基于交通大数据的道路交通状态指数应用研究

　　关键词：道路交通状态指数；趋势分析；政策评价

　　道路交通状态指数（以下简称“指数”）是量化表达城市道路交通运行状态的相对数值，可以体现整体路网或特定区域的道路交通运行状态和拥堵强度。并且指数历史数据的积累，可以用于挖掘目标对象交通状态的变化趋势和规律，为交通参与者提供信息支持。

　　与传统的道路交通状态分级显示相比，交通状态指数最明显的优势在于从中观和宏观层面量化区域或路网交通状态，作为一种无量纲交通运行评价指标，交通指数便于数据组织、数据关联和数据对比评价，可以在时间和空间维度上精细化描述交通对象特征及发展变化趋势。

　　上海市交通状态指数的研究与应用已经有了较充分的发展：对上海市快速路和地面道路网进行区域划分，实现了全路网、热点区域的指数定周期实时计算与发布。随着上海市交通状态指数历史数据的持续积累，已形成了以路网区域为对象的交通大数据，并已成为分析与挖掘道路路网交通特征与变化规律的重要数据来源。

　　上海市交通状态指数描述道路对象当前行程车速与自由流行程车速的偏差，以此量化道路对象的交通运行状态。指数数值区间为[0,100]，且数值越大，表示道路交通状态越差。

　　

　　上海市交通状态指数计算的基本公式如下：

　*100(1)

　　其中，

　　——道路交通状态指数（TrafficStateIndex）。

　　——路段实测行程车速。由交通检测器设备采集交通流数据计算得到。

　　——路段自由流行程车速。在实际应用过程中，自由流车速的取值应综合考虑具体路段的实测车速、设计车速、限制车速。

　　指数是不同时间维度和空间维度的组合。具体的，空间维度包括：路段指数、区域指数、路网指数三个层次（见表1）；时间维度包括：实时指数、时段统计指数、日统计指数、周/月/季/年统计指数（见表2），以及指数在时空维度的组合（见表3）。

指数在不同时空维度的统计计算使用如下公式：

　　其中，

　　——交通状态指数统计计算值；

　　——路段交通状态指数；

　　——路段在时空维的权重；

　　——时间和空间范围内包含的路段数量。

　　3道路交通状态指数历史数据分析

　　基于指数无量纲的特性，即指数模型设计中对不同属性道路对象特征（包括：道路等级、道路几何属性等）的归一化处理，可以实现在较大时间和空间范围内，对同一空间对象不同时间维度和同一时间范围不同空间对象的交通运行趋势变化进行定量化描述，从而实现在宏观层面评价道路交通运行状态。分析结果将用于交通管理者宏观把握城市道路交通运行水平及变化趋势。

　　选取2012年至2014年完整3年的地面路网和高架路网指数历史数据进行统计分析，分别比较历史3年上海市地面道路和高架道路交通状态运行变化趋势，并分时段比较地面道路和高架道路的交通状态，从而实现指数的宏观评价功能。

　　

　　由图易见，地面路网近三年状态指数呈增长态势，即地面路网近三年交通状态呈恶化趋势。从曲线变化看，2013年较2012年增长不明显，两者曲线较接近，但2014年较2013年增长明显，尤其在日间平峰时段和晚间时段。

　　进一步通过数值计算，得：（a）工作日，地面路网指数2013年较2012年增长0.47，增长率约为1.8%，2014年较2013年增长1.54，增长率约为5.8%；（b）周末，地面路网指数2013年较2012年增长0.70，增长率约为3.0%，2014年较2013年增长1.69，增长率约为7.1%。

　　（2）高架路网指数历史趋势分析

　　
由图易见，高架路网近三年状态指数总体呈增长态势。具体从曲线变化看，2013年较2012年增长不明显，且在周末2013年指数略低于2012年指数，两者曲线非常接近，但2014年较2013年增长明显，2014年指数全天均处于2013年指数的高位。

　　进一步通过数值计算，得：（a）在工作日，高架路网状态指数2013年较2012年增长0.02，增长率约0.1%，2014年较2013年增长2.46，增长率约10.1%；（b）在周末，高架路网状态指数2013年较2012年降低0.47，增长率为﹣2.4%，2014年较2013年增长2.45，增长率为12.6%。

　　（3）地面路网和高架路网状态指数对比（选取2014年）

　　

　
　整体上，地面路网较高架路网状态指数值偏高，即地面路网较高架路网交通状态偏向拥堵，地面路网交通运行负荷高于高架路网，可通过进一步数据计算比较不同路网的平均速度。

　　指数可用于城市交通管理政策实施效果的评价，通过比较指数在交通管控措施实施前后的变化比较，可以直观的反映相关措施对道路交通运行的影响，从而，调整对措施进行调整或完善。

　　现以上海市2015年4月的高架道路外牌及部分特征车辆限行措施实施前后效果进行对比分析：2015年4月15日前，非上海市号牌小客车、未载客的出租小客车及实习期驾驶人驾驶的小客车在7:30—9:30禁止进入部分高架道路；4月15日新的措施实施后，限行时段调整为7:00—10:00，比之前扩大了一个小时，以下分别选取部分高架路段限行时段调整前、后一周（工作日）的指数历史数据进行对比。

　　（1）南北高架东侧鲁班路立交至共和新路立交段

　　

　　由图易见，限行时段调整前、后，南北高架东侧鲁班路立交至共和新路立交路段交通指数呈现一定变化趋势，从限行带来的交通影响分析：高峰时段限行效果并不明显，指数在8:30前、后先降后升，但一直保持在畅通状态；平峰时段，新的限行措施造成10:00后指数的快速攀升，一度达到拥挤级别，其可能原因在于，地面等待的外牌车辆在限行结束后集中拥上高架所致；晚高峰时段，新的限行措施效果明显，交通状态明显低于以往，以及限行结束后，并未出现类似早高峰限行结束后的平峰指数攀升，其可能原因在于，地面路网分担了部分交通流。

　　（2）延安高架延安东路至沪青平段

　

　　由图易见，限行时段调整前、后，延安高架北侧延安东路至沪青平段交通指数发生变化，在晚高峰时段指数下降，交通状态有所改善，但在平峰时段，交通指数攀升明显，道路处于拥挤状态的时长明显大于以往，因此，有必要结合其他方面因素，考虑限行时段调整对该路段的影响，进一步调整，以改善平峰时段交通状态。

　　本文对气象因素与交通指数做回归分析，挖掘气象因素对交通运行的影响。在此通过回归分析的方法，分析单变量气象属性（降雨量、风速）与交通指数的量化关系。研究中选取了2013年全年的早高峰、晚高峰时段的快速路交通指数历史数据，以及同时间的气象数据。

　　以下通过回归分析，挖掘降雨对快速路交通状态的影响：

　　

　　由图易见，在早、晚高峰时段下，雨量的上升，会导致快速路全路网的整体交通指数的上升。而不同路段，在降雨的情况下，雨量对早高峰、晚高峰的影响不尽相同。

　　以下通过回归分析，挖掘风速对快速路交通状态的影响：

　　

　　由图易见，在早高峰时段，风速对快速路交通指数的影响比较明显；而在晚高峰时段，风速对快速路交通指数的影响不太明显。

　　另外，通过对气象属性与交通指数进行回归分析，我们能够得到关于气象与快速路交通指数的若干规律：

　　（1）降雨对内环交通影响较大，而对中环、外环的影响依次减小，以内环内侧（鲁班-延西）的早高峰为例，降雨量平均每上升1mm/h，交通指数上升1.7；（2）刮风对早高峰快速路全路网的交通影响较大；以内环内侧（鲁班-延西）为例，风速每上升10km/h，早高峰交通指数上升4.3；刮强风时（平均风速39~49km/h），交通指数比平时上升14。

　　本文给出道路交通状态指数的定义、模型、特征，通过指数统计、分析，研究了指数应用于道路交通状态变化趋势分析、交通管理政策评价、气象因素对交通影响分析，展现了指数在中宏观层面面向交通管理的应用，后续将继续深入研究基于道路交通状态指数的出行信息服务应用，面向交通出行者提供信息支持。