基于電子收費數(shù)據(jù)的高速公路交通流特性分析

郭瑞軍,于景,孫曉亮,牛樹云

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 ITS技術(shù)研究中心，北京 100088； 2．大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著我國高速公路事業(yè)的高速發(fā)展，電子收費系統(tǒng)也大量應(yīng)用在高速公路中.原來“一路一公司”，相鄰路段連接處都設(shè)主線收費站的管理模式帶來了收費站過多過密、停車次數(shù)多的問題，嚴(yán)重制約了高速公路的通行能力，且增加了高速公路營運(yùn)部門的建設(shè)和營運(yùn)成本.而電子收費系統(tǒng)利用車輛自動識別技術(shù)完成車輛與收費站之間的無線數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)行車輛自動識別和有關(guān)收費數(shù)據(jù)的交換，并能記錄下包括出入口匝道、時間、車型、行車方向、車牌號等在內(nèi)的數(shù)據(jù)，如何有效快速地利用這些交通信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和挖掘，對其所呈現(xiàn)出的交通特性進(jìn)行深度分析并有效應(yīng)用，成為亟需解決的問題.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電子收費系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)研究.Karsaman等人[1]以印尼多個地區(qū)為例，介紹了高速公路電子收費系統(tǒng)的原理.陳家炎[2]利用高速公路聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)，分析交通流參數(shù)特征，即研究在不同片區(qū)、不同高速公路、不同區(qū)段間、不同斷面、不同工作日、不同時段情況下的流量、速度、密度的時空特征和參數(shù)間的兩兩關(guān)系特征模型.萬金鵬[3]通過對聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)進(jìn)行知識挖掘，提出了一種基于聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)估算任意斷面交通流量的方法，并通過構(gòu)建交通流量數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行交通流量多維分析.謝中清等人[4]利用基于PDF417的收費系統(tǒng)，研究在SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺進(jìn)行高速公路OD調(diào)查、車速調(diào)查和斷面流量調(diào)查的方法.于曉樺[5]利用山東省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)，對高速公路網(wǎng)中的車輛行程里程、行程時間分布進(jìn)行了研究，分析了車輛行程速度的時間-空間概率密度聯(lián)合分布，并用二維正態(tài)分布進(jìn)行了擬合.盛鵬[6]以四川省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)采集到的2010年～2012年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國家長假和路網(wǎng)區(qū)域分布等信息，分析路段車流的時空特征，研究了四川省高速公路路網(wǎng)交通流量的變化規(guī)律.孫德強(qiáng)[7]分析交通流量的日變特性、周變特性，分車型交通流量時變特性，車型比例變化特性和方向系數(shù)變化特性，通過數(shù)據(jù)擬合方法得到高速公路交通流量周變特性的模型和分車型行程速度概率密度分布模型.于曉樺等人[8]借助高速公路收費系統(tǒng)中的交通流數(shù)據(jù)，提出了時空相關(guān)性判別法.

通過國內(nèi)外學(xué)者對高速公路電子收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的研究可看出，目前對于基于電子收費數(shù)據(jù)的處理過程中，關(guān)于交通參數(shù)關(guān)系分析、時空相關(guān)性判別以及交通流量的多維分析研究較多，但對于高速公路交通流基本特性研究還不夠全面、深入.本文選取某高速公路電子收費數(shù)據(jù)，對該區(qū)域高速公路交通流特性做了充分分析，通過建立數(shù)據(jù)倉庫，識別車輛到達(dá)、離開時刻和日期，車型標(biāo)志，車牌號信息等，分析交通流參數(shù)特性及并總結(jié)了計算方法.

1 電子收費數(shù)據(jù)的存儲與預(yù)處理

高速公路電子收費數(shù)據(jù)通常由業(yè)務(wù)流水?dāng)?shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)和其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)等組成，研究對象為2012年西部某高速公路電子收費業(yè)務(wù)流水?dāng)?shù)據(jù)中的收費站數(shù)據(jù)，含出口和入口收費數(shù)據(jù)，包括車輛進(jìn)出收費站日期、時刻、車牌號、客貨車標(biāo)志、車型標(biāo)志等信息.格式及內(nèi)容如表1所示，根據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的車型分類標(biāo)準(zhǔn)，客車劃分為四類，貨車劃分為五類.從而可對電子收費數(shù)據(jù)進(jìn)行分車型的流量統(tǒng)計.

表1 收費站入口的源數(shù)據(jù)

選取SQL Server數(shù)據(jù)管理平臺，將日常收費流水?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入SQL Server，利用SQL語句構(gòu)建相關(guān)的交通流參數(shù)計算模型.利用SQL Server 中“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”功能導(dǎo)入原始收費數(shù)據(jù)的文本文件到數(shù)據(jù)庫之前，需要對字段的類型、名稱、長度進(jìn)行定義.

收費數(shù)據(jù)有時是殘缺的，有的數(shù)據(jù)存在明顯異常.數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析前需要進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)，提高整體數(shù)據(jù)質(zhì)量.結(jié)合高速收費數(shù)據(jù)實際情況，通過對原始數(shù)據(jù)庫車輛行程時間計算，剔除異常數(shù)據(jù)，進(jìn)而結(jié)合時間閾值懲罰算法得到有效數(shù)據(jù).

所研究高速收費站間最短距離為2.3 km，最長距離為63.9 km，基于高速公路的限速規(guī)定，理論行程時間應(yīng)介于(69 s,3 834 s)范圍之間，且據(jù)相關(guān)的交通安全統(tǒng)計資料，所研究時期該高速公路并無交通事故和交通管制發(fā)生.因此可以設(shè)定異常數(shù)據(jù)為行程時間小于60 s或大于4 000 s的情況.

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)清理、過濾、存儲可作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫.采用正態(tài)分布的置信區(qū)間來對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，根據(jù)參數(shù)估計方法，可信數(shù)據(jù)的時間取值范圍為:

(1)

對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分日期、分時段、分車型的OD行程速度計算.需要建立以下模塊：①OD存儲表；②數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)表；③存儲表;④交通流參數(shù)計算;⑤寫入?yún)?shù).

將平均行程時間轉(zhuǎn)化為區(qū)間平均速度，可由以下公式進(jìn)行計算，并存儲到交通主題數(shù)據(jù)倉庫中.

(2)

其中，V為平均行程速度,L為行程距離,統(tǒng)計車輛數(shù)為n輛.

2 交通流特性分析

通過建立的交通主題數(shù)據(jù)倉庫，對高速公路交通流量特性進(jìn)行分析，包括交通流量的日變特性、周變特性、時變特性、車型比例和行程方向分布特性；通過數(shù)據(jù)擬合方法建立交通流的周變特性模型和車輛行程速度概率密度分布模型，并統(tǒng)計以收費站作為交通小區(qū)的交通發(fā)生吸引量及分布量；通過收費站間距離和車輛的行程時間，可計算車輛的行程速度并進(jìn)行概率分布統(tǒng)計.

2.1 收費站流量的時變特性

(1)交通量的時變特性

圖1是對非節(jié)假日一周內(nèi)的小時交通流量統(tǒng)計結(jié)果，高速公路主要以一類車為主.可看出總交通流量和一類車交通流量呈現(xiàn)出類似的周期性變化，二類車、三類車、四類車和五類車也體現(xiàn)出一定的周期變化規(guī)律.交通流量總量與一類車流量在交通流時變特性中表現(xiàn)為雙峰的特性，其中凌晨1:00～6:00 為全天交通流量的波谷；10:00～12:00 為交通流量時變圖的第一個波峰； 16:00～17:00 為第二個波峰，總體而言，凌晨為高速公路出行的低谷，晝間10：00～17：00高速公路出行量較大，圖中顯示的出行規(guī)律也符合人們的出行習(xí)慣.

圖1 交通流時變特性圖

(2)分車型交通流量時變特性及車型比例變化特征

對不同車型流量以1 h為時間單位進(jìn)行統(tǒng)計，可得交通流量的時變圖，一類車交通流量的時變特性如圖2所示.

圖2 一類車交通流量的時變特性圖

一、二、三類車的出行特點符合人們的工作活動特點，在數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為由兩個波峰，高峰期集中在11:00～13:00 和 17:00～19:00；而在凌晨 1:00～7:00 的交通流量僅占全天流量的10%左右.四類車和五類車為一些中大型客貨車，其交通流量時變特性與一類車相反，在凌晨2:00～6:00期間三、四、五類車車流量較大，其余時間均較小.

各種車型按比例的時變系數(shù)曲線如圖3所示，在4:00～6：00一類車所占比例達(dá)到最小，時變系數(shù)增加至8:00左右達(dá)到最大值，并保持基本穩(wěn)定，在23:00開始下降直至最小.三、四、五類車的車型比例變化特點與一類車相反，約5:00時車型所占比例達(dá)到最大，8:00時下降至基本穩(wěn)定狀態(tài)，并于23:00開始呈上升趨勢，直到車型比例上升至最大.二類車流量較小，其變化規(guī)律不明顯.

圖3 車型比例的時變系數(shù)曲線

(3)本地/外地車輛交通量時變特性

將不同日期分為節(jié)假日、非工作日和工作日的類型，并標(biāo)定出節(jié)假日的首日和末日，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中車輛的通行日期和牌照屬性，得出不同日期類型的交通流量時變特性，如圖4所示，可知，工作日、非工作日、節(jié)假日首日和末日的小時交通量分布呈 “駝峰狀”，外地車輛在四種類型的小時交通量分布中所占比例較小，絕大多數(shù)都分布在白天(6:00～18:00)，而在節(jié)假日首日上午(8:00～11:00),外地車輛的小時交通量增長較多，但所占比重仍比較小，高速公路路段的運(yùn)行車輛以本地車為主.

圖4 四種日期類型交通流量時變特性

2.2 收費站流量的日變特性

對2012年3～4月連續(xù)4周的高速公路分車型的日交通量做了統(tǒng)計如圖5所示，其中，4月2日(周一)～4月4日(周三)為清明節(jié)假期，其車流量在假期有明顯的波峰，假期開始首日即達(dá)到最大，第二日稍有回落，第三日返程車流增多.

圖5 分車型的日交通流量統(tǒng)計圖

從非節(jié)假日的高速公路車流量統(tǒng)計可看出，高速公路交通流量呈現(xiàn)出周期性變化，周五交通流量最大，周日交通流量最小，從周一至周四的流量較為穩(wěn)定.

2.3 收費站的OD流量

以該高速公路的各收費站作為交通小區(qū)，將高速公路外圍看作一個交通小區(qū)，則該研究對象可以看作一個較特殊的交通規(guī)劃區(qū)域，相鄰收費站間的路段流量即為兩收費站間的交通分布量，從而利用路段流量和進(jìn)出收費站流量得到各收費站的發(fā)生吸引量.按行車方向的最末端收費站的出口流量即為該收費站與高速公路外圍小區(qū)的交通分布量，其余收費站間的交通分布量可以按照逆行車方向順序依次算出.

統(tǒng)計所選高速公路在某日的電子收費用戶進(jìn)、出站車數(shù)，可得出分不同日期類型的交通分布量，如表2、表3所示.

表2 節(jié)假日首日OD流量表 pcu/d

表3 節(jié)假日末日OD流量表 pcu/d

可知交通發(fā)生、吸引量較高的收費站分別是北碚(2520)、合川(2507)和興山(2605)收費站.東陽(2505)收費站在節(jié)假日首日發(fā)生量明顯大于吸引量，而節(jié)假日末日正好相反，反映了節(jié)假日出行及返程的特點，而在工作日和非工作日，發(fā)生量和吸引量差別不大.興山收費站(2605)也有類似特點.

由各收費站的OD分布流量表2、3可以看到，北碚收費站2520-合川收費站2507的交通分布量最大，其次是北碚收費站2520-興山收費站2605之間的交通分布量，節(jié)假日首日，由合川收費站2507-北碚收費站2520方向的交通分布量最大，即出城方向交通需求較大.而節(jié)假日末日，由北碚收費站2520-合川收費站2507方向，即入城方向的交通分布最大.而在工作日和非工作日，這兩個方向的交通分布量差別不大.

從節(jié)假日首日末日的OD分布均可以看出，北碚收費站2520的發(fā)送車輛數(shù)量和到達(dá)量車輛數(shù)量均為最大，北碚收費站是該高速公路段最繁忙的收費站，且其節(jié)假日首日的到達(dá)量和發(fā)送量分別與節(jié)假日末日的發(fā)送量和到達(dá)量數(shù)值相近，呈現(xiàn)出明顯的節(jié)假日流量的潮汐特性.

2.4 路段交通流量

基于交通主題數(shù)據(jù)倉庫，由該高速公路的各收費站進(jìn)出流量，可以依次按照行車方向計算出各路段(相鄰收費站之間)的交通流量如圖6、7所示，按行車方向第一條路段的流量即為進(jìn)入該路段收費站的流量，其余路段流量可以在考慮進(jìn)出收費站流量后順次計算得出.

由四種日期類型的路段流量圖可以看出，北碚收費站至東陽收費站路段(2520～2505)，東陽收費站至草街收費站路段(2505～2509)，草街收費站至鹽井收費站路段(2509～2506)，鹽井收費站至合川收費站路段(2506～2507)等四條路段流量較大，在四種日期類型的路段流量統(tǒng)計中，北碚收費站至東陽收費站(2520～2505)的路段流量都是最大的，圖中線段寬度表示了路段流量的大小.

圖6節(jié)假日首日路段流量圖7節(jié)假日末日路段流量

2.5 區(qū)間速度特性

利用收費站間距離和車輛的行程時間，可計算車輛的行程速度，對車流速度進(jìn)行正態(tài)分布擬合并采取Kolmogorov-Smirnov檢驗方法對其進(jìn)行分布檢驗，6 組車速分布數(shù)據(jù)均接受了檢驗假設(shè)，可知交通主題數(shù)據(jù)倉庫中各類車型(混合車型和車型1-5)的6組行程速度數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出不同特征的正態(tài)分布特性，該高速公路混合車流及各類車型的行程速度密度分布函數(shù)可以用正態(tài)分布表示.

車輛行程速度的正態(tài)分布如式(3)所示，各車流正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示.

(3)

其中,v表示車輛的行程速度;s表示車輛行程速度值的標(biāo)準(zhǔn)差;u表示車輛行程速度的均值.混合流車輛行程速度分布如圖8所示.

表4 行程速度特性參數(shù)表

圖8 混合車流正態(tài)分布擬合效果圖

3 結(jié)論

高速公路電子收費系統(tǒng)中存儲了海量的車輛運(yùn)行管理數(shù)據(jù)，包括車輛信息、行駛路徑、收費數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的充分挖掘，將有助于充分掌握高速公路運(yùn)行性能，有利于交通管理部門制定更加科學(xué)、有效的交通管理和規(guī)劃措施，通過對西部某高速公路的電子收費數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

(1)高速公路交通流時變特性中，流量主要以一類車為主，總交通流量和一類車交通流量呈現(xiàn)出類似的周期性變化；

(2)高速公路交通流時變特性中，總交通流量與一類車流量表現(xiàn)為雙峰的特性，三、四、五類車的車型比例變化特點與一類車相反；

(3)高速公路交通流周變特性中，高速公路交通流量呈現(xiàn)出周期性變化，周五交通流量最大，周日交通流量最小，從周一至周四的流量較為穩(wěn)定;

(4)在高速公路收費站的OD流量統(tǒng)計中，節(jié)假日首日，出城方向交通需求較大；而節(jié)假日末日，入城方向的交通分布最大；而在工作日和非工作日，這兩個方向的交通分布量差別不大;

(5)高速公路車輛的速度統(tǒng)計中，各類車型的行程速度數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布.

基于電子收費數(shù)據(jù)，構(gòu)建交通主題數(shù)據(jù)倉庫，并進(jìn)行交通流特性的分析和應(yīng)用，為交通數(shù)據(jù)的直觀表達(dá)提供了案例.交通流特性分析也有助于該高速公路的運(yùn)行管理，如交通流量時變的雙峰特性、節(jié)假日期間首末日的潮汐特性等，可為交通流預(yù)測、可變信息提示甚至交通應(yīng)急等管理手段提供了依據(jù).當(dāng)然，對高速公路交通流特性的全面深入了解，仍需結(jié)合實時、大量的交通調(diào)查及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從而能夠了解高速公路的車流運(yùn)行特點，并進(jìn)行有效地交通管理.

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