公共交通動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及決策支撐系統(tǒng)建設(shè)框架研究

程曉明 李旭 侯佳

摘 要：隨著公共交通建設(shè)發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，其建設(shè)瓶頸期已初步顯現(xiàn)，直接通過(guò)大規(guī)模的公交基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來(lái)拉動(dòng)公交服務(wù)品質(zhì)的邊際效益已經(jīng)逐步降低。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，國(guó)家號(hào)召大力推進(jìn)人工智能和信息化在公共交通行業(yè)中的應(yīng)用，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建公共交通動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及決策支撐引擎，強(qiáng)化在既有公交設(shè)施基礎(chǔ)上的服務(wù)挖潛能力，提升公共交通服務(wù)軟實(shí)力和總體品質(zhì)。本文對(duì)公共交通動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及決策支撐系統(tǒng)的建設(shè)必要性、用戶功能需求和總體功能進(jìn)行探索研究，初步建立系統(tǒng)建設(shè)總體框架。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);決策支撐;公交仿真

中圖分類號(hào)：U491.17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

進(jìn)入十三五以來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的技術(shù)突破，智能化、信息化發(fā)展作為國(guó)家核心發(fā)展戰(zhàn)略已在都各領(lǐng)域逐步落地。交通作為事關(guān)國(guó)計(jì)民生的核心領(lǐng)域受到了國(guó)家的格外關(guān)注。2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》（國(guó)發(fā)〔2017〕11號(hào)）。上述文件中明確提出了要積極依托大數(shù)據(jù)及人工智能的技術(shù)突破，建成覆蓋公共交通、城市路網(wǎng)、相關(guān)高速公路以及綜合樞紐的集成化交通信息采集、處理、決策支持和服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車、城市軌道以及客運(yùn)樞紐運(yùn)營(yíng)車輛的智能監(jiān)管。

公共交通系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)各大城市的市內(nèi)綠色客運(yùn)出行主體，為廣大居民提供了普適、可靠的出行服務(wù)，該系統(tǒng)的整體服務(wù)水平不僅影響城市的正?？土鬟\(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也對(duì)城市交通擁堵緩解起到?jīng)Q定作用。在后公交都市背景下，公共交通除了基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)投入，還需要在信息化建設(shè)和人工智能技術(shù)應(yīng)用方面強(qiáng)化突破，構(gòu)建公共交通仿真決策平臺(tái)，有效提高城市公交的整體運(yùn)行效率和服務(wù)水平，支撐城市公交的創(chuàng)新發(fā)展。本文對(duì)公共交通動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及決策支撐系統(tǒng)的建設(shè)必要性、用戶需求分析和總體功能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，期望形成一套科學(xué)合理、普適有效的建設(shè)框架。

1 建設(shè)必要性分析

1.1 公共交通系統(tǒng)降本增效、服務(wù)提質(zhì)的技術(shù)依托

公共交通系統(tǒng)的服務(wù)水平往往受到公交設(shè)施建設(shè)及實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)管理兩大核心因素制約。國(guó)內(nèi)各大城市在公共交通設(shè)施方面已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)度，在公交都市建設(shè)指導(dǎo)下公交線網(wǎng)規(guī)模及覆蓋面大幅增加，公交運(yùn)力穩(wěn)步增長(zhǎng)，公交場(chǎng)站建設(shè)逐步完善，為公交服務(wù)水平進(jìn)一步提升奠定了良好的設(shè)施基礎(chǔ)。但是普遍來(lái)看公交乘客對(duì)于公交系統(tǒng)服務(wù)依然有所詬病，不滿意最多的是運(yùn)行速度慢、等車時(shí)間長(zhǎng)、車輛準(zhǔn)點(diǎn)率低、車內(nèi)擁擠四大因素，造成上述現(xiàn)象的核心癥結(jié)恰恰是因?yàn)楣步煌ㄟ\(yùn)營(yíng)監(jiān)管方面的弱勢(shì)發(fā)展。

因此，必須構(gòu)建公共交通仿真決策平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)不僅涵蓋公交軌道IC卡、公交GPS、車載視頻等公共交通大數(shù)據(jù)[1-3]，同時(shí)還將引入手機(jī)信令數(shù)據(jù)、道路流量視頻數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)信號(hào)燈數(shù)據(jù)等外部數(shù)據(jù)[4-6]。通過(guò)平臺(tái)運(yùn)算核心對(duì)多源頭、海量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析和規(guī)律解析，找出居民公交客流時(shí)空分布形成機(jī)理，從而動(dòng)態(tài)優(yōu)化公交線路運(yùn)營(yíng)發(fā)班計(jì)劃和道路信號(hào)燈配時(shí)，以此提升公共交通服務(wù)水平和效率水平。

1.2 公共交通系統(tǒng)科學(xué)決策、理性發(fā)展的有力支撐

隨著國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)格局紛紛顯現(xiàn)。但是地鐵的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)勢(shì)必會(huì)影響現(xiàn)狀其沿線重疊較長(zhǎng)路段地面公交線路的客流效益，不利于發(fā)揮地鐵和地面公交各自的服務(wù)優(yōu)勢(shì)。在此背景下，各城市公交主管部門重點(diǎn)應(yīng)結(jié)合地鐵線路的建設(shè)對(duì)公交線路進(jìn)一步優(yōu)化線位、強(qiáng)化運(yùn)能、調(diào)整功能定位，以強(qiáng)化客流接駁。

因此，必須基于居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用前述公交IC卡、手機(jī)信令等多元大數(shù)據(jù)共同構(gòu)建公共交通仿真決策支撐平臺(tái)，對(duì)公共交通線網(wǎng)優(yōu)化方案進(jìn)行前置性仿真測(cè)試，評(píng)估優(yōu)化后的線路客流規(guī)模、站點(diǎn)上下客量、換乘流量等客流效益指標(biāo)，以此反饋原有方案中走向、站點(diǎn)、運(yùn)力配置等線路參數(shù)，保障優(yōu)化后的公交線路與居民實(shí)際出行需求方向相匹配，切實(shí)支撐政府部門在優(yōu)化方案中的科學(xué)決策工作。

1.3 公共交通系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)管、安全生產(chǎn)的核心抓手

公共交通系統(tǒng)面向大眾服務(wù)，公交車輛的駕駛行為直接決定了乘客乘坐體驗(yàn)性以及乘客自身安全性，進(jìn)而對(duì)公共交通系統(tǒng)服務(wù)水平具有舉足輕重的影響。

基于公共交通仿真決策支撐平臺(tái)，可以通過(guò)對(duì)車輛GPS數(shù)據(jù)及道路視頻數(shù)據(jù)的聯(lián)合挖掘?qū)︸{駛員行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)通過(guò)車輛速度、是否頻繁變化車道、是否過(guò)近跟馳、是否違章等行為進(jìn)行智能識(shí)別，以此為基礎(chǔ)制定安全駕駛指標(biāo)綜合考評(píng)駕駛員駕駛行為等級(jí)，引導(dǎo)、提升駕駛?cè)藛T駕駛行為，保障公交車輛規(guī)范、安全駕駛，提升公共交通客流吸引力。

2 用戶需求分析

本次平臺(tái)設(shè)計(jì)面對(duì)三大類用戶：政府管理部門（交通局運(yùn)管處）、公交運(yùn)營(yíng)企業(yè)、交通管理部門，三類用戶由于用戶需求不同，需要不同的功能進(jìn)行支撐。

2.1 政府管理部門

公共交通行業(yè)管理的實(shí)際操作部門，對(duì)公交運(yùn)營(yíng)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)管和考核，向上級(jí)主管部門上報(bào)公交系統(tǒng)運(yùn)行情況，并對(duì)公交線網(wǎng)優(yōu)化方案進(jìn)行決策。其對(duì)平臺(tái)主要需求為：

（1）公交客流情況的自動(dòng)統(tǒng)計(jì);（2）公交運(yùn)行情況的自動(dòng)統(tǒng)計(jì);（3）公交線網(wǎng)優(yōu)化方案供給布局評(píng)估;（4）公交線網(wǎng)優(yōu)化方案的客流效益評(píng)估。

2.2 公交運(yùn)營(yíng)企業(yè)

公交運(yùn)營(yíng)企業(yè)是公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際操作者，其對(duì)平臺(tái)主要需求為：

（1）線網(wǎng)優(yōu)化方案的客流仿真指標(biāo)結(jié)果（線路層級(jí)）;（2）公交線路的客流效益監(jiān)測(cè);（3）公交車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.3 交通管理部門

交通管理部門是公交線路運(yùn)營(yíng)的支撐部門，其對(duì)平臺(tái)的主要需求為：

（1）公交車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè);（2）公交路權(quán)優(yōu)先方案仿真評(píng)估;（3）節(jié)點(diǎn)信號(hào)優(yōu)先方案仿真評(píng)估。

3 總體功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是城市公交線網(wǎng)優(yōu)化仿真系統(tǒng)與公交公司、軌道公司、交管局、運(yùn)營(yíng)商等單位數(shù)據(jù)接入的中介。該系統(tǒng)遵循和不同數(shù)據(jù)源的接口規(guī)范，依據(jù)完備的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，按照協(xié)商好的接口規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系與數(shù)據(jù)提供單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定可靠的交互，具有數(shù)據(jù)匯聚功能。

在此基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)還具備初步的數(shù)據(jù)清洗、關(guān)聯(lián)功能，并形成與業(yè)務(wù)需求相對(duì)應(yīng)的專題數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的兩大核心之一，主要利用統(tǒng)計(jì)推斷、最優(yōu)化分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法框架構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析引擎，在此基礎(chǔ)上對(duì)公交大數(shù)據(jù)、軌道大數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)商大數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)交通大數(shù)據(jù)進(jìn)行融合挖掘分析，并將分析結(jié)果儲(chǔ)存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中。子系統(tǒng)核心實(shí)現(xiàn)公交客流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析以及公交車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析兩個(gè)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)模塊，對(duì)現(xiàn)狀公共交通運(yùn)行整體狀況進(jìn)行全環(huán)節(jié)感知。

3.3 仿真應(yīng)用子系統(tǒng)

仿真應(yīng)用子系統(tǒng)同樣是仿真系統(tǒng)的兩大核心之一，在宏觀四階段模型框架、中觀動(dòng)態(tài)交通分配核心算法以及GIS空間分析基礎(chǔ)上構(gòu)建交通仿真分析引擎。利用仿真分析引擎構(gòu)建宏觀離線仿真決策支撐模塊和中觀在線仿真決策支撐模塊。

其中宏觀離線仿真決策支撐模塊用以對(duì)公交線網(wǎng)優(yōu)化布局方案、客流效益進(jìn)行精準(zhǔn)仿真評(píng)估，同時(shí)也可以對(duì)公交換乘優(yōu)惠等于常規(guī)公交線網(wǎng)優(yōu)化息息相關(guān)的公交政策的實(shí)際效益進(jìn)行仿真預(yù)判，切實(shí)支撐相關(guān)管理部門的科學(xué)決策。中觀在線仿真決策支撐模塊則重點(diǎn)對(duì)公交線路運(yùn)力排班方案、公交優(yōu)先信號(hào)控制、公交專用道等路權(quán)設(shè)計(jì)方案效果進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的仿真分析，支撐公交公司等公交運(yùn)營(yíng)主體的科學(xué)決策。

3.4 數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)和仿真應(yīng)用子系統(tǒng)的分析結(jié)果將通過(guò)數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)向不同用戶進(jìn)行發(fā)布和展示。除了常規(guī)的靜態(tài)圖表展示以外，本次還引入了數(shù)據(jù)儀表盤和地圖展示兩類可視化展示途徑，增加數(shù)據(jù)分析結(jié)果的展示表現(xiàn)力。

數(shù)據(jù)儀表盤根據(jù)不同專題，將相關(guān)指標(biāo)按照統(tǒng)一邏輯整合在一個(gè)頁(yè)面，給用戶以整體、全局、全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)表達(dá)力。

地圖展示則主要在百度、高德等地圖應(yīng)用基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以熱力圖、遷徙圖、軌跡圖、染色圖等形式表達(dá)數(shù)來(lái)，使表達(dá)結(jié)果具備時(shí)空效應(yīng)，為用戶提供更加直觀的展示效果。

4 結(jié)語(yǔ)

公共交通動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和決策支撐系統(tǒng)總體希望在構(gòu)建公共交通的全景數(shù)據(jù)底盤的基礎(chǔ)上，形成更加豐富和精細(xì)化的公共交通評(píng)估指標(biāo)體系和結(jié)果，支撐不同用戶在公交相關(guān)方向的決策。

筆者基于自身在公共交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及大數(shù)據(jù)分析方向經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的初步探索，限于筆者經(jīng)驗(yàn)和自身理論水平，難免有所疏漏。后續(xù)筆者將結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)證性研究的持續(xù)開(kāi)展，不斷細(xì)化功能需求，細(xì)化功能設(shè)計(jì)，完善核心技術(shù)支撐，從而完善系統(tǒng)總體建設(shè)框架。

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