基于公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)路況信息生成方法

申兆慕，王晶晶，張健欽，李明軒

(1.北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；2.北京市交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)調(diào)度中心，北京 100073；3.現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

1 引 言

目前在我國(guó)大、中城市中普遍存在交通擁擠、交通環(huán)境污染等問(wèn)題。優(yōu)先發(fā)展城市公交，改善公交服務(wù)水平，吸引更多居民選擇公交出行無(wú)疑是解決上述問(wèn)題的首選途徑之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)和空間信息技術(shù)特別是GIS、GPS和RFID技術(shù)在城市公交中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以通過(guò)集成上述技術(shù)建設(shè)智能公交系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)公交調(diào)度和運(yùn)行管理從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從人工到智能化的轉(zhuǎn)變，從而提高公交運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)水平。然而大部分城市公交運(yùn)營(yíng)車(chē)輛運(yùn)行間隔小(有的線(xiàn)路發(fā)車(chē)只有 1 min～ 2 min間隔)，道路路況復(fù)雜，因此及時(shí)掌握車(chē)輛的運(yùn)行位置及所處站間的動(dòng)態(tài)路況信息，是運(yùn)營(yíng)調(diào)度的前提。雖然現(xiàn)今多種固定式和移動(dòng)式交通信息采集設(shè)備為路況信息的生成提供了可能，特別是浮動(dòng)車(chē)路況數(shù)據(jù)采集和生成技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1～9]。但基于城市普通路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的路況處理生成方法還無(wú)法直接滿(mǎn)足公交運(yùn)營(yíng)調(diào)度所關(guān)注的線(xiàn)路路況和站間路況的實(shí)際需求。本文從公交系統(tǒng)的線(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和專(zhuān)題特性出發(fā)，以公交線(xiàn)路、站點(diǎn)和站位為基本要素構(gòu)建公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)的路況信息生成方法，更加適用于公交運(yùn)行調(diào)度所需的動(dòng)態(tài)路況信息的處理和應(yīng)用，同時(shí)方便與其他路況數(shù)據(jù)融合處理生成更加精細(xì)化的路況信息。

2 公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1 公交線(xiàn)路數(shù)據(jù)特點(diǎn)

普通道路網(wǎng)數(shù)據(jù)在公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)調(diào)度的過(guò)程中，處理所需的路況信息時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足其適應(yīng)性需求，原因有兩方面：一是在道路路網(wǎng)數(shù)據(jù)的矢量化過(guò)程中，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中滿(mǎn)足公交線(xiàn)路分析的拓?fù)潢P(guān)系缺失；二是每條公交線(xiàn)路的分段均是基于自身的各個(gè)站點(diǎn)，這使得多條線(xiàn)路發(fā)生重疊的時(shí)候，因重疊線(xiàn)路的邊緣模糊不清，而給計(jì)算對(duì)應(yīng)路段路況的過(guò)程引入了較大的誤差。如圖1所示，已知線(xiàn)路b的末站為B站點(diǎn)，則由基于線(xiàn)路b的浮動(dòng)車(chē)生成的區(qū)間mB的路況數(shù)據(jù)，只能描述路段mB的路況，而籠統(tǒng)地將mn路況作為mB路況來(lái)計(jì)算會(huì)造成信息精確度的大幅降低。

圖1 模糊的多線(xiàn)重疊路段邊緣

所以，為了保證計(jì)算精度，并綜合考慮多條線(xiàn)路重疊的情況對(duì)于該路段路況的影響，應(yīng)基于公交線(xiàn)路的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。由于公交車(chē)的行駛是基于固定的公交線(xiàn)路，所以其行駛軌跡相對(duì)固定，此外，在公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中還有如下特征，如圖2所示：

圖2公交路網(wǎng)特征示意圖

(1)上下行雙向。公交車(chē)的行駛分為上、下行兩個(gè)方向，通常情況下，上、下行的線(xiàn)路呈對(duì)稱(chēng)狀。少數(shù)公交線(xiàn)路上、下行有部分路段不對(duì)稱(chēng)以及還有少數(shù)的環(huán)狀線(xiàn)路。

(2)不同線(xiàn)路之間存在部分重疊的情況。不同的線(xiàn)路在行駛過(guò)程中會(huì)包含若干段重合及不重合的路段，這其中也包括行駛在同一路段上的不同專(zhuān)線(xiàn)。

(3)同一線(xiàn)路上、下行站點(diǎn)不完全對(duì)應(yīng)。有一些線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的上、下行站點(diǎn)在空間位置上并非對(duì)稱(chēng)分布，甚至有些線(xiàn)路的上、下行反向中有部分站點(diǎn)不對(duì)應(yīng)。

(4)多條線(xiàn)路的站點(diǎn)空間位置相同或相鄰。即同一個(gè)公交站位包含多條線(xiàn)路的同一站點(diǎn)，甚至是多條線(xiàn)路的不同站點(diǎn)，但空間位置相鄰。

(5)興趣區(qū)是以區(qū)間的形式存在。在公交系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)調(diào)度過(guò)程中，比較關(guān)心的興趣區(qū)是以線(xiàn)路的某個(gè)區(qū)間(也可能是整段線(xiàn)路)的形式存在的。

(6)行車(chē)區(qū)間的臨時(shí)調(diào)整。在公交線(xiàn)路的日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，會(huì)遇到一些需要交通管制或是臨時(shí)調(diào)度等的特殊情況，需要臨時(shí)延長(zhǎng)、縮短、改變行駛路線(xiàn)，而這種臨時(shí)的變更常以公交站點(diǎn)為首末點(diǎn)。

2.2 公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

結(jié)合上述公交線(xiàn)路網(wǎng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將普通道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，主要包括：細(xì)化各類(lèi)功能性節(jié)點(diǎn)、對(duì)符合條件的公交站點(diǎn)按站位點(diǎn)合并處理、使公交線(xiàn)路在各節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)、重疊區(qū)段線(xiàn)路歸一化以及建立空間索引關(guān)系和屬性編碼。處理后的公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，總體上呈現(xiàn)出一種雙向單線(xiàn)、同向單線(xiàn)以及基于各種節(jié)點(diǎn)分隔的路鏈模式的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，空間上表現(xiàn)出“節(jié)點(diǎn)-線(xiàn)段-區(qū)間-線(xiàn)路”的圖層拓?fù)潢P(guān)系(如圖3所示)。公交路網(wǎng)中描述站點(diǎn)的點(diǎn)要素以及描述線(xiàn)路的線(xiàn)要素與它們的對(duì)應(yīng)屬性之間的映射關(guān)系由傳統(tǒng)的多對(duì)一變成了一對(duì)多，使得整個(gè)公交線(xiàn)路路網(wǎng)在地圖上的表現(xiàn)形式變成了兩條不同向的單線(xiàn)，同向路段中多個(gè)線(xiàn)要素重疊的情況也不復(fù)存在；在空間數(shù)據(jù)的屬性表達(dá)上，點(diǎn)要素和線(xiàn)要素描述或關(guān)聯(lián)了所有通過(guò)他們的站點(diǎn)以及線(xiàn)路編號(hào)。

圖3單方向公交路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

(1)節(jié)點(diǎn)(Node)

公交站點(diǎn)：所有的公交線(xiàn)路均分別在上下行方向設(shè)有若干個(gè)車(chē)輛?？空军c(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的固有屬性包括公交線(xiàn)路號(hào)、本站編號(hào)、本站站名以及其所屬的站位編號(hào)。本研究中對(duì)于同向不同線(xiàn)路上空間位置相隔較遠(yuǎn)的同名站點(diǎn)進(jìn)行了保留處理，同時(shí)也將空間位置接近的同名站點(diǎn)進(jìn)行了合并處理。

站位點(diǎn)：將站位點(diǎn)號(hào)相同的多個(gè)公交站點(diǎn)進(jìn)行合并，使其成為一個(gè)站位點(diǎn)，站位的屬性表會(huì)對(duì)此站位下所有站點(diǎn)的屬性信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

線(xiàn)路分叉點(diǎn)：不同線(xiàn)路之間從重疊路段進(jìn)入到分重疊路段的分叉點(diǎn)。多位于道路交叉口或車(chē)道變更的起點(diǎn)。

線(xiàn)路匯合點(diǎn)：不同線(xiàn)路之間由非重疊路段進(jìn)入到重疊路段的交匯點(diǎn)，多位于道路交叉口或不同車(chē)道的匯合點(diǎn)。

路口節(jié)點(diǎn)：多位于道路路口或道路等級(jí)變更的節(jié)點(diǎn)處。

(2)路段(Segment)

公交線(xiàn)路中同向且相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線(xiàn)路路段，也是這種公交路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中線(xiàn)狀要素的最小單元。

(3)區(qū)間(Interzone)

某條公交線(xiàn)路上的由一組同向且首尾相接的路段所構(gòu)成的集合，區(qū)間是整條公交線(xiàn)路的子集，無(wú)須以公交線(xiàn)路的首末站作為其起止點(diǎn)。

(4)線(xiàn)路(Busline)

某條完整的單向公交線(xiàn)路，上、下行分別對(duì)應(yīng)一條。在公交路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中也可以視為以線(xiàn)路首站作為起點(diǎn)，以線(xiàn)路末站作為終點(diǎn)的特殊區(qū)間。

3 公交路況信息生成

3.1 路網(wǎng)匹配

公交車(chē)GPS數(shù)據(jù)作為一種浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)，會(huì)在接收GPS信號(hào)并進(jìn)行定位、位置信息傳輸、地圖數(shù)據(jù)矢量化、投影變換以及空間坐標(biāo)系換算等過(guò)程中受到一定的影響與干擾，從而發(fā)生偏離公交線(xiàn)路的情況，因此需要進(jìn)行公交車(chē)GPS離散點(diǎn)和公交路網(wǎng)之間的路網(wǎng)匹配處理，確定并得到公交車(chē)相對(duì)準(zhǔn)確的時(shí)空位置[10～14]。如表1所示，是公交車(chē)GPS軌跡的原始文本數(shù)據(jù)格式，從中可以看出，公交車(chē)GPS數(shù)據(jù)擁有線(xiàn)路歸屬，即每條記錄對(duì)應(yīng)的公交線(xiàn)路；沒(méi)有上下行標(biāo)識(shí)，上下行歸屬需要后續(xù)判斷；具有日期時(shí)間、經(jīng)緯度、瞬時(shí)速度和方位角信息，可作為地圖匹配邏輯判別依據(jù)。

公交GPS軌跡文本數(shù)據(jù)表 表1

除短時(shí)調(diào)度和線(xiàn)路變更外，公交行駛線(xiàn)路相對(duì)固定，能在一定程度上簡(jiǎn)化匹配算法的若干步驟，但仍面臨如區(qū)間車(chē)、臨時(shí)交通管制、線(xiàn)路分叉點(diǎn)和匯合點(diǎn)的周?chē)?、?zhuān)線(xiàn)行駛路段等復(fù)雜情形。本研究采用以線(xiàn)路歸屬為主，綜合利用四參數(shù)(速度相符、方向相似、投影距離和行駛距離最小)進(jìn)行綜合判別的邏輯匹配方法[16]，其中主要的匹配流程如圖4所示。

圖4 主要匹配流程

3.2 速度計(jì)算

路網(wǎng)匹配完成之后，每條路段上均分布著數(shù)量不等且編號(hào)不同的車(chē)輛匹配點(diǎn)。設(shè)一個(gè)路況信息的更新周期為T(mén)(通常更新周期為 5 min，采集頻率為 30 s，一輛同名車(chē)輛擁有10個(gè)軌跡點(diǎn))，則在一個(gè)T中，既存在同名車(chē)輛在同一路段擁有多于一個(gè)匹配點(diǎn)的情況，也存在不同車(chē)輛的匹配點(diǎn)同時(shí)歸屬于一個(gè)路段的情況。所以，計(jì)算路段的平均速度，主要可以分為以下兩個(gè)步驟：

(1)計(jì)算一條路段上同名車(chē)輛匹配點(diǎn)的平均速度。在一條路段內(nèi)，各同名浮動(dòng)車(chē)的路段平均速度為一個(gè)更新周期T內(nèi)，該路段區(qū)間上浮動(dòng)車(chē)瞬時(shí)速度Vm，1、Vm，2、…、Vm，k的算術(shù)平均值，其計(jì)算公式為：

(1)

k表示在一個(gè)路況更新周期T內(nèi)匹配在該路段上的匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)；

Vm，n表示編號(hào)為m的浮動(dòng)車(chē)在第n個(gè)匹配點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度。

(2)計(jì)算各路段的平均速度。在計(jì)算得出各條路段同名車(chē)輛匹配點(diǎn)的平均速度之后，計(jì)算該路段內(nèi)所有匹配點(diǎn)的路段平均速度，作為該路段單元的平均行駛速度。其計(jì)算公式為：

(2)

h表示該條路段上不同名浮動(dòng)車(chē)匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

Vm表示編號(hào)為m的浮動(dòng)車(chē)匹配點(diǎn)該路段的平均行車(chē)速度。

經(jīng)過(guò)各路段平均速度的計(jì)算，已經(jīng)基本完成了由“車(chē)的信息”向“路的信息”轉(zhuǎn)化。

3.3 路況信息生成與渲染

首先將路網(wǎng)中涉及的各道路或路段基于其道路等級(jí)進(jìn)行分層，然后在各個(gè)圖層中依據(jù)其擁堵等級(jí)與平均行車(chē)速度之間的關(guān)系(如表2所示)，規(guī)定該圖層中各要素的地圖渲染規(guī)則并保存，最后再將所有遵循路段渲染規(guī)則的圖層進(jìn)行統(tǒng)一加載，發(fā)布成為公交全路網(wǎng)路況信息地圖服務(wù)，并基于路段平均速度的周期性變化，該地圖服務(wù)也將進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

道路類(lèi)型、擁堵等級(jí)與時(shí)速(千米)關(guān)系表 表2

擁堵等級(jí)和渲染顏色值的關(guān)系如圖5所示。

圖5 TPI與擁堵等級(jí)及常用灰度值的關(guān)系

4 應(yīng)用實(shí)例

如圖6所示，研究選取了北京市西城區(qū)范圍內(nèi)公交線(xiàn)路數(shù)據(jù)，共計(jì)387條，按照公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行矢量化處理并生成西城區(qū)公交路網(wǎng)，然后基于這些線(xiàn)路的公交GPS數(shù)據(jù)執(zhí)行上述路況信息處理和計(jì)算方法，最終形成針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求的公交路況專(zhuān)題圖。

圖6 西城區(qū)387條公交部分線(xiàn)路列表

4.1 公交路網(wǎng)

將經(jīng)過(guò)西城區(qū)的387條公交線(xiàn)路生成上文所提的公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)(如圖7所示)。其中，節(jié)點(diǎn)分為公交站點(diǎn)、路口節(jié)點(diǎn)、線(xiàn)路分叉以及匯合點(diǎn)三層，為圖片美觀，這里僅將公交站點(diǎn)設(shè)為可見(jiàn)；而路段層即單線(xiàn)雙向的公交路網(wǎng)經(jīng)過(guò)這些節(jié)點(diǎn)時(shí)被分割成的線(xiàn)路片段；區(qū)間層又可進(jìn)一步分為每條線(xiàn)路的站區(qū)間層和某條線(xiàn)路的站區(qū)間集合(為臨時(shí)圖層)；線(xiàn)路層即分為上、下行整條公交線(xiàn)路。

圖7 研究區(qū)公交路網(wǎng)

4.2 全路網(wǎng)公交路況

查詢(xún)組成全路網(wǎng)的387條公交線(xiàn)路對(duì)應(yīng)的公交GPS數(shù)據(jù)，并讀取一個(gè)更新周期的記錄。其中公交GPS數(shù)據(jù)表名為BUS_REALTIME_TRAFFIC_GPS，其表結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 公交GPS數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

在BUS_REALTIME_TRAFFIC_GPS中選取2015年某天9：30：00～9：35：00的所有公交GPS數(shù)據(jù)，執(zhí)行路網(wǎng)匹配算法并按照各等級(jí)道路的路段平均速度劃分等級(jí)統(tǒng)計(jì)生成全路網(wǎng)路況圖，結(jié)果如圖9所示，圖9為西城區(qū)全路網(wǎng)路況專(zhuān)題圖，相較于以往的路況專(zhuān)題圖，圖9中進(jìn)行了路網(wǎng)匹配，使得其路況的精度更高，特別是對(duì)于上、下行不對(duì)稱(chēng)的公交線(xiàn)路。

圖9 全路網(wǎng)公交路況

4.3 線(xiàn)路或區(qū)間公交路況

在實(shí)際的應(yīng)用中，單獨(dú)分析某一條線(xiàn)路的路況也是常見(jiàn)的需求，因此，可以基于這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的各線(xiàn)路間的空間關(guān)系，提取出興趣線(xiàn)路或線(xiàn)路區(qū)間。例如現(xiàn)需要得知特4路下行方向(國(guó)防大學(xué)——前門(mén))的路況信息，其線(xiàn)路中位于西城區(qū)的有效行車(chē)區(qū)間為動(dòng)物園——和平門(mén)東；和特4路上行方向(前門(mén)——國(guó)防大學(xué))，其線(xiàn)路中位于西城區(qū)的有效行車(chē)區(qū)間為前門(mén)西——?jiǎng)游飯@，特4路的上、下行方向的路線(xiàn)在匹配公交路網(wǎng)之后，并不是呈現(xiàn)嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)，可以利用全路網(wǎng)的路況數(shù)據(jù)，并根據(jù)上述的路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)特4路的區(qū)間路況進(jìn)行分析，并渲染成專(zhuān)題圖，具體情況如圖10所示。

圖10 興趣區(qū)間公交路況

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從智能公交系統(tǒng)的實(shí)際業(yè)務(wù)和調(diào)度需求出發(fā)，提出了一種基于公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)的路況信息生成方法，具體進(jìn)行了公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、路網(wǎng)匹配算法、路段速度的計(jì)算以及路況專(zhuān)題圖的渲染生成，最后利用西城區(qū)范圍公交線(xiàn)路和GPS數(shù)據(jù)對(duì)本方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，論文提出的方法可以生成較為完整的公交路況信息，對(duì)公交專(zhuān)題路況信息的后續(xù)研究和應(yīng)用開(kāi)展具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。路況信息生成所涉及的技術(shù)內(nèi)容眾多，本文提出的公交路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，生成過(guò)程需要一定的人為處理；路網(wǎng)匹配算法在一些如盤(pán)橋、立交等復(fù)雜道路環(huán)境的匹配精度有所降低。后續(xù)工作主要針對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)化生成以及路網(wǎng)匹配算法的優(yōu)化方面進(jìn)行研究。