姚子男

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200120）

環(huán)境污染和交通擁堵是工業(yè)化進程中最重要的兩類社會問題，兩類問題相互影響、相伴共生。破解交通擁擠和環(huán)境污染最主要的方法之一就是進行交通分流和疏解。交通流量動態(tài)分配和協(xié)調(diào)主要針對當前大城市交通擁堵問題，利用視頻監(jiān)控技術(shù)獲取城市特定區(qū)域?qū)崟r交通流量信息，針對預定的交通流量分配和協(xié)調(diào)目標設(shè)計效用函數(shù)，通過特定數(shù)學算法獲取效用函數(shù)的極大或極小值，在此基礎(chǔ)上分析和預測指定路段或交通節(jié)點的人（車）流量、速度、密度以及通勤時間，科學確定最佳路線、合理安排通勤。

國內(nèi)外學者關(guān)于交通流量分配和協(xié)調(diào)問題提出了較多有效的解法。王靜遠等[1]總結(jié)了如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計智慧城市的通用方法；黃大榮等[2]基于大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計了如何對城市交通運輸網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化和動態(tài)協(xié)調(diào)，緩解交通擁堵問題；張坤等[3]分析了數(shù)據(jù)描述客體在數(shù)據(jù)分析過程中的具體應(yīng)用并進行了仿真例證。

本文在學習和借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以手機信令數(shù)據(jù)為人（車）流量標定的基礎(chǔ)，利用標定數(shù)據(jù)建立交通流量動態(tài)分配和協(xié)調(diào)問題數(shù)學模型，基于數(shù)學模型提出交通流量效用函數(shù)，通過智能算法求解并進行仿真驗證。

1 手機信令數(shù)據(jù)在交通流量標定中的應(yīng)用

1.1 手機信令數(shù)據(jù)的概念

手機信令數(shù)據(jù)主要產(chǎn)生于手機通信或定位，運營商通過基站能夠記錄手機信號的運動軌跡，通過特定分析方法可以實現(xiàn)手機信號的定位與密度分析，掌握手機使用者的運動狀態(tài)和相關(guān)軌跡。手機信令數(shù)據(jù)的產(chǎn)生離不開手機定位技術(shù)，手機信令數(shù)據(jù)具有一定的單方向性，為基于信令數(shù)據(jù)研究手機使用者的出行行為提供了可能。

1.2 基于手機信令數(shù)據(jù)的交通流量監(jiān)測方法

基于手機信令數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對人口分布的估算，在此基礎(chǔ)上可以得出靜態(tài)初始目的地（origin destination，OD）矩陣（簡稱OD矩陣，下同），實現(xiàn)對交通流量的實時動態(tài)監(jiān)測。交通流量分布OD矩陣可以表征為利用手機運營商基站得到的信令數(shù)據(jù)容量、待研究城市手機人均擁有率、手機運營商市場占有率、用戶手機被監(jiān)測概率等有關(guān)，具體可以表示為：

式中：XOD——表示交通流量分布OD矩陣；γ——利用手機運營商基站得到的信令數(shù)據(jù)容量；α1——待研究城市手機人均擁有率；α2——手機運營商市場占有率；α3——用戶手機被監(jiān)測概率。

在利用待研究區(qū)域交通流量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)厥謾C運營商提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括手機運營商基站得到的信令數(shù)據(jù)容量、待研究城市手機人均擁有率、手機運營商市場占有率、用戶手機被監(jiān)測概率等，可以計算得出交通流量分布OD矩陣。在此基礎(chǔ)上，對待研究區(qū)域的地理數(shù)據(jù)信息進行分割，設(shè)置合理的交通路線起始點，可以得到城市交通流量OD分布概況。

1.3 手機信令數(shù)據(jù)用于交通流量監(jiān)測的適應(yīng)性

手機信令數(shù)據(jù)基于手機定位功能和信息（包括文字和語音）收發(fā)得以實現(xiàn)，具有實現(xiàn)簡單、定位準確的優(yōu)點，手機保持開機狀態(tài)就可以采集相關(guān)信息，具有較好的實時性和時間持續(xù)性。

手機信令數(shù)據(jù)樣本容量大，在線處理時具有較大的計算負擔，對算法運算能力有更高的要求。手機信令數(shù)據(jù)的定位精度較，目前最大定位精度約為300 m，低于GPS定位精度，更適用于中大尺度的空間。在使用手機信令數(shù)據(jù)進行交通流量監(jiān)測時，一方面需要開發(fā)運算速度更快、在線處理能力更強的數(shù)學算法，另一方面需要結(jié)合研究范圍的空間尺度情況進行選擇。

2 動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型

交通流量分配和協(xié)調(diào)仿真是交通狀況實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和城市交通流量OD分布概況的直觀體現(xiàn)，具有形象、準確、靈活的特點，是進行交通動態(tài)疏導的重要技術(shù)手段。現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和三維立體顯示技術(shù)有助于交通流量分配和協(xié)調(diào)仿真的真實化實現(xiàn)。

交通流量分配和協(xié)調(diào)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)是動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型，該模型主要由路阻函數(shù)模型和交通動態(tài)OD模型兩部分組成。

2.1 路阻函數(shù)模型

路阻函數(shù)模型主要表征特定區(qū)域交通流的阻力，即交通路網(wǎng)對人（車）通勤能力的限制[4]。路阻函數(shù)模型最早由美國聯(lián)邦公路局（FHA）提出，較多學者在此基礎(chǔ)上進行了改進，目前較為通用的模型為：

式中：t——車輛通行路段的有效時間；t0——指定路段的自由流通時間；b——指定路段的車流量；a——指定路段設(shè)計通行能力；α、β——待確定的參數(shù)。

在實際計算過程中，指定研究路段后，可以利用視頻檢測統(tǒng)計工具或微波信號檢測器獲得人（車）單位時間、單位斷面的通行量，由計時器獲得該路段人（車）的行駛和通勤時間，在此基礎(chǔ)上利用式（2）進行積分運算，可以求得路阻函數(shù)的實際值。

2.2 交通動態(tài)OD模型

交通動態(tài)OD模型主要基于手機信令數(shù)據(jù)和交通流量監(jiān)測技術(shù)，利用人（車）通勤數(shù)據(jù)對交通流量進行動態(tài)調(diào)整和校準?；跀?shù)據(jù)迭代算法實現(xiàn)最短通勤路徑的有效搜索，并在此基礎(chǔ)上對指定路段的人（車）流通勤能力進行分配[5]。

交通動態(tài)OD模型：

式中：z——交通動態(tài)OD模型有效值；r(w,t,p)——觀測時間t內(nèi)指定路段w處人（車）流量實測值；d(w)——該路段人（車）流量標定值；q(l,t)——觀測時間t內(nèi)待定路段l上人（車）流量密度實測值；qˉ(l,t)——觀測時間t內(nèi)待定路段l上的人（車）流量密度標定平均值；p——待確定參數(shù)。

進行交通動態(tài)OD建模時，需要采集手機信令數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，根據(jù)處理結(jié)果采用智能化算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習等），對人（車）流量的各種數(shù)值進行統(tǒng)計分析，依據(jù)式（2）映射出交通動態(tài)OD模型的有效值，完成建模工作。

基于交通動態(tài)OD模型，可以計算特定時間和指定路段內(nèi)的交通流量相關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并利用梯度下降等算法求取極大（小）值，可以確定該段時間內(nèi)交通流量的分配方案。

2.3 仿真實現(xiàn)步驟

動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型主要由路阻函數(shù)模型和交通動態(tài)OD模型兩部分組成，路阻函數(shù)模型相當于交通動態(tài)OD模型的Kron積運算：

式中：P——動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型有效值；?——矩陣Kron積運算。

基于動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型，可以實現(xiàn)動態(tài)交通分配仿真驗證。

（1）構(gòu)建城市指定區(qū)域路網(wǎng)通勤地圖，主要基于城市交管部門提供的衛(wèi)星云圖和交通流量實時觀測大數(shù)據(jù)。

（2）利用車牌識別、交通流監(jiān)測、微波數(shù)據(jù)統(tǒng)計等技術(shù)手段，實現(xiàn)對人（車）流量的有效監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上獲取通行路段的有效時間、指定路段的自由流通時間、指定路段的車流量、指定路段設(shè)計通行能力、人（車）流量實測值、人（車）流量標定值、人（車）流量密度實測值等相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建路阻函數(shù)模型和交通動態(tài)OD模型。

（3）利用手機信令數(shù)據(jù)，獲取人（車）流動OD相關(guān)數(shù)據(jù)，對動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型進行數(shù)據(jù)修正，根據(jù)修正值調(diào)整動態(tài)交通流量分配和協(xié)調(diào)數(shù)字化模型中的待定參數(shù)，直至獲得最優(yōu)值。

（4）利用三維動態(tài)仿真圖實現(xiàn)對交通流量的動態(tài)分配，實時監(jiān)測交通通勤狀態(tài)。

（5）判斷交通動態(tài)OD模型的有效值是否收斂，如果收斂表示交通狀況良好、交通分配和協(xié)調(diào)方案有效運行、路面無擁堵現(xiàn)象；如果有效值發(fā)散，表示交通狀態(tài)惡化，需要進行在線疏導，并返回執(zhí)行識別檢測，直至有效值收斂為止。

3 結(jié)語

綜上所述，文章結(jié)合特定區(qū)域交通實時狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過建立路阻函數(shù)和交通動態(tài)OD模型，利用手機信令數(shù)據(jù)對交通流量實時狀態(tài)進行了標定。在此基礎(chǔ)上制定了交通分流方案，利用分流方案對交通狀況的進一步發(fā)展情況進行了預判，數(shù)字化分析分流結(jié)果。相關(guān)成果具有一定可實施性，且經(jīng)過工程實踐證明了其有效性，可以為相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員提供借鑒和理論指導。