基于生存模型的城市交通堵塞時(shí)間預(yù)測(cè)研究

楊永琪 董國(guó)泰 徐海洋 朱文豪

摘要：城市化是人類進(jìn)步的必經(jīng)歷程，而交通擁堵又是城市發(fā)展過程中的必然階段，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然伴隨著交通擁堵的出現(xiàn)。該文基于濟(jì)南市交通情況進(jìn)行探索性分析，結(jié)合交通系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，考慮時(shí)空特征、動(dòng)態(tài)交通流參數(shù)等方面，將噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并依照除噪規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，針對(duì)生存模型的交通擁堵持續(xù)時(shí)間評(píng)估，以濟(jì)南市為研究對(duì)象，選擇交通擁堵的研究路段及時(shí)段，建立生存模型，提出非參數(shù)分析方法，最后，繪制交通擁堵持續(xù)時(shí)間的生存函數(shù)曲線及風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)曲線，對(duì)交通擁堵持續(xù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

關(guān)鍵詞：生存模型;交通流特征;交通擁堵持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）06-0257-02

1問題簡(jiǎn)介

隨著城市化的迅猛發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的激增所帶來(lái)的增壓給城市道路建設(shè)提出了強(qiáng)力挑戰(zhàn)，而交通管理體制的不健全與區(qū)域及資源分配的差異的進(jìn)一步加劇了交通擁堵的嚴(yán)重性。由高德地圖發(fā)布的《2019年中國(guó)主要城市交通分析報(bào)告》中顯示了由高德地圖交通大數(shù)據(jù)監(jiān)控的主要城市交通狀況，研究報(bào)告指出濟(jì)南市的交通高峰擁堵延誤時(shí)間指數(shù)為1.868，交通擁堵情況排名第二。

為研究此問題，本文提出了兩部分來(lái)分析并解決城市交通狀態(tài)的評(píng)估和預(yù)測(cè)交通擁堵持續(xù)時(shí)間，其一為動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)預(yù)處理，從交通流的多個(gè)特性人手，總結(jié)道路交通系統(tǒng)的失真數(shù)據(jù)，并經(jīng)預(yù)處理的方法對(duì)缺失值、噪聲數(shù)據(jù)等進(jìn)行修復(fù)和擬正;其二為交通擁堵時(shí)間評(píng)估，通過選擇合適的時(shí)間階段和交通路段，擬用參數(shù)分析等統(tǒng)計(jì)方法建立基于交通擁擠持續(xù)時(shí)間評(píng)估的生存模型，從而預(yù)測(cè)堵塞時(shí)間。

2模型建立和求解

在嚴(yán)重交通擁堵的情況下，汽車的速度很慢，其交通擁堵時(shí)間的估算結(jié)果準(zhǔn)確性非常差，實(shí)際所需時(shí)間有時(shí)甚至比預(yù)測(cè)時(shí)間還差幾到十倍，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)交通擁堵時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尤為關(guān)鍵。針對(duì)城市交通狀態(tài)的評(píng)估和預(yù)測(cè)交通擁堵持續(xù)時(shí)間，通過收集相關(guān)的有關(guān)路段和交通流的有效準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并引用速度延伸判別指數(shù)（ESDI）將各路段的交通堵塞情況劃分等級(jí)，并自定義ESDI范圍，進(jìn)行狀態(tài)性地評(píng)估;其次經(jīng)過ESDI指標(biāo)劃分道路情況為五個(gè)等級(jí)后，由Mosaic圖繪制時(shí)空三維的交通流量直方圖，以矩形環(huán)形成空間，其空間矩形的每側(cè)傾斜程度和趨勢(shì)直接反應(yīng)交通情況的起伏狀態(tài)、演化速率;最后建立基于交通擁擠持續(xù)時(shí)間評(píng)估的生存模型，采用速度一流量模型來(lái)分析速度和流量的關(guān)系，并給出各路段的交通流量和汽車行駛速度圖，最終結(jié)合上述結(jié)果給出生存函數(shù)曲線和風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)曲線。

本文提出了5個(gè)交通擁擠狀況等級(jí)：非常流程、基本流暢、輕微擁堵、中度擁堵、非常擁堵。依照預(yù)處理后所收集到的各車輛的平均行駛速度然后根據(jù)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)ESDI值范圍，對(duì)應(yīng)于每個(gè)擁塞級(jí)別和狀態(tài)均由五個(gè)擁塞級(jí)別相對(duì)應(yīng)的描述。由ESDI公式計(jì)算得到五個(gè)等級(jí)的ESDI范圍為[0，2]、（2，2.67]、（2.67，4]、（4，8]、（8，+∞）;其對(duì)應(yīng)五階段的速度（kmm）范圍為[40，+∞]、（30，40）、（20，30）、（10，20）、（0，10）。

基于ESDI值所繪制的Mosaic圖，結(jié)合定性分析和矩形擁塞分析，用于預(yù)測(cè)未來(lái)工作日或非工作日道路上的交通擁堵狀況的演變，其定性分析顯示了道路的頻繁和偶發(fā)性擁堵或消散的發(fā)生和結(jié)束的大概時(shí)間、路段的位置和原因，并結(jié)合矩形法定量分析，可以大致得出道路日常擁堵或消散的持續(xù)時(shí)間。

3結(jié)果分析

道路的交通流狀態(tài)主要受三個(gè)參數(shù)的影響：流量，速度和密度。本文使用Greenhills的速度一流量模型Q=VK來(lái)分析速度與流量之間的關(guān)系，其中Q表示流量，v表示速度，K表示密度。當(dāng)?shù)缆妨髁坎伙柡蜁r(shí)，車速會(huì)更高，車輛之間的相互干擾很小，并且交通流量是自由流動(dòng)的;在道路處于高峰期時(shí)，交通流量急劇增加，相互干擾增加，車速逐漸降低，最終，自由流動(dòng)狀態(tài)將被破壞，處于在嚴(yán)重的情況下，車速直至?xí)禐榱恪?/p>

基于該流量模型和ESDI指標(biāo)得到如圖1所示的道路交通平均速度圖，由于非工作日通勤車輛的減少，非工作日中的每條道路的車平均速度都高于工作日。

由上述分析得到四條主要道路的交通流量和速度具有明顯的早晚高峰特征，其工作日與非工作日之間的程度有所不同。每條道路的交通流量在早晨高峰時(shí)保持較高水平，然后呈下降趨勢(shì)一直持續(xù)到正午之后再次下降直到傍晚高峰結(jié)束時(shí)，非工作日的每日總交通流量高于工作日;交通流在一天中呈現(xiàn)“w”波動(dòng)，并且早晚高峰特征非常突出。根據(jù)本文所引的速度一流量模型顯示速度與流量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，而由于道路類型和功能的不同，隨著流量的增加，速度會(huì)有不同的變化，并且成為流量在不同狀態(tài)之間切換的條件。生存曲線表明，當(dāng)擁堵時(shí)間增加時(shí)，道路保持擁堵狀態(tài)的可能性很小。盡管風(fēng)險(xiǎn)率曲線呈駝峰狀，但在不同的擁塞時(shí)間下，風(fēng)險(xiǎn)率會(huì)發(fā)生明顯波動(dòng);當(dāng)擁塞時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，結(jié)束擁塞狀態(tài)的可能性較低。