基于新能源汽車軌跡數(shù)據(jù)的交通擁堵評價方法研究

潘雨詩，鐘鳴薈，楊 益，姚 雯，單雪輝

1.上海晶眾信息科技有限公司，2.上海市新能源汽車公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測研究中心

0 引 言

近年來，隨著城市機動車保有量不斷攀升，面對交通出行量大幅增長，城市的道路容量難以做出快速提升；同時，一線城市職住、功能區(qū)劃分明顯，高峰期市中心人口聚集，人流量增大，城市道路交通擁堵已逐漸從單一性的路段或者交叉口擁堵演變成為區(qū)域性的網(wǎng)絡(luò)擁堵，使得緩堵保暢對城市交通擁堵特征分析提出了更高的要求，《交通強國建設(shè)綱要》也是指出各城市要近一步完善治理體系，提升治理能力。

與此同時，信息技術(shù)的高速發(fā)展讓交通運輸從數(shù)據(jù)匱乏邁向數(shù)據(jù)豐富的大數(shù)據(jù)時代。交通管控已經(jīng)能夠從單車級別的微觀數(shù)據(jù)入手，基于海量交通數(shù)據(jù)，建立更為結(jié)合城市實際交通狀況的交通擁堵指數(shù)評價模型，利用可視化技術(shù)手段全面、實時的呈現(xiàn)城市交通運行狀態(tài)，確定合理評價指標(biāo)，對定量評價交通擁堵、優(yōu)化道路交通系統(tǒng)、緩解擁堵狀況、促進城市可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

1 國內(nèi)外交通評價指標(biāo)研究方法

目前，國內(nèi)外各城市都陸續(xù)形成了一系列交通評價指標(biāo)研究方法，適用于各城市本身的道路運行情況。國外對交通擁堵評價指標(biāo)的評判標(biāo)準(zhǔn)主要是基于車輛出行的流密速，即包括了對道路交通量、道路交通密度、道路行程車速等多個方面[7]。比較典型的交通評價指標(biāo)有INRIX Index指標(biāo)，這是一種根據(jù)路段車速計算道路擁堵情況的指標(biāo)，形成一套對道路擁堵的判定標(biāo)準(zhǔn)，主要通過自由流車速及行程車速之間的關(guān)系來進行評價方法建立，是目前比較通用的評判標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，根據(jù)交通流密度也可研究道路運行情況及擁堵持續(xù)情況。由美國提出的道路擁堵指數(shù)通過對道路等級進行劃分，以等級、距離、平均日流量作為參數(shù)進行加權(quán)平均的方式建立評價方法，反映擁堵情況。日本提出擁堵度的概念，通過實際交通量與全日24小時或者白天的基準(zhǔn)流量相比，以交通量間的關(guān)系來衡量交通擁堵狀況。以上是國外根據(jù)各自城市狀況與數(shù)據(jù)源質(zhì)量情況，目前采用的一些典型評價方法。

我國隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，道路擁堵成為城市交通需要解決的一大難題。國內(nèi)各城市也形成了一些適用于本城市的交通運行評價指標(biāo)方法，總體來講可以圍繞擁堵里程比例、出行時間比和綜合評價等幾種計算方法展開。以北京來說，以車公里數(shù)為主要影響因子，同時加入道路等級、擁堵里程比例等影響因素，計算擁堵指數(shù)，提出了一套綜合反映全市的道路網(wǎng)交通運行狀況的評判標(biāo)準(zhǔn)，該《城市道路交通運行評價指標(biāo)體系》標(biāo)準(zhǔn)于2011年正式實施[1]。國內(nèi)其他城市中，廣州與北京的指標(biāo)評價方法較為類似來。與北京、廣州不同，上海提出的道路交通指數(shù)評價指數(shù)是根據(jù)選取的道路飽和度和機動車運行速度作為影響指標(biāo)建立指數(shù)模型，并利用實際采集數(shù)據(jù)結(jié)合指數(shù)模型計算得到，能直觀地反映交通服務(wù)狀況的優(yōu)劣[4]；鄭淑鑒、郭宏雨等學(xué)者針對各項案例研究提出了道路交通擁堵指標(biāo)[1,5-6]。王研穎，基于北京道路檢測器數(shù)據(jù)，研究道路擁堵特征，并構(gòu)建相應(yīng)指標(biāo)體系[3]。

可以看出，國內(nèi)外根據(jù)自己城市的特征，采用的擁堵評價指標(biāo)表達(dá)形式不一，但都能比較客觀、定量得衡量城市交通擁堵情況。

2 基于新能源汽車數(shù)據(jù)的交通擁堵評價方法研究

2.1 評價指標(biāo)設(shè)計

為了保證對交通運行情況評價的結(jié)論盡可能的客觀、科學(xué)，評價指標(biāo)的設(shè)計選取必須遵循一定的規(guī)則，即本文設(shè)計的評價指標(biāo)需保證整體的完備性、客觀性、可比性、可操作性等原則。

本文是基于上海新能源汽車GPS數(shù)據(jù)來進行道路擁堵研究，通過新能源GPS數(shù)據(jù)可分析較為準(zhǔn)確的車速數(shù)據(jù)，而平均行程車速是反映擁堵的關(guān)鍵性指標(biāo)，滿足以上設(shè)計原則，故本文基于路段速度來計算擁堵性的相關(guān)指標(biāo)反映路段擁堵情況，根據(jù)不同道路的等級、交通容量等情況計算判定道路自由流車速與實際行程車速。

2.2 擁堵指數(shù)計算

本文采用的擁堵指數(shù)方法是根據(jù)平均行程車速和路段自由流車速之間的相互關(guān)系進行計算確定。首先確定初始計算方法：以路段自由流車速/平均行程車速為路段的基礎(chǔ)擁堵指數(shù)算法核心進行計算，本文采用數(shù)據(jù)上傳的間隔為15 min，計算步驟如下：

①計算統(tǒng)計間隔里各路段的擁堵指數(shù)

15 min路段的擁堵指數(shù)計算方法如下列公式(1)所示：

上述公式中CSij表示第i條路段第j個間隔的計算速度，即路段上車輛行駛的實際運行速度，RSij則表示的是第i條路段第j個間隔的參考速度，即道路在自由流狀態(tài)下的速度值。

②計算統(tǒng)計間隔里區(qū)域的擁堵指數(shù)

對15 min間隔中計算出的路段指標(biāo)值Xij，以路段的長度為權(quán)重，進行加權(quán)平均，所得區(qū)域的擁堵指數(shù)計算如下列公式(2)所示：

式中：N表示區(qū)域的路段總數(shù)。

通過計算，最終所得的交通擁堵指數(shù)固定在范圍0～10，指數(shù)小于0賦值0，指數(shù)大于10賦值10。反映在地圖上，指數(shù)數(shù)值越高，表示這條路的交通擁堵狀況越嚴(yán)重，按等級劃分，共分為五級，分別代表道路的暢通、基本暢通、輕度擁堵、中度擁堵和嚴(yán)重?fù)矶碌任寮塠2]。即當(dāng)一條道路的擁堵指數(shù)在0～2之間時，會在地圖相應(yīng)的位置顯示出綠色，當(dāng)一條路的擁堵指數(shù)大于8時，會在地圖相應(yīng)的位置顯示出深紅色。不同指數(shù)表示道路擁堵情況如下：

0～2，暢通：表示可順暢到達(dá)目的地；

2～4，基本暢通：表示一次出行平均需要比暢通時多花費0.2～0.5倍時間；

4～6，輕度擁堵：表示一次出行平均需要比暢通時多花費0.5～0.8倍時間；

6～8，中度擁堵：表示一次出行平均需要比暢通時多花費0.8～1.1倍時間；

8～10，嚴(yán)重?fù)矶拢罕硎疽淮纬鲂衅骄枰葧惩〞r多花費1.1倍以上時間[2]。

計算中自由流速度是指密度為零時交通流的理論速度，或者說是不受其他車輛干擾、根據(jù)駕駛員主觀意愿自由選擇的行駛速度。此處我們初步結(jié)合各道路等級的設(shè)計時速及實際道路的速度值，定義RT I C 各等級的自由流速度如下：

RTIC1等級：100 km/h

RTIC2等級：80 km/h

RTIC3等級：50 km/h

RTIC4等級：40 km/h

相關(guān)參考如表1、表2所示。

表1 各級公路設(shè)計速度

表2 各級道路的設(shè)計速度

以上為自由流速度確定的原則，參考出處：“城市道路工程設(shè)計規(guī)范（CJJ37-2012）”和“公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B01-2003）”。結(jié)合實際情況設(shè)定道路等級自由流速度參考值，如表3所示。

表3 不同道路等級自由流速度

2.3 算法糾偏與校正

但往往自由流車速會根據(jù)實際城市道路情況不同而有所變化，故本文將進一步深入研究流量與速度的關(guān)系。在按實際情況進行自由流車速計算后，完善指數(shù)計算算法：

計算分區(qū)域分道路等級平均行程車速，根據(jù)實際計算結(jié)果，取前5%～10%的行程車速作為自由流車速，與2.2中設(shè)置的自由流車速參考做對比，進行修正。

另外，新能源汽車GPS數(shù)據(jù)中僅包含車輛當(dāng)前記錄時間的得瞬時速度數(shù)據(jù)，故需要通過對GPS數(shù)據(jù)分析處理，提取計算平均行程車速。平均行程車速的計算需要遵循以下步驟：

①壞數(shù)據(jù)刪除。首先，需要對新能源汽車GPS數(shù)據(jù)進行壞數(shù)據(jù)清洗，包含對日期時間、車牌（或車輛唯一標(biāo)識）、經(jīng)緯度及瞬時車速格式正確性判定，對瞬時車速的數(shù)據(jù)合理性進行判定。

②大離散數(shù)據(jù)剔除。其次進行大離散數(shù)據(jù)剔除。由于數(shù)據(jù)中存在一些偏差過大的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會對均值取值產(chǎn)生極大影響，從而干擾交通流的平均行程車速計算，因此需要進行大離散數(shù)據(jù)剔除。大離散數(shù)據(jù)剔除采用的原則依據(jù)樣本數(shù)量大小有所不同，一般來說大樣本數(shù)據(jù)適合使用萊茵達(dá)準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)量較小則適合依據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則和迪克遜準(zhǔn)則。本文因數(shù)據(jù)量大，采用萊茵達(dá)準(zhǔn)則進行剔除。根據(jù)萊茵達(dá)準(zhǔn)則，樣本數(shù)據(jù)為x1、x2、……、xn，首先計算算術(shù)平均值，再計算剩余誤差，最后根據(jù)貝塞爾法計算均方根偏差，計算公式分別如下：

本文采用的數(shù)據(jù)量較大，誤差服從正態(tài)分布時，誤差絕對值大于2σ的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率約為5%。

即|xi—X|>2σ時，可以進行數(shù)據(jù)剔除，反之保留。

最終可對不同范圍車速進行二次修正。

3 應(yīng)用案例

本文實際應(yīng)用案例選取上海市楊浦區(qū)及嘉定區(qū)進行實際數(shù)據(jù)計算分析。數(shù)據(jù)基本情況如下：楊浦區(qū)及嘉定區(qū)新能源汽車數(shù)約40萬輛，GPS總數(shù)據(jù)量約2億條，原始數(shù)據(jù)表字段如表4所示。

表4 新能源汽車GPS數(shù)據(jù)表（T_EVGPS）

根據(jù)本文采用的擁堵指數(shù)計算方法，進行道路及GPS數(shù)據(jù)的空間匹配，按15 min時間段進行劃分，統(tǒng)計每15 min每條路段的點車速（瞬時車速）：

①首先對壞數(shù)據(jù)進行篩查刪除。將所有點車速進行篩查，對不規(guī)范、錯誤的壞數(shù)據(jù)進行刪除，以免對后續(xù)行程車速計算造成較大影響。

②大離散數(shù)據(jù)剔除。根據(jù)大離散數(shù)據(jù)剔除標(biāo)準(zhǔn)，誤差服從正態(tài)分布時，誤差絕對值最大約為5%的數(shù)據(jù)進行剔除，將臨停、超速等偶發(fā)情況造成的車速過小、過大數(shù)據(jù)進行剔除。

③確定自由流車速：按道路等級及車道數(shù)進行分類，對所有點車速進行排序，取前5%～10%的速度作為自由流車速值。形成道路自由流車速表。

④行程車速計算。對每條路段點車速進行均值計算，得到行程車速值。

⑤道路擁堵指數(shù)計算。根據(jù)本文采用的擁堵指數(shù)計算方法，進行二次修正，得到每條路段及區(qū)域的擁堵指數(shù)計算結(jié)果。

如果車速v<30 km/h，指數(shù)=6.2×Ln(自由流車速/車速)+2.9，（ln以自然對數(shù)e為底）；

如果車速v≥30 km/h，指數(shù)=20.8×Ln(自由流車速/車速)+0.800 35，（ln以自然對數(shù)e為底）。

⑥通過建設(shè)可視化系統(tǒng)，形成可視化成果。最終數(shù)據(jù)及可視化效果如圖1、圖2所示。

圖1 區(qū)域擁堵指數(shù)

圖2 道路車速分布

4 結(jié) 語

隨著城市交通的發(fā)展及智能技術(shù)的進步，城市交通管理者迫切需要了解實際交通狀況，建立交通擁堵評價指標(biāo)是首要選擇。本文主要是應(yīng)用大數(shù)據(jù)算法及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，建立交通擁堵評價指標(biāo)及指數(shù)計算方法，基于上海新能源汽車GPS數(shù)據(jù)進行交通擁堵指數(shù)計算分析，反映上海道路擁堵情況，通過指標(biāo)計算結(jié)果為交通管理提供輔助性決策分析數(shù)據(jù)支撐。本文作為輔助性探究，使用新能源汽車GPS數(shù)據(jù)，基于路段速度研究交通擁堵評價方法，填補新能源汽車研究路段擁堵情況的空白，同時新能源汽車車輛比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過出租車輛數(shù)，故基于新能源汽車GPS數(shù)據(jù)研究路段道路擁堵具有很大的研究意義，但本文數(shù)據(jù)類型比較單一，可結(jié)合各類城市交通大數(shù)據(jù)融合分析比對，形成更實際、精準(zhǔn)的道路運行情況判斷。