乌鲁木齐基于公交GPS数据的班次划分方法研究

乌鲁木齐市城市综合交通项目研究中心

0 引 言

作为社会与经济活动的主要交流承载体，城市公共交通对城市的发展具有重要的影响，对城市空间形态的演变具有骨架性的作用，对缓解整个城市的交通压力、提高城市交通效率至关重要。建立完善、先进的公交GPS轨迹路线图对提升交通管理系统具有重要意义。推动公共交通的优先发展,是解决关系人民群众切身利益的现实问题，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径[1]。

乌鲁木齐市以公交优先发展为目标，计划至2018年建成以轨道交通为骨架、快速公交为支撑、常规交通为主体，其他交通方式为补充的城市公共交通系统[2]。在城市交通系统的不断完善中，公交线路与站点的调整较为频繁，此类调整会对公交分析系统的时效性和准确性造成影响。因此，探究对公交线路与站点调整情况的自动化监测与分析技术，以及在线网频繁调整背景下的线网模型建模与更新技术，可以为及时发现公交线网调整提供技术手段，为后续公交分析系统的功能升级提供理论支撑。

本文提出了一种通过GPS位置数据与到离站数据训练公交线路运行轨迹的方法。选取到离站数据作为班次划分的输入，可以保证不在车辆正常运行时间内的数据不会被作为分析对象（比如从停保场到首末站之间的行驶数据）。该方法利用到离站数据获取公交线路运营的班次信息，并对班次信息进行判断，删除班次信息异常的数据，之后利用班次信息对公交GPS位置数据进行筛选和切分，得到线路在运营时段的运行轨迹。测试结果显示，利用该方法可以较好的监测乌鲁木齐公交线路的运行轨迹。

1 GPS数据

公交车通过车载终端利用GPS信息完成定位功能。车辆定位系统的车载终端接收GPS卫星信号，经专用数据接收器接收后可生成车辆当前的速度、经纬度、时间等信息[3]。

1.1 GPS位置数据

公交线路的GPS位置数据的主要信息字段见表1。

1.2 GPS到离站数据

本文选取到离站数据作为班次划分的基础数据，这样可以保证不在车辆正常运行时间内的数据不会被作为分析对象（例如，从停保场到首末站之间的行驶数据）。到离站数据的主要信息字段见表2。

2 数据预处理

2.1 生成站点信息

受端设备、定位过程中卫星的空间位置和地面环境的影响，公交站点的GPS定位结果与站点真实位置之间存在一定偏差[4]。 本文首先根据乌鲁木齐地区的空间位置，设置整体的经纬度范围，并以此为筛选条件，将到离站数据中不在此空间范围内的数据删除；然后将筛选后的数据按相同线路，相同站点分别计算经、纬度的平均值，作为各条线路公交站点的位置参数。最终生成的站点信息包含线路编号、站点顺序号和站点经纬度，见表3。

3 班次划分

3.1 基于到离站数据的班次划分

不同城市到离站数据，其格式和内容均存在一定差异。部分城市的到离站数据包含车辆运行方向信息，而其余城市则不包含。本文中用到的乌鲁木齐到离站数据中，不包含车辆运行方向，因此需要为其添加方向信息。

本文提出了一种班次划分方法，该方法首先为起始站和终点站的到离站记录添加班次和方向信息，然后通过插入法将中间站点逐次插入到相应位置，并基于其插入位置两端的起始站、终点站属性，为插入站点添加班次和方向信息。在对公交线路的到离站数据进行班次划分时，规定某一辆公交车从起点运营到终点，为一个上行班次；某一辆公交车从终点运营到起点，为一个下行班次。

表1 GPS位置数据主要信息

表2 GPS到离站数据主要信息

表3 公交线路站点信息

为方便描述，可用如下符号系统进行简化。

R={r1,r2,r3,…,rm}表示公交线路的集合，

Q={q1,q2,q3,…,qn}表示车辆编号的集合，

K={k1,k2,k3,…,kp}表示站点类型的集合，

T={t1,t2,t3,…,ts}表示到离站事件发生时间的集合，

X(loni,lati)表示经纬度信息，

trip={1,2,3,…,n}表示车辆运行班次。

因此，任意一条到离站数据记录的初始向量形式为：p={li,qj,kl,tα,(lonβ,latβ)}(p∈R,Q,K,T,X组成的5维空间R5)，目标向量形式为：f={p,dir,trip}。到离站数据的班次划分和方向标注步骤如下：

①对任意的p∈R5：若满足条件：k1∈{起点离站，终点到站}，则表示该车辆上行，即dir=1；若满足条件：kl∈{起点到站，终点离站}，则表示该车辆下行，即dir=0；若不满足以上条件，则暂不标注方向。

②筛选出1中标注了方向的向量集P1,其中间向量集M1={P1,dir}。由班次的定义可知，每辆车相邻的一组起点离站和终点到站（或相邻的一组终点离站和起点到站）可唯一确定一个班次。据此，可按时间顺序，为1中筛选出的向量按组逐次添加班次信息（同一组向量的班次信息相同）。完成该步骤后，得到了每辆车始末站的目标向量集：F1={P1,dir,trip}。

③为了得到剩余向量的目标向量集F2={P2,dir,trip}，本文引入了插入判别法。对任意的p0∈P2，首先生成该向量的初始目标向量F0={p0,-1,-1}；然后从F1中挑选满足条件：l(f)=l(f0)且q(f)=q(f0)的向量，并与f0共同组成向量集F3；将F3中的向量按时间先后顺序进行排序，结果为：F3={f1,f2,f3,…,fi,f0,fi,…}。如果满足条件：dir(fi)=dir(fj)且trip(fi)=trip(fj)，则p0的目标向量为：f0={p0,dir(fi),dir(fj)}；如果不满足条件，则f0的dir和trip均标注为空。完成该步骤后，得到了每辆车中间站的目标向量集：F2={P2,dir,trip}。

④添加班次和方向信息的到离站数据向量集为：F=F1∪F2。

3.2 班次信息

通过对3.1中添加班次和方向信息后的到离站数据进行处理，可以得到每条线路每辆车各班次（分方向）的起始时间、结束时间、以及经过的站点个数（班次信息）。

同一线路、同一车辆、相同方向、相同班次号可以唯一确定一个班次。首先，在添加班次方向信息后的到离站数据中，筛选出班次不为空的数据。然后，选取筛选后各班次到离站的起始时间和结束时间，并计算各班次经过的站点个数。

4 班次筛选

在进行班次筛选前，需要先对公交线路的GPS数据进行预处理，删除定位异常的数据。通过乌鲁木齐地区的空间位置可以设置整体的经纬度范围，并以此为筛选条件，将公交线路的GPS位置数据中不在此空间范围内的异常数据删除。

由于公交线路的GPS位置数据中包含有非正常运营时的位置信息，因此为获得乌鲁木齐公交线路在运营时段的行驶轨迹，首先需要基于班次信息对公交线路的GPS位置数据进行筛选，挑选出正常运营时的位置数据。然后为筛选后的GPS位置数据添加班次、方向信息。

文中第3部分已经对到离站数据进行班次划分，并得到了公交线路运营的班次信息。为了减少异常班次信息的影响，需要对班次信息进行一次筛选，删除掉经过站点数量偏少的班次（缺失站点数＞对应线路站点总数的20%）。然后将同一线路，同一辆车的班次信息与公交线路的GPS位置数据进行关联，筛选出每个班次开始与结束时间范围内每辆车的GPS位置数据，即公交正常运营时的GPS位置数据。最后将正常运营时的GPS位置数据关联上运行班次和方向信息，并将公交线路在运营时段的运行轨迹投影在地图上。

5 轨迹分析

乌鲁木齐公交线路在运营时段的运行轨迹如图1所示。

图1 乌鲁木齐公交线路的运行轨迹

某些线路不同方向的运行轨迹不同。以104路为例，其不同方向的运行轨迹分别见图2。

而另外一些线路不同方向的运行轨迹则基本一致。以1路为例，其不同方向的运行轨迹分别见图3。

由以上两个例子可以看出，通过本文提出的方法对公交GPS位置数据进行筛选和切分，可以较好地删除非正常运营时的位置信息，得到的各线路在运营时段的运行轨迹稳定性较好，符合预期结果。

6 总 结

图2 乌鲁木齐104路公交不同方向运行轨迹

图3 乌鲁木齐1路公交不同方向运行轨迹

本文提出了一种通过GPS位置数据与到离站数据训练公交线路运行轨迹的方法。该方法利用到离站数据获取公交线路运营的班次信息，并对班次信息进行判断，删除班次信息异常的数据。然后利用班次信息对公交GPS位置数据进行筛选和切分，删除非正常运营时的位置信息，最终得到线路在运营时段的运行轨迹。通过本文提出的方法对乌鲁木齐公交GPS位置数据进行筛选和切分，可以较好地删除非正常运营时的位置信息，得到的公交线路在运营时段的运行轨迹稳定性较好，可用于对公交线路与站点调整情况的自动化监测与分析。

[1] 张占伟. 城市公交GPS轨迹路线图制作研究[J]. 交通科技与经济，2015，17(3)：124-128.

[2] 张铭. 乌鲁木齐市公交优先发展政策研究[J].城市道桥与防洪，2016(8)：14-16.

[3] 彭家政. GPS技术在公交车上的应用研究[J].城市公共交通，2002(5)：28-29.

[4] 马连韬，王亚沙，彭广举，等. 基于公交车轨迹数据的道路GPS环境友好性评估[J]. 计算机研究与发展，2016，52(12)：2694-2707.