基于GPS大數(shù)據(jù)的居民出行時(shí)空分布

江迎

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

出租車作為城市公共交通的重要組成部分，已經(jīng)成為影響城市道路交通規(guī)劃與管理的重要交通方式之一，高效的出租車運(yùn)營系統(tǒng)有利于優(yōu)化城市公共交通結(jié)構(gòu)，滿足城市居民多樣化的出行需要。然而，已有的出租車運(yùn)營狀況監(jiān)測與管理手段較為落后，所采集信息量不夠全面，且每次進(jìn)行調(diào)查都要花費(fèi)大量的人力與物力，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化城市交通管理的需要。浮動(dòng)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為先進(jìn)的交通數(shù)據(jù)采集手段，能夠持續(xù)地回傳GPS數(shù)據(jù)，在浮動(dòng)車技術(shù)的支持下，研究挖掘出租車運(yùn)營信息的方法，建立起先進(jìn)的城市出租車運(yùn)營管理體系，將有助于實(shí)現(xiàn)對出租車運(yùn)營狀況的全面、持續(xù)監(jiān)測，為城市出租車行業(yè)運(yùn)營管理提供先進(jìn)的技術(shù)方法，有助于推動(dòng)城市交通管理向智能化和信息化的方向發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)挖掘方法

2.1 數(shù)據(jù)格式

本文采集到的GPS定位數(shù)據(jù)來自于2015年4月長沙市裝載GPS的出租車，長沙市于2010年完成了對市區(qū)內(nèi)所有出租車GPS系統(tǒng)的安裝，到2015年全市有7500輛裝載了GPS的出租車。出租車以 0.5 min的時(shí)間間隔，報(bào)告車輛的設(shè)備狀況、運(yùn)營狀態(tài)、地理位置、瞬時(shí)速度和運(yùn)行方位角等實(shí)時(shí)信息，每天的數(shù)據(jù)量非常大，一般有兩千萬條左右。數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：①設(shè)備ID：加密后的出租車唯一標(biāo)識；②時(shí)間：GPS數(shù)據(jù)生成時(shí)刻；③經(jīng)緯度：GPS設(shè)備定位坐標(biāo)信息，基于WGS84坐標(biāo)系；④速度；⑤方向；⑥服務(wù)狀態(tài)：60=出租車為候客狀態(tài)，59=出租車處于載客運(yùn)營狀態(tài)(如圖1所示)。

圖1 出租車GPS數(shù)據(jù)示例圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

綜合利用網(wǎng)格匹配和路網(wǎng)拓?fù)浞治龅榷喾N匹配算法[1，2]，設(shè)計(jì)出一套改進(jìn)的路徑匹配算法(如圖2所示)，將出租車GPS軌跡與具有拓?fù)潢P(guān)系的GIS路網(wǎng)進(jìn)行路徑匹配，對出租車的實(shí)際位置進(jìn)行定位，結(jié)合路徑搜索算法[2]獲取出租車相鄰定位點(diǎn)之間的路徑信息，根據(jù)每個(gè)路段上出租車行駛的路徑長度和時(shí)間累加計(jì)算任意出租車在路段上行駛的長度和時(shí)間總和，對路段經(jīng)過的所有出租車進(jìn)行速度集成計(jì)算，得到路段的出租車行程車速。同時(shí)通過出租車的運(yùn)營統(tǒng)計(jì)模塊，可以獲取長沙市出租車的運(yùn)營狀態(tài)和OD分布[3，4]。

圖2 出租車GPS數(shù)據(jù)處理流程圖

出租車傳回的坐標(biāo)只能反映車輛的坐標(biāo)位置，而不能直接與路網(wǎng)路段相關(guān)聯(lián)。借助50×50(M)的網(wǎng)格來進(jìn)行路網(wǎng)地圖匹配，實(shí)現(xiàn)車輛與路網(wǎng)路段的關(guān)聯(lián)，車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡就可以清楚地在地圖上顯示出來。結(jié)合路網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系來計(jì)算出租車的行程車速，車速的計(jì)算公式應(yīng)為V=dS/dT(dS：累計(jì)里程，dT累計(jì)耗時(shí))，車速可以直觀地體現(xiàn)出租車的運(yùn)營狀態(tài)。

根據(jù)裝載GPS的出租汽車在傳回?cái)?shù)據(jù)中的運(yùn)營狀態(tài)指標(biāo)來判斷出租汽車的載客情況，60表示空車，59表示重車(載客)。當(dāng)出租車載客狀態(tài)由60變?yōu)?9時(shí)表示有乘客上車，代表乘客O點(diǎn)；反之當(dāng)載客狀態(tài)由59變?yōu)?0時(shí)表示乘客下車，表示乘客D點(diǎn)。出租車的OD分布代表了一種特征，能夠用來識別有吸引力的區(qū)域。乘客上車點(diǎn)代表有出行需求的區(qū)域，乘客下車點(diǎn)代表居民出行距離和出行空間分布。

3 居民出行時(shí)空分布特性

本文選取了工作日3天的GPS數(shù)據(jù)，通過GPS數(shù)據(jù)處理模型獲取長沙市出租車的OD分布，從中可以分析出出租車的上下客位置分布，從而對出租車的時(shí)空分布進(jìn)行挖掘，主要包括出租車在不同道路上的分布以及在不同功能區(qū)域的分布兩部分。

3.1 出租車運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)分布

路段車速是體現(xiàn)路段擁堵程度的重要指標(biāo)[5，6]，通過對晚高峰時(shí)段長沙市路網(wǎng)車速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到長沙市晚高峰時(shí)段的擁堵路網(wǎng)圖(如圖3所示)，從中可發(fā)現(xiàn)在晚高峰中擁堵路段主要出現(xiàn)在五一路、城南路、蔡鍔路、八一路等市中心的道路上，車速均低于 15 km/h。本文利用GPS數(shù)據(jù)對出租車分布是否與道路擁堵程度有關(guān)進(jìn)行深入分析與探討，為使不同擁堵等級道路上的出租車分布具有可比性，利用出租車在各個(gè)等級路段比例來進(jìn)行對比，即某一時(shí)間段內(nèi)各個(gè)路段出租車客運(yùn)量占總客運(yùn)量的比例，最終得到高峰時(shí)段出租車運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)分布。

圖3 長沙市晚高峰擁堵路網(wǎng)圖

圖4 長沙市晚高峰出租車運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)分布圖

從長沙市晚高峰出租車運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)分布圖(如圖4所示)可以看出，越是擁堵的路段出租車的客運(yùn)量越低。通過分析具體數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)各條路段的客運(yùn)量與擁堵等級呈反比(如圖5所示)，最擁堵路段的客運(yùn)量只占總客運(yùn)量的2.1%，擁堵等級為4的路段占的比重是7.5%，第三等級的比例是13.6%，當(dāng)擁堵等級是2時(shí)則為24.7%，其他不擁堵的路段占了客運(yùn)總量的一半。由此可見，長沙市出租車在高峰期時(shí)，出租車運(yùn)營水平較低，由于出租車司機(jī)在高峰期間不愿駛?cè)霌矶侣范?，因此擁堵路段附近的客流需求較難得到滿足。

圖5 出租車客運(yùn)量與道路擁堵程度的關(guān)系

3.2 不同功能區(qū)域出租車時(shí)空分布

從長沙出租車客流集散密度來看[7，8]，長沙市全天出租車客運(yùn)熱點(diǎn)主要分布集中在商業(yè)中心、交通樞紐以及大型住宅區(qū)等區(qū)域(如圖6所示)。其中長沙高鐵南站和黃花機(jī)場 1 km范圍內(nèi)出租車客流集散量占總集散量11.2%，五一商圈等主要商圈 1 km范圍內(nèi)出租車客流集散量占6.3%，7%的客運(yùn)量集中于大型住宅區(qū)附近，可見長沙的出租車系統(tǒng)主要為商務(wù)、旅游、商業(yè)及通勤等出行需求提供服務(wù)。

圖6 長沙市全天出租車客運(yùn)熱點(diǎn)圖

(1)長沙火車南站周邊出租車時(shí)空分布

長沙南站位于長沙市雨花區(qū)黎托鄉(xiāng)花橋路，是連接京廣高速鐵路與滬昆高速鐵路的重要樞紐，也是中南地區(qū)的區(qū)域性鐵路客運(yùn)中心、長沙高鐵新城的重要組成部分。長沙南站占地面積 53 000 m2，建筑面積27.8萬平方米，設(shè)有京廣、滬昆2個(gè)車場以及13個(gè)站臺和28條軌道，長沙南站緊靠長沙黎托高速汽車站，將長途客運(yùn)站、公交樞紐站、地鐵車站、磁浮車站融為一體，實(shí)現(xiàn)鐵路、公路及城市軌道交通的無縫對接。截至2015年5月，長沙南站日均交通流量達(dá)到12萬人次，高峰期達(dá)到18萬人次。

圖7 火車南站周邊出租車客運(yùn)量時(shí)間分布圖

作為長沙市主要對外客流集散點(diǎn)，長沙火車南站是長沙市出租車上下客最大的區(qū)域，分析南站周邊乘客上下客量隨時(shí)間的變化情況，如圖7可以發(fā)現(xiàn)變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)全天高峰態(tài)勢，0：00～5：00時(shí)間段內(nèi)，出租車上下客量明顯較少；在5：00～18：00時(shí)段，高鐵的運(yùn)營帶來這個(gè)時(shí)間段出租車上下客量一直處于一個(gè)比較高的水平；在5：00～8：00時(shí)段，隨著高鐵開始運(yùn)營，前來乘坐高鐵的乘客激增，導(dǎo)致下客量有個(gè)顯著增加；在14：00點(diǎn)左右，下客量又出現(xiàn)一個(gè)峰值，說明午后也是一個(gè)乘坐高鐵的高峰期；而在8：00～14：00時(shí)段，上客量持續(xù)增加，表明這段時(shí)間是高鐵到站量增加的過程；而16：00這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是長沙市出租車交接班的時(shí)間，從圖7中可以看到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上下客量均有一個(gè)顯著的回落。

(2)長沙五一廣場周邊出租車時(shí)空分布

五一商圈是長沙最繁華的商業(yè)中心，也是長沙歷史最悠久的區(qū)域，古長沙的城址即為今天的五一廣場及其周圍區(qū)域，在幾千年的歷史中，五一廣場周圍一直都是歷代古長沙的官署所在地。改革開放后，隨著平和堂、王府井百貨開業(yè)、新世界百貨的陸續(xù)開業(yè)，三四十年前政治氣氛濃厚的五一廣場成為都市感現(xiàn)代感和商業(yè)氛圍極其濃厚的廣場，現(xiàn)在五一商圈已穩(wěn)居長沙中心商圈的首要地位。

作為長沙市的商業(yè)娛樂中心，五一廣場也是長沙市出租車客運(yùn)量非常大的區(qū)域，從長沙市五一廣場出租車上下客時(shí)變圖(圖8)可以發(fā)現(xiàn)與其他城市有所不同，從晚上20：00到次日凌晨時(shí)段，出租車的上下客量一直處于一個(gè)非常高的水平，這和五一廣場臨近長沙市著名的酒吧一條街——解放西路有關(guān)，表明長沙市是一個(gè)夜生活很豐富的城市；而在其他時(shí)間段出租車的上下客量處于比較平穩(wěn)的低水平，我們從車速圖中可以看出端倪，由于五一廣場的中心地理位置，導(dǎo)致五一廣場附近的各條道路車速全天處于一個(gè)較低的水平，出租車司機(jī)不愿意進(jìn)入這個(gè)區(qū)域。同時(shí)也可以看到16：00這個(gè)時(shí)間點(diǎn)五一廣場的上下客量均有一個(gè)顯著的回落。

圖8 五一廣場周邊出租車客運(yùn)量時(shí)間分布圖

(3)長沙湘江世紀(jì)城周邊出租車時(shí)空分布

湘江世紀(jì)城位于開福區(qū)五合垸湘江東岸湘江濱江風(fēng)光帶一段，是湘江、瀏陽河、撈刀河一江兩河匯聚之地。湘江世紀(jì)城緊鄰的濱江文化園，是政府即將開發(fā)的超大型市政項(xiàng)目。湘江世紀(jì)城占地面積約100萬平方米，總建筑面積約400萬平方米，商品房數(shù)量約 20 000套，規(guī)劃入住約6萬人。包括普通住宅、高級住宅、大型購物中心、超五星級標(biāo)準(zhǔn)酒店、學(xué)校、商業(yè)等多種物業(yè)類型，湘江世紀(jì)城是長沙市規(guī)模最大的高尚綜合社區(qū)。

圖9 湘江世紀(jì)城周邊出租車客運(yùn)量時(shí)間分布圖

圖9為湘江世紀(jì)城周邊乘客上下車次數(shù)隨時(shí)間的變化情況，6：00～9：00的出租車上客量明顯比下客量高，而18：00～20：00時(shí)間段內(nèi)，出租車下客量明顯比上客量多，有一個(gè)明顯的通勤特點(diǎn)。夜間時(shí)間段的上下客量高也從側(cè)面說明長沙市民夜間出行比較多。

4 結(jié) 論

本文對出租車在不同擁堵等級道路上的分布進(jìn)行分析，挖掘出了出租車客運(yùn)量與道路擁堵等級之間的關(guān)系。結(jié)果表明，道路擁堵狀況是影響出租車司機(jī)駕駛行為的重要因素，這也就是高峰期間難打車的主要原因。然后對出租車在不同功能區(qū)域的時(shí)空分布進(jìn)行研究，選取三種不同功能區(qū)域，包括對外交通樞紐、商業(yè)中心以及大型居住小區(qū)，對各區(qū)域周邊出租車的分布加以分析，并對各個(gè)區(qū)域出租車所具有的不同出行特征進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，各個(gè)功能區(qū)域的出行特征不盡相同，交通樞紐的出租車分布基本呈現(xiàn)全天高峰態(tài)勢，并隨樞紐的吞吐波動(dòng)；商業(yè)用地與文化娛樂用地的客運(yùn)高峰出現(xiàn)在晚間，并受區(qū)域路況的影響；居住用地出租車客運(yùn)的通勤現(xiàn)象明顯，并和居民的生活習(xí)慣掛鉤。

主要對長沙市出租車空間分布進(jìn)行了分析研究，從中看出長沙市出租車運(yùn)營系統(tǒng)主要存在兩個(gè)問題：①擁堵路段周邊乘客的需求較難得到滿足；②出租車交班時(shí)間集中，難以滿足乘客需求。對于這兩個(gè)問題，本文提出兩點(diǎn)舉措：①通過對交通擁堵路段附近出租車進(jìn)行合理調(diào)度，使出租車在不同路段的出勤時(shí)間和出勤密度達(dá)到合理配置；②合理安排出租車交接班時(shí)段，避免出租車交班時(shí)間集中，滿足不了客運(yùn)需求的情況。同時(shí)根據(jù)不同功能區(qū)域的居民出行特征合理調(diào)度出租車，建議在交通樞紐布設(shè)出租車專用載客通道，規(guī)范乘客排隊(duì)候車。在商業(yè)用地及文化娛樂中心晚間設(shè)置臨時(shí)即停即走候車點(diǎn)，滿足居民夜間出行需求。對于居住用地則加大公交地鐵設(shè)施的建設(shè)，利用公共交通來緩解出租車對于通勤交通的供需矛盾。