基于卡口數(shù)據(jù)的交通參數(shù)提取方法研究*

孫 猛 李建梅 孫 鋒▲ 吳曉煒 陳浩田 朱 爽

（1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院 山東 淄博 255049；2.淄博市公安局交通警察支隊張店大隊 山東 淄博 255000）

0 引 言

城市交通發(fā)展到信息化、智能化、智慧化的新時代，將大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與智慧交通相結(jié)合，能夠顯著改善城市發(fā)展中的交通擁堵問題。隨著電警、卡口等視頻監(jiān)控設(shè)備的增加，交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫得到了極大的豐富，為日趨智能的精細(xì)化交通管理提供了驅(qū)動力。

交通數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的1項重要研究內(nèi)容是通過相應(yīng)算法挖掘數(shù)據(jù)中的描述性指標(biāo)參數(shù)[1]。張璽君等[2]結(jié)合交通數(shù)據(jù)的時空特性進行去噪和壓縮等預(yù)處理并構(gòu)建數(shù)據(jù)分析平臺對預(yù)處理的數(shù)據(jù)進行挖掘。徐程等[3]針對交通數(shù)據(jù)的缺失問題，基于時空關(guān)聯(lián)性對缺失數(shù)據(jù)提出了不同條件下應(yīng)用的數(shù)據(jù)恢復(fù)方法。王殿海等[4]分析評述了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的變革對參數(shù)估計方法發(fā)展的影響。張輝等[5]結(jié)合經(jīng)典交通流與機器學(xué)習(xí)方法，提出1 種利用聚類最小二乘方法估計車輛速度的方法。H Y Sutarto 等[6]結(jié)合馬爾可夫模型的轉(zhuǎn)移矩陣和AR模型的參數(shù)，提出1種數(shù)據(jù)驅(qū)動的交通流參數(shù)估計方法。付鳳杰[7]基于卡口數(shù)據(jù)針對不同交通流方向行程時間估計值的差異性，提出了考慮多因素的計算模型。姜桂艷等[8]通過分析交通流特性和地點交通參數(shù)與平均行程速度的關(guān)系，提出了城市主干路擁擠交通流路段平均行程速度的3種估計模型。馬東方[9]通過分析流量、速度和時間占有率的相互關(guān)系，提出1 種基于上游斷面信息的排隊上溯識別方法并驗證了其精度。李愛杰等[10]基于單截面低頻定點檢測數(shù)據(jù)結(jié)合交通波理論，構(gòu)建了周期最大排隊長度估計模型。趙淑芝等[11]以改進的METANET模型為基礎(chǔ)，通過確定排隊隊尾位置從而獲得車輛排隊長度。Luo 等[12]提出了1種利用車牌識別數(shù)據(jù)和信號方案估計信號交叉口排隊長度的新方法。Zhan等[13]提出了1種基于車道的車牌識別實時隊列長度估計模型。蔣歡昕等[14]回顧信號交叉口幾種延誤的定義及各種延誤之間的關(guān)系，對常見的信號交叉口延誤的情況進行了歸納。張惠玲等[15]確定了流量比、車速比、空間占有率和排隊長度比4個評價指標(biāo)，研究了1種基于多指標(biāo)融合的單交叉口運行狀態(tài)實時評價方法。

已有的研究成果大都側(cè)重于單一參數(shù)提取，缺少一整套針對需求及狀態(tài)參數(shù)的處理流程，且過飽和狀態(tài)下的提取精度不足。為此，筆者首先分析交通大數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，進而通過挖掘卡口數(shù)據(jù)蘊含的時間及狀態(tài)關(guān)聯(lián)特性，構(gòu)建過飽和狀態(tài)下的參數(shù)提取及估算方法，最后選取Python 可視化庫和Echarts等可視化工具對提取結(jié)果進行可視化展示。

1 交通卡口數(shù)據(jù)挖掘流程

本文數(shù)據(jù)來自淄博市張店區(qū)高清智能卡口系統(tǒng)，針對原始數(shù)據(jù)進行了結(jié)構(gòu)化分析，并從不同角度進行了預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.1 原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

原始卡口數(shù)據(jù)的列項是車輛牌照號作為第一標(biāo)識，此外還包括卡口名稱、車道號、通過道口時間、車牌顏色、車身顏色等數(shù)據(jù)列，具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 高清卡口數(shù)據(jù)Tab.1 HD bayonet data

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

原始數(shù)據(jù)普遍存在著很多缺陷：①數(shù)據(jù)的不一致性，包括標(biāo)簽的不一致、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維度的不一致和數(shù)據(jù)范圍值的不一致等；②數(shù)據(jù)中充斥著大量的無效數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)；③數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)存在缺失性，需要進行重新架構(gòu)。為此，需要對原始數(shù)據(jù)的無用數(shù)據(jù)進行剔除，同時對數(shù)據(jù)儲存，結(jié)構(gòu)等方面進行規(guī)約，構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和框架對不同方式和平臺采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、集成和轉(zhuǎn)化。

1）異常數(shù)據(jù)處理。在處理過程中引入變異系數(shù)來判斷數(shù)據(jù)對整體數(shù)據(jù)的偏離程度，選取合適的閾值進行篩除。

2）無效數(shù)據(jù)處理。剔除車輛顏色等對交通運行參數(shù)提取沒有影響的數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)樣本量。

3）缺失數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)缺失達到80%以上且重要性較低時進行刪除操作，缺失較少且較為重要采用填充法，包括定值填充、插值法填充、模型填充、連續(xù)序列填充和歷史數(shù)據(jù)填充等修復(fù)法等。

4）數(shù)據(jù)統(tǒng)一化處理。將不同格式進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一化處理時要考慮數(shù)據(jù)的維度特性和結(jié)構(gòu)特性。

5）數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)處理。找尋數(shù)據(jù)的提取規(guī)律，選取數(shù)據(jù)正常的時段，進行樣本提取，在樣本提取過程中樣本對整體數(shù)據(jù)的反應(yīng)情況是重點。

6）缺失和補償處理。由于硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)的原因，數(shù)據(jù)在平臺上提取和整合的過程中會有缺失，在數(shù)據(jù)處理過程中會采取車道數(shù)補償，漏拍補償，總體補償?shù)确椒ā?/p>

1.3 總體框架

本文對交通數(shù)據(jù)的分析過程大體分為3 個模塊：數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與篩選模塊；參數(shù)提取模塊。構(gòu)建基于Python 程序的模型流程見圖1。

圖1 Python數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.1 Python data analysis flowchart

2 參數(shù)提取方法

在保證卡口設(shè)備識別率的前提下，依據(jù)車牌匹配算法可準(zhǔn)確地獲取交叉口之間的車輛行程時間；引入路段長度參數(shù)可獲得車輛平均速度，利用采集的大量車速樣本可估算同時段的路段自由流速度，結(jié)合行程時間和路段長度可得到每輛車的區(qū)間延誤，基于時空軌跡圖推導(dǎo)過飽和狀態(tài)下的排隊長度模型，并基于Python平臺進行了算法實現(xiàn)。

2.1 基本參數(shù)獲取

根據(jù)卡口數(shù)據(jù)中車輛通過停止線的時間記錄，利用匹配算法可提取相鄰路口之間的車輛行程時間，進而加入路段長度參數(shù)確定車輛平均速度。圖2中P1和P2為道路停車線，車輛從停車線P1到達P2的時間即路段行程時間。

在實際應(yīng)用中提取路段行程時間，要重點考慮以下2點。

圖2 相鄰交叉口示意圖Fig.2 Schematic diagram of adjacent intersections

1）閾值區(qū)間設(shè)定。Pandas 處理時間數(shù)據(jù)時可設(shè)置1 個閾值區(qū)間來提取正常范圍內(nèi)的行程時間，區(qū)間下界可采用路段長度和最大限速的比值確定，區(qū)間上界可根據(jù)路段長度等因素而定。

2）時段劃分。車輛多次經(jīng)過卡口會使結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，按照30 min的時段維度對數(shù)據(jù)進行塊狀提取，可有效減少大量的無效數(shù)據(jù)。見式（1）～（2）。

式中：T為某時段的路段行程時間，s；t1為經(jīng)過卡口1 的時刻；t2為經(jīng)過卡口2 的時刻；Δt為單輛行程時間差值，s；n為提取到的車輛數(shù)，otherwise為其他情況，null為無效數(shù)據(jù)?；谏鲜鲂谐虝r間可以求出其行程速度和時間平均車速，見式（3）。

車輛延誤可表示為車輛實際行程時間與自由行駛時間的差值，車輛實際行程時間已通過卡口數(shù)據(jù)求得，通過路段長度和自由流速度能計算出車輛自由行駛時間，在固定時段內(nèi)通過車輛的延誤即為車輛延誤，單個車輛延誤與固定時段最大延誤見式（4）～（5）。式（6）簡化了自由流速度的計算過程，將采樣的前20%車輛速度求均值作為路段自由流速度。

式中：d為車輛延誤，s；Δt為卡口間行程時間，s，Lr為路段的長度，m；Dmax為周期最大車輛延誤，s；Vf為路段的自由流速度，km/h，vmax為路段的最大限速，km/h，v80%為速度集合中80%位速度，km/h。

2.2 排隊長度估算

1）延誤與排隊長度。在給定路段條件、信號條件，以及交通流條件下，某周期內(nèi)的排隊最遠(yuǎn)點相對于停車線的距離越大，則本周期通過下游停車線的第1 輛車輛通過該路段所經(jīng)歷的周期數(shù)也越多，其相應(yīng)的延誤時間，即周期最大延誤時間也越大。因此，高峰時段周期內(nèi)的最大延誤時間與排隊最遠(yuǎn)點相對于停車線距離存在正相關(guān)關(guān)系，如果能夠表達二者之間的函數(shù)關(guān)系模型，則可以利用周期最大延誤信息來推測排隊最遠(yuǎn)點位置進而來識別排隊長度。排隊的產(chǎn)生與消散過程見圖3。

圖3 高峰交叉口排隊產(chǎn)生與消散Fig.3 Generation and dissipation of queue at intersection

在圖3中，上1個周期的部分未被釋放排隊車輛會在下1 個周期紅燈啟亮的開始時刻形成初始排隊。令周期i的初始排隊位置點和排隊最遠(yuǎn)點分別用Bi和Ai表示，車輛X在i-n周期的排隊位置點為Ci-n。式（7）～（8）為過飽和交叉口最大車輛延誤和最大排隊長度的關(guān)系。

式中：Lp為i-1 周期內(nèi)最大排隊長度，veh；g為周期內(nèi)綠燈時長，s；Sf為車隊的釋放流率，veh/h；Sa為車隊的到達流率，veh/h；r為周期的紅燈時長，s；t’為車輛X在i-1 周期排隊之前的行駛時間，s；N為車道數(shù)。

2）車道排隊車輛數(shù)。在每個周期中，部分車輛在到達交叉口停止線前，由于受紅燈阻滯，在渠化車道內(nèi)減速停車等待，綠燈啟亮初期，渠化段內(nèi)等候車輛開始向前運動，流率變化較快，從零逐漸達到飽和流量，并以飽和流量依次通過停車線，排隊的車輛依次按照接近飽和流量的方式進行釋放，直至紅燈啟亮或排隊隊列釋放結(jié)束。綠燈期間某車道車頭時距的變化見圖4。

圖4 車頭時距變化Fig.4 Diagram of headway variation

由圖4 可知：車頭時距的變化分為3 個基本階段，第1 階段是車輛啟動時的加速過程使得車頭時距由大變??；第2 階段是啟動波在排隊隊列中的穩(wěn)定傳播使得車頭時距穩(wěn)定在某個區(qū)間內(nèi)；第3 階段是排隊消散進而車頭時距變大?，F(xiàn)根據(jù)車頭時距的周期變化來對周期排隊車輛進行分析提取，首先利用每輛車通過停止線的具體時間可提取預(yù)設(shè)周期內(nèi)經(jīng)過交叉口車輛的車頭時距，見式（9）。

式中：ti-1,i為統(tǒng)計范圍內(nèi)第i個車輛與第i-1 個車輛的車頭時距，s；ti為統(tǒng)計范圍內(nèi)第i個車輛通過停止線的時間，s；ti-1為統(tǒng)計范圍內(nèi)第i-1個車輛通過停止線的時間，s。

獲到車頭時距集合后需設(shè)定2個初值作為車頭時距的閾值來判斷車隊的連續(xù)性，并與配時方案進行時間線上的匹配，在綠燈通行區(qū)間內(nèi)確定連續(xù)車輛集合為排隊車輛集合，統(tǒng)計排隊車輛集合長度為排隊車輛數(shù)，見式（10）。

式中：Sp為某車道車頭時距序列的連續(xù)長度；seri為計算連續(xù)序列的自定義統(tǒng)計函數(shù)；Sε與Sγ為seri統(tǒng)計函數(shù)的閾值函數(shù)；ε與γ是序列連續(xù)性判斷閾值；k為第1階段尾車車輛序列號；w為第2階段尾車車輛數(shù)序列號。

3）排隊長度獲取。利用卡口等斷面檢測數(shù)據(jù)無法直接獲取高峰時段排隊長度等參數(shù)指標(biāo)，只能通過深入挖掘卡口數(shù)據(jù)蘊含的關(guān)聯(lián)信息，并結(jié)合路網(wǎng)時空邏輯關(guān)系，從而推導(dǎo)參數(shù)提取方法。綜合考慮上述步驟獲得的排隊車輛數(shù)和車輛周期延誤進而推斷出排隊長度。

式中：Lz為估計排隊長度，m；φ為權(quán)重閾值；lc為車輛排隊時車頭間距，m；Sp為某車道車頭時距序列的連續(xù)長度，veh；Lp為周期內(nèi)最大排隊長度，veh。

3 實例驗證

3.1 交通調(diào)查

以淄博市張店區(qū)北京路主干道上北京路-人民路、北京路-華光路為例進行模型的應(yīng)用，驗證模型的實用性和有效性。北京路-人民路與北京路-華光路之間路段長度L為775 m，卡口檢測設(shè)備均在各交叉口停止線位置。北京路-華光路與北京路-人民路交叉口的渠化結(jié)構(gòu)和信號配時方案見圖5～6。

圖5 北京路-人民路交叉口渠化與信號配時Fig.5 Channelization and signal timing of Beijing-Renmin Road intersection

3.2 模型實現(xiàn)

驗證數(shù)據(jù)為北京路主干道2020 年3 月5 日07：00—09：00 的卡口數(shù)據(jù)。利用 Pandas 和 NumPy對早高峰07：00—09：00北京路與人民路、華光路交叉口之間的行程時間進行預(yù)處理。見圖7，行程時間處理前分布115～186 9 s之間，有明顯異常數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)進行篩選、補償和統(tǒng)一化處理后分布在115～348 s之間，有顯著的規(guī)律性。

圖6 北京路-華光路交叉口渠化與信號配時Fig.6 Channelization and signal timing of Beijing-Huaguang Road intersection

圖7 異常數(shù)據(jù)提取前后對比Fig.7 Comparison of abnormal data before and after extraction

早高峰 07：00—09：00 車輛的速度數(shù)據(jù)進行FFT 低通濾波處理后的平滑曲線更接近實際通行中車隊速度變化。速度數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 車輛的平均速度及其FFT低通濾波處理后的曲線Fig.8 Average speed of vehicle and its curve after FFT low pass filtering

早高峰07：00—09：00 延誤在計算中會出現(xiàn)負(fù)值，將負(fù)值進行歸零化可避免對結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面的影響。延誤變化見圖9。

圖9 早高峰車輛延誤Fig.9 Vehicle delay A.M.Peak

此外，結(jié)合監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)進行對比分析，進而確定車隊平均到達率綠燈開啟后頭3 輛車的閾值ε為 6.5 s，之后閾值γ為4.5 s 時，其處理結(jié)果和真實排隊情況較為相符。早高峰07：00—09：00單條車道排隊車輛數(shù)據(jù)見圖10。

圖10 早高峰周期排隊車輛數(shù)Fig.10 Number of vehicles queuing A.M.Peak

利用卡口數(shù)據(jù)統(tǒng)計車隊的車道平均釋放流率Sf為1 600 veh/h，車隊的車道平均到達流率Sa為450 veh/h，lc設(shè)為6 m，將權(quán)重閾值φ設(shè)為0.5，利用式（14）進行計算，得到排隊長度見圖11。

圖11 早高峰周期排隊長度Fig.11 Cycle queue length A.M.Peak

3.3 可靠性分析

基本參數(shù)的提取和設(shè)備關(guān)系密切，精度主要取決于識別率和傳輸率，因此主要驗證排隊長度的誤差率，將分析結(jié)果與監(jiān)控視頻進行對比分析，誤差率見圖12。

圖12 排隊長度實例對比Fig.12 Comparison of queue length examples

從圖12 可算出模型平均相對誤差(MAPE)為15.6%,平均絕對誤差(MAE)為18.4 m，模型精度達到了85%以上，可作為智能交通控制的有效支撐數(shù)據(jù)。

3.4 可視化實現(xiàn)

數(shù)據(jù)可視化的重點是對數(shù)據(jù)有效的展示和變換，使得用戶得到易理解和有價值的信息。本文在交通數(shù)據(jù)可視化的實現(xiàn)中主要基于Python 的第三方庫、Echarts 動態(tài)渲染圖工具。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過Python 數(shù)據(jù)分析框架處理后，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化有各種主題性的選擇[16-19]。圖13是結(jié)合Python第三方庫中Timelines 和Zoomdata 等展示功能繪制的周期車輛動態(tài)變化圖。

圖13 各方向交通量統(tǒng)計圖Fig.13 Traffic statistics in all directions

圖14 區(qū)域車輛數(shù)統(tǒng)計圖Fig.14 Statistics of regional vehicles

圖14 為基于Echarts.js 繪制的分層區(qū)域車輛數(shù)統(tǒng)計圖。

4 結(jié)束語

針對卡口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，提出了一套預(yù)處理-指標(biāo)提取-可視化一整套的交通卡口數(shù)據(jù)挖掘流程框架，在提取行程時間、平均車速和車輛周期延誤的基礎(chǔ)上利用排隊車輛數(shù)構(gòu)建了高峰時段排隊長度估計模型，與傳統(tǒng)的排隊長度估算方法相比，模型實現(xiàn)了卡口數(shù)據(jù)參數(shù)的自動流程化處理且精度較高；基于Python和Echarts等工具軟件，實現(xiàn)了交通運行參數(shù)自動提取及可視化一體展現(xiàn)，能夠為智能交通管控的決策提供支撐。如何融合監(jiān)控、地磁等多源異構(gòu)交通數(shù)據(jù)建立更綜合的參數(shù)提取模型，將做進一步研究。