陸俊賢　朱景瑜

摘 要：文章將基于手機(jī)大數(shù)據(jù)生成的實(shí)時車速數(shù)據(jù)和實(shí)時收費(fèi)站入口數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過專有模型實(shí)現(xiàn)收費(fèi)口與瓶頸擁堵路段的關(guān)聯(lián)，實(shí)時監(jiān)測收費(fèi)口流量，當(dāng)收費(fèi)口流量超過瓶頸路段流量閾值時，實(shí)時發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息，包括瓶頸路段流量預(yù)測信息、瓶頸路段預(yù)計(jì)發(fā)生擁堵時間等信息，及時疏導(dǎo)收費(fèi)口車流，避免交通擁堵的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：手機(jī)大數(shù)據(jù)；收費(fèi)口流量預(yù)警；高速路網(wǎng)；智能交通系統(tǒng)

中圖分類號：U491.116 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0001-04

Abstract： In this paper， the real-time speed data generated by mobile phone big data and the real-time toll station entrance data are fused to realize the connection between the toll port and the bottleneck section through the proprietary model， and the real-time monitoring of the toll port flow is carried out. When the flow of toll port exceeds the threshold of flow of bottleneck section， the warning information of traffic flow of toll port is issued in real time， including traffic forecast information of bottleneck section and forecast time of congestion in bottleneck section， so that traffic flow of toll port can be dredged in time and traffic jams can be avoided.

Keywords： mobile phone big data； toll port traffic warning； freeway network； intelligent transportation system

引言

隨著當(dāng)今移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)終端的普及與技術(shù)發(fā)展，手機(jī)擁有率和使用率已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的比例，手機(jī)移動網(wǎng)絡(luò)也基本實(shí)現(xiàn)了城市空間區(qū)域的全覆蓋。利用手機(jī)大數(shù)據(jù)采集高速公路全路網(wǎng)的實(shí)時交通信息已經(jīng)成為歐美發(fā)達(dá)國家及中國交通部認(rèn)可的國家級路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測的有效途徑。2013年國慶前，浙江省交通運(yùn)輸廳建設(shè)了全國第一個省級高速公路路網(wǎng)的手機(jī)交通信息采集系統(tǒng)，在全國范圍率先實(shí)現(xiàn)了利用手機(jī)大數(shù)據(jù)對高速公路路網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測。截至2017年12月份為止，浙江省交通運(yùn)輸廳利用通訊運(yùn)營商的手機(jī)大數(shù)據(jù)，已覆蓋了14條高速公路（雙向總里程4200公里）實(shí)時交通狀態(tài)信息的采集、處理、監(jiān)測等工作，并在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。

目前浙江省交通運(yùn)輸廳除了擁有基于手機(jī)大數(shù)據(jù)的高速公路交通信息，還擁有其他類型的交通大數(shù)據(jù)，例如收費(fèi)站數(shù)據(jù)、交調(diào)站數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)雖然能夠?qū)崟r反映高速公路的運(yùn)行情況，但是對交通管理部門而言依然缺乏瓶頸路段的交通流量預(yù)警信息，無法及時疏導(dǎo)車流，避免交通擁堵的發(fā)生。

本文將手機(jī)大數(shù)據(jù)生成的實(shí)時車速數(shù)據(jù)和實(shí)時收費(fèi)站數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建設(shè)一套“基于手機(jī)與流量數(shù)據(jù)的高速公路收費(fèi)口流量預(yù)警支撐系統(tǒng)”，實(shí)時監(jiān)測收費(fèi)口流量，當(dāng)收費(fèi)口流量超過瓶頸擁堵路段流量閾值時，實(shí)時發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息，包括瓶頸路段流量預(yù)測信息、瓶頸路段預(yù)計(jì)發(fā)生擁堵時間等信息，提前預(yù)測浙江省高速公路瓶頸路段的擁堵態(tài)勢，為交通管理部門制定收費(fèi)站入口限流措施，發(fā)布車流疏導(dǎo)信息提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（如圖1）

基于手機(jī)與流量數(shù)據(jù)的高速公路收費(fèi)口流量預(yù)警支撐系統(tǒng)主要包括3個實(shí)時分析子系統(tǒng)和1個歷史訓(xùn)練子系統(tǒng)：

（1）數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)；實(shí)時接入基于手機(jī)的車速數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量評估子系統(tǒng)：對實(shí)時接入的手機(jī)車速數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，篩選出合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行擁堵預(yù)測預(yù)警處理。

（3）收費(fèi)口流量預(yù)警處理子系統(tǒng)：構(gòu)建收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)口與瓶頸路段的關(guān)聯(lián)，實(shí)時監(jiān)測收費(fèi)口流量，當(dāng)流量超出瓶頸路段流量閾值時，發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息。

（4）參數(shù)訓(xùn)練子系統(tǒng)；利用歷史手機(jī)大數(shù)據(jù)和歷史收費(fèi)站數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行定期訓(xùn)練，參數(shù)定期更新后再次接入收費(fèi)口流量預(yù)警處理子系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)（如圖2）

1.2.1 數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)

實(shí)時接入基于手機(jī)大數(shù)據(jù)獲取的高速公路車速數(shù)據(jù)和高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)，完成各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸及交換，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間橫向的信息共享。

系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)匯聚。具體功能分析：

（1）數(shù)據(jù)匯聚客戶端根據(jù)傳輸協(xié)議讀取接入數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)匯聚客戶端把讀取的數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)部傳輸協(xié)議傳輸?shù)絽R聚接收服務(wù)器。

（3）匯聚接收服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后發(fā)消息通知。

（4）數(shù)據(jù)接收客戶端接收完數(shù)據(jù)后以文件形式保存。

1.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)質(zhì)量評估子系統(tǒng)對實(shí)時采集的手機(jī)車速數(shù)據(jù)與收費(fèi)站流量數(shù)據(jù)根據(jù)質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的時空覆蓋范圍以及有效性和可靠度，過濾掉錯誤數(shù)據(jù)，最終篩選出合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行擁堵預(yù)測預(yù)警處理。

具體系統(tǒng)功能如下：

（1）手機(jī)車速數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

a. 時間覆蓋率檢驗(yàn)，是否有時間缺失數(shù)據(jù)；b. 空間覆蓋率檢驗(yàn)，是否有空間缺失數(shù)據(jù)；c. 數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)，是否有錯誤數(shù)據(jù)；d. 過濾剔除錯誤無效數(shù)據(jù)，保留有效數(shù)據(jù)。

（2）收費(fèi)站數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

a. 入口時間檢驗(yàn)，是否有入口時間缺失數(shù)據(jù)；b. 入口收費(fèi)站點(diǎn)檢驗(yàn)，是否有入口收費(fèi)站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)；c. 數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)，是否有錯誤數(shù)據(jù)；d. 過濾剔除錯誤無效數(shù)據(jù)，保留有效數(shù)據(jù)。

1.2.3 收費(fèi)口流量預(yù)警處理子系統(tǒng)

收費(fèi)口流量預(yù)警處理子系統(tǒng)根據(jù)接入的有效數(shù)據(jù)，通過收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警模型，及時發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息。

具體系統(tǒng)功能如下：

（1）數(shù)據(jù)提?。簭臄?shù)據(jù)中提取出對擁堵預(yù)測有用的信息；

（2）數(shù)據(jù)融合：通過算法融合不同來源數(shù)據(jù)（實(shí)時手機(jī)車速數(shù)據(jù)和實(shí)時收費(fèi)站流量數(shù)據(jù)）；

（3）收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警：通過收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警算法，實(shí)時監(jiān)測收費(fèi)口流量，當(dāng)收費(fèi)站流量超出瓶頸路段流量閾值時，結(jié)合高速公路路網(wǎng)實(shí)時手機(jī)車速數(shù)據(jù)，估算瓶頸路段預(yù)計(jì)發(fā)生擁堵時間，生成對應(yīng)的收費(fèi)口流量預(yù)警信息；

（4）數(shù)據(jù)發(fā)布：根據(jù)制定接口將系統(tǒng)輸出的收費(fèi)口流量預(yù)警信息對外發(fā)布。

1.2.4 參數(shù)訓(xùn)練子系統(tǒng)

參數(shù)訓(xùn)練子系統(tǒng)對歷史手機(jī)大數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，及時更新實(shí)時系統(tǒng)所需的參數(shù)表。

具體系統(tǒng)功能如下：

（1）路網(wǎng)OD與路徑分布：通過路網(wǎng)OD與路徑分布算法，訓(xùn)練收費(fèi)站入口流量占比表、OD路徑表以及收費(fèi)站OD流量比例表。

（2）路段通行能力標(biāo)定：通過路段通行能力標(biāo)定算法，訓(xùn)練瓶頸路段通行能力的閾值表。

1.3 核心算法研究

1.3.1 收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警算法（如圖3）

（1）瓶頸路段擁堵時間預(yù)估

a. 路網(wǎng)OD與路徑分布：通過參數(shù)訓(xùn)練獲得收費(fèi)站入口流量占比表、OD路徑表以及收費(fèi)站OD流量比例表。b.瓶頸路段流量預(yù)測：將當(dāng)前周期各收費(fèi)站入口流量，根據(jù)收費(fèi)站OD流量比例表分配至瓶頸路段，集計(jì)瓶頸路段對應(yīng)所有相關(guān)收費(fèi)入口的分配流量。c. 瓶頸路段擁堵預(yù)判：利用參數(shù)訓(xùn)練獲得的路段通行能力閾值表對當(dāng)前周期瓶頸路段的預(yù)測流量進(jìn)行擁堵預(yù)判。d. 瓶頸路段擁堵時間預(yù)估：根據(jù)OD路徑表，結(jié)合實(shí)時路段手機(jī)車速數(shù)據(jù)，估算瓶頸路段發(fā)生擁堵的預(yù)計(jì)時間。

（2）收費(fèi)站入口流量預(yù)警

a. 收費(fèi)口對應(yīng)瓶頸路段流量預(yù)警閾值標(biāo)定：基于瓶頸路段通行能力的閾值，根據(jù)收費(fèi)站OD流量比例表和收費(fèi)站入口流量占比表，標(biāo)定收費(fèi)口對應(yīng)瓶頸路段的流量預(yù)警閾值表。b. 收費(fèi)站入口流量預(yù)警：當(dāng)收費(fèi)站當(dāng)前周期入口流量超出收費(fèi)口對應(yīng)瓶頸路段流量預(yù)警閾值時，發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息。

1.3.2 路網(wǎng)OD與路徑分布算法（如圖4）

（1）收費(fèi)站數(shù)據(jù)通過流量OD規(guī)律分析模塊，按照時間維度對收費(fèi)站OD分布進(jìn)行分類劃分，生成不同時間類型情況下從某入口收費(fèi)站至某出口收費(fèi)站的日均流量及流量占比。

（2）手機(jī)大數(shù)據(jù)通過手機(jī)OD與路徑分析模塊，按照同樣的時間維度生成高速公路手機(jī)OD分布以及手機(jī)OD路徑分布。其中手機(jī)OD分布數(shù)據(jù)反映了實(shí)際客流在高速公路出入口之間的日均流量情況，而手機(jī)OD路徑分布則反映高速公路出入口之間的日均流量分別通過不同路徑的比例。

（3）路網(wǎng)OD與路徑分布訓(xùn)練模塊通過數(shù)據(jù)融合與訓(xùn)練，生成收費(fèi)站入口流量占比表、OD路徑表、收費(fèi)站OD流量比例表。

1.3.3 路段通行能力標(biāo)定算法（如圖5）

（1）手機(jī)大數(shù)據(jù)通過路段行程車速估算模塊生成歷史路段手機(jī)車速。

（2）收費(fèi)站數(shù)據(jù)通過流量分析模塊生成高速公路歷史流量數(shù)據(jù)。

（3）路段通行能力標(biāo)定模塊根據(jù)交通流量、速度、密度相互關(guān)系模型，結(jié)合收費(fèi)站歷史流量數(shù)據(jù)和手機(jī)大數(shù)據(jù)獲取的歷史車速數(shù)據(jù)，開展瓶頸路段的流量和車速關(guān)聯(lián)性分析，標(biāo)定路段的通行能力，生成路段通行能力閾值表。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)施

在浙江省交通運(yùn)輸廳搭建了一套“基于手機(jī)與流量數(shù)據(jù)的高速公路收費(fèi)口流量預(yù)警支撐系統(tǒng)”，實(shí)時系統(tǒng)框架如圖6所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)為實(shí)時的手機(jī)車速數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估功能，該層主要包括數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)分析層：該層主要實(shí)現(xiàn)收費(fèi)口流量預(yù)警處理子系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

應(yīng)用層：本系統(tǒng)能夠?yàn)榻煌ü芾聿块T、交通運(yùn)營部門、交通規(guī)劃部門以及社會公眾提供高速公路瓶頸路段的擁堵態(tài)勢以及收費(fèi)站流量預(yù)警信息。

2.2 系統(tǒng)輸入與輸出

2.2.1 系統(tǒng)輸入

（1）實(shí)時手機(jī)車速數(shù)據(jù)：當(dāng)前運(yùn)算周期基于路段編號的平均車速。

（2）實(shí)時收費(fèi)站入口流量數(shù)據(jù)：收費(fèi)口入口最新進(jìn)入的車輛信息，包括車型、是否ETC車輛、進(jìn)入該收費(fèi)口的實(shí)際時間。

2.2.2 系統(tǒng)輸出

收費(fèi)口流量預(yù)警信息（見表1）

2.3 系統(tǒng)成果

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的查詢。

（2）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)異常信息查詢。

（3）系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，例如收費(fèi)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)。

（4）系統(tǒng)管理：實(shí)現(xiàn)用戶管理、菜單管理、角色管理及菜單權(quán)限管理。

圖7是系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢頁面的擁堵預(yù)測結(jié)果查詢界面，展示系統(tǒng)生成的流量預(yù)警信息。

2.4 精度測試

由實(shí)時車速數(shù)據(jù)推斷真實(shí)的交通狀態(tài)作為測試的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過與擁堵預(yù)警信息進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證并評價系統(tǒng)發(fā)布結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用的評估指標(biāo)為《GB/T 29101-2012 道路交通信息服務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量規(guī)范》中6.2.2.3 交通狀態(tài)準(zhǔn)確率。公式如下：

測試時間為2017年10月17日與10月18日，測試范圍為杭州繞城高速、杭金衢高速、杭寧高速。

表2 擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率

預(yù)測發(fā)生擁堵的時間路段總數(shù)為62個，其中與實(shí)際發(fā)生擁堵狀態(tài)相符的個數(shù)為52，擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到83.87%，擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率較高，并且系統(tǒng)對瓶頸路段的非偶發(fā)性擁堵的預(yù)測時間均提前了15分鐘至2小時，能夠滿足交通管理部門的預(yù)警需求。

3 結(jié)束語

本文充分挖掘了浙江省交通運(yùn)輸廳現(xiàn)有數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，將基于手機(jī)大數(shù)據(jù)生成的實(shí)時車速數(shù)據(jù)和實(shí)時收費(fèi)站入口數(shù)據(jù)相融合，研發(fā)了收費(fèi)口與瓶頸路段流量預(yù)警算法以及歷史參數(shù)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)口與瓶頸擁堵路段的關(guān)聯(lián)，當(dāng)收費(fèi)口流量超過瓶頸擁堵路段流量閾值時，輸出收費(fèi)口流量預(yù)警信息。

本文完成了“基于手機(jī)與流量數(shù)據(jù)的高速公路收費(fèi)口流量預(yù)警支撐系統(tǒng)”的總體設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，并在浙江省交通運(yùn)輸廳搭建了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測收費(fèi)口流量，及時發(fā)布收費(fèi)口流量預(yù)警信息，為交通管理部門疏導(dǎo)交通流量、制定限流措施提供了數(shù)據(jù)支撐。

此外，對系統(tǒng)的輸出預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精度評估，選取了62個樣本，其中與實(shí)際發(fā)生擁堵狀態(tài)相符的個數(shù)為52個，擁堵預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到83.87%，擁堵預(yù)測時間均提前了15分鐘至2小時，能夠滿足交通管理部門的預(yù)警需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂夢蛟.基于移動通信基站大數(shù)據(jù)的高速公路交通狀態(tài)采集研究與應(yīng)用[J].公路，2016，8：157-163.

[2]王久輝.基于手機(jī)與流量數(shù)據(jù)的浙江高速公路擁堵預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技展望，2017，27：99-104.

[3]徐云飛.高速公路擁堵事件檢測中的背景建模及狀態(tài)判別方法研究[D].重慶大學(xué)，2014.

[4]朱景瑜.基于移動通信基站大數(shù)據(jù)檢測浙江省高速公路交通狀態(tài)的質(zhì)量評估分析研究[J].黑龍江科技信息，2016，30：157-159.