基于GPS數據的出租車路徑選擇研究及應用

李國慶

摘 要：探討了基于GPS數據的出租車路徑選擇算法，提出了如何將蟻群算法與出租車交通運行特性相結合的思想。分析了將GPS數據的出租車交通運行特性應用于路徑選擇算法的可行性及問題。

關鍵詞：路徑選擇；出租車；蟻群算法

近年來，城市化進程的快速發展，導致大量的農村人口向城市集中，大大提高了城市人口的密度。并且，隨著家庭經濟基礎的日益改善，私家車正在快速的成為越來越多家庭的必備出行工具。人口和車輛絕對數目的增加相對于沒有多大改善的城市交通環境，必然造成日益嚴重的交通擁堵。出租車作為城市公共交通的重要補充力量，其方便快捷的特性受到越來越大的挑戰。如何在擁擠的交通環境中規劃出一條快捷高效的行進線路，提高效率，減少空駛率，快速的將客戶送的指定的地點，是每個出租車駕駛員都非常關心的問題。

一、出租車常用的路線選擇方式

出租車在運營的過程中，分空載和載客兩種狀態，在空載狀態下，為了能夠找到客源，出租車司機往往要去車站、商場、酒店、高密度住宅區等人員密集，客源比較豐富的地方。但是，正是由于這些場所較大的人員密度，對有限的道路資源容易造成更大的交通壓力，特別是上下班高峰時段，這些地方更容易產生堵車現象。所以空載狀態下，出租車司機一般會在人員密集的區域，根據當前地段的交通擁堵狀況隨機選擇交通比較順暢的路線。而在載客狀態下，選擇交通順暢的路線，盡快將客戶送到目的地，出租車司機往往會選擇避開人流密集區域，有時會在征求客戶同意的時候選擇繞行。所以在載客狀態下，出租車司機一般會選擇兩點之間 的最短路徑，不過會盡量避開交通擁堵地段。出租車司機每天都在城市的各條道路上穿行，因此會對城市的交通狀況有比較全面的認識，什么時段哪些路段比較擁堵，哪里客戶較多等等。不過這些都是感性上的認識，沒有具體的數據支持，所以有時候在路徑的選擇上還是不竟如人意。而通過GPS數據收集處理出租車交通運營特性數據，再進過尋路算法的計算給出相對合理的運營路線，是一種解決出租車運營路線選擇的有效方法。

二、蟻群算法在出租車路徑選擇上的相似性

出租車駕駛員在城市道路中尋找客戶行為類似于螞蟻個體的尋找食物行為。不過，出租車駕駛員在尋找顧客或者選擇到達目的地的路徑時的選擇行為時會受到交通擁堵、路徑長短、客流量豐富程度等眾多因素的影響。經驗豐富的出租車駕駛員根據經驗可以找到較好的路徑，或者與信息臺交流也可以找到合適的路徑。這與螞蟻尋找食物的時候群體之間的信息交流是非常相似的。

三、基于GPS數據的出租車交通運營特性

FCD 是指在固定的時間間隔或者固定的距離通過分布式傳感器如GPS 、移動電話、Wi-Fi 或者藍牙等采集的車輛的定位數據。在出租車上安裝GPS，當出租車駕駛員在道路上運營時，每隔固定的時間間隔采集出租車的位置信息、速度信息、載客信息、行駛方向等數據信息。并根據這些采集到的原始數據，加工處理后得到不同時段道路的擁堵程度、空載率、出租車速度、停靠點等能夠為出租車司機尋路提供參考的關鍵信息，也就是通過蟻群算法尋路所需要的信息元素。

四、基于GPS數據的道路信息構建

（一）道路信息參數指標

出租車作為城市公共交通的重要組成部分，幾乎是全天候運營，一般一輛出租車都有至少2名司機，采用輪班的方式。并且，出租車的道路覆蓋廣，幾乎是城市里凡是出租車能夠進去的地方，都有出租車的足跡。因此，通過安裝在出租車上的GPS設備對出租車的運行數據進行采用和分析，可以比較準確地反映城市中各條路段的通行狀況信息。本文通過GPS采用點數據分析，計算出在某個時段t道路i的出租車平均速度Vi（t）和平均載客率Ci（t），平均載客率Ci（t）的取值在0到1之間。

公式中：i表示路段編號；t表示一天中的某個時段，如7點—9點等；j表示某一輛出租車；m表示在時段t通過路段i的出租車總數量；k表示路段i上的某個采樣點編號。ni（t）表示路段i在t時間段采樣的數據的總數，vk（i，j）表示在路段i上車輛j在第K個采樣點的速度；ck（i，j）表示在路段i上車輛j在第K個采樣點時車輛是否空載，空載取值為0，非空載取值為1。n（i，j）表示車輛j在路段i上采樣點個數。

根據上面兩個公式得出的某條路段i在時間段t出租車的平均行進速度Vi（t），我們可以得到該路段i在時間段t的道路擁擠程度Di（t）。這里使用出租車在該路段的運行速度反映路段的擁堵狀況。

公式中：vimax表示路段i在毫不擁堵的狀態下車輛允許的最高限速；Vi（t）表示路段i在t時間段的平均速度；Di（t）表示路段i在t時間段的擁堵程度，Di（t）的取值在0到1之間，當Di（t）的取值為0時，表示道路i嚴重擁堵，當Di（t）的取值為1時，表示道路i交通狀況非常好。

（二）道路擁堵度和載客率的建立

通過GPS采樣數據得到的城市街道中的每條道路信息參數反映了每條道路的擁堵程度以及出租車在每條道路上運行時的載客率。道路擁堵率高，說明當前時段道路交通壓力大，車輛通行緩慢或者堵車；載客率高說明客源豐富，容易拉到乘客。并且根據載客率的高低，可以合理設置出租車的停靠點，方便出租車乘客出行。擁堵程度Di（t）和載客率Ci（t）可以為出租車駕駛員選擇運行線路提供參考依據。擁堵程度Di（t）和載客率Ci（t）可以作為城市交通道路有向圖的邊的權重。出租車司機在考慮運行路線時要充分考慮這兩個權重，出租車司機是否選擇邊Ei可以用P（Ei，t）表示。

公式中：a，b表示擁堵程度和載客率對于出租車司機是否選擇該路段的選擇系數，a為擁堵程度的選擇系數，b為載客率的選擇系數。

五、出租車路徑選擇模型

出租車司機在選擇運行線路是要考慮的因素有很多，諸如道路運行狀況、是否能夠拉到客戶；還要考慮到為了避免擁堵，客戶是不是介意繞路等等。本文不考慮客戶的因素，只是簡單從到達目的地的距離L（t）和出租車司機選擇該條路段的意愿P（t）兩個方面建立路徑選擇模型

公式中：L（t）表示在t時間段從當前位置行駛到目標位置的距離；P（t）表示綜合考慮t時間段內所經過的路段擁堵程度和載客率等因素后的出租車司機選擇路段Ei的意愿；S（Ei，t）表示出租車司機選擇的出行路線。該路線要求到達目標位置路線盡可能短，并且路段盡量不擁堵、載客率盡可能高。

六、結論

本文以許昌市道路導航電子地圖為試驗數據，對出租車駕駛員路徑選擇進行基于GPS數據的規劃試驗，并將試驗數據與某出租車駕駛員實際運行路線進行對比。進過試驗對比發現，本文的尋路算法和出租車駕駛員實際行走路線都避開了擁堵程度很高的路段，具有很高的相似性。不過，出租車在空載的情況下，算法會規劃到人流和車輛密集的區域的行進路線，造成車輛擁堵，這個問題需要進一步的完善。

參考文獻：

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