呂夢(mèng)蛟

【摘要】 基于移動(dòng)通信基站信號(hào)數(shù)據(jù)采集道路交通狀態(tài)特征信息技術(shù)是目前新興的移動(dòng)采集手段，已經(jīng)形成了完善、可靠的理論體系與技術(shù)框架，并在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多地城市得以具體實(shí)踐應(yīng)用。浙江省交通廳于2013年建設(shè)了基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高速公路交通狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用浙江移動(dòng)與浙江聯(lián)通兩家運(yùn)營(yíng)商的信令數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)基站信號(hào)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提取與分析，結(jié)合浙江省高速公路沿線基站信號(hào)覆蓋模式、高速線型模式、車(chē)輛行駛模式等實(shí)際情況，研究構(gòu)建針對(duì)性交通分析模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集置信度較高、精度較高的高速公路交通狀態(tài)信息。該系統(tǒng)僅需投入一定數(shù)量的服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)運(yùn)算，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全范圍廣域交通信息的采集，同時(shí)，系統(tǒng)的前期建設(shè)成本與后期運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)很低。系統(tǒng)成果為浙江省交通廳及時(shí)有效地應(yīng)急決策與高速公路運(yùn)行特征分析提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，并為后續(xù)手機(jī)采集技術(shù)在浙江省乃至全國(guó)更多道路上的應(yīng)用奠定了科學(xué)研究與工程實(shí)施的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 大數(shù)據(jù) 移動(dòng)通信基站 手機(jī)信令 交通狀態(tài) 高速公路

一、引言

近年來(lái)，高速公路的蓬勃建設(shè)，改善了我國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了區(qū)際和區(qū)域各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，有效地拉動(dòng)內(nèi)需，刺激了高速公路附近地區(qū)的經(jīng)濟(jì)繁榮和發(fā)展，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和空間格局演化具有非常重要作用。但高速公路“硬件”配置提升的同時(shí)，由于車(chē)流量增長(zhǎng)、事故頻發(fā)、節(jié)假日免費(fèi)通行等原因，交通擁堵的發(fā)生頻率越來(lái)越高，擁堵持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，擁堵影響范圍也越來(lái)越擴(kuò)大，對(duì)高速公路的現(xiàn)代化、信息化運(yùn)營(yíng)管理水平，提出了越來(lái)越高的要求。

因此，相關(guān)運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)迫切需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)了解擁堵路段空間分布、擁堵程度、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等道路實(shí)際通行狀況，以便及時(shí)采取針對(duì)性的管理措施，提醒公眾繞行線路、出行時(shí)段和注意事項(xiàng)，從而為公眾出行提供良好的高速公路通行環(huán)境。

目前高速公路在一些重要的區(qū)域（如收費(fèi)站）設(shè)置了地磁檢測(cè)、微波檢測(cè)、視頻檢測(cè)等各類(lèi)固定檢測(cè)器，具備了一定的采集定點(diǎn)交通參數(shù)的能力，但是其安裝和維護(hù)成本很高、覆蓋范圍相當(dāng)有限。而兩客一危GPS浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)，則存在有效樣本量較少、與路段車(chē)輛正常行駛狀態(tài)并不完全一致等問(wèn)題，所采集的交通狀態(tài)信息的可信度和可靠度也較為有限。

基于移動(dòng)通信基站信號(hào)數(shù)據(jù)[2]（也可稱(chēng)作，手機(jī)信令數(shù)據(jù)或手機(jī)數(shù)據(jù)）采集道路交通狀態(tài)特征信息技術(shù)是目前新興的移動(dòng)采集手段。其利用目前全范圍覆蓋極少盲區(qū)的移動(dòng)基站信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，采集攜帶各個(gè)手機(jī)終端在地理空間上的位置與活動(dòng)信息。隨著手機(jī)終端的普及，高速公路出行人群中持有手機(jī)的比例越來(lái)越高，達(dá)到了人手一機(jī)或多機(jī)的程度。同時(shí)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商由于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需要，信令監(jiān)控平臺(tái)日益成熟，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)到手機(jī)終端信令數(shù)據(jù)，如收發(fā)短信、上網(wǎng)、電話等，這些數(shù)據(jù)里蘊(yùn)含著各個(gè)手機(jī)終端基站信號(hào)隨時(shí)間的空間活動(dòng)情況，濾除個(gè)人隱私信息后，能夠利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析計(jì)算，挖掘得到相關(guān)交通工程參數(shù)數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)外諸多研究與應(yīng)用表明，手機(jī)采集實(shí)時(shí)交通信息的技術(shù)已經(jīng)形成了完善、可靠的理論體系與技術(shù)框架[3] ～[7]，并在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多地城市得以具體實(shí)踐應(yīng)用[8]，理論上與技術(shù)上都完全可行。

由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)放手機(jī)原始信令數(shù)據(jù)源，并根據(jù)交通信息采集系統(tǒng)的基站信號(hào)數(shù)據(jù)需求，定制化輸出每分鐘的實(shí)時(shí)基站信號(hào)原始信令，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建交通中、宏、微觀交通分析模型，搭建基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)的高速公路交通狀態(tài)采集系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)海量基站信號(hào)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理，即能實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)通信基站機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集高速公路的交通狀態(tài)信息。

這種純軟件的采集方式，僅需投入一定數(shù)量的服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)運(yùn)算。由于其不依賴(lài)硬件設(shè)備安裝，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全范圍廣域交通信息的采集，即，凡是有基站信號(hào)數(shù)據(jù)的區(qū)域都能很快采集。因此，系統(tǒng)的前期建設(shè)成本與后期運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)降低了很多。

綜上所示，在城鎮(zhèn)化、信息化快速發(fā)展的時(shí)代背景下，如何在海量、多源的大數(shù)據(jù)環(huán)境中，有效支撐現(xiàn)有高速公路交通運(yùn)營(yíng)與管理等焦點(diǎn)問(wèn)題的量化分析，已經(jīng)成為當(dāng)前重要的發(fā)展方向。在此背景下，浙江省交通廳于2013年開(kāi)始建設(shè)基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高速公路交通狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)利用浙江移動(dòng)與浙江聯(lián)通兩家運(yùn)營(yíng)商的信令數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)基站信號(hào)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提取與分析，結(jié)合浙江省高速公路沿線基站信號(hào)覆蓋模式、高速線型模式、車(chē)輛行駛模式等實(shí)際情況，研究構(gòu)建針對(duì)性交通分析模型，采集置信度較高、精度較高的高速公路實(shí)時(shí)交通狀態(tài)信息，為特殊時(shí)期應(yīng)急決策等提供有效定量分析依據(jù)。

截止2014年11月底，系統(tǒng)已經(jīng)完成擁堵問(wèn)題較為嚴(yán)重且具備基站信號(hào)數(shù)據(jù)條件的杭州繞城高速、杭金衢高速、滬杭高速與杭甬高速四條高速公路的采集，單向里程累計(jì)600公里。系統(tǒng)及時(shí)發(fā)布擁堵路段與擁堵程度信息，在高速公路實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理與應(yīng)急指揮過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。計(jì)劃于2015年底，完成浙江省所有重點(diǎn)路段的采集工作。

二、基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)檢測(cè)高速公路交通狀態(tài)的系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)框架

總體框架上系統(tǒng)共分為：手機(jī)原始信令采集系統(tǒng)和手機(jī)交通信息采集系統(tǒng)兩部分，最終將交通狀態(tài)信息發(fā)布給各個(gè)應(yīng)用單位，如下圖1所示。

該部分由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)完成，采集指定區(qū)域的移動(dòng)通信基站信令數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成后續(xù)交通業(yè)務(wù)所需要的標(biāo)準(zhǔn)格式，在濾除用戶(hù)個(gè)人隱私信息后，傳輸至手機(jī)交通信息采集系統(tǒng)。

2.2手機(jī)交通信息采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)完成如下幾方面工作：

1）移動(dòng)通信基站數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

該模塊獲取接收移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商手機(jī)原始信令采集系統(tǒng)平臺(tái)的移動(dòng)通信基站信令數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)線傳輸通道，并對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾去噪等預(yù)處理，提供給高速公路交通狀態(tài)信息分析提取模塊。

2）分析提取高速公路交通狀態(tài)信息

該模塊完成利用移動(dòng)通信基站信令數(shù)據(jù)生成高速公路分路段道路交通狀態(tài)信息的過(guò)程，包括了有效數(shù)據(jù)提取、地圖匹配、路徑識(shí)別、個(gè)體旅行時(shí)間與旅行速度分析、群體平均旅行時(shí)間與旅行速度統(tǒng)計(jì)分析等過(guò)程，最終獲得按統(tǒng)一地圖編碼格式的分路段平均旅行速度信息，并通過(guò)交通狀態(tài)判別模塊獲得路段的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)。

3）原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與備份

手機(jī)原始信令數(shù)據(jù)、處理過(guò)程中的中間數(shù)據(jù)和最終成果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，按照需求在處理系統(tǒng)組織本地存儲(chǔ)。處理生成的按路段劃分、采集周期組織的旅行速度在本地存儲(chǔ)，為各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

步驟1：移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商原始信令采集

手機(jī)原始信令數(shù)據(jù)是移動(dòng)通信基站的交通狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)從移動(dòng)通信基站網(wǎng)絡(luò)中采集目標(biāo)路網(wǎng)區(qū)域的原始手機(jī)信令數(shù)據(jù)，并通過(guò)濾除個(gè)人私隱、服務(wù)器安置于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商機(jī)房等限制避免移動(dòng)用戶(hù)信息泄露。

步驟2：路網(wǎng)上移動(dòng)通信基站信號(hào)覆蓋采集處理

利用專(zhuān)用路測(cè)設(shè)備經(jīng)實(shí)地路測(cè)，獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)覆蓋路網(wǎng)區(qū)域的2G及3G基站信號(hào)覆蓋情況，得到基站覆蓋邊界、信號(hào)強(qiáng)度信息等數(shù)據(jù)，再結(jié)合道路交通網(wǎng)絡(luò)GIS底圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)專(zhuān)用軟件處理得到移動(dòng)通信基站信號(hào)網(wǎng)絡(luò)與道路交通網(wǎng)絡(luò)相互映射關(guān)系數(shù)據(jù)。

步驟3：數(shù)據(jù)測(cè)試分析與交通模型參數(shù)優(yōu)化

利用攝像機(jī)或人工方式定期采集及其他補(bǔ)充數(shù)據(jù)源如線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行交通信息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)制作，進(jìn)行交通信息質(zhì)量評(píng)估測(cè)試分析工作，并及時(shí)反饋測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行交通模型優(yōu)化調(diào)整，及交通參數(shù)重新訓(xùn)練或配置。

步驟4：高速公路實(shí)時(shí)交通狀態(tài)信息結(jié)果數(shù)據(jù)提交

根據(jù)預(yù)先定義的多源異構(gòu)交通信息融合處理接口及交通狀態(tài)信息數(shù)據(jù)發(fā)布接口，將手機(jī)交通信息采集系統(tǒng)得到的城市路況信息按照具體要求轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一編碼格式，提交給對(duì)應(yīng)的接口，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和應(yīng)用。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

浙江省交通廳于2013年建設(shè)了基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高速公路交通狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)已經(jīng)集成到浙江省綜合交通運(yùn)行分析系統(tǒng)平臺(tái)。利用浙江聯(lián)通與浙江移動(dòng)兩家運(yùn)營(yíng)商的信令數(shù)據(jù)，針對(duì)已經(jīng)完成擁堵問(wèn)題較為嚴(yán)重且具備基站信號(hào)數(shù)據(jù)條件的杭州繞城高速、杭金衢高速、滬杭高速與杭甬高速四條高速公路的采集，及時(shí)檢測(cè)出擁堵路段和擁堵節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確反映了高速公路路網(wǎng)的交通運(yùn)行特征。并在浙江省高速公路交通運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)檢測(cè)、節(jié)假日、重大事故交通擁堵預(yù)警、交通擁堵評(píng)價(jià)與治理措施、交通宏觀決策支持、交通信息誘導(dǎo)發(fā)布等方面發(fā)揮了重要的作用。

這里，以2014年01月01日-2014年08月31日期間，杭州繞城高速與杭金衢高速兩條高速的系統(tǒng)采集成果為例，介紹系統(tǒng)在高速公路總體運(yùn)行特征、各條高速運(yùn)行特征、各條高速擁堵時(shí)間特征與空間特征、不同類(lèi)型節(jié)假日運(yùn)行特征等分析中的應(yīng)用。

本系統(tǒng)的成果數(shù)據(jù)，本身也是大數(shù)據(jù)的一個(gè)組成，未來(lái)累積更長(zhǎng)時(shí)期、覆蓋更廣范圍，并結(jié)合車(chē)流量、客流量、車(chē)牌OD等數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步開(kāi)展更全面、更深入的挖掘提取工作。

3.1 總體運(yùn)行特征

2014年03月01日-2014年08月31日期間，杭州繞城高速與杭金衢高速兩條高速工作日總體情況如下圖所示。

工作日擁堵程度排序?yàn)椋褐芪?gt;周三、周一>周四>周二；工作日全天平均車(chē)速相差不大，周二略快，周五略慢。

除此之外，還可以統(tǒng)計(jì)高速公路交通指數(shù)、區(qū)分早晚高峰平峰的平均車(chē)速、擁堵里程與比例、擁堵時(shí)長(zhǎng)與比例等指標(biāo)，以及相對(duì)歷史的變化情況（相對(duì)更堵、平穩(wěn)，還是好轉(zhuǎn)？），從而更全面地把握總體運(yùn)氣特征情況。

四、總結(jié)與展望

在城鎮(zhèn)化、信息化快速發(fā)展的時(shí)代背景下，迫切需要在海量、多源的大數(shù)據(jù)環(huán)境中深入挖掘，有效支撐現(xiàn)有高速公路交通運(yùn)營(yíng)與管理等焦點(diǎn)問(wèn)題的量化分析。在此背景下，浙江省交通廳于2013年開(kāi)始建設(shè)基于移動(dòng)通信基站大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高速公路交通狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用浙江移動(dòng)與浙江聯(lián)通兩家運(yùn)營(yíng)商的信令數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)基站信號(hào)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提取與分析，結(jié)合浙江省高速公路沿線基站信號(hào)覆蓋模式、高速線型模式、車(chē)輛行駛模式等實(shí)際情況，研究構(gòu)建針對(duì)性交通分析模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集置信度較高、精度較高的高速公路交通狀態(tài)信息。該系統(tǒng)僅需投入一定數(shù)量的服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)運(yùn)算，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全范圍廣域交通信息的采集，同時(shí)，系統(tǒng)的前期建設(shè)成本與后期運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)很低。系統(tǒng)成果為浙江省交通廳及時(shí)有效地應(yīng)急決策與高速公路運(yùn)行特征分析提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，并為后續(xù)手機(jī)采集技術(shù)在浙江省乃至全國(guó)更多道路上的應(yīng)用奠定了科學(xué)研究與工程實(shí)施的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)中央人民政府門(mén)戶(hù)網(wǎng)站。圖表：浙江省高速公路節(jié)假日易擁堵路段、大流量路段示意圖。http：//me.kmust.edu.cn/webpage/ index.htm

[2] 張威 編著.GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化——原理與工程. 北京：人民郵電出版書(shū). 2003.

[3] Zhijun （Tony） Qiu， Cheng， p.， Bin Ran. Issues of Using Cell phone Probes to Estimate Traffic in the Developing Country. 11th World Conference on Transportation Research.

[4] Zhijun （Tony） Qiu， Bin Ran. Kalman Filtering Applied To Network-Based Cellular Probe Traffic Monitoring. TRB 2008 Annual Meeting CD-ROM.

[5]劉杰，胡顯標(biāo)，傅丹丹，陳明威?；跓o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的人員出行信息分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。公路交通科技。2009，12（增刊）：151-154。