出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在綜合交通調(diào)查中的應(yīng)用方法

代 位

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司城鄉(xiāng)規(guī)劃院，上海市 200092]

0 引言

城市綜合交通調(diào)查是為明確城市交通需求和運(yùn)行特征而進(jìn)行的調(diào)查，為城市綜合交通體系規(guī)劃編制、交通模型標(biāo)定與校驗(yàn)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含居民出行調(diào)查等9項(xiàng)內(nèi)容[1-2]。具備條件的城市可采用信息化數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)查項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，信息化數(shù)據(jù)包括視頻或檢測(cè)數(shù)據(jù)、車(chē)輛定位數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信數(shù)據(jù)等。

出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)是信息化數(shù)據(jù)的一種，屬于車(chē)輛定位數(shù)據(jù)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是分布廣泛，出租車(chē)在城市各處流動(dòng)；二是采集連續(xù)，出租車(chē)在運(yùn)營(yíng)期間不間斷返回定位數(shù)據(jù)；三是應(yīng)用面廣，其數(shù)據(jù)挖掘結(jié)構(gòu)既能反映出租車(chē)運(yùn)營(yíng)特征，也可反映道路交通運(yùn)行情況。因此，出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中應(yīng)用價(jià)值價(jià)高。

當(dāng)前對(duì)出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)的研究主要集中在地圖匹配方面，大量文獻(xiàn)研究了車(chē)輛軌跡點(diǎn)與路段匹配的精確算法[3]，包括幾何方法[4]、隱馬爾可夫模型[5]以及其他方法[6-7]，為出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)的處理方法積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。近年一些研究?jī)A向于挖掘出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)所包含的居民出行[8-10]、通勤活動(dòng)[11]、路網(wǎng)狀態(tài)[12]等信息。但缺乏對(duì)出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中應(yīng)用的梳理。

本文從綜合交通調(diào)查的應(yīng)用角度出發(fā)，梳理出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中的應(yīng)用場(chǎng)景及要求，分析數(shù)據(jù)處理框架，并涉及適宜交通規(guī)劃項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理方法，最后以實(shí)際項(xiàng)目為例介紹應(yīng)用情況。

1 基于交通調(diào)查場(chǎng)景的出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)處理方法

1.1 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)的交通調(diào)查應(yīng)用場(chǎng)景分析

根據(jù)《城市綜合交通調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51334—2018）[1]（下稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》）和《城市綜合交通體系規(guī)劃交通調(diào)查導(dǎo)則》[2]（下稱(chēng)《導(dǎo)則》），可應(yīng)用到出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)的交通調(diào)查主要有：出租車(chē)調(diào)查（《導(dǎo)則》中為“商用車(chē)調(diào)查”出租部分）、居民出行調(diào)查、道路交通調(diào)查、出行生成源調(diào)查。各項(xiàng)調(diào)查內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中的應(yīng)用場(chǎng)景及要求

1.2 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)處理分析框架

1.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及處理框架

出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)至少應(yīng)包含定位時(shí)間、經(jīng)緯度、載客狀態(tài)等字段，典型的軌跡數(shù)據(jù)字段及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型如表2所示。其中定位時(shí)間、經(jīng)緯度確定出租車(chē)輛的時(shí)空位置，載客狀態(tài)的變化判斷出租車(chē)輛訂單轉(zhuǎn)換，行駛速度或距離確定車(chē)輛速度。

表2 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中的應(yīng)用場(chǎng)景及要求

出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查應(yīng)用中的處理流程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析三個(gè)步驟，分析框架見(jiàn)圖1。

圖1 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)處理框架

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

出租車(chē)軌跡的原始數(shù)據(jù)會(huì)存在幾個(gè)問(wèn)題：

一是未定位的數(shù)據(jù)：往往產(chǎn)生于一輛出租車(chē)啟動(dòng)或關(guān)閉定位功能的短時(shí)間內(nèi)，這段時(shí)間出租車(chē)信號(hào)很弱，無(wú)法獲得準(zhǔn)確坐標(biāo)，定位狀態(tài)字段[LOCATION]顯示FALSE。需刪除該部分?jǐn)?shù)據(jù)。

二是坐標(biāo)系問(wèn)題：不同出租車(chē)服務(wù)商采用的定位數(shù)據(jù)坐標(biāo)系可能不同，需要與交通調(diào)查所選用的坐標(biāo)系統(tǒng)一。

三是有無(wú)客狀態(tài)標(biāo)記錯(cuò)誤數(shù)據(jù)：在實(shí)踐過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有部分出租車(chē)輛的載客狀態(tài)字段[STATUS]的“搖擺”現(xiàn)象。例如t時(shí)刻顯示“載客”，在t+Δt時(shí)刻（Δt為軌跡數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間步長(zhǎng)，本文中為15 s）顯示“空駛”，在t+2Δt時(shí)刻又顯示“載客”。該部分?jǐn)?shù)據(jù)需要通過(guò)完整的載客行駛鏈判斷修正。

因而數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：

一是刪除未定位的數(shù)據(jù)；

二是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將全部軌跡點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為交通調(diào)查的統(tǒng)一坐標(biāo)；

三是根據(jù)載客狀態(tài)的變化提取初步訂單行駛鏈，當(dāng)載客狀態(tài)在t時(shí)刻從“空駛”變?yōu)椤拜d客”，在t+NΔt時(shí)刻（N為時(shí)間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)）從“載客”變?yōu)椤翱振偂?，則t至t+NΔt時(shí)間內(nèi)的記錄構(gòu)成一條初步訂單行駛鏈Li（i為初步載客出行鏈編號(hào)）；

四是完整訂單行駛鏈處理，由于可能存在載客狀態(tài)字段的“搖擺”現(xiàn)象，需要判斷前后初步訂單行駛鏈的時(shí)間間隔，記相鄰兩條初步訂單行駛鏈Li和Li+1的終點(diǎn)和起點(diǎn)時(shí)間分別為tsLi，teLi+1，設(shè)定訂單間距時(shí)間閾值θ，若teLi+1-tsLi≤θ，則將Li和Li+1合并，繼續(xù)與下一條鏈進(jìn)行判斷，若teLi+1-tsLi＞θ，則Li標(biāo)記為完整訂單行駛鏈，Li+1進(jìn)行下一步判斷。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)數(shù)據(jù)分析需求不同，出租車(chē)數(shù)據(jù)處理分為訂單行駛鏈的起終點(diǎn)處理和中間點(diǎn)處理。

（1）訂單行駛鏈的起終點(diǎn)處理

起終點(diǎn)處理目的是得到各車(chē)輛在每次訂單的起點(diǎn)位置、起點(diǎn)時(shí)間、終點(diǎn)位置和終點(diǎn)時(shí)間，主要方法是對(duì)預(yù)處理后的完整訂單行駛鏈起終點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)聚合處理，方法比較簡(jiǎn)單，本文不展開(kāi)介紹。

（2）訂單行駛鏈的中間點(diǎn)處理

中間點(diǎn)處理的目的是根據(jù)出租車(chē)的實(shí)時(shí)速度判斷路段車(chē)速。本文采用一種較為簡(jiǎn)單的“相鄰定位點(diǎn)最短路徑匹配法”實(shí)現(xiàn)地圖匹配計(jì)算過(guò)程。過(guò)程介紹如下：

a.路網(wǎng)數(shù)字化處理。為和交通調(diào)查中其他交通系統(tǒng)匹配，采用統(tǒng)一的路網(wǎng)，一般為CAD路網(wǎng)文件。在ArcGIS軟件中導(dǎo)入CAD路網(wǎng)，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后，采用“要素轉(zhuǎn)線(xiàn)”功能將路網(wǎng)打斷，生成較為細(xì)致的路網(wǎng)圖層。在該圖層中，利用字段計(jì)算器中“shape.wkt”函數(shù)，生成線(xiàn)要素文本[wkt]字段。將[wkt]字段中的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，獲得路段點(diǎn)（交點(diǎn)或端點(diǎn)）的坐標(biāo)、路段與路段點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此處記路網(wǎng)G：

式中：P為路段點(diǎn)集合P={p1，p2，···，pi，···，pn}；E為路段集合E={e1，e2，···，ei，···，em}；對(duì)于路段集合中任意路段ei，又由點(diǎn)集合中的兩元素pj（起點(diǎn)）、pk（終點(diǎn)）對(duì)應(yīng)，即ei=（pj，pk）。

b.相鄰軌跡點(diǎn)匹配路段點(diǎn)。按距離最短原則，對(duì)于出租車(chē)載客行駛鏈Li中的任意相鄰兩軌跡點(diǎn)lq和lq+1，匹配路段點(diǎn)集P中最近的兩個(gè)路段點(diǎn)pq和pq+1。為減少匹配計(jì)算量，可劃定每個(gè)軌跡點(diǎn)的匹配范圍：記軌跡點(diǎn)lq坐標(biāo)分別為xq、yq，設(shè)定匹配坐標(biāo)計(jì)算閾值Δx和Δy，則生成路段點(diǎn)集P的子集Ppq滿(mǎn)足Ppq={p（ixi，y）i|xq-Δx≤xi≤xq+Δx，yq-Δy≤yi≤yq+Δy}，進(jìn)而在Ppq中進(jìn)行路段點(diǎn)的匹配。

c.生成匹配路段點(diǎn)的最短路徑并賦速度值。對(duì)于路網(wǎng)G，尋找路段點(diǎn)pq和pq+1間的最短路徑Eq=對(duì)最短路徑集E中的每一條路段q記錄定位點(diǎn)此時(shí)的時(shí)刻和速度。若車(chē)輛在某時(shí)段速度很低（例如發(fā)生了擁堵情況），導(dǎo)致匹配的路段點(diǎn)相同，即pq=pq+1，則將速度值賦給上一時(shí)段。同樣，為減少計(jì)算量，可劃定最短路徑計(jì)算范圍：合并計(jì)算路段點(diǎn)pq和pq+1時(shí)的點(diǎn)集Ppq和Ppq+1，得到點(diǎn)集PΣq，并得到其關(guān)聯(lián)的路段集EΣq，構(gòu)成路網(wǎng)子集GΣq={PΣq，EΣq}，進(jìn)而在GΣq中計(jì)算最短路徑Eq。

d.聚合出結(jié)果。所有車(chē)輛的軌跡點(diǎn)匹配完成后，計(jì)算各時(shí)段每條路段的平均運(yùn)行速度值。由于不同等級(jí)路段直接比較運(yùn)行速度意義不大，還可以計(jì)算路段運(yùn)行指數(shù)。本文定于路段運(yùn)行指數(shù)=該段道路上最高運(yùn)行速度/統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)平均運(yùn)行速度。

2 出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在某市綜合交通調(diào)查中的應(yīng)用

以某市連續(xù)一周工作日的1 816輛巡游出租車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)交通調(diào)查工作。該市中心城區(qū)出租車(chē)輛總規(guī)模為5 150臺(tái)，其中巡游車(chē)2 750臺(tái)，網(wǎng)約車(chē)2 400余臺(tái)，出租車(chē)萬(wàn)人擁有率為18.7臺(tái)/萬(wàn)人。樣本比例為35%，滿(mǎn)足抽樣率要求。

2.1 出租車(chē)調(diào)查

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該市出租車(chē)平均日載客19單，行駛里程163.2 km。平均每單載客時(shí)間14.3分鐘，出行距離為6.7 km（見(jiàn)圖2）。平均里程利用率為78%，空駛率較低，出租經(jīng)營(yíng)狀態(tài)良好。從早8時(shí)至晚21時(shí)，出租車(chē)訂單比例均在5%以上，波動(dòng)較小；出租車(chē)出行高峰發(fā)生在17~18時(shí)，比例達(dá)7.2%，案例城市出租車(chē)訂單時(shí)變特征見(jiàn)圖3。

圖2 案例城市出租車(chē)出行距離分布

圖3 案例城市出租車(chē)訂單時(shí)變特征

從出租車(chē)訂單的起點(diǎn)和終點(diǎn)分布（圖4、圖5）來(lái)看，出發(fā)、到達(dá)地空間分布大體趨同，主要分布在高鐵北站、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等重要交通樞紐區(qū)域，以及大學(xué)城、解放路商業(yè)中心、北京路商務(wù)中心等商貿(mào)活動(dòng)片區(qū)，反映出租車(chē)出行主要服務(wù)進(jìn)出城旅客和商貿(mào)活動(dòng)乘客的特點(diǎn)。出租車(chē)訂單起終點(diǎn)空間分布也可為運(yùn)營(yíng)公司科學(xué)調(diào)配車(chē)輛資源提供決策依據(jù)。

圖4 案例城市出租車(chē)訂單起點(diǎn)空間分布

圖5 案例城市出租車(chē)訂單終點(diǎn)空間分布

2.2 車(chē)速調(diào)查

通過(guò)地圖匹配和各條道路聚合計(jì)算，結(jié)合不同道路等級(jí)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)速度，得到各時(shí)段各條路段平均行駛速度和擁堵指數(shù)分布。計(jì)算結(jié)果表明：

一是速度空間分布，高峰小時(shí)路段擁堵指數(shù)分布（如圖6）表明，通達(dá)路橋、沂蒙路橋擁堵嚴(yán)重，北京路橋、解放路橋行駛緩慢，城區(qū)過(guò)河交通壓力較大；橫向蘭山路、金雀山路、陶然路、鳳凰大街，縱向蒙山大道、通達(dá)路、沂州路等路段較為擁堵。

圖6 工作日晚高峰小時(shí)路段擁堵指數(shù)分布

二是速度時(shí)間分布，從全市出租車(chē)車(chē)速變化特征（圖7）可看出，存在兩個(gè)明顯“低谷”時(shí)段，分別為7~8時(shí)和17~18時(shí)，且晚高峰運(yùn)行車(chē)速更低，路網(wǎng)更擁堵。

圖7 案例城市出租車(chē)車(chē)速時(shí)變特征

2.3 出行生成源調(diào)查

以高鐵北站為出行生成源，可研究其區(qū)域內(nèi)出租車(chē)到發(fā)時(shí)空分布。以到達(dá)地分布為例（見(jiàn)圖8），可看出，從高鐵北站出發(fā)的出租車(chē)，終點(diǎn)集中分布在大學(xué)城區(qū)域，此外北京路商務(wù)區(qū)、解放路商業(yè)區(qū)分布較多，機(jī)場(chǎng)、河?xùn)|區(qū)域、羅莊區(qū)域分布較少。

圖8 以高鐵北站為終點(diǎn)的出租車(chē)起點(diǎn)分布

2.4 居民出行調(diào)查

將每筆出租車(chē)訂單的起終點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)到交通小區(qū)（或中區(qū)、大區(qū)）中，按區(qū)域聚合，便可得到區(qū)域間的出租車(chē)出行OD矩陣和期望線(xiàn)分布。圖9是該城市交通大區(qū)的出租車(chē)出行期望線(xiàn)圖，可看出，蘭山老城區(qū)與北城新區(qū)間聯(lián)系最為緊密，出租車(chē)出行量最大；與河?xùn)|區(qū)北部、羅莊區(qū)聯(lián)系較緊密；其他區(qū)域間出租車(chē)出行量不大。該數(shù)據(jù)結(jié)果，可為居民出行調(diào)查中的出租車(chē)出行分布提供校正依據(jù)，亦可為完善交通模型提供支持。

圖9 交通大區(qū)出租車(chē)出行期望線(xiàn)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)梳理了出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)在交通調(diào)查中的應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用方法，重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)處理流程、關(guān)鍵算法，及其在某城市出租車(chē)調(diào)查、車(chē)速調(diào)查、出行生成源調(diào)查和居民出行調(diào)查中的應(yīng)用結(jié)論。本文中的應(yīng)用方法適用于綜合交通規(guī)劃、相關(guān)交通專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃中的交通調(diào)查，為信息化手段進(jìn)行交通調(diào)查提供了有效手段。今后將持續(xù)深入挖掘出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。