基于手機與流量數(shù)據的高速公路收費口流量預警支撐系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

陸俊賢　朱景瑜

摘 要：文章將基于手機大數(shù)據生成的實時車速數(shù)據和實時收費站入口數(shù)據進行融合，通過專有模型實現(xiàn)收費口與瓶頸擁堵路段的關聯(lián)，實時監(jiān)測收費口流量，當收費口流量超過瓶頸路段流量閾值時，實時發(fā)布收費口流量預警信息，包括瓶頸路段流量預測信息、瓶頸路段預計發(fā)生擁堵時間等信息，及時疏導收費口車流，避免交通擁堵的發(fā)生。

關鍵詞：手機大數(shù)據；收費口流量預警；高速路網；智能交通系統(tǒng)

中圖分類號：U491.116 文獻標志碼：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

隨著當今移動互聯(lián)網及智能手機終端的普及與技術發(fā)展，手機擁有率和使用率已經達到相當高的比例，手機移動網絡也基本實現(xiàn)了城市空間區(qū)域的全覆蓋。利用手機大數(shù)據采集高速公路全路網的實時交通信息已經成為歐美發(fā)達國家及中國交通部認可的國家級路網運行監(jiān)測的有效途徑。2013年國慶前，浙江省交通運輸廳建設了全國第一個省級高速公路路網的手機交通信息采集系統(tǒng)，在全國范圍率先實現(xiàn)了利用手機大數(shù)據對高速公路路網的運行監(jiān)測。截至2017年12月份為止，浙江省交通運輸廳利用通訊運營商的手機大數(shù)據，已覆蓋了14條高速公路（雙向總里程4200公里）實時交通狀態(tài)信息的采集、處理、監(jiān)測等工作，并在實際運行中取得了良好的效果。

目前浙江省交通運輸廳除了擁有基于手機大數(shù)據的高速公路交通信息，還擁有其他類型的交通大數(shù)據，例如收費站數(shù)據、交調站數(shù)據和視頻數(shù)據。這些數(shù)據雖然能夠實時反映高速公路的運行情況，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警信息，無法及時疏導車流，避免交通擁堵的發(fā)生。

本文將手機大數(shù)據生成的實時車速數(shù)據和實時收費站數(shù)據進行融合，建設一套“基于手機與流量數(shù)據的高速公路收費口流量預警支撐系統(tǒng)”，實時監(jiān)測收費口流量，當收費口流量超過瓶頸擁堵路段流量閾值時，實時發(fā)布收費口流量預警信息，包括瓶頸路段流量預測信息、瓶頸路段預計發(fā)生擁堵時間等信息，提前預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站入口限流措施，發(fā)布車流疏導信息提供數(shù)據支撐。

1 系統(tǒng)設計研究

1.1系統(tǒng)總體設計（如圖1）

基于手機與流量數(shù)據的高速公路收費口流量預警支撐系統(tǒng)主要包括3個實時分析子系統(tǒng)和1個歷史訓練子系統(tǒng)：

（1）數(shù)據接入子系統(tǒng)；實時接入基于手機的車速數(shù)據和收費站數(shù)據。

（2）數(shù)據質量評估子系統(tǒng)：對實時接入的手機車速數(shù)據和收費站數(shù)據進行質量評估，篩選出合格的數(shù)據進行擁堵預測預警處理。

（3）收費口流量預警處理子系統(tǒng)：構建收費口與瓶頸路段流量預警模型，實現(xiàn)收費口與瓶頸路段的關聯(lián)，實時監(jiān)測收費口流量，當流量超出瓶頸路段流量閾值時，發(fā)布收費口流量預警信息。

（4）參數(shù)訓練子系統(tǒng)；利用歷史手機大數(shù)據和歷史收費站數(shù)據對模型參數(shù)進行定期訓練，參數(shù)定期更新后再次接入收費口流量預警處理子系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能設計（如圖2）

1.2.1 數(shù)據接入子系統(tǒng)

實時接入基于手機大數(shù)據獲取的高速公路車速數(shù)據和高速公路收費數(shù)據，完成各系統(tǒng)之間數(shù)據的傳輸及交換，實現(xiàn)各系統(tǒng)間橫向的信息共享。

系統(tǒng)功能：數(shù)據匯聚。具體功能分析：

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

（2）數(shù)據匯聚客戶端把讀取的數(shù)據根據內部傳輸協(xié)議傳輸?shù)絽R聚接收服務器。

（3）匯聚接收服務器接收到數(shù)據后發(fā)消息通知。

（4）數(shù)據接收客戶端接收完數(shù)據后以文件形式保存。

1.2.2 數(shù)據質量評估子系統(tǒng)

數(shù)據質量評估子系統(tǒng)對實時采集的手機車速數(shù)據與收費站流量數(shù)據根據質量各項指標進行數(shù)據質量評估，檢驗數(shù)據的時空覆蓋范圍以及有效性和可靠度，過濾掉錯誤數(shù)據，最終篩選出合格的數(shù)據進行擁堵預測預警處理。

具體系統(tǒng)功能如下：

（1）手機車速數(shù)據質量評估

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

（2）收費站數(shù)據質量評估

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

1.2.3 收費口流量預警處理子系統(tǒng)

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

具體系統(tǒng)功能如下：

（1）數(shù)據提?。簭臄?shù)據中提取出對擁堵預測有用的信息；

（2）數(shù)據融合：通過算法融合不同來源數(shù)據（實時手機車速數(shù)據和實時收費站流量數(shù)據）；

（3）收費口與瓶頸路段流量預警：通過收費口與瓶頸路段流量預警算法，實時監(jiān)測收費口流量，當收費站流量超出瓶頸路段流量閾值時，結合高速公路路網實時手機車速數(shù)據，估算瓶頸路段預計發(fā)生擁堵時間，生成對應的收費口流量預警信息；

（4）數(shù)據發(fā)布：根據制定接口將系統(tǒng)輸出的收費口流量預警信息對外發(fā)布。

1.2.4 參數(shù)訓練子系統(tǒng)

參數(shù)訓練子系統(tǒng)對歷史手機大數(shù)據和收費站數(shù)據進行參數(shù)訓練，及時更新實時系統(tǒng)所需的參數(shù)表。

具體系統(tǒng)功能如下：

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

（2）路段通行能力標定：通過路段通行能力標定算法，訓練瓶頸路段通行能力的閾值表。

1.3 核心算法研究

1.3.1 收費口與瓶頸路段流量預警算法（如圖3）

（1）瓶頸路段擁堵時間預估

a. 路網OD與路徑分布：通過參數(shù)訓練獲得收費站入口流量占比表、OD路徑表以及收費站OD流量比例表。b.瓶頸路段流量預測：將當前周期各收費站入口流量，根據收費站OD流量比例表分配至瓶頸路段，集計瓶頸路段對應所有相關收費入口的分配流量。c. 瓶頸路段擁堵預判：利用參數(shù)訓練獲得的路段通行能力閾值表對當前周期瓶頸路段的預測流量進行擁堵預判。d. 瓶頸路段擁堵時間預估：根據OD路徑表，結合實時路段手機車速數(shù)據，估算瓶頸路段發(fā)生擁堵的預計時間。

（2）收費站入口流量預警

a. 收費口對應瓶頸路段流量預警閾值標定：基于瓶頸路段通行能力的閾值，根據收費站OD流量比例表和收費站入口流量占比表，標定收費口對應瓶頸路段的流量預警閾值表。b. 收費站入口流量預警：當收費站當前周期入口流量超出收費口對應瓶頸路段流量預警閾值時，發(fā)布收費口流量預警信息。

1.3.2 路網OD與路徑分布算法（如圖4）

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

（2）手機大數(shù)據通過手機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OD分布以及手機OD路徑分布。其中手機OD分布數(shù)據反映了實際客流在高速公路出入口之間的日均流量情況，而手機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OD與路徑分布訓練模塊通過數(shù)據融合與訓練，生成收費站入口流量占比表、OD路徑表、收費站OD流量比例表。

1.3.3 路段通行能力標定算法（如圖5）

（1）手機大數(shù)據通過路段行程車速估算模塊生成歷史路段手機車速。

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

（3）路段通行能力標定模塊根據交通流量、速度、密度相互關系模型，結合收費站歷史流量數(shù)據和手機大數(shù)據獲取的歷史車速數(shù)據，開展瓶頸路段的流量和車速關聯(lián)性分析，標定路段的通行能力，生成路段通行能力閾值表。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實施

在浙江省交通運輸廳搭建了一套“基于手機與流量數(shù)據的高速公路收費口流量預警支撐系統(tǒng)”，實時系統(tǒng)框架如圖6所示。

基礎數(shù)據層：系統(tǒng)輸入數(shù)據為實時的手機車速數(shù)據和收費站數(shù)據。

數(shù)據中心層：實現(xiàn)數(shù)據接入和數(shù)據質量評估功能，該層主要包括數(shù)據接入子系統(tǒng)和數(shù)據質量評估子系統(tǒng)。

數(shù)據分析層：該層主要實現(xiàn)收費口流量預警處理子系統(tǒng)各項功能。

應用層：本系統(tǒng)能夠為交通管理部門、交通運營部門、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)勢以及收費站流量預警信息。

2.2 系統(tǒng)輸入與輸出

2.2.1 系統(tǒng)輸入

（1）實時手機車速數(shù)據：當前運算周期基于路段編號的平均車速。

（2）實時收費站入口流量數(shù)據：收費口入口最新進入的車輛信息，包括車型、是否ETC車輛、進入該收費口的實際時間。

2.2.2 系統(tǒng)輸出

收費口流量預警信息（見表1）

2.3 系統(tǒng)成果

（1）系統(tǒng)數(shù)據查詢：實現(xiàn)系統(tǒng)輸入數(shù)據和輸出結果的查詢。

（2）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控：實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)異常信息查詢。

（3）系統(tǒng)參數(shù)維護：實現(xiàn)系統(tǒng)基礎數(shù)據的維護，例如收費站基礎數(shù)據維護。

（4）系統(tǒng)管理：實現(xiàn)用戶管理、菜單管理、角色管理及菜單權限管理。

圖7是系統(tǒng)數(shù)據查詢頁面的擁堵預測結果查詢界面，展示系統(tǒng)生成的流量預警信息。

2.4 精度測試

由實時車速數(shù)據推斷真實的交通狀態(tài)作為測試的基準數(shù)據，通過與擁堵預警信息進行對比分析，驗證并評價系統(tǒng)發(fā)布結果的準確性。

采用的評估指標為《GB/T 29101-2012 道路交通信息服務數(shù)據服務質量規(guī)范》中6.2.2.3 交通狀態(tài)準確率。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 擁堵預測準確率

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

3 結束語

本文充分挖掘了浙江省交通運輸廳現(xiàn)有數(shù)據的應用價值，將基于手機大數(shù)據生成的實時車速數(shù)據和實時收費站入口數(shù)據相融合，研發(fā)了收費口與瓶頸路段流量預警算法以及歷史參數(shù)訓練模型，實現(xiàn)了收費口與瓶頸擁堵路段的關聯(lián)，當收費口流量超過瓶頸擁堵路段流量閾值時，輸出收費口流量預警信息。

本文完成了“基于手機與流量數(shù)據的高速公路收費口流量預警支撐系統(tǒng)”的總體設計和功能設計，并在浙江省交通運輸廳搭建了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測收費口流量，及時發(fā)布收費口流量預警信息，為交通管理部門疏導交通流量、制定限流措施提供了數(shù)據支撐。

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

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