基于地圖API 數(shù)據(jù)挖掘的道路交通運行狀態(tài)分析

陳詩意，潘義勇 （南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京210037）

0 引 言

道路運行狀態(tài)信息是交通規(guī)劃、交通管理等所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)交通流檢測器、視頻監(jiān)測、卡口系統(tǒng)等傳統(tǒng)方式獲取道路信息具有滯后性，無法反應(yīng)道路實時情況，收集數(shù)據(jù)的零散使得難以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和獨立儲存。而且這些數(shù)據(jù)由于國內(nèi)開發(fā)機(jī)制的限制，交通行業(yè)研究人員很難獲。地圖API 的出現(xiàn)提供了一種新的思路：基于互聯(lián)網(wǎng)地圖自身的道路結(jié)構(gòu)編寫網(wǎng)頁程序，根據(jù)需要添加各種功能模塊，可獲取實時的交通運行信息，獲取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，用于分析評價。數(shù)據(jù)信息的完整度和準(zhǔn)確度較手機(jī)信令、傳統(tǒng)地圖app、出租車GPS 等數(shù)據(jù)有較大優(yōu)勢，方便對道路運行情況進(jìn)行研究和分析，指導(dǎo)城市交通建設(shè)的發(fā)展。

對于目前應(yīng)用地圖API 的研究中，劉鵬程向百度服務(wù)器傳遞居住地和就業(yè)地的坐標(biāo)，通過地圖API 的路線查詢功能計算職住距離[1]。王彬調(diào)取百度地圖API 接口獲取駕車路線規(guī)劃方案，對萬家麗高架進(jìn)行交通運行評價[2]，以上研究對路段平均行程車速的獲取具有參考意義。對于城市交通運行狀態(tài)方面的研究，裴文杰分析典型快速路路段交通流特性，提出了以速度、密度、飽和度為參數(shù)的運行狀態(tài)分析指標(biāo)體系[3]，但是需要獲取各種參數(shù)的數(shù)據(jù)用于綜合評估，數(shù)據(jù)獲取較為困難。對于交通運行狀態(tài)可視化方面的研究，劉秀彩對交通數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，利用基于時間、空間和交通屬性的三維可視圖譜分析大數(shù)據(jù)背景下的交通規(guī)律[4]，但是對于海量數(shù)據(jù)存在的錯誤和信息缺失問題并沒有進(jìn)行深入研究。

本文在以上提及的研究基礎(chǔ)上，研究利用百度地圖API 獲取24 小時路段實時行程車速，基于車速對交通運行狀態(tài)的評價，但同樣存在數(shù)據(jù)失真的情況，為此對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了判定和處理。首先，為了消除其他因素影響或者周期變動幅度大導(dǎo)致難以顯示道路交通運行狀態(tài)發(fā)展趨勢，選擇用移動平均法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，即當(dāng)實際值與預(yù)測值偏差大于50%時認(rèn)為該數(shù)值失真。其次，利用線性插值將失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到符合速度曲線特性的值，替代缺失和失真的數(shù)據(jù)。再次，以速度為評價對象，選擇評價指標(biāo)，對交通運行狀態(tài)進(jìn)行評價。最后，繪制出道路全程行駛時間變化圖和擁堵時空分布圖。直觀地反映了速度時序特性和交通運行狀態(tài)的時空演變規(guī)律。

1 基于地圖API 數(shù)據(jù)挖掘

1.1 速度數(shù)據(jù)提取方法

百度地圖提供了豐富的實例參考，在實際應(yīng)用中，可以利用百度地圖URI API 程序接口直接調(diào)起百度地圖產(chǎn)品，相應(yīng)地可以使用JavaScript API（Android/iOS 地圖SDK）作簡單的二次功能開發(fā)[11]，包括地圖展示、線路查詢、導(dǎo)航等功能。瀏覽器端將獲取駕車規(guī)劃方案的請求發(fā)送至百度服務(wù)器，百度服務(wù)器會使用內(nèi)部算法計算出規(guī)劃方案的時間和距離數(shù)據(jù)返回給瀏覽器[5-6]。所以用HTML 語言編寫可以定時重復(fù)調(diào)用的函數(shù)就可以隔一段時間獲取實時的運行狀態(tài)信息。具體流程如下：

（1）首先明確研究的道路范圍，將道路分成多個路段，創(chuàng)建由各個微小路段的起終點坐標(biāo)構(gòu)成的數(shù)組，以百度地圖API函數(shù)的格式定義：mycars[0 ]=new BMap.Point (110.32452,25.266469 )。

（2）在網(wǎng)頁中創(chuàng)建Map 實例后，使用map.centerandzoom()方法定義地圖，設(shè)置地圖中的各項屬性，包括地圖的縮放級別，以及地圖中心的顯示等。

（3）通過設(shè)定間隔指定的毫秒數(shù)不停地執(zhí)行代碼的定時器實現(xiàn)相同時間間隔調(diào)用函數(shù)，考慮到地圖數(shù)據(jù)更新速度，此處選擇隔5 分鐘調(diào)用一次函數(shù)。

（4）利用循環(huán)結(jié)構(gòu)將起點坐標(biāo)值賦給start，終點坐標(biāo)值賦給end，使用driving.search (start, end )方法發(fā)起檢索。為了獲取路段的平均行程車速，則需創(chuàng)建一個駕車導(dǎo)航實例來獲取駕車路線規(guī)劃，可以通過DrivingRouteResult.getPlan()方法或WalkingRouteResult 類的getPlan()方法查詢兩點之間的駕車方案，利用返回總方案的駕駛路徑的距離和行程時間可以得到每個路段的平均行程車速。

1.2 速度數(shù)據(jù)處理方法

調(diào)取速度過程中，出現(xiàn)了速度不合理的情況，這種情況分為以下兩種：一是速度極低接近于零，二是通過前后速度對比，速度相差巨大。

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析過程中，得出造成數(shù)據(jù)誤差主要存在以下的幾個原因：（1）網(wǎng)絡(luò)原因：運行的程序需要良好的網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不良時也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況或者數(shù)據(jù)異常的情況。（2）樣本數(shù)量原因：夜晚出行量少，會出現(xiàn)速度大大高于白天的情況。（3）系統(tǒng)原因：百度地圖API 服務(wù)提供的函數(shù)主要是對大量獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理得到的，包括出租車GPS 數(shù)據(jù)、交通管理部門提供的數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，當(dāng)這些大量數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器可能因為耗時導(dǎo)致無法同步。而且這些數(shù)據(jù)來源的準(zhǔn)確性也需要探討。（4）交通原因：存在路邊停車或者車流交織等問題。

綜上所述，對于以上提出的存在數(shù)據(jù)誤差的原因，需要對獲取的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行判別和清洗處理，才能得到正常的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。

用公式（1）進(jìn)行判斷，當(dāng)實際值與預(yù)測值偏差大于50%時視為異常數(shù)據(jù)，認(rèn)為該數(shù)值失真[7]。

式中：x^i為預(yù)測值；xi為實際預(yù)測值；e 為偏差系數(shù)；k 為移動平均指數(shù)，可取6～10。

為了研究速度曲線的變化趨勢和規(guī)律，利用公式（2）將失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在查詢各種數(shù)值表時，可通過線性插值來得到表中沒有的數(shù)值。因此線性插值函數(shù)是一個既能反應(yīng)原函數(shù)的特性，也能近似原函數(shù)的函數(shù)。

式中：V (t1)為異常數(shù)據(jù)后一個速度值，V (t0)為異常數(shù)據(jù)前一個速度值，t1為異常數(shù)據(jù)的后一個速度值對應(yīng)的時間，t0為異常數(shù)據(jù)前一個速度值對應(yīng)的時間。該方法考慮了當(dāng)前速度值的前后值進(jìn)行修復(fù)，適合于對單個異常速度值的處理。

2 交通狀態(tài)評價方法

對城市道路交通運行狀態(tài)的分析必須有清晰和準(zhǔn)確的理解，在評價時需要對影響因素進(jìn)行量化，來進(jìn)行評級。本文基于道路平均行程速度、擁堵時長、擁堵距離等進(jìn)行綜合評價。

（1）評價指標(biāo)選取

根據(jù)不同評價對象，按照表1 選取評價指標(biāo)。

（2）路段（道路）運行狀態(tài)等級劃分

根據(jù)路段或道路的平均形成速度和批準(zhǔn)的道路坡度，路段或道路交通運行狀態(tài)等級可分為5 級，如表2 所示，單位為km/h（其中代表路段（道路）的平均行駛速度）。

3 實例分析

3.1 分析范圍及概況

表1 評價指標(biāo)

表2 道路交通運行狀態(tài)劃分

本文選取了桂林市幾條主要道路作為研究對象——上海路至漓江路、解放西路至解放東路、中山路、普陀路（如圖1 所示）。

圖1 研究道路范圍

（1）中山路全長5.2 公里，為雙向六車道，設(shè)計車速為60km/h；

（2）上海路至漓江路全長3.8 公里，為雙向六車道，設(shè)計車速為60km/h；

（3）解放西路至解放東路全長1.2 公里，為雙向六車道，設(shè)計車速為60km/h；

（4）普陀路全長2.2 公里，為雙向四車道，設(shè)計車速為40km/h。

研究道路雙向早晚高峰時間段如表3 所示。

表3 研究道路雙向早晚高峰時間段

3.2 結(jié)果分析

（1）時序特性分析

中山路在凌晨到早高峰前的6.5 小時內(nèi)最為暢通，而且速度數(shù)據(jù)波動較小，穩(wěn)定性好。最小車速可以達(dá)到25km/h 以上即運行狀態(tài)為暢通及以上的等級，在平峰時間段車速為15km/h 到25km/h 不等，總體運行狀態(tài)處于擁堵。中山路北向南平峰相較高峰運行狀態(tài)沒有得到較好的改善。中山路24 小時內(nèi)各個路段車速變化趨勢一致，分布較均勻，有明顯的雙峰特征（如圖2 所示）。

普陀路北向南比普陀路南向北方向速度的雙峰特性更明顯，普陀路南向北方向的早高峰出行與平峰時測得的速度相差不大，基本處于輕度擁堵的等級。普陀路上游路段比下游路段車速波動大，雙峰特征更明顯（如圖3 所示）。

圖2 中山路24 小時全程車速變化

圖3 普陀路24 小時全程車速變化

漓江路除去早晚高峰時段，道路全程整體的速度比較穩(wěn)定，波動小，運行狀態(tài)達(dá)到輕度擁堵級以上的等級，運行狀態(tài)良好。上海路至漓江路平峰時間段車速波動較大，具有不穩(wěn)定性和不確定性（如圖4 所示）。

解放西至解放東路除了凌晨到高峰前的6.5 個小時內(nèi)速度可以達(dá)到25km/h 以上。其余時間的交通運行狀態(tài)不佳，時常發(fā)生擁堵，早高峰結(jié)束后擁堵仍然持續(xù)數(shù)小時。24 小時速度分布圖早晚高峰不突出，晚高峰通勤結(jié)束后擁堵仍然持續(xù)了3 小時。造成擁堵現(xiàn)象的原因可能是因為近期對十字街地下通道進(jìn)行修建，封閉部分道路，而且附近是東西巷與正陽步行街兩大商業(yè)休閑街區(qū)，盡管在工作日，大流量緩慢通行一般從17:00 持續(xù)到晚上22:00。解放西至解放東路擁堵情況最嚴(yán)重，車速波動大且不穩(wěn)定，基本沒有雙峰特征，通勤晚高峰過后車速持續(xù)保持一個較低的水平（如圖5 所示）。

圖4 上海路至漓江路24 小時全程車速變化

圖5 解放西至解放東路24 小時全程車速變化

（2）時空特性分析

中山路北向南早高峰時間為6:35～10:00，擁堵時長為1.25 小時，擁堵距離為5 千米；晚高峰時間為16:40～18:45，與早高峰擁堵時長相同，擁堵距離為4.4 千米，道路最擁堵路段是整段中山北路。南向北方向晚高峰擁堵情況較早高峰嚴(yán)重，而北向南方向相差不大。擁堵里程比例為48.73%，中山路南向北早高峰時間為7:15～9:35，擁堵時長為2.25 個小時，擁堵距離為5.192千米；晚高峰時間為16:35～19:10，擁堵時長2 小時，道路最擁堵的路段為南方大廈到疊彩路—中山北路交叉口。擁堵里程比例為46.55%（如圖6 所示）。

普陀路北向南方向早高峰時間為7:40～9:55，擁堵時長為1.5 個小時，擁堵距離為1.6 千米，晚高峰時間段為17:05～19:30，擁堵時長為2.25 個小時，擁堵距離為1.6 千米，擁堵路段從桂林國際商貿(mào)城前漓江路到廣西師范大學(xué)育才校區(qū)附近的路段。擁堵里程比例為24.64%。南向北方向的早高峰時間為7:15～9:05，擁堵時長1.8 個小時，擁堵距離為1.416 千米，晚高峰時間段為17:55～20:45，擁堵時間為2.75 個小時，擁堵距離為1 千米。早晚高峰擁堵路段相同。擁堵里程比例為39%（如圖7 所示）。

圖6 中山路北向南及南向北擁堵時空分布圖

圖7 普陀路北向南及南向北擁堵時空分布圖

上海路至漓江路道路路段東向西方向早高峰時間為7:10～9:05，擁堵時長達(dá)到了1.8 個小時，擁堵距離為3.6 千米；晚高峰時間為17:55～20:25，擁堵時長為2.3 個小時，主要擁堵路段是上海路往桂林站的方向。擁堵里程比例為61%。西向東方向早高峰時間為2 個小時，擁堵時長為1.6 個小時，擁堵距離為3.4 千米，最擁堵的路段是桂林國際會展中心前的漓江路到桂林站附近的路段。擁堵里程比例為56.3%（如圖8 所示）。

解放西至解放東路東向西方向早高峰時間為7:00～9:00，擁堵時長達(dá)到了2.3 個小時，擁堵距離為0.635 千米；晚高峰時間為17:55～20:05，擁堵時長為5.3 個小時，擁堵路段是桂林中學(xué)門前交叉口至微笑堂交叉口路段。擁堵里程比例為82.2%。西向東方向早高峰時間為6:55～8:35，擁堵時長為1.4 個小時，擁堵距離為0.825 千米，最擁堵的路段是桂林中學(xué)前交叉口至東西巷西南門入口路段。擁堵里程比例為67%（如圖9 所示）。

圖8 上海路至漓江路東向西及西向東擁堵時空分布圖

圖9 解放西至解決東路東向西及西向東擁堵時空分布圖

4 結(jié) 論

對研究對象的分析得到道路運行狀態(tài)的特性：

（1）時序性

運行狀態(tài)的變化在時間序列上的演變規(guī)律與時間有很大的關(guān)系[9]。對于非偶然性、常發(fā)性的擁堵規(guī)律，是可以通過歷史數(shù)據(jù)分析得到的。由于道路本身固有的時序性，其速度也會呈現(xiàn)周期性演變。本研究對車速數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和清洗之后換算成行程時間得到了24 小時行程時間分布圖。圖中每條研究道路的行程時間基本都呈現(xiàn)了較為明顯的雙峰特征。所有研究的道路在凌晨到早高峰前的一段時間內(nèi)最暢通。在早晚高峰結(jié)束之后，通勤交通出行結(jié)束，擁堵等級降低[8]。晚高峰擁堵情況比早高峰嚴(yán)重，持續(xù)時間更長，擁堵距離更長。

（2）時空性

路段擁堵產(chǎn)生和消散明顯有傳遞特性[10]，擁堵狀態(tài)變化由開始擁堵路段通過空間傳播給下游路段，使得下游路段經(jīng)過一段時間差后可以獲得和上游擁堵路段相類似的運行狀態(tài)駝峰。

（3）時間臨近性規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn)主干道的平均行程車速的波動比支路大，即主干道的車速比支路更具有不穩(wěn)定性。支路的速度分布趨勢的時間相關(guān)性更突出，當(dāng)進(jìn)行交通運行狀態(tài)預(yù)測的時候，要更為重視相鄰時間段的交通運行狀態(tài)。而且對于等級高的道路以較精細(xì)的速度進(jìn)行運行狀態(tài)的分級，說明了出行者在設(shè)計速度大的道路上行駛時對于基于速度分級的運行狀態(tài)感受更敏感。

本文獲取到的可以用于分析的數(shù)據(jù)只有時間和速度，存在評價角度單一、影響因素分散的問題。考慮全局的交通運行特性問題需要進(jìn)一步研究。