基于大數(shù)據(jù)的節(jié)假日高速公路預(yù)測及運行分析研究

韓子穎

摘 要 交通問題對社會影響日益增加，掌握高速公路運行狀況特征，緩解交通擁堵已成為社會關(guān)注熱點。文章以大數(shù)據(jù)為依托，從時間特征和空間特征的角度對浙江省高速公路在2018年春節(jié)期間的整體運行狀況進(jìn)行了節(jié)前預(yù)測和節(jié)后評價研究，為浙江省高速公路監(jiān)控管理工作提供科學(xué)依據(jù)，提升路網(wǎng)的管理水平和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞 大數(shù)據(jù)；交通擁堵；擁堵預(yù)測；運行評價；高速路網(wǎng)

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）216-0127-04

交通是城市社會、經(jīng)濟(jì)活動的紐帶和動脈，對社會發(fā)展和人民生活水平的提高起著極其重要的作用[1]。伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車保有量日益增加，交通供給與需求的矛盾進(jìn)一步加劇，交通擁堵已是常態(tài)，交通問題成了影響城市生存和發(fā)展的重大難題，如何有效地緩解城市交通擁堵問題已經(jīng)成為社會關(guān)注熱點。

隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，政府部門采取了大量信息化手段對道路流量進(jìn)行實時監(jiān)測，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，為掌握路網(wǎng)擁堵現(xiàn)狀、分析路網(wǎng)擁堵特征、制定緩解擁堵政策提供了數(shù)據(jù)支撐。目前，主要的采集方法為布設(shè)交通采集硬件設(shè)備，包含環(huán)形感應(yīng)線圈，微波檢測器，視頻檢測器，RFID（射頻識別）監(jiān)測；此外，還有動態(tài)采集方法，例如GPS浮動車采集、手機大數(shù)據(jù)采集等。其中，利用手機大數(shù)據(jù)來分析推算動態(tài)交通狀況是一種新興的廣域動態(tài)交通探測技術(shù)[2]。該技術(shù)充分利用目前現(xiàn)有的電信運營商移動網(wǎng)絡(luò)資源，定位手機用戶，進(jìn)而獲取實時交通數(shù)據(jù)，判斷道路交通通行狀況[3]。

2012年，全國第一次實施免收小型客車通行費，導(dǎo)致在高速公路節(jié)點上出現(xiàn)了長時間、大面積擁堵現(xiàn)象，這給高速公路管理部門帶來了巨大的壓力。因此，如何利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對高速公路在節(jié)假日的擁堵做預(yù)測，同時掌握節(jié)假日的擁堵運行特征，是當(dāng)下交通大數(shù)據(jù)挖掘的重要發(fā)展方向。

1 技術(shù)路線

本研究的技術(shù)路線如圖1所示。

1）將基于手機大數(shù)據(jù)的動態(tài)交通探測技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，并以此獲取文章的分析數(shù)據(jù)源。

2）定義分析指標(biāo)和分析維度，為后續(xù)研究提供分析依據(jù)。

3）從整體和個體兩方面對節(jié)假日的高速公路路網(wǎng)進(jìn)行節(jié)前運行狀態(tài)預(yù)測。

4）對高速公路路網(wǎng)進(jìn)行節(jié)后運行評價分析，掌握路網(wǎng)時間運行特征和空間運行特征。

5）將節(jié)后分析結(jié)果和節(jié)前預(yù)測進(jìn)行對比分析，評價節(jié)前預(yù)測。

2 手機交通信息采集技術(shù)的理論基礎(chǔ)

2.1 手機大數(shù)據(jù)

移動互聯(lián)網(wǎng)的興起及成熟為各通信運營商帶來了海量的手機數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了豐富的位置信息，在濾除了個人隱私信息后，通過對手機數(shù)據(jù)序列的分析，即可獲取各個手機用戶空間移動、分布規(guī)律[4]，從而得到連續(xù)的交通信息。尤其是隨著3G、4G網(wǎng)絡(luò)的成熟應(yīng)用，通過手機信令數(shù)據(jù)研究個體活動規(guī)律的精度均有了很大程度的提高。因此，手機大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出以下特性：

1）時空覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)全天24小時覆蓋區(qū)域所有主干道。

2）樣本量大，手機普及率高，用戶量巨大。

3）數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，依托通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)源穩(wěn)定。

2.2 基于手機的交通信息采集技術(shù)基本原理

基于手機大數(shù)據(jù)的交通信息采集技術(shù)充分利用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)資源，獲取移動網(wǎng)絡(luò)信令數(shù)據(jù)，建立移動網(wǎng)絡(luò)小區(qū)與交通小區(qū)的匹配映射模型[4]，通過連續(xù)追蹤切換發(fā)生的位置，結(jié)合路網(wǎng)匹配，從而獲取對交通狀態(tài)自動判別和交通誘導(dǎo)更為有用的平均行程時間、車速數(shù)據(jù)[5]。憑借手機數(shù)據(jù)在時空覆蓋、樣本、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢，可有效保證基于手機交通信息采集技術(shù)所提取的時間、車速等數(shù)據(jù)的完整性與可靠性。

3 基于手機大數(shù)據(jù)的高速擁堵分析方法

3.1 定義

3.1.1 分析指標(biāo)定義

對于節(jié)假日，公眾和管理部門更關(guān)心的是路網(wǎng)的擁堵，本研究的分析指標(biāo)著重從擁堵出發(fā)：

1）擁堵路段：指每日擁堵時長大于1小時的路段。

2）擁堵里程比例：指在空間范圍內(nèi)，擁堵路段的總里程與總體評價范圍的總里程之比，該比例反映了擁堵狀況在空間上的影響程度。

3.1.2 分析維度定義

分析維度從時間維度和空間維度兩方面出發(fā)：

1）時間維度：分析維度可從日期、時段等方面分析。

2）空間維度：分析維度可從整體路網(wǎng)、單條道路、單個道路路段等方面分析。

3.2 分析方法

基于手機信息采集技術(shù)獲取的平均出行時間和車速數(shù)據(jù)，針對節(jié)假日的歷史同期高速車速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，可有效剔除無效、異常數(shù)據(jù)，得到可進(jìn)一步處理分析的原始數(shù)據(jù)。計算歷史同期相同日期類型下各時間點車速均值，根據(jù)擁堵條件篩選，匯聚得到基于小時維度的路段擁堵數(shù)據(jù)表，進(jìn)而完成對基于天的擁堵路段、擁堵時間分布以及擁堵空間分布的分析，如圖2所示。

3.2.1 基于天的擁堵路段數(shù)據(jù)

根據(jù)已知的擁堵路段定義，可得到空間范圍內(nèi)擁堵路段總里程與全路網(wǎng)范圍的總里程之比，即為分析日的擁堵里程比。依據(jù)擁堵程度，擁堵里程比可分為以下三級：

1）重度擁堵：當(dāng)天總擁堵里程占路網(wǎng)總里程比≥15%。

2）中度擁堵：當(dāng)天總擁堵里程占路網(wǎng)總里程比≥10%。

3）暢通：當(dāng)天總擁堵里程占路網(wǎng)總里程比<15%。

基于以上分級，便可得到擁堵日歷圖。

3.2.2 擁堵時間分布

匯聚分析基于小時的擁堵數(shù)據(jù)，從而得到分析日全路網(wǎng)的小時擁堵比例，預(yù)測擁堵時間分布。

3.2.3 擁堵空間分布

統(tǒng)計各分析階段擁堵路段的出現(xiàn)頻率，篩選出擁堵路段出現(xiàn)天數(shù)占總分析天數(shù)比例≥60%的情況，匯聚得到擁堵路段集合，并生成擁堵路段的空間分布圖。

4 節(jié)假日高速公路路況研究成果

4.1 節(jié)前運行狀態(tài)預(yù)測

利用手機信息采集技術(shù)所獲取的海量數(shù)據(jù)以及交通管理部門的歷史同期數(shù)據(jù)，對2018年春節(jié)浙江省高速公路進(jìn)行節(jié)前運行狀態(tài)預(yù)測，為管理部門誘導(dǎo)公眾出行、制定疏導(dǎo)政策提供數(shù)據(jù)支撐。

4.1.1 整體運行預(yù)測

本研究選取2018年春節(jié)，分析時間段為2月14日至2月22日共9天，其中2月16日為正月初一（見圖3）。

圖3的預(yù)測結(jié)果表明，春節(jié)期間重度擁堵①和中度擁堵②均僅有1天。

現(xiàn)將春節(jié)按時間分為3個階段，依次為春節(jié)前期（2月14日至2月16日）、春節(jié)假期中期（2月17日至19日）、春節(jié)假期后期（2月20日至22日），預(yù)測結(jié)果如下：

1）春節(jié)前期，因返鄉(xiāng)客流會提前啟程，浙江高速將基本暢通。

2）春節(jié)中期，多為走訪親友和短期出游客流，浙江高速可保持基本暢通。

3）春節(jié)后期，初五（20日）會受到短程出游客流及集中返程客流的疊加影響，造成浙江高度的中度擁堵，該擁堵將延續(xù)至初六（21日），并進(jìn)一步加劇，出現(xiàn)重度擁堵。22日以通勤客流為主，恢復(fù)至?xí)惩ā?/p>

4.1.2 擁堵時空預(yù)測

圖4是2月20日至2月21日兩天擁堵預(yù)測時段，預(yù)計2月20日將出現(xiàn)4個小時的擁堵，2月21日將出現(xiàn)10個小時的擁堵。

圖5是各條高速公路在春節(jié)前、中、后3個階段預(yù)測擁堵路段分布。

4.2 節(jié)后運行評價分析

4.2.1 時間運行特征

2018年春節(jié)期間的3個時間階段，高速公路的運行狀態(tài)呈現(xiàn)從暢通到擁堵程度持續(xù)增加的特征，見圖6。

1）春節(jié)前期，總體交通運行狀況較為暢通。

2）春節(jié)中期，受走親訪友、短期出游客流影響，擁堵程度與前期相比有所增加，平均擁堵路段里程比例上升為6.37%。

3）春節(jié)假期后期，大規(guī)?？土骷蟹掂l(xiāng)，平均擁堵里程比例達(dá)到12.47%。

4.2.2 空間運行特征

浙江省各條高速公路在春節(jié)前、中、后3個階段真實擁堵路段分布見圖7。

4.3 預(yù)測評價分析

4.3.1 時間對比評價

從擁堵發(fā)生的日期來看，2018年春節(jié)假期期間浙江高速擁堵預(yù)測情況與真實運行情況差異不大，預(yù)測了2月21日為重度擁堵，真實情況為20日與21日均為中度擁堵（見圖8）。

1）春節(jié)假期前期，成功預(yù)測到受返鄉(xiāng)客流的提前離開浙江，浙江高速基本暢通。

2）春節(jié)假期中期，成功預(yù)測到受少量的走親訪友與短程出游的客流影響，擁堵程度與前期相比有所增加。

3）春節(jié)假期后期，成功預(yù)測到受大規(guī)模的集中返程客流的影響，但21日的真實擁堵程度要比預(yù)測擁堵程度更輕。

4.3.2 空間對比評價

通過對2018年春節(jié)浙江高速擁堵路段真實與預(yù)測的空間對比分析，春節(jié)預(yù)測擁堵點為29個，預(yù)測準(zhǔn)確的擁堵點為24個，擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率③為83%。

1）對比可知，春節(jié)假期前期，1個擁堵位置中，準(zhǔn)確預(yù)測的擁堵位置為1個（見圖9）。

2）春節(jié)假期中期，10個擁堵位置中，準(zhǔn)確預(yù)測的擁堵位置為10個（見圖10）。

3）春節(jié)假期后期，14個擁堵位置中，預(yù)測準(zhǔn)確的為13個（見圖11），新增的擁堵點位為桐廬互通。

5 結(jié)論

利用手機信息采集技術(shù)所獲取的海量數(shù)據(jù)對節(jié)假日的高速公路開展節(jié)前運行狀態(tài)預(yù)測及節(jié)后運行評價分析，有助于政府管理部門掌握節(jié)假日高速公路的運行狀況特征，在節(jié)前向公眾發(fā)布預(yù)測信息，有效誘導(dǎo)車輛避開擁擠或阻塞道路；同時做好交通疏導(dǎo)預(yù)案，合理調(diào)控現(xiàn)有的交通系統(tǒng)，提高高速公路路網(wǎng)交通通行能力，緩解城市交通擁堵現(xiàn)狀，推動城市交通運輸系統(tǒng)良性發(fā)展。

注釋

①重度擁堵：當(dāng)天總擁堵路段里程占路網(wǎng)總里程的15%及以上（包括15%）。

②中度擁堵：當(dāng)天總擁堵路段里程占路網(wǎng)總里程的10%以上10%以下（包括10%）。

③擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率=預(yù)測準(zhǔn)確擁堵點位數(shù) / 預(yù)測擁堵點位數(shù).

參考文獻(xiàn)

[1]彭軍，王江鋒，王娜.我國大城市交通擁堵成因及治理策略分析[J].中國科技信息，2011（16）：199-200，204.

[2]李莉.基于手機采集與車載GPS采集方式的交通狀態(tài)信息融合技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2011（9）：90-91.

[3]冉斌.手機信令數(shù)據(jù)在城市交通管理中的應(yīng)用及展望[EB/OL]. http：//www.iitraffic.com/index. php？c=msg&id;=708&.

[4]關(guān)志超，胡斌，張昕，等.基于手機數(shù)據(jù)的城市交通信息采集技術(shù)研究[C]//第七屆中國智能交通年會優(yōu)秀論文集，2012.

[5]楊飛.基于手機切換定位的道路形成車速采集提取技術(shù)研究[M].北京：科學(xué)出版社，2013.