謝英豪 江志彬 徐瑞華

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

城市軌道交通斷面客流數(shù)據(jù)可視化分析及優(yōu)化*

謝英豪 江志彬 徐瑞華

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

斷面客流是城市軌道交通制定運營計劃的關鍵。傳統(tǒng)的斷面客流分析方法無法直觀展現(xiàn)斷面客流的多源性、空間不對稱性和時變性,尤其是對于動態(tài)多維度客流與運行圖能力適應性的可視化分析非常匱乏?；邳c、邊和線的可視化呈現(xiàn)方法,構建了直觀、清晰、適于客流可視化分析的軌道交通網(wǎng)絡拓撲圖；根據(jù)實際運營需求,從多空間維度和時間維度兩方面出發(fā),研究了涵蓋斷面絕對量和斷面滿載率等綜合信息的交互式實現(xiàn)方法,并以上海軌道交通網(wǎng)絡為實例進行驗證。

城市軌道交通; 網(wǎng)絡拓撲結構; 斷面客流; 大數(shù)據(jù); 可視化分析

Author′s address The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering,Ministry of Education,Tongji University, 201804,Shanghai,China

城市軌道交通斷面客流是指在單位時間內(nèi)通過軌道交通線路某一區(qū)間的客流量。斷面客流是線路能力配置和網(wǎng)絡能力協(xié)調(diào)的基礎。對于網(wǎng)絡化運營的城市軌道交通系統(tǒng),斷面客流包括時間、空間(帶方向性)和數(shù)量(包括絕對量和滿載率)等多維屬性,具有數(shù)據(jù)量大、結構復雜等特點[1-2]。受分析工具與技術條件的限制,傳統(tǒng)的斷面客流分析多從線路或區(qū)間的局部數(shù)據(jù)的二維圖形化著手[3],無法從多源性、空間不對稱性、時變性等方面進行深度挖掘,因此對于日常的運營決策支持非常有限。大數(shù)據(jù)可視化技術將計算機強大的自動化分析能力優(yōu)勢與人對于可視化信息的認知能力優(yōu)勢進行了有機融合,為分析、挖掘客流數(shù)據(jù)中更深層次的特點與規(guī)律提供了更為便捷、可行的手段[4-7]。雖然具備網(wǎng)絡客流可視化功能的軟件種類較多,但其在動態(tài)多維客流與運行圖能力適應性分析層面及斷面客流成分精細化分析層面深度不夠。本文首先對基于地理信息系統(tǒng)的城市軌道交通拓撲結構進行優(yōu)化,實現(xiàn)直觀、合理、清晰的客流可視化展示；然后從運營需求出發(fā),設計斷面客流與運行圖能力的交互式呈現(xiàn)形式與實現(xiàn)方法；最后以上海軌道交通網(wǎng)絡為實例進行驗證分析。

1 網(wǎng)絡拓撲結構的可視化優(yōu)化

城市軌道交通網(wǎng)絡拓撲結構的基礎信息主要包括線路、車站、區(qū)間等空間數(shù)據(jù)信息[8-9]。由于列車運行的規(guī)則和方向性,網(wǎng)絡拓撲結構可抽象為有向圖,車站即為頂點,區(qū)間即為邊[10-11]。如何優(yōu)化點對象(車站)與邊對象(區(qū)間)的可視化呈現(xiàn)方式,使之適于斷面客流可視化是本節(jié)的關鍵。

1.1 點對象的可視化優(yōu)化

城市軌道交通網(wǎng)絡具有中心城區(qū)線路密度大、郊區(qū)線路密度小的特點,利用GIS(地理信息系統(tǒng))得到的路網(wǎng)拓撲圖點位坐標精確,但圖形均勻性和對稱性較差。而精確的地理坐標并非本文重點,因此可對拓撲圖做適當優(yōu)化使圖形均勻對稱。從美學的角度,可視化呈現(xiàn)結果的評價標準為:①圖形均勻、填滿可視化顯示區(qū)域、圖上各部分信息密度統(tǒng)一;②圖中非節(jié)點處的邊交叉盡量少;③邊的走向盡量平滑[12]。

利用GIS技術在地圖上取得各車站地理坐標,將車站抽象為“點圖元”的集合V={v1,v2,…,vn},并可視化呈現(xiàn),如圖1 a)所示。為使可視化圖形對稱性高、可讀性強,利用直交布局算法(也稱網(wǎng)絡布局算法),在保證“點圖元”集合相對方位不變的情況下,將其移動到網(wǎng)格交點集合K={k1,k2,…,km}上,使得整體布局的可視化效果更為規(guī)整,如圖1 b)所示。為使圖形盡量均勻分布于顯示區(qū)域,給客流可視化留出足夠空間,除對站點位置進行規(guī)整以外,還需利用Beck方法對路網(wǎng)圖形做進一步變形處理：中心城區(qū)(一般可認為是環(huán)線以內(nèi)的部分)站點密度大,客流量大,可視化圖形易重疊覆蓋,因此將各站間隔按比例放大,使得圖形有足夠空間用于客流與各站基礎信息(如車站名稱)的展示；郊區(qū)各線按比例適當縮小,使得圖形更為緊湊與方正,整體布局美觀,如圖1 c)所示。從圖1中可看出,變形處理同時將平行走行區(qū)間的線間距拉大,以便為后續(xù)客流數(shù)據(jù)可視化做準備。斷面客流需用寬度表征客流量的大小,因此較大的線間距避免了各斷面客流的重疊與覆蓋,保證了展示效果。

由于路網(wǎng)車站眾多,難以直接定位某一車站,因此拓撲圖上還需展示車站名稱信息。站名文本的大小應與車站“點圖元”在一個數(shù)量級,位置位于車站一角。因展示空間有限,且站名文本需滿足與“邊圖元”無交叉干擾,設計了站名的水平、垂直或任意旋轉某角度的顯示。使用過程中需盡量保證同一線路站名展示方式一致,使展示效果美觀。

1.2 邊對象的可視化優(yōu)化

傳統(tǒng)路網(wǎng)拓撲圖多以連接兩點的一條線段表示區(qū)間線路,而客流流動與列車開行均具有方向性,因此區(qū)間對象需要微觀地展示出其上下行線路。圖2是以區(qū)間下的某方向為“邊圖元”形成的一張完備有向圖。“邊圖元”表征連接某相鄰兩站的某方向上的區(qū)間線路,設計中需遵循線路大致走向。為保證線路連接的平順性與美觀性,“邊圖元”需要支持弧形繪制功能。如圖3所示,以圓表征“點圖元”,兩端與圓相切的線段或曲線表征“邊圖元”。

圖2 區(qū)間方向性的可視化呈現(xiàn)

多數(shù)情況無需繪制弧形邊,則繪制兩圓公切線即為邊對象可視化呈現(xiàn),如圖3 a)所示。已知邊對象eij=(vi,vj),點對象的圓半徑為r,則由式(2)可求eij的起點pi和終點qj。邊對象eji的起終點pj與qi的求法類似。

(2)

式中：

pi,x，pi,y——邊對象eij的起點pi的坐標分量；

vi,x，vi,y——點對象vi的坐標分量；

vj,x，vj,y——點對象vj的坐標分量。

對于需遵循線路大致走向而使用曲線的邊,另引入邊對象上三個控制點wij,wij2,wij3,通過可視化的交互式操作確定點wij和位于線段piwij上的一點wij2,則可利用式(3)在線段qjwij上求出一點wij3,使之滿足|wijwij2|=|wijwij3|:

(3)

(4)

在換乘站點的“邊圖元”銜接問題上,區(qū)間分方向表示使得換乘站“點圖元”周圍的線路走向混淆不清,為保證線路的平順性與美觀性,增強拓撲圖的數(shù)據(jù)可讀性,本研究采用了換乘站部分邊對象弧形繪制與線路多色彩表示的方法。對換乘站周圍“邊圖元”采用弧形繪制是為了各線引入更為平順,保證路網(wǎng)在該換乘節(jié)點的連通性與美觀性(見圖4)。色彩的使用也是可視化的重要手段,可增加圖形信息表達的維度,在換乘節(jié)點處使用線路色可視化展示圖形能清晰表達換乘點各線路銜接方式。除此之外,不同情況下可對路網(wǎng)拓撲圖采用不同色彩進行繪制,表征不同信息,如表1所示。

圖3 線路區(qū)間定線方法

表1 色彩對路網(wǎng)可視化的意義

圖4 換乘節(jié)點上的分方向區(qū)間繪制方法

2 城市軌道交通斷面客流可視化

斷面客流可視化主要表征為斷面客流絕對量、斷面滿載率水平、斷面具體成分三個方面[13-15]。斷面流量與滿載率的動態(tài)展示可實現(xiàn)客流與運行圖能力適應性分析,為列車開行方案的優(yōu)化提供依據(jù)。結合OD客流,深度挖掘斷面客流成分情況,可對諸如大型賽事客流應急預案制定等提供可靠數(shù)據(jù)支持。

2.1 斷面客流絕對量可視化

在網(wǎng)絡拓撲圖上,順區(qū)間方向的右側,以沿區(qū)間走向一定高度的矩形或矩形與環(huán)形的組合表示該時間狀態(tài)下此區(qū)間的斷面流量,如圖5所示。此表示斷面客流量的方法簡稱“流量帶法”。流量帶的長度為區(qū)間的長度,高度表征流量值的大小,為相對高度。在同一時間屬性下,路網(wǎng)各斷面流量值集合為F={f1,f2,…，ft},路網(wǎng)上所有平行走行區(qū)間的間隔D={d1,d2,…，ds},各流量帶高度值集合H={h1,h2,…,ht}。為保證可視化呈現(xiàn)效果,避免出現(xiàn)流量帶的覆蓋與重疊,規(guī)定H的最大值hp為D最小值的一半,則可求出H集合為:

(5)

(6)

(7)

圖5 斷面客流圖形可視化實現(xiàn)方法

2.2 斷面滿載率可視化

除圖形化之外,利用色彩也是可視化的重要手段。色彩可將數(shù)據(jù)信息提升一個維度。本文借助色譜圖的表現(xiàn)方式對斷面滿載率進行表征。由于換乘站處各斷面流量帶不可避免地存在重疊與覆蓋,影響整體可視化效果,因此采用ARGB(三原色加上透明度)的色彩模式對滿載率進行可視化表征。即在RGB(三原色)模式中另加入一維透明度(Alpha值)參數(shù)。ARGB與數(shù)值的映射方式可根據(jù)用戶需求交互式確定。初始化的映射方式如表2所示。初始化映射中僅考慮換乘節(jié)點可視化效果，各范圍滿載率的透明度均設為同一值,用戶可根據(jù)需求以不同透明度凸顯或弱化某類區(qū)間。

表2 色彩對滿載率的可視化映射

2.3 斷面成分可視化

斷面成分可視化將斷面客流與OD客流進行綜合分析,體現(xiàn)了二者的基本關系,是斷面客流在微觀層面的進一步深化。在時間屬性τ下,eij的斷面客流為fij=∑fij，k,k為線路號。將路網(wǎng)OD集合P中各OD對拆分到線路層面,得本線k的OD集合Qk={qod|o,d∈Vk}。其中,qod={E,T},即包含經(jīng)過各斷面及其對應時段信息。對于滿足tmn位于τ內(nèi)的qod,索引其原始O站所屬線路,即可得其線路成分關系,如式(8)。同理,可求去向成分。

(8)

3 案例分析

3.1 路網(wǎng)拓撲結構的可視化設計

通過對上海軌道交通路網(wǎng)拓撲結構中點對象與邊對象的各類處理,實現(xiàn)路網(wǎng)拓撲結構,如圖6所示。路網(wǎng)更新至2016年3月,其中共有14條線路(不含磁浮線),363座車站(不含磁浮車站)和724個區(qū)間(分方向)。在該圖形上,結合上海地理圖形和網(wǎng)絡特點進行了優(yōu)化,具體思路為:①車站坐標是利用直交布局算法思想處理后的網(wǎng)格交點坐標。②對4號線環(huán)線之內(nèi)的各站點間距進行了局部放大,使得中心城區(qū)有更多空間用于路網(wǎng)基礎信息可視化,如站名的顯示,中心城區(qū)數(shù)據(jù)信息可讀性更強;對例如2號線東延段、16號線、5號線等郊區(qū)線路進行了局部縮小,使得圖形更為規(guī)整。③區(qū)間邊對象采用了分方向的可視化圖形予以呈現(xiàn),有利于后續(xù)斷面客流的展示;部分區(qū)間線路采用曲線繪制,指明了區(qū)間的大致走向,也使得整體圖形更為合理、美觀。

3.2 斷面客流的可視化設計

本次設計展現(xiàn)上海軌道交通網(wǎng)絡2016年3月3日(周四)早高峰15 min分時斷面客流。該日早高峰全網(wǎng)斷面客流動態(tài)集散過程如圖7所示。圖7 a)為早高峰初期,客流量相對較小,擁擠情況不明顯,郊區(qū)線路進城方向部分區(qū)間已達到輕微擁擠,印證了郊區(qū)線路較中心城區(qū)線路更早進入早高峰的規(guī)律。圖7 b)為早高峰極端高峰時期,全網(wǎng)絡多數(shù)區(qū)間呈現(xiàn)擁擠狀態(tài),各郊區(qū)線路潮汐現(xiàn)象凸顯,部分入城方向的能力緊張區(qū)間滿載率甚至超過120%,極為擁擠。圖7 c)為早高峰即將結束時期,大客流基本消散,路網(wǎng)客流進入平峰期。圖7 d)為圖7 b)中東昌路站——陸家嘴站斷面成分情況,可看出其斷面客流中2號線與6號線比例較高,因此需重點關注2號線車站客流組織及其與6號線換乘能力匹配問題。該功能采用了動畫與時間線相結合的方式,利用坐標軸和時間軸將雜亂的客流數(shù)據(jù)合理劃分與排列,有效、直觀地將斷面客流信息映射到相應圖形屬性中。

圖6 上海軌道交通路網(wǎng)拓撲結構圖的可視化展示效果

4 結語

城市軌道交通斷面客流分析是運輸組織方案編制與優(yōu)化的基礎。近年來，客流分析日益趨向網(wǎng)絡化、精細化、多元化發(fā)展，本文運用數(shù)據(jù)分析與計算機設計相結合的手段,對斷面客流量、滿載率、斷面成分等作出可視化呈現(xiàn)與分析,使得客流信息與規(guī)律得以直觀呈現(xiàn)。其中，斷面成分結合OD客流與斷面客流數(shù)據(jù),深度挖掘客流信息,體現(xiàn)了精細化分析的思想,可為大客流應急預案制定等提供直接數(shù)據(jù)支持,較之現(xiàn)有相關客流分析軟件更為深入。目前,基于大數(shù)據(jù)的可視化分析技術在城市軌道交通系統(tǒng)客流分析中的應用仍處于初步探索階段,在數(shù)據(jù)深度挖掘、可視化表現(xiàn),尤其是對于動態(tài)多維度客流數(shù)據(jù)的可視化分析與數(shù)據(jù)挖掘方面仍有待深入探討。

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Optimized Visualization Analysis of the Section Passenger Data in Rail Transit Network

XIE Yinghao, JIANG Zhibin, XU Ruihua

Section passenger flow is the key in rail transit network operation planning. Traditional analytic method cannot directly reflect the polyphyly, spatial asymmetry and time variability of the section passenger flow, so a visualization analysis of dynamic multi-dimensional passenger flow related to the capacity adaptation of operation diagram is urgently needed. Based on the visualization of point and edge, a rail transit network topology is constructed which is intuitive, reasonable and adapted to the visualization analysis. Then, according to the actual demands of rail transit operation, an interactive method of absolute section flow and section load rate from the multi-time and multi-space dimensions is developed. Finally, the result of visualization analysis is verified through the operation of Shanghai rail transit network.

urban rail transit; network topology structure; section passenger flow; big data; visualization analysis

*國家自然科學基金項目(61473210)；中央高?；緲I(yè)務經(jīng)費資助項目(1600219246)

U 293.1+3; U 29-39

10.16037/j.1007-869x.2017.01.016

2016-07-19)