大數據背景下基于手機信令的道路識別研究

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

1 引言

采用手機信令數據進行道路識別是當前國內外交通工程研究的重點、難點。傳統的道路識別技術大多數是基于GPS定位的道路匹配方法，該方法的思路是通過坐標投影把用戶的位置投影到道路上，然后把歷史位置與當前位置進行道路位置的判定。但是該方法由于獲取測量數據成本和計算的復雜度很高，因此本文提出一種基于手機信令的道路識別方法，該方法具有投資小、信號覆蓋廣、采集數據豐富的優點，較適合在城市發展相對較慢的二、三線城市應用。

2 切換原理及序列提取

2.1 切換原理

切換是指當移動臺在通話過程中從一個基站覆蓋區移動到另一個基站覆蓋區，或者由于外界干擾造成通話質量下降時，必須改變原有的話音信道而轉接到一條新的空閑話音信道上以繼續保持通話的過程。切換通常發生在移動臺從一個基站覆蓋小區進入到另一個基站覆蓋小區的情況下，為了保持通信的連續性，MSC將移動臺與當前基站之間的鏈路轉移到移動臺與新的基站之間的鏈路，這種切換操作不僅要識別一個新的基站，而且要求將語音和控制信號分配到新基站的相關信道上。

在手機用戶進行移動的過程中，會發生各種手機業務或者要進行小區的切換，這些信息都會記錄在信令數據里面，通過手機信令采集系統可以獲得手機用戶的所有切換信息。記錄下的用戶切換信息表如表1所示：

表1 手機用戶的切換信息表

2.2 序列提取

通過A接口、IUCs接口、Gb接口和IUPs接口獲取用戶的切換小區標識變化的序列和每次發切換的時間，通信數據獲取之后，可以提取出在一定時間間隔內目標區域發生切換的所有樣本的切換序列和切換時間差。如圖1所示，可以看出無縫覆蓋小區與路網相交得到的映射關系。不同基站發出的無線信號覆蓋至整條道路，實際覆蓋情況利用無線傳播模型對其進行仿真得到，各小區的覆蓋區域將道路切分為許多段，當用戶在道路上移動并穿越小區時將發生切換。切換數據中會記錄下用戶經過的一系列小區ID，按照時間先后進行排列，即得到用戶移動過程中的連續軌跡點。如圖1所示，某用戶先在道路1上移動，然后轉移到道路2上，如箭頭所指路徑，所經歷的切換小區可以記為：R={CID3, CID6, CID8, CID10, CID9, CID12,CID14}。

利用該數據就可以計算出各用戶切換路段的行程軌跡。基于得到的單用戶軌跡，按照每條道路進行人流量統計，則可以對交通狀況進行跟蹤分析。

圖1 路網與小區的相交映射關系

3 道路切換序列標定

通過從通信數據中獲取的樣本切換序列與切換路網標定的道路切換序列標識進行對比，一般通過相似度判別矩陣的方法將各個通信網中獲取的切換樣本與實際道路進行匹配。本文通過重復多次真實的路測數據，采用尋找最大權重路徑的方法，將路測得到的切換序列看作帶權重有向圖，對其進行搜尋，找出最大發生頻率的切換變化模式作為該道路的切換序列標識。

4 協同過濾進行用戶道路識別

4.1 協同過濾的原理及應用

對于已經進行切換序列標定的路網數據，將其包含的每個小區作為該道路的一個特征，即可把每條道路看作是具有多種特征屬性的“商品”，而每個用戶攜帶的切換軌跡信息也可以看成具有多個特征的“用戶”，采用基于項目的協同過濾算法，計算每個“用戶”的各個特征——切換序列與“商品”屬性之間的相似性，從而給每條道路打分，得分最高的作為該用戶的真實移動軌跡。具體步驟如下：

（1）對每條道路標定得到道路切換序列；由第3節中提到的方法對路網進行序列標定，得到路網切換信息表如表2所示。

（2）對每個用戶的移動軌跡按照時間序列進行切換信息提取并進行篩選，過濾掉無移動軌跡和干擾數據。主要包括：

1）WCDMA網絡基礎參數的過濾，對室內基站以及與道路無關的基站進行過濾，確保數據的有效性；

2）對手機樣本進行處理，去除不在道路上運動的手機用戶數據，這些可以看作是噪聲數據；

3）統計分析，分析樣本的各類統計值，根據結果的規律進行篩選，以達到去除噪音的目的，最后得到用于匹配的用戶切換信息表如表3所示：

表2 路網切換信息表

表3 去噪后的用戶切換信息表

（3）計算出每個用戶的切換軌跡與不同道路所標定的切換序列之間的相似度，進而可以根據相似度的大小，將道路匹配的結果進行排序，將排序最靠前的道路作為用戶的實際運動軌跡，采用余弦相似度計算方法，具體公式如下：

其中，n為某條道路所包含的切換序列對個數，xi代表第i個切換序列對中前一個小區，yi代表第i個切換序列對中后一個小區，根據上面的公式即可計算出用戶的運動軌跡與實際道路的匹配程度。

4.2 實際場景的道路識別

圖2即為將手機切換信令數據應用于交通路段人流量采集的實際案例。每條道路上的實際人流量以不同的顏色進行區分展現在地圖上，可以很直觀地反映出當前的交通狀況。

圖2 用戶道路識別的應用場景

5 結論

本文將切換路網標定轉化為圖論問題，通過尋找最大權重路徑來進行切換路網標定，確定可以代表道路整體切換變化特征的“識別標簽”，包括切換序列和相應的切換位置，后將其應用到手機用戶的道路識別定位上，采用的是協同過濾算法的思路，很好地將該算法與現實難題相結合，較好地解決了利用低成本的通信切換數據進行交通狀態跟蹤的問題。并把該方法應用到實際的系統開發中，使保定市的道路人流量統計系統得以實現。

[1] 楊飛,裘煒毅. 基于手機定位的實時交通數據采集技術[J]. 城市交通, 2005(4): 63-65.

[2] 楊飛,惠英,楊東援. 基于手機切換定位的交通路網標定方法[J]. 同濟大學學報：自然科學版, 2009,37(1): 67-72.

[3] 楊飛,惠英. 基于手機切換變化模式的道路匹配方法[J].系統工程, 2007,25(11): 6-13.

[4] 孫棣華,張星霞,張志良. 地圖匹配技術極其在智能交通系統中的應用[J]. 計算機工程與應用, 2005(20): 225-228.

[5] 范秋明,何兆成. 基于手機基站定位數據的地圖匹配研究[J]. 交通信息與安全, 2011(4): 52-57.

[6] 段瑋. 基于協同過濾的個性化推薦算法研究[D]. 武漢:華中科技大學, 2009.

[7] 郭艷紅. 推薦系統的協同過濾算法與應用研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2008.

[8] 鄧愛林,朱揚勇,施伯樂. 基于項目評分預測的協同過濾推薦算法[J]. 軟件學報, 2003,14(9): 1621-1626.

[9] 趙亮,胡乃靜,張守志. 個性化推薦算法設計[J]. 計算機研究與發展, 2002,39(8): 986-991.

[10] 施華. 基于項目和用戶雙重聚類的協同過濾推薦算法[D]. 長春: 東北師范大學, 2009.