蔡先華，張 遠(yuǎn)，高書亭

(東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 211102)

0 引 言

隨著智慧地球、智慧城市和智慧行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，智能傳感技術(shù)、通信技術(shù)等在當(dāng)今社會中無所不在。傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)迅猛發(fā)展，各種視頻監(jiān)控、監(jiān)測、感應(yīng)設(shè)備可獲得的交通數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴大，越來越多的數(shù)據(jù)使交通領(lǐng)域進入真正的大數(shù)據(jù)時代。

“數(shù)據(jù)”已成為這個時代的核心推動力之一。數(shù)據(jù)中與時空位置有關(guān)的數(shù)據(jù)稱為時空數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)是最典型的時空數(shù)據(jù)，描述地理實體的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)，用于表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系[1]，基于特定的空間參照基準(zhǔn)，通過地理信息系統(tǒng)進行管理、分析與應(yīng)用，通常以地圖形式可視化，已經(jīng)具有了一套有效的處理與空間分析技術(shù)。

另一種時空數(shù)據(jù)是時空大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)泛指大規(guī)模、超大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，因可從中挖掘出有價值的信息而備受關(guān)注，但傳統(tǒng)方法無法對其進行有效分析和處理。大數(shù)據(jù)中絕大部分與時間、空間相關(guān)，所以這部分?jǐn)?shù)據(jù)稱為時空大數(shù)據(jù)。

地理數(shù)據(jù)和時空大數(shù)據(jù)都是與地球表面位置關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，無論是傳統(tǒng)意義上的地理數(shù)據(jù)還是現(xiàn)在流行的時空大數(shù)據(jù)，在智慧交通系統(tǒng)中都具有非常重要的決策支持作用。雖然地理數(shù)據(jù)與時空大數(shù)據(jù)有區(qū)別，但也具有都與時間和位置關(guān)聯(lián)的共性，所以本文統(tǒng)稱為時空數(shù)據(jù)，兩者在智慧交通中都是非常重的數(shù)據(jù)資源，在智慧交通中有重要的應(yīng)用。交通是管理時空數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，并形成了專有名詞——交通地理信息系統(tǒng)(GIS for Transportation，GIS-T)[2]。

1 時空數(shù)據(jù)的特征

地理數(shù)據(jù)和時空大數(shù)據(jù)既有共性特征，又有自身特點。地理數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)的空間框架，具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，價值密度高，分析處理方法相對成熟；大數(shù)據(jù)多是某個領(lǐng)域或某個方向的數(shù)據(jù)，具有專題性，定位精確度相對較低，有的甚至是文本描述，相對于地理數(shù)據(jù)來說價值密度低，分析處理方法還有待進一步研究。

1.1 地理數(shù)據(jù)的特征

地理數(shù)據(jù)是以地球表面作為基本參照框架的空間數(shù)據(jù)，從地理實體到地理數(shù)據(jù)，從地理數(shù)據(jù)到地理信息的過程，反映了人類從認(rèn)識物質(zhì)、能量到認(rèn)識信息的一個巨大飛躍。

地理數(shù)據(jù)具有3個基本特征：① 通過公共空間基準(zhǔn)體現(xiàn)的定位特征；② 在二、三維空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，還具有多專題的多維結(jié)構(gòu)特征；③ 可按時間尺度進行地理數(shù)據(jù)劃分的時序特征。地理數(shù)據(jù)的區(qū)域性、多層次性和動態(tài)變化特征的研究與分析，可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，交通是典型的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

地理數(shù)據(jù)類型相對標(biāo)準(zhǔn)化，來源相對單一，遵照行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。在智慧交通領(lǐng)域，幾乎所有數(shù)據(jù)都與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)是交通數(shù)據(jù)的空間框架，基本交通分析也是基于地理數(shù)據(jù)的專題空間分析。

1.2 時空大數(shù)據(jù)的特征

《Nature》和《Science》分別于2008年、2011年出版了《Big Data》[3]、《Dealing with data》[4]專輯，說明了大數(shù)據(jù)時代的到來。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司IDC監(jiān)測[5]，人類產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量正在呈指數(shù)級增長，大約每2年翻一番。大數(shù)據(jù)已經(jīng)開始造福于人類，成為信息社會的寶貴財富。

一般認(rèn)為，大數(shù)據(jù)具有以下5大特征[6]：

(1)Volume(規(guī)模大)：運用大數(shù)據(jù)，人和事物的所有軌跡都可以被記錄下來，數(shù)據(jù)爆發(fā)性增長，大數(shù)據(jù)的計量單位已經(jīng)越過TB級別發(fā)展到用PB、EB、ZB、YB甚至BB來衡量。

(2)Velocity(速度快、時效高)：增長速度和處理速度是大數(shù)據(jù)快速性的重要體現(xiàn)，生產(chǎn)和傳播數(shù)據(jù)的速度都非常迅速，要求處理數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度快，時效高。

(3)Variety(類型多)：大數(shù)據(jù)來源廣泛，類型多樣。大數(shù)據(jù)可以分為三類，一是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間因果關(guān)系強；二是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間沒有因果關(guān)系；三是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間的因果關(guān)系弱。有統(tǒng)計顯示，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)占據(jù)整個互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的75%以上，而產(chǎn)生價值的大數(shù)據(jù)，往往是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

(4)Veracity(真?zhèn)坞y辨)：大數(shù)據(jù)收集過程中產(chǎn)生的噪音、缺失、不一致和歧義等會引起數(shù)據(jù)的不確定性，大數(shù)據(jù)的研究是從巨量數(shù)據(jù)中提取解釋和預(yù)測現(xiàn)實事件知識的過程。

(5)Value(價值密度低)：大數(shù)據(jù)的核心特征是價值，價值密度的高低和數(shù)據(jù)總量的大小成反比，即數(shù)據(jù)價值密度越高數(shù)據(jù)總量越小，數(shù)據(jù)價值密度越低數(shù)據(jù)總量越大。有價值信息的提取是依托海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如何通過機器算法迅速在海量數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)價值提純是當(dāng)前關(guān)鍵問題。

大數(shù)據(jù)是由包括人類活動在內(nèi)的地理世界中任何事物和任何現(xiàn)象運動變化產(chǎn)生的，有學(xué)者認(rèn)為大數(shù)據(jù)本質(zhì)上就是時空大數(shù)據(jù)[7]。時空大數(shù)據(jù)除具有一般大數(shù)據(jù)的特點外，還具有地理數(shù)據(jù)的空間性、時間性、多維性等特點，其更大的價值在于時間、空間、對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。大數(shù)據(jù)種類繁多，具有多源異構(gòu)和復(fù)雜性，經(jīng)過分析處理的大數(shù)據(jù)以地理數(shù)據(jù)作為空間框架進行管理與分析。

2 智慧交通

“智慧交通”一詞源于“智慧地球”“智慧城市”的概念，也是從智能交通發(fā)展演變而來的，是構(gòu)建智能城市的重要組成部分。交通擁擠和交通事故是全球交通所面臨的共同問題，交通智慧化是交通發(fā)展和變革的方向，智慧交通已經(jīng)成為交通建設(shè)的熱點。

智慧交通包含智能化的交通基礎(chǔ)設(shè)施、智能化的交通運載裝備、智能化的感知設(shè)備、智慧化的信息管理云平臺和智慧化的運輸組織服務(wù)。

智慧交通是將感知、通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)集成運用于綜合交通運輸體系，在完善的交通基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，廣泛采用數(shù)字化技術(shù)，改進交通基礎(chǔ)設(shè)施、運輸組織和運載工具、運輸組織與交通管理的形態(tài)，基于智慧信息管理云平臺(城市大腦，數(shù)字孿生交通系統(tǒng)等技術(shù))，通過科學(xué)決策提供一體化綜合運輸解決方案，在一定的資源配置下，以合理的成本將人員和物質(zhì)送到指定位置的智慧型綜合交通運輸與管理系統(tǒng)。

未來智慧交通將具有如下特征[8]：

(1)泛在互聯(lián)的智能化交通基礎(chǔ)設(shè)施和智能化運輸裝備。

(2)虛擬與現(xiàn)實、線上與線下相結(jié)合，以虛擬指導(dǎo)現(xiàn)實，以線上指導(dǎo)線下。

(3)門到門的一體化綜合運輸服務(wù)。

(4)應(yīng)需而變，為用戶提供個性化、多樣化服務(wù)。

(5)高可靠性和高效能的運輸生產(chǎn)組織和管理。

3 智慧交通中的時空數(shù)據(jù)應(yīng)用

廣義的交通包括人、物的運輸與語言、文字符號、圖像等視聽信息的傳遞[9]。無論是人和物的運輸，還是語言、文字符號和圖像等視聽信息的傳遞，都與空間位置的變化有關(guān)。

記錄交通參與對象特征以及事件發(fā)生、發(fā)展和消失的大數(shù)據(jù)，是交通事件解釋和交通未來預(yù)測的重要基礎(chǔ)。在智慧交通中，基于感知、深度學(xué)習(xí)、云計算、現(xiàn)代通信(5G)等技術(shù)，通過時空數(shù)據(jù)，分析交通事件、交通狀態(tài)，可對交通系統(tǒng)進行智能規(guī)劃、建設(shè)和運營管理，實現(xiàn)對公眾出行和物流運輸最優(yōu)配置，滿足個性化出行定制要求，高效方便公眾出行、緩解交通壓力，讓一定的交通資源高效安全地運行和發(fā)展[10]。

3.1 交通分析

交通分析是解決交通問題的技術(shù)基礎(chǔ)，各種交通分析基于相應(yīng)的交通數(shù)據(jù)，這里的數(shù)據(jù)90%以上是時空數(shù)據(jù)。智慧交通具有“虛擬與現(xiàn)實、線上與線下相結(jié)合，以虛擬指導(dǎo)現(xiàn)實，以線上指導(dǎo)線下”特征的基礎(chǔ)是“數(shù)字孿生交通、交通云”等信息技術(shù)系統(tǒng)，其基本空間框架是地理數(shù)據(jù)，是交通設(shè)施數(shù)字化空間基礎(chǔ)。

交通網(wǎng)絡(luò)分析是最基本的交通分析，其基礎(chǔ)是動態(tài)實時交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型。地理數(shù)據(jù)是高精度交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型構(gòu)建的原材料，時空大數(shù)據(jù)也為交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型提供動態(tài)實時更新的補充數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)采集、處理與分析相關(guān)的GIS與RS、GNSS等技術(shù)的高度集成與融合，構(gòu)成的GIS-T為智能交通提供了強有力的分析方法。

3.2 交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)

在傳統(tǒng)的交通規(guī)劃中，需要進行四階段交通流分配，首先需要進行交通調(diào)查，依靠人工進行抽樣調(diào)查。人工調(diào)查樣本數(shù)少、效率低、準(zhǔn)確度不高。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用改變了交通狀態(tài)和交通現(xiàn)象的獲取方法，獲取交通實況數(shù)據(jù)更加方便。通過手機信令、地鐵公交IC卡、浮動車數(shù)據(jù)(FCD)、互聯(lián)網(wǎng)等時空大數(shù)據(jù)的融合，可以得到城市交通OD流的大樣本甚至全樣本數(shù)據(jù)，計算出移動對象的時空軌跡，基于軌跡數(shù)據(jù)分析交通規(guī)劃及運營管理中現(xiàn)有交通流特征，解決未來交通流的預(yù)測等問題，為交通規(guī)劃與運營管理提供精確數(shù)據(jù)。

利用GIS-T數(shù)據(jù)處理與空間分析能力可以高效準(zhǔn)確的實現(xiàn)公路、鐵路及其附屬設(shè)施的選址、規(guī)劃、設(shè)計，對交通設(shè)施施工區(qū)進行智能化管理，提高管理水平，實現(xiàn)交通工程建設(shè)智能化。

3.3 交通運營管理與運輸組織

泛在互聯(lián)的智能化交通基礎(chǔ)設(shè)施和智能化運輸裝備[8]是智慧交通的特征之一，泛在互聯(lián)的基礎(chǔ)必須設(shè)施數(shù)字化。交通設(shè)施管理與維護，運輸裝備的定位導(dǎo)航與出行路徑規(guī)劃，智慧停車，貨物運輸優(yōu)化及貨運車輛監(jiān)控管理，公路病害采集與發(fā)現(xiàn)、養(yǎng)護評價智能決策、公共交通的管理與調(diào)度等都離不開時空數(shù)據(jù)的支持。GIS-T是實現(xiàn)智能交通管理的最重要技術(shù)之一，能提升運輸生產(chǎn)組織與管理的高可靠性和高效能。

運用交通云平臺可以實現(xiàn)對道路和附屬設(shè)施實時監(jiān)控和管理、進行動態(tài)評估和調(diào)整等工作；通過感知車流量和車輛排隊長度，綜合評估交通擁堵狀況，根據(jù)擁堵狀況智能調(diào)整紅綠燈時長，有效緩解城市交通擁堵；通過對出租車、網(wǎng)約車進行動態(tài)監(jiān)測、實時監(jiān)控，有效遏制違規(guī)違法行為，保障公眾財產(chǎn)和生命安全；在城市主要路口，使用具有人像識別功能的監(jiān)視器，抓拍行人闖紅燈等不文明行為，并通過現(xiàn)場大屏顯示，更好的維護交通秩序。

在物流運輸組織中，運用時空大數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)運輸路線的最優(yōu)選擇，實時監(jiān)控、掌握物流運輸?shù)能壽E，增強應(yīng)急處置能力等；將車輛和駕駛員的基本信息進行登記管理并及時共享，可以實現(xiàn)物流資源的合理調(diào)度，提供門到門的一體化綜合運輸服務(wù)。

3.4 公眾信息服務(wù)

時空數(shù)據(jù)可以更合理地為公眾出行提供規(guī)劃路線并進行預(yù)測；基于公共交通時空數(shù)據(jù)，可以使無人駕駛的私家車和公交車更有效率、更加安全、更加準(zhǔn)確；在公交出行中，可以通過信息平臺實時提供公交車輛的位置信息，便于公眾合理安排出行時間；在共享出行時，可以更加合理地按照位置和時間進行派單，使乘客享受更好的服務(wù)。實現(xiàn)“應(yīng)需而變，為用戶提供個性化、多樣化服務(wù)”。

3.5 交通安全

智慧交通下的交通運輸生產(chǎn)組織和管理要求具有高可靠性，這種高可靠性是在準(zhǔn)確掌握交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通運載裝備相關(guān)數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)絕大部分是時空數(shù)據(jù))，通過智能技術(shù)確定運輸生產(chǎn)策略的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)的。交通安全涉及交通流量監(jiān)視、突發(fā)事故發(fā)現(xiàn)與分析、現(xiàn)場應(yīng)急救援與疏導(dǎo)指揮等，利用交通云可以準(zhǔn)確獲得交通事件的發(fā)生點，通過交通云發(fā)布交通應(yīng)急疏散信息，進行交通信息誘導(dǎo)，對交通事件進行分析，對交通安全進行評價等，有效保障出行安全。地理數(shù)據(jù)實時動態(tài)采集處理技術(shù)的發(fā)展，更加促進了時空數(shù)據(jù)在智慧交通建設(shè)方面的發(fā)展應(yīng)用。遙感技術(shù)與人工智能的結(jié)合可實現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)的自動提取與更新，為道路網(wǎng)絡(luò)的實時更新提供技術(shù)支持，也讓真正的數(shù)字孿生交通系統(tǒng)(現(xiàn)實與數(shù)字完全同步)成為可能，使現(xiàn)實交通與虛擬交通無時差匹配；無人機三維建模技術(shù)的發(fā)展為橋梁病害檢測提供了多視角、多尺度、更清晰的三維實景模型；無人機傾斜攝影測量使道路工程測量效率高、成本低、更靈活等；車載移動測量系統(tǒng)可以高精度、快速地獲取交通及其附屬設(shè)施的地理信息數(shù)據(jù)，可以為道路施工、道路數(shù)據(jù)入庫、道路病害采集以及道路養(yǎng)護巡檢等提供更快捷的數(shù)據(jù)支撐；GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)可以實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控與管理、道路狀況的預(yù)判、交通指揮調(diào)度、事故報警、智慧停車、無人駕駛等。

4 結(jié) 語

時空數(shù)據(jù)涉及智慧交通的方方面面，在智慧交通中有廣泛應(yīng)用。本文從價值密度和定位基準(zhǔn)的角度，將時空數(shù)據(jù)分為地理數(shù)據(jù)和時空大數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)是經(jīng)典的時空數(shù)據(jù)，描述地理實體的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)，用于表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系，基于特定的空間參照基準(zhǔn)，通過地理信息系統(tǒng)進行管理、分析與應(yīng)用，通常以地圖形式可視化。時空大數(shù)據(jù)具有一般大數(shù)據(jù)的5V特征，對于交通來說，還具有與交通設(shè)施、運載設(shè)備對象行為對應(yīng)的時/空/對象動態(tài)演化、對事件的感知和預(yù)測特性。

在智慧交通領(lǐng)域，融合了地理位置和時間的地理數(shù)據(jù)、時空大數(shù)據(jù)是支撐交通分析，交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，交通運營管理與運輸組織，公眾信息服務(wù)，交通安全重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代地理信息獲取技術(shù)以及時空大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以為智慧交通提供高質(zhì)量，高精度，多時效的時空數(shù)據(jù)。隨著處理技術(shù)的進一步發(fā)展，時空數(shù)據(jù)必將在智慧交通中得到更加廣泛的應(yīng)用。