铁、川藏铁路等项目设计中应用,得到了实际工程项目的检验,大幅提高了工作效率,具有很好的支撑辅助作用,下一步将从运量预测方法拓展及OD小区地理信息可视化角度进一步完善系统。——论文作者：胡必松
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