基于生存模型的城市交通堵塞時間預測研究

楊永琪 董國泰 徐海洋 朱文豪

摘要：城市化是人類進步的必經(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)濟的發(fā)展必然伴隨著交通擁堵的出現(xiàn)。該文基于濟南市交通情況進行探索性分析，結(jié)合交通系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)情況，考慮時空特征、動態(tài)交通流參數(shù)等方面，將噪聲數(shù)據(jù)進行分類并依照除噪規(guī)則進行數(shù)據(jù)預處理，針對生存模型的交通擁堵持續(xù)時間評估，以濟南市為研究對象，選擇交通擁堵的研究路段及時段，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)時間的生存函數(shù)曲線及風險函數(shù)曲線，對交通擁堵持續(xù)時間進行預測評估。

關鍵詞：生存模型;交通流特征;交通擁堵持續(xù)時間預測

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0257-02

1問題簡介

隨著城市化的迅猛發(fā)展，機動車數(shù)量的激增所帶來的增壓給城市道路建設提出了強力挑戰(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一步加劇了交通擁堵的嚴重性。由高德地圖發(fā)布的《2019年中國主要城市交通分析報告》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，研究報告指出濟南市的交通高峰擁堵延誤時間指數(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分析并解決城市交通狀態(tài)的評估和預測交通擁堵持續(xù)時間，其一為動態(tài)交通數(shù)據(jù)預處理，從交通流的多個特性人手，總結(jié)道路交通系統(tǒng)的失真數(shù)據(jù)，并經(jīng)預處理的方法對缺失值、噪聲數(shù)據(jù)等進行修復和擬正;其二為交通擁堵時間評估，通過選擇合適的時間階段和交通路段，擬用參數(shù)分析等統(tǒng)計方法建立基于交通擁擠持續(xù)時間評估的生存模型，從而預測堵塞時間。

2模型建立和求解

在嚴重交通擁堵的情況下，汽車的速度很慢，其交通擁堵時間的估算結(jié)果準確性非常差，實際所需時間有時甚至比預測時間還差幾到十倍，因此如何實現(xiàn)對交通擁堵時間的準確預測尤為關鍵。針對城市交通狀態(tài)的評估和預測交通擁堵持續(xù)時間，通過收集相關的有關路段和交通流的有效準確數(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，并自定義ESDI范圍，進行狀態(tài)性地評估;其次經(jīng)過ESDI指標劃分道路情況為五個等級后，由Mosaic圖繪制時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)傾斜程度和趨勢直接反應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)時間評估的生存模型，采用速度一流量模型來分析速度和流量的關系，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)曲線和風險函數(shù)曲線。

本文提出了5個交通擁擠狀況等級：非常流程、基本流暢、輕微擁堵、中度擁堵、非常擁堵。依照預處理后所收集到的各車輛的平均行駛速度然后根據(jù)公式計算出對應ESDI值范圍，對應于每個擁塞級別和狀態(tài)均由五個擁塞級別相對應的描述。由ESDI公式計算得到五個等級的ESDI范圍為[0，2]、（2，2.67]、（2.67，4]、（4，8]、（8，+∞）;其對應五階段的速度（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，用于預測未來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)時間。

3結(jié)果分析

道路的交通流狀態(tài)主要受三個參數(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來分析速度與流量之間的關系，其中Q表示流量，v表示速度，K表示密度。當?shù)缆妨髁坎伙柡蜁r，車速會更高，車輛之間的相互干擾很小，并且交通流量是自由流動的;在道路處于高峰期時，交通流量急劇增加，相互干擾增加，車速逐漸降低，最終，自由流動狀態(tài)將被破壞，處于在嚴重的情況下，車速直至會降為零。

基于該流量模型和ESDI指標得到如圖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保持較高水平，然后呈下降趨勢一直持續(xù)到正午之后再次下降直到傍晚高峰結(jié)束時，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，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的相關性，而由于道路類型和功能的不同，隨著流量的增加，速度會有不同的變化，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，當擁堵時間增加時，道路保持擁堵狀態(tài)的可能性很小。盡管風險率曲線呈駝峰狀，但在不同的擁塞時間下，風險率會發(fā)生明顯波動;當擁塞時間過長時，結(jié)束擁塞狀態(tài)的可能性較低。