基于GPS大数据的居民出行时空分布

江迎

(长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

1 引 言

出租车作为城市公共交通的重要组成部分，已经成为影响城市道路交通规划与管理的重要交通方式之一，高效的出租车运营系统有利于优化城市公共交通结构，满足城市居民多样化的出行需要。然而，已有的出租车运营状况监测与管理手段较为落后，所采集信息量不够全面，且每次进行调查都要花费大量的人力与物力，已经不能满足现代化城市交通管理的需要。浮动车数据采集系统作为先进的交通数据采集手段，能够持续地回传GPS数据，在浮动车技术的支持下，研究挖掘出租车运营信息的方法，建立起先进的城市出租车运营管理体系，将有助于实现对出租车运营状况的全面、持续监测，为城市出租车行业运营管理提供先进的技术方法，有助于推动城市交通管理向智能化和信息化的方向发展。

2 数据挖掘方法

2.1 数据格式

本文采集到的GPS定位数据来自于2015年4月长沙市装载GPS的出租车，长沙市于2010年完成了对市区内所有出租车GPS系统的安装，到2015年全市有7500辆装载了GPS的出租车。出租车以 0.5 min的时间间隔，报告车辆的设备状况、运营状态、地理位置、瞬时速度和运行方位角等实时信息，每天的数据量非常大，一般有两千万条左右。数据内容如下：①设备ID：加密后的出租车唯一标识；②时间：GPS数据生成时刻；③经纬度：GPS设备定位坐标信息，基于WGS84坐标系；④速度；⑤方向；⑥服务状态：60=出租车为候客状态，59=出租车处于载客运营状态(如图1所示)。

图1 出租车GPS数据示例图

2.2 数据处理

综合利用网格匹配和路网拓扑分析等多种匹配算法[1，2]，设计出一套改进的路径匹配算法(如图2所示)，将出租车GPS轨迹与具有拓扑关系的GIS路网进行路径匹配，对出租车的实际位置进行定位，结合路径搜索算法[2]获取出租车相邻定位点之间的路径信息，根据每个路段上出租车行驶的路径长度和时间累加计算任意出租车在路段上行驶的长度和时间总和，对路段经过的所有出租车进行速度集成计算，得到路段的出租车行程车速。同时通过出租车的运营统计模块，可以获取长沙市出租车的运营状态和OD分布[3，4]。

图2 出租车GPS数据处理流程图

出租车传回的坐标只能反映车辆的坐标位置，而不能直接与路网路段相关联。借助50×50(M)的网格来进行路网地图匹配，实现车辆与路网路段的关联，车辆的运动轨迹就可以清楚地在地图上显示出来。结合路网的拓扑关系来计算出租车的行程车速，车速的计算公式应为V=dS/dT(dS：累计里程，dT累计耗时)，车速可以直观地体现出租车的运营状态。

根据装载GPS的出租汽车在传回数据中的运营状态指标来判断出租汽车的载客情况，60表示空车，59表示重车(载客)。当出租车载客状态由60变为59时表示有乘客上车，代表乘客O点；反之当载客状态由59变为60时表示乘客下车，表示乘客D点。出租车的OD分布代表了一种特征，能够用来识别有吸引力的区域。乘客上车点代表有出行需求的区域，乘客下车点代表居民出行距离和出行空间分布。

3 居民出行时空分布特性

本文选取了工作日3天的GPS数据，通过GPS数据处理模型获取长沙市出租车的OD分布，从中可以分析出出租车的上下客位置分布，从而对出租车的时空分布进行挖掘，主要包括出租车在不同道路上的分布以及在不同功能区域的分布两部分。

3.1 出租车运营网络分布

路段车速是体现路段拥堵程度的重要指标[5，6]，通过对晚高峰时段长沙市路网车速进行统计分析得到长沙市晚高峰时段的拥堵路网图(如图3所示)，从中可发现在晚高峰中拥堵路段主要出现在五一路、城南路、蔡锷路、八一路等市中心的道路上，车速均低于 15 km/h。本文利用GPS数据对出租车分布是否与道路拥堵程度有关进行深入分析与探讨，为使不同拥堵等级道路上的出租车分布具有可比性，利用出租车在各个等级路段比例来进行对比，即某一时间段内各个路段出租车客运量占总客运量的比例，最终得到高峰时段出租车运营网络分布。

图3 长沙市晚高峰拥堵路网图

图4 长沙市晚高峰出租车运营网络分布图

从长沙市晚高峰出租车运营网络分布图(如图4所示)可以看出，越是拥堵的路段出租车的客运量越低。通过分析具体数据，可以发现各条路段的客运量与拥堵等级呈反比(如图5所示)，最拥堵路段的客运量只占总客运量的2.1%，拥堵等级为4的路段占的比重是7.5%，第三等级的比例是13.6%，当拥堵等级是2时则为24.7%，其他不拥堵的路段占了客运总量的一半。由此可见，长沙市出租车在高峰期时，出租车运营水平较低，由于出租车司机在高峰期间不愿驶入拥堵路段，因此拥堵路段附近的客流需求较难得到满足。

图5 出租车客运量与道路拥堵程度的关系

3.2 不同功能区域出租车时空分布

从长沙出租车客流集散密度来看[7，8]，长沙市全天出租车客运热点主要分布集中在商业中心、交通枢纽以及大型住宅区等区域(如图6所示)。其中长沙高铁南站和黄花机场 1 km范围内出租车客流集散量占总集散量11.2%，五一商圈等主要商圈 1 km范围内出租车客流集散量占6.3%，7%的客运量集中于大型住宅区附近，可见长沙的出租车系统主要为商务、旅游、商业及通勤等出行需求提供服务。

图6 长沙市全天出租车客运热点图

(1)长沙火车南站周边出租车时空分布

长沙南站位于长沙市雨花区黎托乡花桥路，是连接京广高速铁路与沪昆高速铁路的重要枢纽，也是中南地区的区域性铁路客运中心、长沙高铁新城的重要组成部分。长沙南站占地面积 53 000 m2，建筑面积27.8万平方米，设有京广、沪昆2个车场以及13个站台和28条轨道，长沙南站紧靠长沙黎托高速汽车站，将长途客运站、公交枢纽站、地铁车站、磁浮车站融为一体，实现铁路、公路及城市轨道交通的无缝对接。截至2015年5月，长沙南站日均交通流量达到12万人次，高峰期达到18万人次。

图7 火车南站周边出租车客运量时间分布图

作为长沙市主要对外客流集散点，长沙火车南站是长沙市出租车上下客最大的区域，分析南站周边乘客上下客量随时间的变化情况，如图7可以发现变化趋势基本一致，呈现全天高峰态势，0：00～5：00时间段内，出租车上下客量明显较少；在5：00～18：00时段，高铁的运营带来这个时间段出租车上下客量一直处于一个比较高的水平；在5：00～8：00时段，随着高铁开始运营，前来乘坐高铁的乘客激增，导致下客量有个显著增加；在14：00点左右，下客量又出现一个峰值，说明午后也是一个乘坐高铁的高峰期；而在8：00～14：00时段，上客量持续增加，表明这段时间是高铁到站量增加的过程；而16：00这个时间点是长沙市出租车交接班的时间，从图7中可以看到这个时间点上下客量均有一个显著的回落。

(2)长沙五一广场周边出租车时空分布

五一商圈是长沙最繁华的商业中心，也是长沙历史最悠久的区域，古长沙的城址即为今天的五一广场及其周围区域，在几千年的历史中，五一广场周围一直都是历代古长沙的官署所在地。改革开放后，随着平和堂、王府井百货开业、新世界百货的陆续开业，三四十年前政治气氛浓厚的五一广场成为都市感现代感和商业氛围极其浓厚的广场，现在五一商圈已稳居长沙中心商圈的首要地位。

作为长沙市的商业娱乐中心，五一广场也是长沙市出租车客运量非常大的区域，从长沙市五一广场出租车上下客时变图(图8)可以发现与其他城市有所不同，从晚上20：00到次日凌晨时段，出租车的上下客量一直处于一个非常高的水平，这和五一广场临近长沙市著名的酒吧一条街——解放西路有关，表明长沙市是一个夜生活很丰富的城市；而在其他时间段出租车的上下客量处于比较平稳的低水平，我们从车速图中可以看出端倪，由于五一广场的中心地理位置，导致五一广场附近的各条道路车速全天处于一个较低的水平，出租车司机不愿意进入这个区域。同时也可以看到16：00这个时间点五一广场的上下客量均有一个显著的回落。

图8 五一广场周边出租车客运量时间分布图

(3)长沙湘江世纪城周边出租车时空分布

湘江世纪城位于开福区五合垸湘江东岸湘江滨江风光带一段，是湘江、浏阳河、捞刀河一江两河汇聚之地。湘江世纪城紧邻的滨江文化园，是政府即将开发的超大型市政项目。湘江世纪城占地面积约100万平方米，总建筑面积约400万平方米，商品房数量约 20 000套，规划入住约6万人。包括普通住宅、高级住宅、大型购物中心、超五星级标准酒店、学校、商业等多种物业类型，湘江世纪城是长沙市规模最大的高尚综合社区。

图9 湘江世纪城周边出租车客运量时间分布图

图9为湘江世纪城周边乘客上下车次数随时间的变化情况，6：00～9：00的出租车上客量明显比下客量高，而18：00～20：00时间段内，出租车下客量明显比上客量多，有一个明显的通勤特点。夜间时间段的上下客量高也从侧面说明长沙市民夜间出行比较多。

4 结 论

本文对出租车在不同拥堵等级道路上的分布进行分析，挖掘出了出租车客运量与道路拥堵等级之间的关系。结果表明，道路拥堵状况是影响出租车司机驾驶行为的重要因素，这也就是高峰期间难打车的主要原因。然后对出租车在不同功能区域的时空分布进行研究，选取三种不同功能区域，包括对外交通枢纽、商业中心以及大型居住小区，对各区域周边出租车的分布加以分析，并对各个区域出租车所具有的不同出行特征进行了总结。结果表明，各个功能区域的出行特征不尽相同，交通枢纽的出租车分布基本呈现全天高峰态势，并随枢纽的吞吐波动；商业用地与文化娱乐用地的客运高峰出现在晚间，并受区域路况的影响；居住用地出租车客运的通勤现象明显，并和居民的生活习惯挂钩。

主要对长沙市出租车空间分布进行了分析研究，从中看出长沙市出租车运营系统主要存在两个问题：①拥堵路段周边乘客的需求较难得到满足；②出租车交班时间集中，难以满足乘客需求。对于这两个问题，本文提出两点举措：①通过对交通拥堵路段附近出租车进行合理调度，使出租车在不同路段的出勤时间和出勤密度达到合理配置；②合理安排出租车交接班时段，避免出租车交班时间集中，满足不了客运需求的情况。同时根据不同功能区域的居民出行特征合理调度出租车，建议在交通枢纽布设出租车专用载客通道，规范乘客排队候车。在商业用地及文化娱乐中心晚间设置临时即停即走候车点，满足居民夜间出行需求。对于居住用地则加大公交地铁设施的建设，利用公共交通来缓解出租车对于通勤交通的供需矛盾。