基于GPS數(shù)據(jù)的渣土車路徑評價模型

文/郭珮珺 胡春凌 張靜 鄭諧維 吳健平

引 言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的建設(shè)工程產(chǎn)生了大量的工程渣土、裝潢垃圾、建筑垃圾等，渣土車的營運(yùn)量也隨之大大提升。對于當(dāng)前渣土車的運(yùn)輸問題，一些地區(qū)出臺了渣土車管理辦法，其中有的加強(qiáng)了某些路段的限行管制，比如上海市規(guī)定渣土車必須全部安裝GPS設(shè)備，記錄車輛行駛軌跡。此外，上海市還建立了建筑渣土綜合服務(wù)監(jiān)管平臺對渣土車運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)管，記錄渣土車申報(bào)信息和違規(guī)行為；同時，上海市建立建筑渣土運(yùn)輸單位誠信檔案管理平臺，將車輛違規(guī)行為列入運(yùn)輸單位的誠信檔案中?，F(xiàn)階段關(guān)于渣土車的研究主要集中在對渣土車的位置監(jiān)控研究、治理對策研究、物流優(yōu)化研究等方面。張亮[1]基于GPS定位技術(shù)對渣土車行駛路徑進(jìn)行定位監(jiān)控研究；張學(xué)鋒[2]基于視頻識別技術(shù)和GPS技術(shù)的聯(lián)動，建了渣土車智能監(jiān)管系統(tǒng)，能夠?qū)υ吝\(yùn)輸?shù)钠瘘c(diǎn)、終點(diǎn)、運(yùn)營實(shí)施全過程監(jiān)管；李安平等[3]研究如何建立渣土車GPS系統(tǒng)，從而對渣土車進(jìn)行監(jiān)管。沈迪[4]分析了渣土車現(xiàn)存的交通安全、環(huán)境污染等問題，建議從政府的角度加強(qiáng)渣土車監(jiān)管，提出“渣土專營”措施，建議采用“卸點(diǎn)付費(fèi)”方式來有效防止渣土“偷倒亂倒”現(xiàn)象。渣土車運(yùn)輸問題一直是監(jiān)管部門關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，我國的渣土車運(yùn)輸路徑大多是管理部門直接指定運(yùn)輸路線，或者企業(yè)自己申報(bào)路徑，如上海市渣土車運(yùn)輸由運(yùn)輸單位申報(bào)運(yùn)輸路徑，管理部門進(jìn)行審批。由于缺乏系統(tǒng)的路徑評價及優(yōu)化方法，管理部門不易給出合理的渣土運(yùn)輸路徑建議。

本文立足上海，基于渣土車軌跡數(shù)據(jù)，綜合考慮渣土車先驗(yàn)信息、運(yùn)輸風(fēng)險、運(yùn)輸安全等因素，建立渣土車路徑評價模型，對申報(bào)路徑進(jìn)行評價，為渣土管理部門提供有效的渣土車路徑評價方法和選線建議，促進(jìn)決策定量化、科學(xué)化、合理化。特別地，本文提出的路徑評價模型能夠使渣土車避免在高擁堵、高密度人口區(qū)域行駛，以降低渣土車發(fā)生事故的可能以及事故發(fā)生后造成的人員財(cái)產(chǎn)風(fēng)險。

1.研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域?yàn)樯虾?。上海的道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，同時工程建設(shè)非常多，渣土運(yùn)輸活動頻繁。根據(jù)上海市建筑渣土綜合服務(wù)監(jiān)管平臺顯示，截至2017年12月，招標(biāo)與申報(bào)工地共5114處，回填點(diǎn)479處，運(yùn)輸公司342個，渣土運(yùn)輸車輛7151輛。

研究用到的數(shù)據(jù)主要包括：1) 渣土車軌跡數(shù)據(jù)：由上海市綠化和市容管理信息中心提供的各運(yùn)輸公司渣土車行駛軌跡數(shù)據(jù)集。每輛渣土車上安裝有嚴(yán)格的定位和限速系統(tǒng)，以一定周期回傳數(shù)據(jù)，記錄時間段為2016年全年，每分鐘采樣一次，總計(jì)12.8億條采樣記錄，每日記錄約2500輛車共350萬條數(shù)據(jù)；2) 道路數(shù)據(jù)；3) 渣土運(yùn)輸數(shù)據(jù)：工地點(diǎn)、回填點(diǎn)和申報(bào)路徑數(shù)據(jù)；4) 出租車軌跡數(shù)據(jù)：在無法獲取所有道路所有類型車輛的車流量數(shù)據(jù)的情況下，本文采用出租車軌跡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出租車車流量來代表道路車流量指標(biāo)；5) 人口數(shù)據(jù)：來源于上海市公安局的實(shí)有人口數(shù)據(jù)（2013年）。

2.渣土車路徑評價模型

2.1 評價指標(biāo)構(gòu)建

車輛運(yùn)輸路徑的評價一般從運(yùn)輸成本和安全風(fēng)險出發(fā)[5-6]。針對渣土車這類特殊車輛，對其申報(bào)路徑的評價應(yīng)著重考慮安全方面。本文從成本和風(fēng)險兩個角度建立渣土車路徑評價模型。申報(bào)路徑評價分級指標(biāo)中的一級指標(biāo)包括兩個：一是運(yùn)輸成本：對應(yīng)二級指標(biāo)為渣土車經(jīng)驗(yàn)層級、路徑相對長度；二是運(yùn)輸風(fēng)險：對應(yīng)二級指標(biāo)道路車流量、人口密度、道路等級。

對于評價模型中的各指標(biāo)，具體的量化方法如下：

（1）渣土車經(jīng)驗(yàn)層級

根據(jù)有無渣土車軌跡點(diǎn)通過可以將上海市路網(wǎng)分為兩類：有渣土車通過路網(wǎng)和無渣土車通過路網(wǎng)。本文只對上海市的有渣土車通過路網(wǎng)做經(jīng)驗(yàn)分層處理。設(shè)上海市有車通過路網(wǎng)E中的屬性特征，其中表示渣土車路段平均通行速度，為通行頻次，將整個上海市有渣土車通過的路網(wǎng)分為三類，其中表示經(jīng)驗(yàn)下層道路，代表經(jīng)驗(yàn)中層道路，表示經(jīng)驗(yàn)上層道路，對于經(jīng)驗(yàn)下、中、上層道路，渣土車司機(jī)愿意去的程度不同，經(jīng)驗(yàn)下層道路為司機(jī)不偏好走的道路，經(jīng)驗(yàn)中層道路為司機(jī)一般偏好走的道路，經(jīng)驗(yàn)上層道路為司機(jī)偏好的道路，根據(jù)貝葉斯定理得：

平均通行速度計(jì)算公式如下：

渣土車路段通行頻次是特定時間段內(nèi)某路段上所有渣土車通過次數(shù)之和，在一些研究中也被稱為道路覆蓋強(qiáng)度[7-9]。對于某路段，一次進(jìn)入和離開路段算作車輛經(jīng)過該路段一次，據(jù)此統(tǒng)計(jì)得到各路段的渣土車通行頻次。

最終根據(jù)以上貝葉斯分類的方法結(jié)合路網(wǎng)通行速度和通行頻次兩個特征對上海市有車通過路網(wǎng)進(jìn)行分層處理。對于經(jīng)驗(yàn)上、中、下層道路和無車通過路段，百分制得分取100、60、20、5。對于申報(bào)路徑，假設(shè)由個路段組成，則路徑的經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)得分為：

（2）路徑相對長度

表1 路徑相對長度指標(biāo)得分表

（3）道路車流量

選用強(qiáng)生出租車軌跡數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)得到上海市路網(wǎng)車流量數(shù)據(jù)，接著對車流量歸一化得到各路段百分制得分，由于道路車流量越低的路段越安全，評價得分越高，對于路段，其道路車流量數(shù)據(jù)歸一化為百分制得分的公式如下：

（4）道路等級

上海市的道路等級主要分為四類：快速路、主干道、次干道、支路。道路等級越高，指標(biāo)評分越高。對于四類道路等級，百分制得分取100，80，60，40。對于給定的申報(bào)路徑，道路等級指標(biāo)得分為各路段得分乘以路段長度的加權(quán)平均結(jié)果。

（5）人口密度

首先對上海市路網(wǎng)做50米緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)內(nèi)的人口數(shù)，將人口數(shù)除以緩沖區(qū)面積的值作為此路段的人口密度。對于計(jì)算得到的各路段緩沖區(qū)內(nèi)人口密度，歸一化求各路段的人口密度指標(biāo)百分制得分。由于人口密度越大評分越低，故對于路段，其緩沖區(qū)內(nèi)人口密度歸一化為百分制得分的公式如下：

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重

渣土車運(yùn)輸應(yīng)充分考慮安全，但同時也需要兼顧運(yùn)輸成本，故申報(bào)路徑應(yīng)當(dāng)是風(fēng)險較小且成本較低的方案?？紤]此原則，本文將利用層次分析法(AHP)確定各級指標(biāo)權(quán)重。通過層次分析法，可以建立層次模型，將復(fù)雜的決策問題分解為多層次和多要素，在各指標(biāo)間引入度量標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣，就可以計(jì)算得出不同指標(biāo)的權(quán)重。

路徑評價模型中，層次結(jié)構(gòu)見圖1。運(yùn)用AHP法確定指標(biāo)權(quán)重的步驟是：1）建立層次結(jié)構(gòu)模型；2）構(gòu)建判斷矩陣；3）層次單排序；4）層次總排序；5）一致性檢驗(yàn)[10]。準(zhǔn)則層包括兩層，分別對應(yīng)評價指標(biāo)中的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)。各級指標(biāo)權(quán)重應(yīng)滿足：，。

圖1 路徑評價層次結(jié)構(gòu)模型

3.實(shí)例分析

申報(bào)路徑是路網(wǎng)中若干個路段的集合，在上海市外環(huán)內(nèi)區(qū)域選取五條申報(bào)路線，分別為A、B、C、D、E，具體路線位置見圖2。

首先計(jì)算各申報(bào)路線的指標(biāo)體系中的各指標(biāo)取值，再歸一化為百分制得分，最后根據(jù)權(quán)重計(jì)算得到5條路線的總得分。根據(jù)以上評價模型，統(tǒng)計(jì)5條路徑的各指標(biāo)百分制得分，結(jié)果見表3。

表3 申報(bào)路徑各指標(biāo)得分

圖 2 樣例申報(bào)路徑圖

由于申報(bào)路徑A包含了無渣土車通過的路段，故此路段的經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)得分最低。除此之外，其他四條路徑的經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)得分都高于70，路徑B的經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)得分最高，其次是路徑C、E、D；從路徑長度指標(biāo)角度來看，E路徑總長度和最短路徑長度比較接近，指標(biāo)得分較高，A、B和C路徑總長度和最短路徑長度比在1.5-2之間，得分80，最后是D路線，繞路較多，得分最低；對于體現(xiàn)運(yùn)輸風(fēng)險的車流量指標(biāo)，C路線的車流量整體較小，得分較高，屬于比較安全的運(yùn)輸路徑，其次較好的是B、E路徑，A路線的道路車流量較大，得分較低，最后是D路徑，車流量最大，得分最低，運(yùn)輸風(fēng)險最大；對于道路等級指標(biāo)，E路線通過的路段平均道路等級最高，其次是B路線，A和D路線的道路等級得分較低，最后是C路線，平均道路等級很低，得分低于60；最后是人口指標(biāo)，C路線通過的區(qū)域人口較少，指標(biāo)得分較高，其次是B路線，剩下A、D、E路線的人口指標(biāo)得分較接近，均為70左右。根據(jù)以上指標(biāo)得分，假設(shè)采取風(fēng)險比成本指標(biāo)重要得多的評價方案，權(quán)重組合分別設(shè)為=0.8，=0.2，則所有指標(biāo)權(quán)重見表4。

表4 風(fēng)險大于成本的評價指標(biāo)權(quán)重方案

結(jié)合以上評價指標(biāo)權(quán)重，對于路段經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)得分不為0的申報(bào)路徑，利用以下公式計(jì)算路徑評價總得分：

表5 申報(bào)路徑總評分表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于A路徑包含無渣土車通過路段，所以經(jīng)驗(yàn)層級評分很低，且道路車流量得分低于60，故總得分很低且低于60，不合格。B路徑的總評分最高，主要是由于權(quán)重較大的道路車流量指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)層級指標(biāo)評分高，此路徑安全系數(shù)更高；其次是C路徑，雖然道路等級指標(biāo)評分較低，但車流量指標(biāo)評分較好，所以總體評分排名第二；接著是E路線，所有指標(biāo)評分都處于中等水平，評分稍好；最后是D路徑，D的車流量指標(biāo)得分最低，盡管其他指標(biāo)評 分不低，但車流量指標(biāo)權(quán)重很大，故D路線的評分最低。

4.討論與總結(jié)

本文基于渣土車軌跡數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于軌跡數(shù)據(jù)的渣土車運(yùn)輸路徑的評價模型。首先提出了渣土車路徑評價模型，在量化指標(biāo)的過程中，對渣土車經(jīng)驗(yàn)分層路網(wǎng)，提取渣土車行駛特征庫，得到了渣土車運(yùn)輸?shù)南闰?yàn)信息。

本文主要工作和結(jié)論如下：

（1）提取渣土車行駛特征庫。首先采用基于要素加權(quán)的地圖匹配算法糾正軌跡數(shù)據(jù)定位誤差，利用渣土車軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算了渣土車行車速度和道路通行頻次，分析了不同路段不同時間段渣土車速度和頻次分布規(guī)律，同時得到了渣土車運(yùn)輸?shù)南闰?yàn)信息。利用出租車軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算了出租車車流量指標(biāo)，以此作為道路安全性的一個評價指標(biāo)。

（2）基于渣土車經(jīng)驗(yàn)的路網(wǎng)分層。提取渣土車經(jīng)驗(yàn)軌跡數(shù)據(jù)，采用道路平均通行速度和道路通行頻次作為兩個特征，利用貝葉斯分類器對上海市路網(wǎng)進(jìn)行分層。統(tǒng)計(jì)不同層次路網(wǎng)中各道路類型的比例，分析路網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)分層結(jié)果與路段類型的關(guān)系。取工作日一天中的四個典型時段，分別計(jì)算得到這四個時段的經(jīng)驗(yàn)分層路網(wǎng)，分析不同時段路網(wǎng)分層結(jié)果的差異。結(jié)果表明，渣土車道路經(jīng)驗(yàn)分層結(jié)果符合工作日上下班高峰分布情況。

（3）渣土車申報(bào)路徑評價。針對渣土車申報(bào)路徑，結(jié)合路網(wǎng)分層結(jié)果，從運(yùn)輸成本和風(fēng)險出發(fā)，建立渣土車申報(bào)路徑評價模型，確定評價指標(biāo)及權(quán)重，最后取五條典型申報(bào)路徑進(jìn)行實(shí)例分析。