基于移动通信基站大数据的高速公路交通状态采集研究与应用

吕梦蛟

【摘要】 基于移动通信基站信号数据采集道路交通状态特征信息技术是目前新兴的移动采集手段，已经形成了完善、可靠的理论体系与技术框架，并在国内外越来越多地城市得以具体实践应用。浙江省交通厅于2013年建设了基于移动通信基站大数据分析技术的高速公路交通状态检测系统。该系统利用浙江移动与浙江联通两家运营商的信令数据，通过对基站信号大数据的实时提取与分析，结合浙江省高速公路沿线基站信号覆盖模式、高速线型模式、车辆行驶模式等实际情况，研究构建针对性交通分析模型，实时动态采集置信度较高、精度较高的高速公路交通状态信息。该系统仅需投入一定数量的服务器，用于数据存储与数据运算，能够在短时间内实现全范围广域交通信息的采集，同时，系统的前期建设成本与后期运营成本也相对很低。系统成果为浙江省交通厅及时有效地应急决策与高速公路运行特征分析提供了有效的数据依据，并为后续手机采集技术在浙江省乃至全国更多道路上的应用奠定了科学研究与工程实施的基础。

【关键词】 大数据 移动通信基站 手机信令 交通状态 高速公路

一、引言

近年来，高速公路的蓬勃建设，改善了我国公路网络结构，促进了区际和区域各地区的经济联系，有效地拉动内需，刺激了高速公路附近地区的经济繁荣和发展，对区域经济发展和空间格局演化具有非常重要作用。但高速公路“硬件”配置提升的同时，由于车流量增长、事故频发、节假日免费通行等原因，交通拥堵的发生频率越来越高，拥堵持续时间越来越长，拥堵影响范围也越来越扩大，对高速公路的现代化、信息化运营管理水平，提出了越来越高的要求。

因此，相关运营管理部门迫切需要实时动态了解拥堵路段空间分布、拥堵程度、持续时长等道路实际通行状况，以便及时采取针对性的管理措施，提醒公众绕行线路、出行时段和注意事项，从而为公众出行提供良好的高速公路通行环境。

目前高速公路在一些重要的区域（如收费站）设置了地磁检测、微波检测、视频检测等各类固定检测器，具备了一定的采集定点交通参数的能力，但是其安装和维护成本很高、覆盖范围相当有限。而两客一危GPS浮动车数据，则存在有效样本量较少、与路段车辆正常行驶状态并不完全一致等问题，所采集的交通状态信息的可信度和可靠度也较为有限。

基于移动通信基站信号数据[2]（也可称作，手机信令数据或手机数据）采集道路交通状态特征信息技术是目前新兴的移动采集手段。其利用目前全范围覆盖极少盲区的移动基站信号网络，采集携带各个手机终端在地理空间上的位置与活动信息。随着手机终端的普及，高速公路出行人群中持有手机的比例越来越高，达到了人手一机或多机的程度。同时，移动通信网络运营商由于网络优化的需要，信令监控平台日益成熟，能够实时地监测到手机终端信令数据，如收发短信、上网、电话等，这些数据里蕴含着各个手机终端基站信号随时间的空间活动情况，滤除个人隐私信息后，能够利用大数据技术分析计算，挖掘得到相关交通工程参数数据。

国内外诸多研究与应用表明，手机采集实时交通信息的技术已经形成了完善、可靠的理论体系与技术框架[3] ～[7]，并在国内外越来越多地城市得以具体实践应用[8]，理论上与技术上都完全可行。

由移动运营商开放手机原始信令数据源，并根据交通信息采集系统的基站信号数据需求，定制化输出每分钟的实时基站信号原始信令，在此基础上，构建交通中、宏、微观交通分析模型，搭建基于移动通信基站大数据的高速公路交通状态采集系统，通过对海量基站信号大数据的实时分析处理，即能实现基于移动通信基站机数据实时动态采集高速公路的交通状态信息。

这种纯软件的采集方式，仅需投入一定数量的服务器，用于数据存储与数据运算。由于其不依赖硬件设备安装，能够在短时间内实现全范围广域交通信息的采集，即，凡是有基站信号数据的区域都能很快采集。因此，系统的前期建设成本与后期运营成本相对降低了很多。

综上所示，在城镇化、信息化快速发展的时代背景下，如何在海量、多源的大数据环境中，有效支撑现有高速公路交通运营与管理等焦点问题的量化分析，已经成为当前重要的发展方向。在此背景下，浙江省交通厅于2013年开始建设基于移动通信基站大数据分析技术的高速公路交通状态检测系统。

该系统利用浙江移动与浙江联通两家运营商的信令数据，通过对基站信号大数据的实时提取与分析，结合浙江省高速公路沿线基站信号覆盖模式、高速线型模式、车辆行驶模式等实际情况，研究构建针对性交通分析模型，采集置信度较高、精度较高的高速公路实时交通状态信息，为特殊时期应急决策等提供有效定量分析依据。

截止2014年11月底，系统已经完成拥堵问题较为严重且具备基站信号数据条件的杭州绕城高速、杭金衢高速、沪杭高速与杭甬高速四条高速公路的采集，单向里程累计600公里。系统及时发布拥堵路段与拥堵程度信息，在高速公路实际运营管理与应急指挥过程中发挥了重要作用。计划于2015年底，完成浙江省所有重点路段的采集工作。

二、基于移动通信基站大数据检测高速公路交通状态的系统简介

2.1 系统框架

总体框架上系统共分为：手机原始信令采集系统和手机交通信息采集系统两部分，最终将交通状态信息发布给各个应用单位，如下图1所示。

该部分由移动运营商负责完成，采集指定区域的移动通信基站信令数据，并转化成后续交通业务所需要的标准格式，在滤除用户个人隐私信息后，传输至手机交通信息采集系统。

2.2手机交通信息采集系统

该系统完成如下几方面工作：

1）移动通信基站数据的获取与预处理

该模块获取接收移动运营商手机原始信令采集系统平台的移动通信基站信令数据，通过专线传输通道，并对海量数据进行过滤去噪等预处理，提供给高速公路交通状态信息分析提取模块。

2）分析提取高速公路交通状态信息

该模块完成利用移动通信基站信令数据生成高速公路分路段道路交通状态信息的过程，包括了有效数据提取、地图匹配、路径识别、个体旅行时间与旅行速度分析、群体平均旅行时间与旅行速度统计分析等过程，最终获得按统一地图编码格式的分路段平均旅行速度信息，并通过交通状态判别模块获得路段的实时交通状态。

3）原始数据、结果数据实时存储与备份

手机原始信令数据、处理过程中的中间数据和最终成果数据的存储，按照需求在处理系统组织本地存储。处理生成的按路段划分、采集周期组织的旅行速度在本地存储，为各种应用提供数据支撑。

2.3 系统业务流程

步骤1：移动运营商原始信令采集

手机原始信令数据是移动通信基站的交通状态信息采集系统的输入数据，由移动运营商负责从移动通信基站网络中采集目标路网区域的原始手机信令数据，并通过滤除个人私隐、服务器安置于移动运营商机房等限制避免移动用户信息泄露。

步骤2：路网上移动通信基站信号覆盖采集处理

利用专用路测设备经实地路测，获取实验区覆盖路网区域的2G及3G基站信号覆盖情况，得到基站覆盖边界、信号强度信息等数据，再结合道路交通网络GIS底图基础数据，经专用软件处理得到移动通信基站信号网络与道路交通网络相互映射关系数据。

步骤3：数据测试分析与交通模型参数优化

利用摄像机或人工方式定期采集及其他补充数据源如线圈数据进行交通信息基准数据制作，进行交通信息质量评估测试分析工作，并及时反馈测试结果，进行交通模型优化调整，及交通参数重新训练或配置。

步骤4：高速公路实时交通状态信息结果数据提交

根据预先定义的多源异构交通信息融合处理接口及交通状态信息数据发布接口，将手机交通信息采集系统得到的城市路况信息按照具体要求转换成统一编码格式，提交给对应的接口，同时进行数据的存储和应用。

三、系统应用

浙江省交通厅于2013年建设了基于移动通信基站大数据分析技术的高速公路交通状态检测系统，这套系统已经集成到浙江省综合交通运行分析系统平台。利用浙江联通与浙江移动两家运营商的信令数据，针对已经完成拥堵问题较为严重且具备基站信号数据条件的杭州绕城高速、杭金衢高速、沪杭高速与杭甬高速四条高速公路的采集，及时检测出拥堵路段和拥堵节点，准确反映了高速公路路网的交通运行特征。并在浙江省高速公路交通运行状况实时检测、节假日、重大事故交通拥堵预警、交通拥堵评价与治理措施、交通宏观决策支持、交通信息诱导发布等方面发挥了重要的作用。

这里，以2014年01月01日-2014年08月31日期间，杭州绕城高速与杭金衢高速两条高速的系统采集成果为例，介绍系统在高速公路总体运行特征、各条高速运行特征、各条高速拥堵时间特征与空间特征、不同类型节假日运行特征等分析中的应用。

本系统的成果数据，本身也是大数据的一个组成，未来累积更长时期、覆盖更广范围，并结合车流量、客流量、车牌OD等数据，可进一步开展更全面、更深入的挖掘提取工作。

3.1 总体运行特征

2014年03月01日-2014年08月31日期间，杭州绕城高速与杭金衢高速两条高速工作日总体情况如下图所示。

工作日拥堵程度排序为：周五>周三、周一>周四>周二；工作日全天平均车速相差不大，周二略快，周五略慢。

除此之外，还可以统计高速公路交通指数、区分早晚高峰平峰的平均车速、拥堵里程与比例、拥堵时长与比例等指标，以及相对历史的变化情况（相对更堵、平稳，还是好转？），从而更全面地把握总体运气特征情况。

四、总结与展望

在城镇化、信息化快速发展的时代背景下，迫切需要在海量、多源的大数据环境中深入挖掘，有效支撑现有高速公路交通运营与管理等焦点问题的量化分析。在此背景下，浙江省交通厅于2013年开始建设基于移动通信基站大数据分析技术的高速公路交通状态检测系统。该系统利用浙江移动与浙江联通两家运营商的信令数据，通过对基站信号大数据的实时提取与分析，结合浙江省高速公路沿线基站信号覆盖模式、高速线型模式、车辆行驶模式等实际情况，研究构建针对性交通分析模型，实时动态采集置信度较高、精度较高的高速公路交通状态信息。该系统仅需投入一定数量的服务器，用于数据存储与数据运算，能够在短时间内实现全范围广域交通信息的采集，同时，系统的前期建设成本与后期运营成本也相对很低。系统成果为浙江省交通厅及时有效地应急决策与高速公路运行特征分析提供了有效的数据依据，并为后续手机采集技术在浙江省乃至全国更多道路上的应用奠定了科学研究与工程实施的基础。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国中央人民政府门户网站。图表：浙江省高速公路节假日易拥堵路段、大流量路段示意图。http：//me.kmust.edu.cn/webpage/ index.htm

[2] 张威 编著.GSM网络优化——原理与工程. 北京：人民邮电出版书. 2003.

[3] Zhijun （Tony） Qiu， Cheng， p.， Bin Ran. Issues of Using Cell phone Probes to Estimate Traffic in the Developing Country. 11th World Conference on Transportation Research.

[4] Zhijun （Tony） Qiu， Bin Ran. Kalman Filtering Applied To Network-Based Cellular Probe Traffic Monitoring. TRB 2008 Annual Meeting CD-ROM.

[5]刘杰，胡显标，傅丹丹，陈明威。基于无线通信网络的人员出行信息分析系统设计与应用。公路交通科技。2009，12（增刊）：151-154。