基于多源數(shù)據(jù)的多模式公共交通出行鏈構(gòu)建

　　摘要：公共交通乘客出行鏈構(gòu)建是公共交通出行需求分析的基礎(chǔ)，也是推進(jìn)城市公共交通系統(tǒng)融合發(fā)展和可持續(xù)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。現(xiàn)有研究大多關(guān)注單一模式出行鏈，較少考慮多源數(shù)據(jù)環(huán)境下多模式公共交通出行鏈構(gòu)建，無法進(jìn)行各模式之間的轉(zhuǎn)移和換乘客流特征的分析。基于軌道交通、BRT 和公共汽車三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行乘客出行鏈構(gòu)建，數(shù)據(jù)類型主要有公交 IC 卡、車載 GPS 等。具體方法包括基于時(shí)間匹配的上車站點(diǎn)推算、基于出行鏈假設(shè)的下車站點(diǎn)匹配和基于換乘規(guī)則的個(gè)體出行鏈推算。最后，使用廈門市公共交通數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性，同時(shí)討論了匹配閾值對(duì)匹配精度的影響。

　　本文源自張懿木; 陳田; 王俊; 李哲; 李健， 城市交通 發(fā)表時(shí)間：2021-06-08

　　關(guān)鍵詞：城市公共交通;多源數(shù)據(jù)融合;多模式公共交通出行鏈;出行特征分析;運(yùn)營(yíng)管理

　　0 引言

　　公交優(yōu)先戰(zhàn)略是城市交通可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，而公共交通乘客出行鏈特征分析是精準(zhǔn)把握公共交通出行需求，切實(shí)有效推進(jìn)公交優(yōu)先戰(zhàn)略的關(guān)鍵。傳統(tǒng)獲取公共交通個(gè)體出行鏈數(shù)據(jù)通常采用人工抽樣調(diào)查[1]以及反推模型計(jì)算[2]的方法。隨著公交 IC 卡系統(tǒng)、車載 GPS 設(shè)備的廣泛應(yīng)用，基于多源數(shù)據(jù)的大規(guī)模公共交通乘客個(gè)體出行鏈構(gòu)建和特征規(guī)律挖掘成為可能[3]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究側(cè)重公共汽車、軌道交通等單一模式的公共交通乘客出行鏈構(gòu)建和特征規(guī)律的挖掘，主要集中在乘客上、下車站點(diǎn)的匹配，以及通過設(shè)置換乘時(shí)空閾值進(jìn)行公共交通出行鏈推斷。由于各國(guó)城市公共交通數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有所不同，部分城市公共交通乘客上車數(shù)據(jù)包含卡號(hào)、時(shí)間、線路地點(diǎn)等信息[5];對(duì)于不包含站點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[6]基于巴西圣保羅市 IC 卡刷卡數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)以及線路站點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空匹配算法，實(shí)現(xiàn)了公共交通乘客上車站點(diǎn)的識(shí)別。國(guó)內(nèi)研究中，文獻(xiàn)[7]較早闡述了 IC 卡與 GPS 數(shù)據(jù)融合推算上車站點(diǎn)的原理，文獻(xiàn)[8]以北京市單日單條公共交通線路的 IC 卡和 GPS 數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可行性。其他相關(guān)研究從公共交通模式[9]、時(shí)間跨度[10]等方面對(duì)該方法的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了拓展。在下車站點(diǎn)推斷方面，文獻(xiàn)[11]基于出行鏈假設(shè)對(duì)倫敦公共交通乘客下車站點(diǎn)進(jìn)行推算，并結(jié)合實(shí)際出行調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證了推算方法的有效性。針對(duì)單日僅一次出行數(shù)據(jù)下車站點(diǎn)識(shí)別的問題，有研究利用歷史多日出行[12]特征進(jìn)行下車站點(diǎn)推算。近年來，基于下車站點(diǎn)、下車時(shí)間推算結(jié)果，通過設(shè)置換乘時(shí)間[13]、換乘距離[14]等換乘約束，可以實(shí)現(xiàn)乘客出行鏈的構(gòu)建。

　　從現(xiàn)有研究來看，基于 IC 卡、GPS 等多源數(shù)據(jù)的單模式公共交通乘客出行鏈構(gòu)建方法已較為成熟，但對(duì)多模式公共交通乘客出行鏈構(gòu)建研究較少。隨著中國(guó)城市公共交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，特別是在大城市快速公交(BRT)、軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增加的情況下，如何有效推進(jìn)公共交通系統(tǒng)內(nèi)部不同模式之間的融合發(fā)展，提升城市公共交通系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)能力，是最為緊迫的問題。通過多源數(shù)據(jù)構(gòu)建多模式公共交通出行鏈，進(jìn)而對(duì)不同公共交通模式的運(yùn)行特征和換乘行為進(jìn)行研究，是推進(jìn)公共交通系統(tǒng)多模式融合發(fā)展的關(guān)鍵。

　　本文基于軌道交通、BRT、公共汽車系統(tǒng)的 IC 卡和 GPS 數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，提出公共交通乘客多模式出行鏈推算方法。以廈門市公共交通系統(tǒng)為例進(jìn)行了方法驗(yàn)證，并對(duì)匹配率的變化、匹配閾值的合理性和數(shù)據(jù)采集方式的局限性進(jìn)行了討論。

　　1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

　　數(shù)據(jù)來源于公共交通系統(tǒng)三網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括公共汽車系統(tǒng)、BRT 系統(tǒng)以及軌道交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)，各公共交通方式數(shù)據(jù)屬性如表 1 所示。

　　公共汽車系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括設(shè)備連接表、IC 卡刷卡數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)、發(fā)車班次數(shù)據(jù)、線路站點(diǎn) GIS 數(shù)據(jù)。刷卡數(shù)據(jù)記錄乘客上車時(shí) IC 卡刷卡信息，每次刷卡均會(huì)在設(shè)備中產(chǎn)生一條刷卡記錄。GPS 數(shù)據(jù)記錄公共汽車行駛過程中的時(shí)空間狀態(tài)信息。發(fā)車班次數(shù)據(jù)為公共汽車離開起點(diǎn)和進(jìn)入終點(diǎn)站的到發(fā)時(shí)刻表。線路站點(diǎn) GIS 數(shù)據(jù)記錄當(dāng)月公共汽車開行線路及途經(jīng)站點(diǎn)順序、位置信息。

　　軌道交通數(shù)據(jù)與 BRT 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似，包括閘機(jī)驗(yàn)票數(shù)據(jù)和線路站點(diǎn)數(shù)據(jù)。閘機(jī)數(shù)據(jù)在乘客每次進(jìn)站或出站驗(yàn)票時(shí)產(chǎn)生，記錄乘客進(jìn)出站活動(dòng)信息。線路站點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄了 BRT 線路站點(diǎn)的詳細(xì)信息，作為乘客進(jìn)出站信息的補(bǔ)充。

　　2 多模式公共交通出行鏈構(gòu)建

　　軌道交通與 BRT 采用閘機(jī)進(jìn)出站方式，易于匹配進(jìn)出站信息。具體步驟包括：1)基于刷卡站點(diǎn)編號(hào)字段連接閘機(jī)數(shù)據(jù)與站點(diǎn)數(shù)據(jù)，為原始數(shù)據(jù)添加具體的站點(diǎn)名稱及經(jīng)緯度等信息;2)將一天中同一卡號(hào)的刷卡記錄按刷卡時(shí)間進(jìn)行排序，連接兩條相鄰刷卡記錄，若第一條進(jìn)出站類型為進(jìn)站，第二條為出站，即可組成一次出行記錄。至此完成軌道交通與 BRT 乘客的出行信息匹配。公共汽車的出行信息匹配則涉及上車站點(diǎn)、下車站點(diǎn)以及下車時(shí)間多個(gè)階段的推算。

　　2.1 基于時(shí)間匹配的上車站點(diǎn)推算

　　對(duì)于上車站點(diǎn)推算，采用基于時(shí)間的匹配算法，其基本原理是利用時(shí)間屬性關(guān)聯(lián) IC 卡與 GPS 數(shù)據(jù)，從而匹配獲得刷卡數(shù)據(jù)的空間信息。首先根據(jù)車輛到發(fā)時(shí)間，匹配 GPS 數(shù)據(jù)與 IC 卡數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的線路班次信息。在此基礎(chǔ)上，按時(shí)間最近原則匹配 GPS 時(shí)間與刷卡時(shí)間獲得刷卡時(shí)的空間位置信息。之后，對(duì)比線路站點(diǎn)空間位置確定乘客上車站點(diǎn)信息。算法匹配流程如圖 1 所示。

　　公共汽車上車站點(diǎn)的匹配主要包括以下三部分。

　　1)基于路單信息的車次匹配。

　　為了減少計(jì)算量，提高查詢效率，同時(shí)便于下車時(shí)間的匹配處理，本文利用發(fā)車班次信息匹配 IC 卡數(shù)據(jù)和 GPS 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的車次。對(duì)于某一條線路，一輛公共汽車在相鄰兩趟發(fā)車之間存在一定的休息時(shí)間。考慮到乘客在車輛發(fā)車前提前上車刷卡的情況，將公共汽車上一班次的到站時(shí)間至下一班次的發(fā)車時(shí)間作為乘客在首站上車的時(shí)間范圍。利用到站時(shí)間和發(fā)車時(shí)間的區(qū)間匹配 IC 卡數(shù)據(jù)及 GPS 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的車輛班次。

　　2)基于 GPS 數(shù)據(jù)的刷卡位置匹配。

　　利用 GPS 數(shù)據(jù)與 IC 卡數(shù)據(jù)的最近時(shí)間差進(jìn)行匹配，尋找刷卡記錄對(duì)應(yīng)的最近 GPS 空間位置。考慮乘客可能存在先上車后刷卡行為，實(shí)際上車刷卡時(shí)間與上車時(shí)的 GPS 空間位置可能不一致，因此采用近似匹配 GPS 時(shí)間與刷卡時(shí)間。基于路單匹配結(jié)果，通過“車輛編號(hào)”“線路”“班次”字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，選擇與刷卡數(shù)據(jù)時(shí)間最為接近的 GPS 點(diǎn)作為當(dāng)條刷卡記錄產(chǎn)生時(shí)的 GPS 數(shù)據(jù)，從而確定每一條刷卡記錄的 GPS 空間位置(見圖 2)。

　　理論上每一條刷卡數(shù)據(jù)均能獲得對(duì)應(yīng) GPS 位置信息，為了保證匹配結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要設(shè)置一定的時(shí)間差閾值避免數(shù)據(jù)時(shí)間間隔過大的錯(cuò)誤匹配。考慮到站點(diǎn)位于某相鄰 GPS 點(diǎn)集的必然性，時(shí)間閾值

　　式中：