基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的公交出行行為分析

屈新明 郭 鵬 丘建棟 譚章智 董紹軒

（1. 深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司，廣東 深圳 518021；2. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

關(guān)鍵字：圖數(shù)據(jù)庫(kù)；Neo4j；IC卡數(shù)據(jù)；公交出行行為

近年來(lái)隨著大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)的快速發(fā)展，在各領(lǐng)域處理復(fù)雜網(wǎng)狀關(guān)系的挖掘分析需求逐漸增加[1]。在面向復(fù)雜場(chǎng)景下數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘分析中，主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)并不是都適用于場(chǎng)景分析，尤其是在多維關(guān)聯(lián)查詢分析時(shí)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)效率較低[2]。隨著圖數(shù)據(jù)庫(kù)的快速發(fā)展[3-5]，為數(shù)據(jù)挖掘分析提供了新的解決方案。郝培豪[6]研究分析了圖數(shù)據(jù)庫(kù)的警務(wù)安保知識(shí)圖譜可視化分析；康杰華[7]研究分析了圖形數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j的RDF數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；柴博[8]等人研究分析了基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的電力通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式建模；張蕓蕓[9]等人研究了基于Neo4j圖譜的信用卡欺詐檢測(cè)。

目前圖數(shù)據(jù)庫(kù)在交通中的應(yīng)用較少，在公交出行行為分析方面，游婷[10]等人研究了基于公交IC卡信息的公交客流推算；孫世超[11]研究基于宏微觀數(shù)據(jù)嵌套的公交用戶細(xì)分方法；秦政[12]研究基于公交IC卡和GPS數(shù)據(jù)的乘客上下車站點(diǎn)提?。获R曉磊[13]研究了基于公交IC卡數(shù)據(jù)的上車站點(diǎn)推算。

本文將探索圖數(shù)據(jù)庫(kù)在公交出行行為分析中的應(yīng)用，利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)深圳市某一工作日的公交刷卡數(shù)據(jù)，公交線路數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，挖掘識(shí)別公交出行行為，并對(duì)比分析了相同分析場(chǎng)景下ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)與Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢效率。

1 圖數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介

1.1 圖數(shù)據(jù)庫(kù)介紹

圖數(shù)據(jù)庫(kù)是基于圖形理論實(shí)現(xiàn)的一種非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，它的底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與查詢方式都是以圖論為基礎(chǔ)，其中圖論中的基礎(chǔ)元素為節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的邊，在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的就是節(jié)點(diǎn)和關(guān)系。圖形數(shù)據(jù)庫(kù)作為一種非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò) （圖） 上而不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的表，常見(jiàn)的有Neo4j、FlockDB、AllegroGraph、GraphDB、InfiniteGraph、TigerGraph、騰訊星圖等。Neo4j是由Java實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源圖數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)界別的圖數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)，并提供完整的數(shù)據(jù)庫(kù)特性，是目前生產(chǎn)環(huán)境中主流的圖數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，由于開(kāi)源特性及其豐富的文檔，本文將使用Neo4j構(gòu)建公交出行圖數(shù)據(jù)庫(kù)場(chǎng)景。

1.2 圖數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)別

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與Neo4j建庫(kù)示意如圖1所示。

圖1 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與Neo4j建庫(kù)示意

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)外鍵記錄兩個(gè)表或者多個(gè)表之間的引用關(guān)系，在進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢時(shí)通過(guò)外鍵在主表中尋找對(duì)應(yīng)的主鍵記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索與匹配計(jì)算操作，關(guān)聯(lián)查詢時(shí)將會(huì)耗費(fèi)大量系統(tǒng)計(jì)算資源，尤其是在多表關(guān)聯(lián)查詢場(chǎng)景下查詢效率極低。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中多對(duì)多關(guān)系需要使用中間表，查詢效率進(jìn)一步下降。圖數(shù)據(jù)庫(kù)使用圖論存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含對(duì)應(yīng)的關(guān)系列表，用于存放該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)挖掘分析直接基于圖論進(jìn)行搜索分析，在復(fù)雜數(shù)據(jù)挖掘分析效率上遠(yuǎn)高于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 公交出行行為場(chǎng)景建模

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為公交線路Busline表和公交刷卡記錄IC_card_record表，其中，Busline表包含了深圳市約1 000條公交線路對(duì)應(yīng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，IC_card_record表為深圳市某個(gè)工作日約300萬(wàn)條刷卡記錄，刷卡記錄已經(jīng)匹配下車站點(diǎn)信息。公交線路如表1所示，公交刷卡記錄如表2所示。

表1 公交線路表

表2 公交刷卡記錄表

2.2 建?？蚣?/h3>

將公交出行行為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)抽象成如圖2所示的建?？蚣堋?/p>

圖2 公交出行行為場(chǎng)景建?？蚣?/p>

其中實(shí)體包含：公交車輛、 公交站點(diǎn)、公交線路、IC卡（公交出行者）、刷卡記錄；關(guān)系包含：公交車輛—公交線路（屬于）、公交線路-公交站點(diǎn)（經(jīng)過(guò)）、IC卡-刷卡出行（出行）、公交站點(diǎn)-刷卡出行（上車）、公交站點(diǎn)-公交站點(diǎn)（相鄰）、刷卡出行-公交站點(diǎn)（下車），場(chǎng)景建模規(guī)模達(dá)到5 00萬(wàn)節(jié)點(diǎn)，1 000萬(wàn)條邊。

2.3 節(jié)點(diǎn)建模

將原始數(shù)據(jù)兩張表轉(zhuǎn)為圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)表中的一條記錄對(duì)應(yīng)圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)圖數(shù)據(jù)庫(kù)中某一節(jié)點(diǎn)集合（標(biāo)簽）。

公交車輛實(shí)體：從IC_card_record表中提取vehicle標(biāo)簽（去重），單個(gè)節(jié)點(diǎn)僅包含vehicle_id屬性。

公交線路實(shí)體：從busline表中提取line標(biāo)簽，單個(gè)節(jié)點(diǎn)包含line_id、line_name、dir、line_dir_name等屬性。

公交站點(diǎn)實(shí)體：從busline表中提取station標(biāo)簽，單個(gè)節(jié)點(diǎn)包含：station_id、station_name、lng、lat等屬性。

刷卡記錄實(shí)體： 從ride表中提取ride標(biāo)簽， 單個(gè)節(jié)點(diǎn)包含：ride_id、card_id兩個(gè)屬性。

IC卡標(biāo)簽實(shí)體：從IC_card_record表中提取card標(biāo)簽（去重），單個(gè)節(jié)點(diǎn)僅包含card_id屬性。

2.4 關(guān)系建模

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的兩張表處理節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

公交車輛—＞公交線路（屬于關(guān)系）：從IC_card_record表中提取公交車輛與公交線路的屬于關(guān)系（去重），關(guān)系匹配字段為vehicle_id—＞line_id。

公交線路—＞公交站點(diǎn)（經(jīng)過(guò)關(guān)系）：從busline表中描述了每條公交線路經(jīng)過(guò)公交站點(diǎn)的關(guān)系，關(guān)系匹配字段為line_id—＞station_id，關(guān)系屬性包含station_index。

公交站點(diǎn)—＞刷卡記錄（上車關(guān)系）：從IC_card_record表中提取公交站點(diǎn)與刷卡記錄的上車關(guān)系，匹配字段為station_id—＞ride_id， 關(guān) 系 屬 性 包 含line_id，up_station_index，up_day，up_min。

刷卡記錄—＞公交站點(diǎn)（下車關(guān)系）：從IC_card_record表中提取刷卡記錄與公交站點(diǎn)的下車關(guān)系，匹配字段為ride_id—＞ station_id，關(guān)系屬性包含line_id、down_station_index、down_day、down_min。

IC卡—＞刷卡記錄（出行關(guān)系）：從IC_card_record表中提取IC卡與刷卡記錄出行關(guān)系，匹配字段為card_id—＞card_id。

公交站點(diǎn)-公交站點(diǎn)（相鄰）：從busline表中根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)記錄公交站點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系，匹配字段為station_id—station_id。

3 公交出行行為分析

3.1 同乘人員識(shí)別

識(shí)別提取早高峰遠(yuǎn)距離同乘人員，根據(jù)圖數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘分析早高峰（7：30～9：00）、長(zhǎng)距離（大于10個(gè)站）的同乘人員（同一站點(diǎn)上車、同一站點(diǎn)下車）情況。同乘人員識(shí)別分析結(jié)果如表3所示。

表3 同乘人員識(shí)別分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，早高峰乘坐公交長(zhǎng)距離出行到科技園站的人較多，可以進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)約巴士地到發(fā)班次。

3.2 站點(diǎn)最大公交客流提取識(shí)別

提取識(shí)別全天點(diǎn)對(duì)點(diǎn)最大公交客流情況，支撐公交站點(diǎn)線路優(yōu)化，其中采用ORACLE查詢時(shí)間為3.214 s，Neo4j查詢時(shí)間為25.637 s，單表之間的查詢中Neo4j性能低于ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)。站點(diǎn)最大客流提取識(shí)別如表4所示。

表4 站點(diǎn)最大客流提取識(shí)別

3.3 關(guān)聯(lián)查詢識(shí)別

在Neo4j中進(jìn)行多表關(guān)聯(lián)查詢，查詢科技園公交站周邊鄰近站點(diǎn)經(jīng)過(guò)的各條公交線路擁有的車輛數(shù)，用于提取各公交線路運(yùn)行車輛數(shù)。關(guān)聯(lián)查詢識(shí)別如表5所示，關(guān)聯(lián)識(shí)別框架如圖3所示。

表5 關(guān)聯(lián)查詢識(shí)別

圖3 關(guān)聯(lián)識(shí)別框架

其中，采用ORACLE查詢時(shí)間為2.403 s，Neo4j查詢時(shí)間為0.142 s，多維關(guān)聯(lián)查詢中Neo4j性能遠(yuǎn)高于ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 站點(diǎn)群之間的公交出行量識(shí)別

根據(jù)站點(diǎn)之間的鄰近關(guān)系，識(shí)別提取公交站點(diǎn)群之間的公交出行量，支撐預(yù)約巴士開(kāi)通與線路優(yōu)化。直接通過(guò)ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法單獨(dú)完成查詢檢索，基于Neo4j可直接查詢，得到分析結(jié)果。公交站點(diǎn)群之間的出行量識(shí)別結(jié)論如圖4所示。

圖4 公交站點(diǎn)群之間的出行量識(shí)別結(jié)論

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j構(gòu)建了公交出行行為分析場(chǎng)景建模，對(duì)深圳市1 000條公交線路，一天工作日的公交刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，建模規(guī)模達(dá)到500萬(wàn)節(jié)點(diǎn)，1 000萬(wàn)條邊。在不同的公交出行行為場(chǎng)景分析中對(duì)比分析了ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)與Neo4j的查詢性能，多維關(guān)聯(lián)查詢中Neo4j性能遠(yuǎn)高于ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)，基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便高效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)挖掘分析。

本文僅對(duì)深圳市一天工作日的公交刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，后續(xù)將構(gòu)建更為復(fù)雜建模場(chǎng)景，構(gòu)建交通知識(shí)圖譜。