烏魯木齊基于公交GPS數(shù)據(jù)的班次劃分方法研究

烏魯木齊市城市綜合交通項目研究中心

0 引 言

作為社會與經(jīng)濟活動的主要交流承載體，城市公共交通對城市的發(fā)展具有重要的影響，對城市空間形態(tài)的演變具有骨架性的作用，對緩解整個城市的交通壓力、提高城市交通效率至關(guān)重要。建立完善、先進的公交GPS軌跡路線圖對提升交通管理系統(tǒng)具有重要意義。推動公共交通的優(yōu)先發(fā)展,是解決關(guān)系人民群眾切身利益的現(xiàn)實問題，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。

烏魯木齊市以公交優(yōu)先發(fā)展為目標，計劃至2018年建成以軌道交通為骨架、快速公交為支撐、常規(guī)交通為主體，其他交通方式為補充的城市公共交通系統(tǒng)[2]。在城市交通系統(tǒng)的不斷完善中，公交線路與站點的調(diào)整較為頻繁，此類調(diào)整會對公交分析系統(tǒng)的時效性和準確性造成影響。因此，探究對公交線路與站點調(diào)整情況的自動化監(jiān)測與分析技術(shù)，以及在線網(wǎng)頻繁調(diào)整背景下的線網(wǎng)模型建模與更新技術(shù)，可以為及時發(fā)現(xiàn)公交線網(wǎng)調(diào)整提供技術(shù)手段，為后續(xù)公交分析系統(tǒng)的功能升級提供理論支撐。

本文提出了一種通過GPS位置數(shù)據(jù)與到離站數(shù)據(jù)訓練公交線路運行軌跡的方法。選取到離站數(shù)據(jù)作為班次劃分的輸入，可以保證不在車輛正常運行時間內(nèi)的數(shù)據(jù)不會被作為分析對象（比如從停保場到首末站之間的行駛數(shù)據(jù)）。該方法利用到離站數(shù)據(jù)獲取公交線路運營的班次信息，并對班次信息進行判斷，刪除班次信息異常的數(shù)據(jù)，之后利用班次信息對公交GPS位置數(shù)據(jù)進行篩選和切分，得到線路在運營時段的運行軌跡。測試結(jié)果顯示，利用該方法可以較好的監(jiān)測烏魯木齊公交線路的運行軌跡。

1 GPS數(shù)據(jù)

公交車通過車載終端利用GPS信息完成定位功能。車輛定位系統(tǒng)的車載終端接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)專用數(shù)據(jù)接收器接收后可生成車輛當前的速度、經(jīng)緯度、時間等信息[3]。

1.1 GPS位置數(shù)據(jù)

公交線路的GPS位置數(shù)據(jù)的主要信息字段見表1。

1.2 GPS到離站數(shù)據(jù)

本文選取到離站數(shù)據(jù)作為班次劃分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣可以保證不在車輛正常運行時間內(nèi)的數(shù)據(jù)不會被作為分析對象（例如，從停保場到首末站之間的行駛數(shù)據(jù)）。到離站數(shù)據(jù)的主要信息字段見表2。

2 數(shù)據(jù)預處理

2.1 生成站點信息

受端設(shè)備、定位過程中衛(wèi)星的空間位置和地面環(huán)境的影響，公交站點的GPS定位結(jié)果與站點真實位置之間存在一定偏差[4]。 本文首先根據(jù)烏魯木齊地區(qū)的空間位置，設(shè)置整體的經(jīng)緯度范圍，并以此為篩選條件，將到離站數(shù)據(jù)中不在此空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)刪除；然后將篩選后的數(shù)據(jù)按相同線路，相同站點分別計算經(jīng)、緯度的平均值，作為各條線路公交站點的位置參數(shù)。最終生成的站點信息包含線路編號、站點順序號和站點經(jīng)緯度，見表3。

3 班次劃分

3.1 基于到離站數(shù)據(jù)的班次劃分

不同城市到離站數(shù)據(jù)，其格式和內(nèi)容均存在一定差異。部分城市的到離站數(shù)據(jù)包含車輛運行方向信息，而其余城市則不包含。本文中用到的烏魯木齊到離站數(shù)據(jù)中，不包含車輛運行方向，因此需要為其添加方向信息。

本文提出了一種班次劃分方法，該方法首先為起始站和終點站的到離站記錄添加班次和方向信息，然后通過插入法將中間站點逐次插入到相應位置，并基于其插入位置兩端的起始站、終點站屬性，為插入站點添加班次和方向信息。在對公交線路的到離站數(shù)據(jù)進行班次劃分時，規(guī)定某一輛公交車從起點運營到終點，為一個上行班次；某一輛公交車從終點運營到起點，為一個下行班次。

表1 GPS位置數(shù)據(jù)主要信息

表2 GPS到離站數(shù)據(jù)主要信息

表3 公交線路站點信息

為方便描述，可用如下符號系統(tǒng)進行簡化。

R={r1,r2,r3,…,rm}表示公交線路的集合，

Q={q1,q2,q3,…,qn}表示車輛編號的集合，

K={k1,k2,k3,…,kp}表示站點類型的集合，

T={t1,t2,t3,…,ts}表示到離站事件發(fā)生時間的集合，

X(loni,lati)表示經(jīng)緯度信息，

trip={1,2,3,…,n}表示車輛運行班次。

因此，任意一條到離站數(shù)據(jù)記錄的初始向量形式為：p={li,qj,kl,tα,(lonβ,latβ)}(p∈R,Q,K,T,X組成的5維空間R5)，目標向量形式為：f={p,dir,trip}。到離站數(shù)據(jù)的班次劃分和方向標注步驟如下：

①對任意的p∈R5：若滿足條件：k1∈{起點離站，終點到站}，則表示該車輛上行，即dir=1；若滿足條件：kl∈{起點到站，終點離站}，則表示該車輛下行，即dir=0；若不滿足以上條件，則暫不標注方向。

②篩選出1中標注了方向的向量集P1,其中間向量集M1={P1,dir}。由班次的定義可知，每輛車相鄰的一組起點離站和終點到站（或相鄰的一組終點離站和起點到站）可唯一確定一個班次。據(jù)此，可按時間順序，為1中篩選出的向量按組逐次添加班次信息（同一組向量的班次信息相同）。完成該步驟后，得到了每輛車始末站的目標向量集：F1={P1,dir,trip}。

③為了得到剩余向量的目標向量集F2={P2,dir,trip}，本文引入了插入判別法。對任意的p0∈P2，首先生成該向量的初始目標向量F0={p0,-1,-1}；然后從F1中挑選滿足條件：l(f)=l(f0)且q(f)=q(f0)的向量，并與f0共同組成向量集F3；將F3中的向量按時間先后順序進行排序，結(jié)果為：F3={f1,f2,f3,…,fi,f0,fi,…}。如果滿足條件：dir(fi)=dir(fj)且trip(fi)=trip(fj)，則p0的目標向量為：f0={p0,dir(fi),dir(fj)}；如果不滿足條件，則f0的dir和trip均標注為空。完成該步驟后，得到了每輛車中間站的目標向量集：F2={P2,dir,trip}。

④添加班次和方向信息的到離站數(shù)據(jù)向量集為：F=F1∪F2。

3.2 班次信息

通過對3.1中添加班次和方向信息后的到離站數(shù)據(jù)進行處理，可以得到每條線路每輛車各班次（分方向）的起始時間、結(jié)束時間、以及經(jīng)過的站點個數(shù)（班次信息）。

同一線路、同一車輛、相同方向、相同班次號可以唯一確定一個班次。首先，在添加班次方向信息后的到離站數(shù)據(jù)中，篩選出班次不為空的數(shù)據(jù)。然后，選取篩選后各班次到離站的起始時間和結(jié)束時間，并計算各班次經(jīng)過的站點個數(shù)。

4 班次篩選

在進行班次篩選前，需要先對公交線路的GPS數(shù)據(jù)進行預處理，刪除定位異常的數(shù)據(jù)。通過烏魯木齊地區(qū)的空間位置可以設(shè)置整體的經(jīng)緯度范圍，并以此為篩選條件，將公交線路的GPS位置數(shù)據(jù)中不在此空間范圍內(nèi)的異常數(shù)據(jù)刪除。

由于公交線路的GPS位置數(shù)據(jù)中包含有非正常運營時的位置信息，因此為獲得烏魯木齊公交線路在運營時段的行駛軌跡，首先需要基于班次信息對公交線路的GPS位置數(shù)據(jù)進行篩選，挑選出正常運營時的位置數(shù)據(jù)。然后為篩選后的GPS位置數(shù)據(jù)添加班次、方向信息。

文中第3部分已經(jīng)對到離站數(shù)據(jù)進行班次劃分，并得到了公交線路運營的班次信息。為了減少異常班次信息的影響，需要對班次信息進行一次篩選，刪除掉經(jīng)過站點數(shù)量偏少的班次（缺失站點數(shù)＞對應線路站點總數(shù)的20%）。然后將同一線路，同一輛車的班次信息與公交線路的GPS位置數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，篩選出每個班次開始與結(jié)束時間范圍內(nèi)每輛車的GPS位置數(shù)據(jù)，即公交正常運營時的GPS位置數(shù)據(jù)。最后將正常運營時的GPS位置數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)上運行班次和方向信息，并將公交線路在運營時段的運行軌跡投影在地圖上。

5 軌跡分析

烏魯木齊公交線路在運營時段的運行軌跡如圖1所示。

圖1 烏魯木齊公交線路的運行軌跡

某些線路不同方向的運行軌跡不同。以104路為例，其不同方向的運行軌跡分別見圖2。

而另外一些線路不同方向的運行軌跡則基本一致。以1路為例，其不同方向的運行軌跡分別見圖3。

由以上兩個例子可以看出，通過本文提出的方法對公交GPS位置數(shù)據(jù)進行篩選和切分，可以較好地刪除非正常運營時的位置信息，得到的各線路在運營時段的運行軌跡穩(wěn)定性較好，符合預期結(jié)果。

6 總 結(jié)

圖2 烏魯木齊104路公交不同方向運行軌跡

圖3 烏魯木齊1路公交不同方向運行軌跡

本文提出了一種通過GPS位置數(shù)據(jù)與到離站數(shù)據(jù)訓練公交線路運行軌跡的方法。該方法利用到離站數(shù)據(jù)獲取公交線路運營的班次信息，并對班次信息進行判斷，刪除班次信息異常的數(shù)據(jù)。然后利用班次信息對公交GPS位置數(shù)據(jù)進行篩選和切分，刪除非正常運營時的位置信息，最終得到線路在運營時段的運行軌跡。通過本文提出的方法對烏魯木齊公交GPS位置數(shù)據(jù)進行篩選和切分，可以較好地刪除非正常運營時的位置信息，得到的公交線路在運營時段的運行軌跡穩(wěn)定性較好，可用于對公交線路與站點調(diào)整情況的自動化監(jiān)測與分析。

[1] 張占偉. 城市公交GPS軌跡路線圖制作研究[J]. 交通科技與經(jīng)濟，2015，17(3)：124-128.

[2] 張銘. 烏魯木齊市公交優(yōu)先發(fā)展政策研究[J].城市道橋與防洪，2016(8)：14-16.

[3] 彭家政. GPS技術(shù)在公交車上的應用研究[J].城市公共交通，2002(5)：28-29.

[4] 馬連韜，王亞沙，彭廣舉，等. 基于公交車軌跡數(shù)據(jù)的道路GPS環(huán)境友好性評估[J]. 計算機研究與發(fā)展，2016，52(12)：2694-2707.