基于收費(fèi)數(shù)據(jù)的短時(shí)路網(wǎng)交通量推算方法研究

王鑫 王英平 張彭 顧明臣 王卓偉 宋揚(yáng) 費(fèi)彧

[摘? ? 要] 高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)信息系統(tǒng)中包含了海量的公路交通信息[1]，通過(guò)收費(fèi)數(shù)據(jù)挖掘得到長(zhǎng)時(shí)間斷面交通量的算法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是針對(duì)短時(shí)間粒度的斷面交通量算法尚屬空白。而短時(shí)間粒度、分車型交通量是公路交通情況調(diào)查系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的主要指標(biāo)。本研究構(gòu)建了針對(duì)短時(shí)、分車型數(shù)據(jù)的挖掘分析方法，充分利用高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)，采用車輛動(dòng)態(tài)模擬的分配方式，計(jì)算全路網(wǎng)各路段短時(shí)間粒度的動(dòng)態(tài)交通量。將收費(fèi)數(shù)據(jù)推算結(jié)果與自動(dòng)化交通情況調(diào)查站監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，高速公路網(wǎng)日交通量平均誤差為8.87%，小時(shí)交通量誤差為9.02%。本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了高速公路網(wǎng)全域、高效的自動(dòng)化交通量推算，對(duì)于推動(dòng)公路交通基礎(chǔ)信息采集技術(shù)發(fā)展及提升多源大數(shù)據(jù)分析能力建設(shè)具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 交通量;收費(fèi)數(shù)據(jù);交通調(diào)查;車型;推算方法

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 070

[中圖分類號(hào)]? TP312? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）17- 0180- 04

1? ? ? 引? ? 言

我國(guó)從1978年正式開(kāi)展公路交通情況調(diào)查，并從2010年起開(kāi)展大規(guī)模自動(dòng)化調(diào)查站建設(shè)，站點(diǎn)涵蓋全國(guó)31個(gè)?。▍^(qū)、市），涉及高速公路、普通國(guó)道、普通省道等各等級(jí)道路。截至2018年底，全國(guó)共有交調(diào)站44 574個(gè)，其中自動(dòng)化交調(diào)站7 631個(gè)[2]，間隙式站點(diǎn)和比重調(diào)查站點(diǎn)36 943個(gè)。但是目前交調(diào)站采集覆蓋率還不能滿足行業(yè)、社會(huì)的應(yīng)用需求[3]。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的持續(xù)投入，我國(guó)高速公路網(wǎng)已建成了較為完備的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)[4]，基本覆蓋高速網(wǎng)全境，可以自動(dòng)獲取海量、實(shí)時(shí)的收費(fèi)數(shù)據(jù)[5]。如何利用現(xiàn)有多源公路交通數(shù)據(jù)，提高高速公路交調(diào)數(shù)據(jù)采集覆蓋率，對(duì)公路交通基礎(chǔ)信息統(tǒng)計(jì)工作具有重大意義，也是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。目前研究已經(jīng)可以用收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行OD分配來(lái)計(jì)算路段交通量，但是主要是使用平均OD、通過(guò)靜態(tài)分配方式計(jì)算路段平均交通量，數(shù)據(jù)的時(shí)效性不強(qiáng)，沒(méi)有完全挖掘出收費(fèi)數(shù)據(jù)短時(shí)粒度的特點(diǎn)，不能很好地滿足短時(shí)間粒度的數(shù)據(jù)需求。文章針對(duì)現(xiàn)有研究中算法時(shí)效性的不足的問(wèn)題，利用四川省高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)車輛動(dòng)態(tài)模擬的分配方法，將收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成短時(shí)高速公路路段交通量，并通過(guò)一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，將收費(fèi)數(shù)據(jù)車型轉(zhuǎn)換為交調(diào)數(shù)據(jù)車型，得到路網(wǎng)中任意斷面的短時(shí)分車型交通量。研究表明，由高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的短時(shí)路段分車型交通量數(shù)據(jù)，能夠?yàn)楦咚俟方徽{(diào)數(shù)據(jù)采集提供補(bǔ)充、校核。文章第二節(jié)完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，第三節(jié)給出推算方法，第四節(jié)給出推算結(jié)果，最后給出結(jié)論。

2? ? ? 收費(fèi)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究采用四川省全省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)采集的收費(fèi)數(shù)據(jù)作為研究建模對(duì)象，采用四川省高速公路交調(diào)數(shù)據(jù)作為校核對(duì)象。目前全省共529個(gè)實(shí)際收費(fèi)站點(diǎn)，其中省界收費(fèi)站點(diǎn)21個(gè)。為解決多義性路徑問(wèn)題，在產(chǎn)生多義性路徑的路段上設(shè)置了共129個(gè)標(biāo)識(shí)站，車輛進(jìn)入高速公路后，其所經(jīng)標(biāo)識(shí)站均可在收費(fèi)數(shù)據(jù)中記錄，從而保證了車輛路徑的唯一性。

在進(jìn)行分析建模前，首先要對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。一方面刪除不符合常規(guī)的、或明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，另一方面，將與推算斷面交通量相關(guān)的信息進(jìn)行讀取與分析，包括進(jìn)出高速公路的收費(fèi)站編號(hào)、出入時(shí)間，標(biāo)識(shí)站、車型信息等，而忽略其他數(shù)十種無(wú)用屬性信息。用于數(shù)據(jù)處理的收費(fèi)數(shù)據(jù)屬性信息如表1所示。

3? ? ? 推算方法

推算方法包括路網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建和交通量推算兩部分。

3.1? ?路網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建

路網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建是將收費(fèi)數(shù)據(jù)與實(shí)際路網(wǎng)相結(jié)合、進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分配、推算路段斷面交通量的基礎(chǔ)。路網(wǎng)拓?fù)浣?gòu)需要考慮高速公路網(wǎng)路段間的拓?fù)潢P(guān)系，收費(fèi)站和路網(wǎng)的關(guān)系，以及收費(fèi)站之間的關(guān)系、標(biāo)識(shí)站位置等。在進(jìn)行路網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建時(shí)，還要考慮必要的路段屬性信息，如每條路段的長(zhǎng)度距離，用于進(jìn)行下一步建模。

路網(wǎng)采用近鄰表的方法進(jìn)行構(gòu)建。路網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的建立采用虛實(shí)結(jié)合的方法。四川路網(wǎng)中的收費(fèi)站、標(biāo)識(shí)站作為路網(wǎng)中的實(shí)節(jié)點(diǎn)，而路段間相交的、但沒(méi)有布設(shè)收費(fèi)站或標(biāo)識(shí)站的節(jié)點(diǎn)作為虛節(jié)點(diǎn)。近鄰表實(shí)節(jié)點(diǎn)包括已建設(shè)529個(gè)收費(fèi)站點(diǎn)，129個(gè)標(biāo)識(shí)站，結(jié)合路段相交點(diǎn)的虛節(jié)點(diǎn)，共有830各路網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)編號(hào)的建立需要與收費(fèi)數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)相對(duì)應(yīng)。在建立路網(wǎng)拓?fù)溥^(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有些收費(fèi)站中同一個(gè)收費(fèi)站卻配有不同的編號(hào)，需用一張單獨(dú)表將這些編號(hào)不同而實(shí)體相同的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，以便在處理收費(fèi)數(shù)據(jù)中不產(chǎn)生歧義。

3.2? ?交通量推算

交通量推算分為三個(gè)主要步驟，分別為路段經(jīng)過(guò)性判斷、車輛通過(guò)時(shí)間判斷和集成交通量。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，可以分為離線處理和在線處理兩種情況。其中，路段經(jīng)過(guò)性判斷屬于離線處理，即在分析收費(fèi)數(shù)據(jù)前就進(jìn)行的步驟;車輛通過(guò)時(shí)間判斷、集成交通量?jī)蓚€(gè)步驟屬于在線處理，即與處理收費(fèi)數(shù)據(jù)同步進(jìn)行的步驟。

路段經(jīng)過(guò)性判斷的方法是最短路徑法。對(duì)于路網(wǎng)上任意兩個(gè)收費(fèi)站節(jié)點(diǎn)（標(biāo)識(shí)站看作特殊的收費(fèi)站，可以將車輛的實(shí)際路徑描述為最短路徑的集合），用迪杰斯特拉（Dijkstra）算法計(jì)算兩個(gè)收費(fèi)站的最短路徑，作為進(jìn)出這兩個(gè)收費(fèi)站點(diǎn)的車輛的行駛路徑。四川路網(wǎng)收費(fèi)站529個(gè)，標(biāo)識(shí)站129個(gè)，即共有658個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于任意路段D，在推斷交通量之前，還需要求經(jīng)過(guò)路段D的經(jīng)由路徑LAB中每輛車通過(guò)路段D的時(shí)間。本研究使用勻速平均法來(lái)確定每輛車所經(jīng)過(guò)路徑中每一個(gè)路段的時(shí)間。勻速平均法是假設(shè)車輛進(jìn)入高速路網(wǎng)后以勻速行駛，來(lái)計(jì)算該車輛通過(guò)各個(gè)路段的時(shí)間。因?yàn)檐囕v入站時(shí)間、出站時(shí)間、以及所經(jīng)路線的行駛總距離為已知，所以可以容易計(jì)算出勻速行駛的速度等參數(shù)，再通過(guò)各個(gè)路段的長(zhǎng)度和與入口之間的距離，推出車輛經(jīng)過(guò)每個(gè)路段的時(shí)間。設(shè)AB是經(jīng)過(guò)路段D的最短路徑集合SD中的任意一個(gè)進(jìn)出站組合。車輛i從A站進(jìn)入高速的時(shí)間為TiA，車輛從B站駛出高速的時(shí)間為TiB，車輛從站點(diǎn)A到路段D的路程為L(zhǎng)NAD，車輛由進(jìn)入站A到駛出站B的最短路徑的路程為L(zhǎng)NAB，則根據(jù)勻速假設(shè)，可以求出車輛i通過(guò)路段D的時(shí)間為

TDAB（i）=TiA+（TiA-TiB）*LNAD/LNAB（1）

其中，LNAB為由A到B的最短路徑經(jīng)過(guò)的所有路段集合SLAB中的路段距離之和。LNAB∑LNK（k∈SLAB）;LNAD為由A到B的最短路徑經(jīng)過(guò)路段D之前的所有路段集合SLAD中的路段距離之和，LNAD=∑LNK（k∈SLAD）。若以路段D 的中點(diǎn)的斷面交通量代表通過(guò)路段D的交通量，則在計(jì)算LNAD時(shí)需要多考慮路段D本身距離長(zhǎng)度的一半。設(shè)路段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)ND，則LNAD=∑LNK+0.5×LND（k∈SLAD）。

計(jì)算任意路段D在任意時(shí)段T（T1，T2）內(nèi)的交通量VD（T），本質(zhì)就是計(jì)算經(jīng)由路段D的最短路徑的集合SD中，對(duì)于每一組進(jìn)出高速的AB組合，在時(shí)段T內(nèi)經(jīng)過(guò)路段D的車輛數(shù)量的累加。用Ni代表累計(jì)個(gè)數(shù)增量，Ni數(shù)值取1?！芅i代表滿足條件的車輛i的累計(jì)總數(shù)。設(shè)時(shí)間段T的起始時(shí)間為T1，終止時(shí)間為T2，VDAB（T）為由A進(jìn)入高速、由B駛出高速、且在時(shí)間段T內(nèi)經(jīng)過(guò)路段D的車輛數(shù)，則有

VDAB（T）=∑Ni（i∈w滿足T1

VDAB（T）代表進(jìn)出組合高速站點(diǎn)組合AB在時(shí)間段T經(jīng)過(guò)路段D的車輛數(shù)。對(duì)于單一路段D，可以根據(jù)SD中的每一組合AB中的所有車輛進(jìn)出高速時(shí)間和距離，計(jì)算其經(jīng)過(guò)D的時(shí)間，從而求得VDAB（T）。將集合SD中的所有組合的車輛數(shù)累加，從而得到路段D在時(shí)間段T中的交通量。

VD（T）∑VDAB（T）（AB∈SD）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

若考慮路段經(jīng)過(guò)性判斷，可將上式寫為

以上是以路段為對(duì)象考慮的交通量推算方法。在四川路網(wǎng)中根據(jù)節(jié)點(diǎn)劃分了幾百個(gè)路段。在計(jì)算不同路段的交通量時(shí)，會(huì)涉及同一輛車在不同時(shí)間行駛到不同路段的情況。為了減少計(jì)算量，在計(jì)算不同路段時(shí)不重復(fù)計(jì)算每輛車的基本信息，本研究采用以每輛車為對(duì)象的動(dòng)態(tài)模擬的方法標(biāo)定其行駛軌跡，從而計(jì)算路網(wǎng)路段的交通量。通過(guò)收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)出收費(fèi)站的時(shí)間，推算車輛在高速公路網(wǎng)中經(jīng)過(guò)每一個(gè)路段中點(diǎn)的時(shí)間，進(jìn)一步推斷該路段的交通量。車輛i從A站進(jìn)入高速的時(shí)間為TiA，車輛i從B站駛出高速的時(shí)間為TiB，可以根據(jù)公式標(biāo)出其經(jīng)過(guò)各個(gè)路段中點(diǎn)的時(shí)間TDAB（i），其中D為車輛從A站到B站經(jīng)過(guò)的每個(gè)路段。對(duì)駛?cè)敫咚俚拿枯v車都進(jìn)行如從計(jì)算，則每一個(gè)路段D都標(biāo)定了路網(wǎng)中的經(jīng)過(guò)其路徑的車輛通過(guò)它的時(shí)間TDAB（i）。計(jì)算交通量時(shí)，將符合時(shí)間段T內(nèi)的車輛個(gè)數(shù)累加，即為該路段在時(shí)間T內(nèi)的交通量。用動(dòng)態(tài)模擬的方法，可以同時(shí)計(jì)算路網(wǎng)中所有路段的交通量，而不會(huì)重復(fù)計(jì)算車輛行駛到每個(gè)路段的時(shí)間等基本信息，從而減少了計(jì)算量。

4? ? ? 推斷結(jié)果

采用上述算法對(duì)四川省高速公路2018年1-6月的收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與已建設(shè)的70個(gè)自動(dòng)化交調(diào)站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。圖1為可視化的四川工作日晚高峰流量空間分布圖，可以看出，成都周邊路網(wǎng)車流量較大，其他路段流量相對(duì)較小。

圖2為可視化的路網(wǎng)各路段車速分布?？梢钥闯?，四川省高速路網(wǎng)中，成都環(huán)線的路網(wǎng)較為擁堵，速度較為緩慢，而從成都環(huán)線分向各個(gè)放射線高速的車速較為通暢。對(duì)于行駛路徑依次經(jīng)過(guò)放射線和成都環(huán)線的車輛，實(shí)際車速并非理想的勻速行駛，從而按照勻速平均法計(jì)算的路段交通量會(huì)有微小偏差。但根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在計(jì)算交通流量時(shí)，勻速行駛假設(shè)基本可以滿足以小時(shí)為單位的短時(shí)間粒度交通量計(jì)算要求。

將由收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的交通量和交調(diào)站點(diǎn)直接采集的斷面交通量在同一空間、時(shí)間范圍下進(jìn)行比對(duì)。圖3為基于全網(wǎng)具備交調(diào)站點(diǎn)的路段的平均流量與相對(duì)應(yīng)的收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的平均流量的比較。從圖中可以看出，二者變化趨勢(shì)一致，高速公路網(wǎng)日交通量平均誤差為8.87%，小時(shí)交通量誤差為9.02%。對(duì)于單一路段，高速公路日交通量誤差為13.80%，小時(shí)交通量誤差為17.20%。分車型看，單個(gè)站點(diǎn)的中小客車小時(shí)交通量誤差在12%左右。車型校驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

5? ? ? 結(jié)? ? 論

高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含了豐富的動(dòng)態(tài)路網(wǎng)交通信息。本文研究了收費(fèi)數(shù)據(jù)推算交通量的數(shù)據(jù)挖掘方法，首次采用動(dòng)態(tài)模擬分配的方法得出了短時(shí)間粒度的全網(wǎng)各路段流量;且經(jīng)過(guò)車型匹配算法，得出基于公路交調(diào)系統(tǒng)的分車型交通量數(shù)據(jù)。通過(guò)收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算短時(shí)的路段交通量數(shù)據(jù)，能夠掌握全路網(wǎng)各路段交通情況，可以作為公路交通情況調(diào)查數(shù)據(jù)的有益補(bǔ)充，可為后續(xù)相關(guān)研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

主要參考文獻(xiàn)

[1]付鑫，王建偉，袁長(zhǎng)偉.基于高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的斷面交通量計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸研究，2006（6）：150-153.

[2]交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院.2017年國(guó)家干線公路交通情況分析報(bào)告[R].2017.

[3]胡閏秀，李夢(mèng)雪.基于高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)的交通量調(diào)查[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，24（1）：21-26.

[4]孫忠輝.從聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)數(shù)據(jù)中提取管理信息方法探討[J].中國(guó)交通信息化，2009（8）：70-72.

[5]鐘足峰，劉偉銘.基于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)交通流量的實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)管理信息化，2009，12（2）：59-61.