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]，通過收費(fèi)數(shù)據(jù)挖掘得到長時間斷面交通量的算法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是針對短時間粒度的斷面交通量算法尚屬空白。而短時間粒度、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)建了針對短時、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)，采用車輛動態(tài)模擬的分配方式，計(jì)算全路網(wǎng)各路段短時間粒度的動態(tài)交通量。將收費(fèi)數(shù)據(jù)推算結(jié)果與自動化交通情況調(diào)查站監(jiān)測結(jié)果對比，高速公路網(wǎng)日交通量平均誤差為8.87%，小時交通量誤差為9.02%。本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了高速公路網(wǎng)全域、高效的自動化交通量推算，對于推動公路交通基礎(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]? TP312? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）17- 0180- 04

1? ? ? 引? ? 言

我國從1978年正式開展公路交通情況調(diào)查，并從2010年起開展大規(guī)模自動化調(diào)查站建設(shè)，站點(diǎn)涵蓋全國31個省（區(qū)、市），涉及高速公路、普通國道、普通省道等各等級道路。截至2018年底，全國共有交調(diào)站44 574個，其中自動化交調(diào)站7 631個[2]，間隙式站點(diǎn)和比重調(diào)查站點(diǎn)36 943個。但是目前交調(diào)站采集覆蓋率還不能滿足行業(yè)、社會的應(yīng)用需求[3]。經(jīng)過多年來的持續(xù)投入，我國高速公路網(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，可以自動獲取海量、實(shí)時的收費(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分配來計(jì)算路段交通量，但是主要是使用平均OD、通過靜態(tài)分配方式計(jì)算路段平均交通量，數(shù)據(jù)的時效性不強(qiáng)，沒有完全挖掘出收費(fèi)數(shù)據(jù)短時粒度的特點(diǎn)，不能很好地滿足短時間粒度的數(shù)據(jù)需求。文章針對現(xiàn)有研究中算法時效性的不足的問題，利用四川省高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)，通過車輛動態(tài)模擬的分配方法，將收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成短時高速公路路段交通量，并通過一定對應(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)作為研究建模對象，采用四川省高速公路交調(diào)數(shù)據(jù)作為校核對象。目前全省共529個實(shí)際收費(fèi)站點(diǎn)，其中省界收費(fèi)站點(diǎn)21個。為解決多義性路徑問題，在產(chǎn)生多義性路徑的路段上設(shè)置了共129個標(biāo)識站，車輛進(jìn)入高速公路后，其所經(jīng)標(biāo)識站均可在收費(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、出入時間，標(biāo)識站、車型信息等，而忽略其他數(shù)十種無用屬性信息。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)識站位置等。在進(jìn)行路網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建時，還要考慮必要的路段屬性信息，如每條路段的長度距離，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)識站作為路網(wǎng)中的實(shí)節(jié)點(diǎn)，而路段間相交的、但沒有布設(shè)收費(fèi)站或標(biāo)識站的節(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個收費(fèi)站點(diǎn)，129個標(biāo)識站，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)編號的建立需要與收費(fèi)數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)編號相對應(yīng)。在建立路網(wǎng)拓?fù)溥^程中，發(fā)現(xiàn)有些收費(fèi)站中同一個收費(fèi)站卻配有不同的編號，需用一張單獨(dú)表將這些編號不同而實(shí)體相同的節(jié)點(diǎn)一一對應(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主要步驟，分別為路段經(jīng)過性判斷、車輛通過時間判斷和集成交通量。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的時間，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;車輛通過時間判斷、集成交通量兩個步驟屬于在線處理，即與處理收費(fèi)數(shù)據(jù)同步進(jìn)行的步驟。

路段經(jīng)過性判斷的方法是最短路徑法。對于路網(wǎng)上任意兩個收費(fèi)站節(jié)點(diǎn)（標(biāo)識站看作特殊的收費(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)算兩個收費(fèi)站的最短路徑，作為進(jìn)出這兩個收費(fèi)站點(diǎn)的車輛的行駛路徑。四川路網(wǎng)收費(fèi)站529個，標(biāo)識站129個，即共有658個網(wǎng)絡(luò)實(shí)節(jié)點(diǎn)。

對于任意路段D，在推斷交通量之前，還需要求經(jīng)過路段D的經(jīng)由路徑LAB中每輛車通過路段D的時間。本研究使用勻速平均法來確定每輛車所經(jīng)過路徑中每一個路段的時間。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，來計(jì)算該車輛通過各個路段的時間。因?yàn)檐囕v入站時間、出站時間、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)，再通過各個路段的長度和與入口之間的距離，推出車輛經(jīng)過每個路段的時間。設(shè)AB是經(jīng)過路段D的最短路徑集合SD中的任意一個進(jìn)出站組合。車輛i從A站進(jìn)入高速的時間為TiA，車輛從B站駛出高速的時間為TiB，車輛從站點(diǎn)A到路段D的路程為LNAD，車輛由進(jìn)入站A到駛出站B的最短路徑的路程為LNAB，則根據(jù)勻速假設(shè)，可以求出車輛i通過路段D的時間為

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路段D的交通量，則在計(jì)算LNAD時需要多考慮路段D本身距離長度的一半。設(shè)路段的長度為LND，則LNAD=∑LNK+0.5×LND（k∈SLAD）。

計(jì)算任意路段D在任意時段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，對于每一組進(jìn)出高速的AB組合，在時段T內(nèi)經(jīng)過路段D的車輛數(shù)量的累加。用Ni代表累計(jì)個數(shù)增量，Ni數(shù)值取1。∑Ni代表滿足條件的車輛i的累計(jì)總數(shù)。設(shè)時間段T的起始時間為T1，終止時間為T2，VDAB（T）為由A進(jìn)入高速、由B駛出高速、且在時間段T內(nèi)經(jīng)過路段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在時間段T經(jīng)過路段D的車輛數(shù)。對于單一路段D，可以根據(jù)SD中的每一組合AB中的所有車輛進(jìn)出高速時間和距離，計(jì)算其經(jīng)過D的時間，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在時間段T中的交通量。

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

若考慮路段經(jīng)過性判斷，可將上式寫為

以上是以路段為對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)劃分了幾百個路段。在計(jì)算不同路段的交通量時，會涉及同一輛車在不同時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象的動態(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。通過收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)出收費(fèi)站的時間，推算車輛在高速公路網(wǎng)中經(jīng)過每一個路段中點(diǎn)的時間，進(jìn)一步推斷該路段的交通量。車輛i從A站進(jìn)入高速的時間為TiA，車輛i從B站駛出高速的時間為TiB，可以根據(jù)公式標(biāo)出其經(jīng)過各個路段中點(diǎn)的時間TDAB（i），其中D為車輛從A站到B站經(jīng)過的每個路段。對駛?cè)敫咚俚拿枯v車都進(jìn)行如從計(jì)算，則每一個路段D都標(biāo)定了路網(wǎng)中的經(jīng)過其路徑的車輛通過它的時間TDAB（i）。計(jì)算交通量時，將符合時間段T內(nèi)的車輛個數(shù)累加，即為該路段在時間T內(nèi)的交通量。用動態(tài)模擬的方法，可以同時計(jì)算路網(wǎng)中所有路段的交通量，而不會重復(fù)計(jì)算車輛行駛到每個路段的時間等基本信息，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個自動化交調(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)線分向各個放射線高速的車速較為通暢。對于行駛路徑依次經(jīng)過放射線和成都環(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)算的路段交通量會有微小偏差。但根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在計(jì)算交通流量時，勻速行駛假設(shè)基本可以滿足以小時為單位的短時間粒度交通量計(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、時間范圍下進(jìn)行比對。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，二者變化趨勢一致，高速公路網(wǎng)日交通量平均誤差為8.87%，小時交通量誤差為9.02%。對于單一路段，高速公路日交通量誤差為13.80%，小時交通量誤差為17.20%。分車型看，單個站點(diǎn)的中小客車小時交通量誤差在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，首次采用動態(tài)模擬分配的方法得出了短時間粒度的全網(wǎng)各路段流量;且經(jīng)過車型匹配算法，得出基于公路交調(diào)系統(tǒng)的分車型交通量數(shù)據(jù)。通過收費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算短時的路段交通量數(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)。

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