基于GPS大數據的居民出行時空分布

江迎

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

出租車作為城市公共交通的重要組成部分，已經成為影響城市道路交通規劃與管理的重要交通方式之一，高效的出租車運營系統有利于優化城市公共交通結構，滿足城市居民多樣化的出行需要。然而，已有的出租車運營狀況監測與管理手段較為落后，所采集信息量不夠全面，且每次進行調查都要花費大量的人力與物力，已經不能滿足現代化城市交通管理的需要。浮動車數據采集系統作為先進的交通數據采集手段，能夠持續地回傳GPS數據，在浮動車技術的支持下，研究挖掘出租車運營信息的方法，建立起先進的城市出租車運營管理體系，將有助于實現對出租車運營狀況的全面、持續監測，為城市出租車行業運營管理提供先進的技術方法，有助于推動城市交通管理向智能化和信息化的方向發展。

2 數據挖掘方法

2.1 數據格式

本文采集到的GPS定位數據來自于2015年4月長沙市裝載GPS的出租車，長沙市于2010年完成了對市區內所有出租車GPS系統的安裝，到2015年全市有7500輛裝載了GPS的出租車。出租車以 0.5 min的時間間隔，報告車輛的設備狀況、運營狀態、地理位置、瞬時速度和運行方位角等實時信息，每天的數據量非常大，一般有兩千萬條左右。數據內容如下：①設備ID：加密后的出租車唯一標識；②時間：GPS數據生成時刻；③經緯度：GPS設備定位坐標信息，基于WGS84坐標系；④速度；⑤方向；⑥服務狀態：60=出租車為候客狀態，59=出租車處于載客運營狀態(如圖1所示)。

圖1 出租車GPS數據示例圖

2.2 數據處理

綜合利用網格匹配和路網拓撲分析等多種匹配算法[1，2]，設計出一套改進的路徑匹配算法(如圖2所示)，將出租車GPS軌跡與具有拓撲關系的GIS路網進行路徑匹配，對出租車的實際位置進行定位，結合路徑搜索算法[2]獲取出租車相鄰定位點之間的路徑信息，根據每個路段上出租車行駛的路徑長度和時間累加計算任意出租車在路段上行駛的長度和時間總和，對路段經過的所有出租車進行速度集成計算，得到路段的出租車行程車速。同時通過出租車的運營統計模塊，可以獲取長沙市出租車的運營狀態和OD分布[3，4]。

圖2 出租車GPS數據處理流程圖

出租車傳回的坐標只能反映車輛的坐標位置，而不能直接與路網路段相關聯。借助50×50(M)的網格來進行路網地圖匹配，實現車輛與路網路段的關聯，車輛的運動軌跡就可以清楚地在地圖上顯示出來。結合路網的拓撲關系來計算出租車的行程車速，車速的計算公式應為V=dS/dT(dS：累計里程，dT累計耗時)，車速可以直觀地體現出租車的運營狀態。

根據裝載GPS的出租汽車在傳回數據中的運營狀態指標來判斷出租汽車的載客情況，60表示空車，59表示重車(載客)。當出租車載客狀態由60變為59時表示有乘客上車，代表乘客O點；反之當載客狀態由59變為60時表示乘客下車，表示乘客D點。出租車的OD分布代表了一種特征，能夠用來識別有吸引力的區域。乘客上車點代表有出行需求的區域，乘客下車點代表居民出行距離和出行空間分布。

3 居民出行時空分布特性

本文選取了工作日3天的GPS數據，通過GPS數據處理模型獲取長沙市出租車的OD分布，從中可以分析出出租車的上下客位置分布，從而對出租車的時空分布進行挖掘，主要包括出租車在不同道路上的分布以及在不同功能區域的分布兩部分。

3.1 出租車運營網絡分布

路段車速是體現路段擁堵程度的重要指標[5，6]，通過對晚高峰時段長沙市路網車速進行統計分析得到長沙市晚高峰時段的擁堵路網圖(如圖3所示)，從中可發現在晚高峰中擁堵路段主要出現在五一路、城南路、蔡鍔路、八一路等市中心的道路上，車速均低于 15 km/h。本文利用GPS數據對出租車分布是否與道路擁堵程度有關進行深入分析與探討，為使不同擁堵等級道路上的出租車分布具有可比性，利用出租車在各個等級路段比例來進行對比，即某一時間段內各個路段出租車客運量占總客運量的比例，最終得到高峰時段出租車運營網絡分布。

圖3 長沙市晚高峰擁堵路網圖

圖4 長沙市晚高峰出租車運營網絡分布圖

從長沙市晚高峰出租車運營網絡分布圖(如圖4所示)可以看出，越是擁堵的路段出租車的客運量越低。通過分析具體數據，可以發現各條路段的客運量與擁堵等級呈反比(如圖5所示)，最擁堵路段的客運量只占總客運量的2.1%，擁堵等級為4的路段占的比重是7.5%，第三等級的比例是13.6%，當擁堵等級是2時則為24.7%，其他不擁堵的路段占了客運總量的一半。由此可見，長沙市出租車在高峰期時，出租車運營水平較低，由于出租車司機在高峰期間不愿駛入擁堵路段，因此擁堵路段附近的客流需求較難得到滿足。

圖5 出租車客運量與道路擁堵程度的關系

3.2 不同功能區域出租車時空分布

從長沙出租車客流集散密度來看[7，8]，長沙市全天出租車客運熱點主要分布集中在商業中心、交通樞紐以及大型住宅區等區域(如圖6所示)。其中長沙高鐵南站和黃花機場 1 km范圍內出租車客流集散量占總集散量11.2%，五一商圈等主要商圈 1 km范圍內出租車客流集散量占6.3%，7%的客運量集中于大型住宅區附近，可見長沙的出租車系統主要為商務、旅游、商業及通勤等出行需求提供服務。

圖6 長沙市全天出租車客運熱點圖

(1)長沙火車南站周邊出租車時空分布

長沙南站位于長沙市雨花區黎托鄉花橋路，是連接京廣高速鐵路與滬昆高速鐵路的重要樞紐，也是中南地區的區域性鐵路客運中心、長沙高鐵新城的重要組成部分。長沙南站占地面積 53 000 m2，建筑面積27.8萬平方米，設有京廣、滬昆2個車場以及13個站臺和28條軌道，長沙南站緊靠長沙黎托高速汽車站，將長途客運站、公交樞紐站、地鐵車站、磁浮車站融為一體，實現鐵路、公路及城市軌道交通的無縫對接。截至2015年5月，長沙南站日均交通流量達到12萬人次，高峰期達到18萬人次。

圖7 火車南站周邊出租車客運量時間分布圖

作為長沙市主要對外客流集散點，長沙火車南站是長沙市出租車上下客最大的區域，分析南站周邊乘客上下客量隨時間的變化情況，如圖7可以發現變化趨勢基本一致，呈現全天高峰態勢，0：00～5：00時間段內，出租車上下客量明顯較少；在5：00～18：00時段，高鐵的運營帶來這個時間段出租車上下客量一直處于一個比較高的水平；在5：00～8：00時段，隨著高鐵開始運營，前來乘坐高鐵的乘客激增，導致下客量有個顯著增加；在14：00點左右，下客量又出現一個峰值，說明午后也是一個乘坐高鐵的高峰期；而在8：00～14：00時段，上客量持續增加，表明這段時間是高鐵到站量增加的過程；而16：00這個時間點是長沙市出租車交接班的時間，從圖7中可以看到這個時間點上下客量均有一個顯著的回落。

(2)長沙五一廣場周邊出租車時空分布

五一商圈是長沙最繁華的商業中心，也是長沙歷史最悠久的區域，古長沙的城址即為今天的五一廣場及其周圍區域，在幾千年的歷史中，五一廣場周圍一直都是歷代古長沙的官署所在地。改革開放后，隨著平和堂、王府井百貨開業、新世界百貨的陸續開業，三四十年前政治氣氛濃厚的五一廣場成為都市感現代感和商業氛圍極其濃厚的廣場，現在五一商圈已穩居長沙中心商圈的首要地位。

作為長沙市的商業娛樂中心，五一廣場也是長沙市出租車客運量非常大的區域，從長沙市五一廣場出租車上下客時變圖(圖8)可以發現與其他城市有所不同，從晚上20：00到次日凌晨時段，出租車的上下客量一直處于一個非常高的水平，這和五一廣場臨近長沙市著名的酒吧一條街——解放西路有關，表明長沙市是一個夜生活很豐富的城市；而在其他時間段出租車的上下客量處于比較平穩的低水平，我們從車速圖中可以看出端倪，由于五一廣場的中心地理位置，導致五一廣場附近的各條道路車速全天處于一個較低的水平，出租車司機不愿意進入這個區域。同時也可以看到16：00這個時間點五一廣場的上下客量均有一個顯著的回落。

圖8 五一廣場周邊出租車客運量時間分布圖

(3)長沙湘江世紀城周邊出租車時空分布

湘江世紀城位于開福區五合垸湘江東岸湘江濱江風光帶一段，是湘江、瀏陽河、撈刀河一江兩河匯聚之地。湘江世紀城緊鄰的濱江文化園，是政府即將開發的超大型市政項目。湘江世紀城占地面積約100萬平方米，總建筑面積約400萬平方米，商品房數量約 20 000套，規劃入住約6萬人。包括普通住宅、高級住宅、大型購物中心、超五星級標準酒店、學校、商業等多種物業類型，湘江世紀城是長沙市規模最大的高尚綜合社區。

圖9 湘江世紀城周邊出租車客運量時間分布圖

圖9為湘江世紀城周邊乘客上下車次數隨時間的變化情況，6：00～9：00的出租車上客量明顯比下客量高，而18：00～20：00時間段內，出租車下客量明顯比上客量多，有一個明顯的通勤特點。夜間時間段的上下客量高也從側面說明長沙市民夜間出行比較多。

4 結 論

本文對出租車在不同擁堵等級道路上的分布進行分析，挖掘出了出租車客運量與道路擁堵等級之間的關系。結果表明，道路擁堵狀況是影響出租車司機駕駛行為的重要因素，這也就是高峰期間難打車的主要原因。然后對出租車在不同功能區域的時空分布進行研究，選取三種不同功能區域，包括對外交通樞紐、商業中心以及大型居住小區，對各區域周邊出租車的分布加以分析，并對各個區域出租車所具有的不同出行特征進行了總結。結果表明，各個功能區域的出行特征不盡相同，交通樞紐的出租車分布基本呈現全天高峰態勢，并隨樞紐的吞吐波動；商業用地與文化娛樂用地的客運高峰出現在晚間，并受區域路況的影響；居住用地出租車客運的通勤現象明顯，并和居民的生活習慣掛鉤。

主要對長沙市出租車空間分布進行了分析研究，從中看出長沙市出租車運營系統主要存在兩個問題：①擁堵路段周邊乘客的需求較難得到滿足；②出租車交班時間集中，難以滿足乘客需求。對于這兩個問題，本文提出兩點舉措：①通過對交通擁堵路段附近出租車進行合理調度，使出租車在不同路段的出勤時間和出勤密度達到合理配置；②合理安排出租車交接班時段，避免出租車交班時間集中，滿足不了客運需求的情況。同時根據不同功能區域的居民出行特征合理調度出租車，建議在交通樞紐布設出租車專用載客通道，規范乘客排隊候車。在商業用地及文化娛樂中心晚間設置臨時即停即走候車點，滿足居民夜間出行需求。對于居住用地則加大公交地鐵設施的建設，利用公共交通來緩解出租車對于通勤交通的供需矛盾。