基于IC卡數(shù)據(jù)的公交出行OD推算方法研究

費 曄

(上海久事(集團(tuán))有限公司 上海 200122)

0 引 言

“公交優(yōu)先”是近年來我國中央及地方政府達(dá)成共識的城市交通運輸發(fā)展戰(zhàn)略。上海市在“十一五”期間便確立了公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，曾先后發(fā)布《關(guān)于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通意見的通知》(2005)、《關(guān)于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通若干經(jīng)濟政策的意見》(2007)等文件用于指導(dǎo)公共交通發(fā)展。經(jīng)過逾十年的建設(shè)，上海市已建立起初具規(guī)模的公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，未來發(fā)展將逐步呈現(xiàn)建管并重的局面[1]。公共交通的精細(xì)化管理、用戶服務(wù)水平的提高、公交運營效能的改善也會隨著設(shè)施供給的飽和而逐步成為公交管理和運營部門的重點追求目標(biāo)。在此背景下，準(zhǔn)確、全面、及時、了解公共交通客流分布則是制定經(jīng)濟、有效、環(huán)保的公交運營管理措施之關(guān)鍵，同時也為公交設(shè)施的優(yōu)化布局提供有力依據(jù)。

現(xiàn)有發(fā)展中，上海廣泛發(fā)行公交IC卡，基于按里程計費、進(jìn)出站兩次刷卡的軌道交通網(wǎng)絡(luò)能較好地掌握其出行客流的動態(tài)時空分布。而地面公交則由于大部分城市采取單一票價、單次刷卡或投幣的形式，其動態(tài)出行OD數(shù)據(jù)難以從刷卡信息中直接獲取[2]。人工出行調(diào)查仍是獲取需求分布的主要方式，如上海市每年會進(jìn)行一次公交客流大調(diào)查，每五年進(jìn)行一次居民出行調(diào)查。人工調(diào)查的方法在城市發(fā)展穩(wěn)定期，客流變化不大的情況下，對于公交管理和規(guī)劃具有一定的作用。但目前，上海市居民出行時空分布也處于不穩(wěn)定期，將每年一次的人工調(diào)查數(shù)據(jù)作為較長時間內(nèi)居民出行需求分析的依據(jù)顯然有失偏頗。此外，人工調(diào)查往往以抽樣的方式進(jìn)行，而低抽樣率水平下的數(shù)據(jù)擴至全樣目前尚無有效方法和驗證手段[3]。針對傳統(tǒng)人工調(diào)查方法的種種不足，以及當(dāng)前上海市地面公交客流分布特征變化快、供需關(guān)系不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，動態(tài)的、智能的公交出行OD調(diào)查方法必將成為OD調(diào)查相關(guān)研究的發(fā)展方向。

1 研究方法

由于每個城市的公交IC卡清算方式和公交系統(tǒng)的刷卡收費模式都不同，因而針對各個地方的推算方法都根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓幌到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而有所不同。本文將基于上海公交的實際情況，以IC卡刷卡記錄中的信息入手，結(jié)合公交調(diào)度信息對持IC卡乘車的乘客的出行起止點進(jìn)行推算，從而統(tǒng)計出公交線路、交通小區(qū)等不同層面的出行客流OD矩陣，并根據(jù)推算結(jié)果統(tǒng)計公交運營的相關(guān)指標(biāo)[4]。

本文以持IC卡乘客的出行行為作為推算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于公交出行的連續(xù)性假設(shè)對出行行為進(jìn)行了分類。公交出行的連續(xù)性假設(shè)認(rèn)為，出行者連續(xù)兩次刷卡出行的乘次之間存在關(guān)聯(lián)性，或者是一個往返旅次，或者是一次旅次中換乘。

圖1 推算圖像

基于該假設(shè)，如圖1所示，可對持IC卡乘車的行為中往返出行和有換乘的出行進(jìn)行出行起止點的推算。

2 OD推算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和獲取

公交系統(tǒng)的OD數(shù)據(jù)獲取困難一直是限制公交運營決策和公共交通規(guī)劃的瓶頸之一。傳統(tǒng)的人工調(diào)查有著數(shù)據(jù)更新不及時、抽樣率低等不足之處，在城市化進(jìn)程快速推進(jìn)、客流特征迅速變化的背景下，公交系統(tǒng)的管理和規(guī)劃都對智能化動態(tài)獲取OD數(shù)據(jù)的方法提出了要求。常見的幾種智能化OD調(diào)查方法，在實踐上由于技術(shù)限制或方法上的缺陷，難以滿足上海市地面公交系統(tǒng)的調(diào)查需要。而基于IC卡和公交GPS數(shù)據(jù)的OD反推技術(shù)，則是短期內(nèi)實現(xiàn)公交出行客流OD的動態(tài)智能化獲取最為可行的途徑。

上海的地面公交系統(tǒng)，路線之多、運營里程之長乃全國之最，但其在公交客流OD的反推研究方面尚存空白。車載POS機記錄乘客的刷卡交易信息，車輛GPS系統(tǒng)則記錄了公交車的實時地理位置信息。若將兩套系統(tǒng)的信息結(jié)合運用，在分析乘客出行特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)挖掘，可實現(xiàn)公交線路和交通小區(qū)層面的OD矩陣推算和公交運營相關(guān)指標(biāo)的計算。通過OD數(shù)據(jù)掌握公交運營狀況、把握公交出行特征，為公交運營決策和公共交通規(guī)劃的進(jìn)一步智能化探索前景[5]。本文將基于上海市的地面公交系統(tǒng)和公共交通IC卡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，探討一種符合上海市實際情況的公交出行OD反推算法。

2.1 所需數(shù)據(jù)

基于IC卡和公交GPS數(shù)據(jù)反推公交出行客流OD的算法是基于IC卡刷卡記錄(記錄于POS機、即IC卡讀寫器上)、公交運營的地理位置信息、公交線路和站點的基礎(chǔ)信息(換乘站點、站點停靠順序等)三方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。其中：IC卡刷卡記錄和公交運營的地理位置信息是動態(tài)信息；公交線路和站點的基礎(chǔ)信息是靜態(tài)信息，是判斷換乘、統(tǒng)計公交線路客流OD等步驟的依據(jù)。在上海市，需從公交卡管理方獲取IC卡數(shù)據(jù)，從公交運營方獲取公交GPS行駛記錄，從地理信息技術(shù)GIS提供方獲取公交車站點的地理信息數(shù)據(jù)[6]。以上間接數(shù)據(jù)，將共同成為公交客流OD推算的基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取方法

現(xiàn)以上海市地面公交為例說明從IC卡支付記錄中獲取OD數(shù)據(jù)的方法。乘客上車時，持IC卡在車載POS機上刷卡，完成車費的支付，在POS機中留下交易記錄；POS機的刷卡記錄導(dǎo)出后保存在公交卡公司的數(shù)據(jù)庫中。另一方面，公交車輛上搭載的GPS設(shè)備，會實時地記錄下車輛的位置信息，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過公交公司的處理后，可以直觀地反映公交車輛進(jìn)出某一公交車站的精確時刻。若取出IC卡記錄和公交GPS行駛記錄中對公交客流OD的推算有用的一部分，根據(jù)POS機與公交車輛的對應(yīng)關(guān)系、刷卡時間與進(jìn)出站時間的對應(yīng)關(guān)系，就可以推測出一張IC卡的持卡人是于何時、何站點乘坐了哪一條公交線路的哪一輛車。若能進(jìn)一步推算出持卡人的下車站點，那么就可以根據(jù)每張IC卡的上下車站點，統(tǒng)計出公交車線路的客流OD、各站點的上下車人數(shù)等信息[7]。因此，僅靠IC卡數(shù)據(jù)并不能直接記錄如公交站點的上下車客流等與公交運營相關(guān)的信息，還須結(jié)合其與公交GPS數(shù)據(jù)的相關(guān)性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)挖掘處理，才能使反映公交運營情況的數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)。

2.3 OD推算數(shù)據(jù)的預(yù)處理

上海市的公交系統(tǒng)，尤其是在大部分市中心的線路上采用了單一票價、上車一次刷卡的收費模式。這決定了采用基于公交IC卡及GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，必須要解決上車和下車站點的推算的問題。為此，必須獲得以下幾個方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： IC卡在POS機上刷卡的記錄；公交車的GPS定位信息；公交車牌照和軌交站點與POS機的對應(yīng)關(guān)系；線路站點順序及換乘關(guān)系的信息。

2.3.1 POS機刷卡記錄

POS機刷卡記錄原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 原始POS機刷卡記錄表結(jié)構(gòu)

表1中，TJRLRDATE和TJRLRTIME兩個字段實際上都儲存了完整的時間和日期(YYYY-MM-DD，HH:MM:SS)只是兩個字段的顯示格式不同。實際推算時，可去掉一個字段，減少數(shù)據(jù)冗余。另外，上海公共交通對持公交卡乘車的乘客實行換乘優(yōu)惠政策，若前后相鄰兩次刷卡時間間隔不超過90 min，則后一次刷卡的扣費金額可優(yōu)惠1元。TJRLTXFG字段正是記錄了該次刷卡是否享受了換乘優(yōu)惠，這一字段在對換乘出行進(jìn)行推算時可作為判定換乘的依據(jù)之一。

2.3.2 公交車的GPS行駛記錄

公交車的GPS行駛記錄原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 原始公交GPS行駛記錄表結(jié)構(gòu)

其中，為了區(qū)分上下行，同名的站點在上行方向和下行方向中有著不同的編號；上行和下行的站點的編號是按線路路徑連續(xù)地增加的；不同線路的站點各自編號，因此即便是兩條線路都行經(jīng)的同一個站點，在不同線路中的編號也不一樣。即公交營運方的一個站點編號，唯一地確定了一條線路、一個運行方向上的一個站點。

2.3.3 公交車牌照/軌交站點與POS機編號對應(yīng)關(guān)系

公交車牌照與POS機編號對應(yīng)關(guān)系表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 公交車牌照與POS機編號對應(yīng)關(guān)系表結(jié)構(gòu)

軌交站點與POS機的對應(yīng)關(guān)系表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 軌交站點與POS機的對應(yīng)關(guān)系表結(jié)構(gòu)

通過表3、表4的連接，POS記錄中的刷卡機就能一一對應(yīng)到每臺公交車，從而確定每張IC卡所乘坐的車輛，將刷卡記錄與所乘車輛的GPS信息匹配，即可確定上車站點。另一方面，軌交站點的TJRLSTATID字段同時包括了軌交線路編號和軌交站點兩方面的信息，可以通過這一對應(yīng)表格直接確定持卡人是在哪個軌交站點進(jìn)站/出站。

2.3.4 換乘站點對應(yīng)關(guān)系表

原始的換乘站點對應(yīng)關(guān)系表，表結(jié)構(gòu)分別如表5所示。

表5 原始換乘站點對應(yīng)關(guān)系表結(jié)構(gòu)

續(xù)表5

如果換乘行為發(fā)生，則可以通過將第二次乘坐線路的上車站點來反推上一條線路的下車站點。GIS技術(shù)提供方的數(shù)據(jù)中，以上下行和?？宽樞騼蓚€字段來區(qū)分每條線路的站點順序和運行方向。

3 OD推算方法研究

本文設(shè)計的基于IC卡及GPS數(shù)據(jù)的OD推算算法，主要分為上車站點推算、下車站點推算，并由此推算出一條線路上的公交出行客流OD推算。

上下車站點的推算以線路和IC卡為單位進(jìn)行，即每次對一條公交線路(如55路)上的IC卡刷卡記錄進(jìn)行推算，每次推算都抽取一張IC卡當(dāng)天的全部刷卡記錄(若該卡在55路以外的線路或軌交站點也留有刷卡記錄，則將這些刷卡記錄也一并取出)并按時間序列排列后，逐條與時間相鄰的記錄進(jìn)行比對，判斷有無往返出行或換乘出行，從而推算每一次刷卡的下車站點[8]。

上下車站點推算完成后，即獲得了每次刷卡(每次乘車)的出行OD數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上即可獲得公交線路層面的出行OD數(shù)據(jù)。

3.1 上車站點的推算

上車站點的推算是基于刷卡時間與進(jìn)出站時間的匹配關(guān)系。根據(jù)上車刷卡的場景可知，乘客刷卡的時刻應(yīng)落在車輛進(jìn)站和出站的時刻之間。由于上海市公交系統(tǒng)中，POS機與車輛GPS定位系統(tǒng)并未直接關(guān)聯(lián)，因此需要知道每臺POS機安裝在哪一部公交車上(即公交車牌照與POS機編號對應(yīng)關(guān)系表)，從該車輛的GPS行駛記錄中查找進(jìn)出站記錄，比對刷卡時間與進(jìn)出站時刻，才能確定每次刷卡是在哪個站點，即乘客的上車站點。上車站點的推算原理，如圖2所示。

圖2 匹配POS機與公交車牌照

結(jié)合上海市公交運營的實際情況來看，高峰時間車廂擁擠，乘客上車后由于擠在車廂門口或由后門上車，無法立即刷卡的情況經(jīng)常發(fā)生。同時GPS與POS兩套數(shù)據(jù)中可能存在的時間差，落在上一站出站時刻和下一站進(jìn)站時刻之間，無法匹配到上車站點的刷卡記錄所占的比例也很大。因此，本文假設(shè)凡在本站上車的持IC卡乘客，均能在車輛到達(dá)下一站之前完成刷卡，因而將上車站點的判定條件修正為：若IC卡的刷卡時間在本站進(jìn)站后、下一站進(jìn)站前，則認(rèn)為該卡是在本站上車的。上車站點推算如圖3所示。

圖3 推測上車站點

這種推算方法的推算率和準(zhǔn)確程度取決于GPS行駛記錄對站點位置判斷的準(zhǔn)確程度、進(jìn)出站時間記錄的準(zhǔn)確程度、GPS數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)之間的時間誤差、POS機與公交車牌照的對應(yīng)關(guān)系是否正確等，即推算結(jié)果受數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響很大。

3.2 下車站點的推算

為解決下車站點難以獲知這一難點，本文以通勤往返出行和換乘出行作為推算對象[9]，通過分析不同模式的出行行為所對應(yīng)的數(shù)據(jù)特征，設(shè)計出推算下車站點的算法。

將同一張IC卡當(dāng)日的全部刷卡記錄取出、按時間排序，從當(dāng)日最早的記錄開始，逐條比對第i次記錄與第i+1次記錄之間的關(guān)系，判斷其是否存在往返或換乘關(guān)系。若滿足往返或換乘出行相應(yīng)的數(shù)據(jù)特征，則按相應(yīng)的規(guī)則推算下車站點；不滿足或推算成功則繼續(xù)比較第i+1次記錄與第i+2次記錄，如此循環(huán)，直至完成本張IC卡全部刷卡記錄的比對。

3.2.1 往返出行

日常通勤出行，大多是往返出行的模式。這種一來一回的出行方式中，乘客從起點出發(fā)，最后又回到起點。用“兩站點模型”的假設(shè)可以說明這種出行的特征，如圖4所示。當(dāng)天第一次出行，乘客從A站上車，留下刷卡記錄，下車站點未知；第二次出行，乘客從B站上車，留下刷卡記錄。根據(jù)“兩站點模型”的假設(shè)可以推測：乘客第一次出行的下車站點即為B站，第二次出行的下車站點即為A站。兩次出行實施后，乘客完成全天通勤，回到起點。這樣的通勤方式，每張IC卡應(yīng)在當(dāng)天有至少2次乘坐同一線路公交車的刷卡記錄，且兩次乘車的上車站點不同，兩次乘車的上下行方向相反。

圖4 往返出行的下車站點推算

3.2.2 換乘出行

在日常的出行，尤其是距離較長的出行中，乘客在不同線路、不同交通方式之間的換乘是頻繁發(fā)生的。由于數(shù)據(jù)樣本和研究難度的限制，本文只考慮在同一個站臺上的公交換乘，不考慮需要步行前往鄰近站點的換乘。本文所取的數(shù)據(jù)樣本是一條線路公交及與其可換乘的部分線路和軌交站點的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)范圍內(nèi)只考慮一次換乘的出行。

在換乘出行中，IC卡持卡人在A站乘坐線路X，留下刷卡記錄，下車站點未知。該IC卡的下一條刷卡記錄是在B站上車，乘坐了線路Y(或B站為軌交站點，乘客在該站進(jìn)站)，而根據(jù)換乘站點對應(yīng)表，線路X和線路Y確實可在B站換乘，那么就可以認(rèn)為持卡人乘坐線路X時，下車站點是B。照此邏輯，可以推測出換乘關(guān)系的兩次出行中，前一次乘車的下車站點。后一次出行的刷卡扣費，很可能滿足換乘優(yōu)惠的條件，即“TJRLTXFG”字段的值為1，或兩次刷卡的時間間隔不大于90 min。這兩個特點，可以作為判斷換乘出行的加強條件或檢驗依據(jù)。

一般化的出行方式如圖5所示，可能既有往返，又有換乘，或兩者結(jié)合的出行方式。如有一次換乘的往返出行，按換乘方式，可能存在公交-公交、公交-軌交、軌交-公交三種情況。按換乘出行的邏輯無法推算出下車站點的換乘后的一次出行，可以按照往返出行的特征推算出下車站點。因此，在推算過程中，需要將往返和換乘兩種模式結(jié)合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 換乘出行的下車站點推算

3.2.3 公交出行OD的推算

推算出刷卡記錄的上下車站點后，就可以完成本文所述的公交客流OD的統(tǒng)計了。通過上下車站點的推算，獲得了每次刷卡(每次乘車)的出行OD數(shù)據(jù)，可以梳理出某一條線路(如55路)的OD數(shù)據(jù)。再依據(jù)數(shù)據(jù)的特點按道路段、時間段進(jìn)行分別統(tǒng)計。如按照時間來看，可以分為全天、早高峰、晚高峰和平峰三個時間段進(jìn)行統(tǒng)計[10]。又如按照道路段來看，只需根據(jù)上下車站點的推算數(shù)據(jù)，計算出在任意一對起止站點間的客流量，就可獲得公交線路任意站點間的出行OD數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

由于上海市地面公交分布范圍廣泛、涉及面積大，為了對上海市公交出行線路規(guī)劃提出合理的建議、改善傳統(tǒng)的人工調(diào)研測算居民出行的線路和流量中出現(xiàn)的耗時長、耗費大、效率低下的缺點[11]，本文結(jié)合公交數(shù)據(jù)的刷卡記錄和公交車的車載數(shù)據(jù)，使用OD數(shù)據(jù)分析方法，通過推算公交出行居民的上站位置和下站位置以及人流量高峰時段得出公交出行的OD推算方法。該方法可以為5年一回的上海市交通線路改革提供決策參考。