城市道路信息化數(shù)據(jù)質(zhì)量評價體系探析

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1概述

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國機動車保有量持續(xù)增高，日益嚴重的交通擁堵也成為了城市化建設(shè)必須關(guān)注的問題。如今通過智能化交通建設(shè)來提高城市交通運行效率是改善交通狀況的重要途經(jīng)。路通流數(shù)據(jù)作為智能化交通建設(shè)的基石，對發(fā)揮智能交通應用起著關(guān)鍵性作用。采集設(shè)備可通過對道路或者交叉口進行信息采集、分類，將能夠反映道路或交叉口真實狀態(tài)的交通參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至存儲中心，為交通管理與控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。準確的路通流數(shù)據(jù)在管理方面對于信息，道路狀態(tài)生成，決策規(guī)劃等方面起著重要作用；在控制方面對于信號優(yōu)化方案生成、效果評價等也至關(guān)重要。通過對路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價，保障路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量，將有效提高運行管理效率，增強交通管理的準確率，是實現(xiàn)智能交通的必要條件。施莉娟[1]、姜桂艷[2]等對于路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量宏觀層面角度進行了相應的分析與研究，并取得了一些成果，但缺乏微觀層面的路通流數(shù)據(jù)指標判斷。針對目前較為常用的交通檢測設(shè)備，包括地磁線圈、視頻卡口、雷達設(shè)備等。地磁線圈由于其布設(shè)方式易于損壞，維護成本較大。本文從現(xiàn)今利用率、效率較高的雷達檢測設(shè)備和視頻檢測設(shè)備入手，從宏觀以及微觀兩個層面，提出一套較完整的路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價體系。

2數(shù)據(jù)質(zhì)量問題分析

從路通流數(shù)據(jù)采集到上傳至數(shù)據(jù)中心，鏈路中有多個環(huán)節(jié)相扣，任一環(huán)節(jié)出錯都可能導致路通流數(shù)據(jù)不完整或者不可用。分析傳輸鏈路，可能出現(xiàn)的原因有數(shù)據(jù)檢測錯誤、外場設(shè)備斷電、網(wǎng)絡(luò)通訊中斷、檢測設(shè)備故障等。對數(shù)據(jù)以及來源進行分析，可以歸納為以下幾個方面：

2.1錯誤數(shù)據(jù)

錯誤數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)數(shù)值方面出現(xiàn)錯誤，表示數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)出入過大，不符合常規(guī)路通流數(shù)據(jù)規(guī)律。該類數(shù)據(jù)通常是由檢測設(shè)備檢測錯誤引起。

2.2缺失數(shù)據(jù)

缺失數(shù)據(jù)即相應數(shù)據(jù)丟失，具體表現(xiàn)為在短時段或長時段內(nèi)無對應數(shù)據(jù)記錄。該類現(xiàn)象通常是由設(shè)備斷電或者網(wǎng)絡(luò)中斷造成。

2.3異常數(shù)據(jù)

異常數(shù)據(jù)與正常交通參數(shù)數(shù)據(jù)有一定出入，該類數(shù)據(jù)不代表數(shù)據(jù)錯誤，僅表示非常規(guī)數(shù)據(jù)?？赡苡捎趯嶋H道路情況與檢測設(shè)備設(shè)置有所出入引起，例如突發(fā)交通事故、道路管制或者非常規(guī)駕駛行為等原因。

2.4空值數(shù)據(jù)

空值數(shù)據(jù)即接收到數(shù)據(jù)但該條數(shù)據(jù)對應參數(shù)無有效值返回，該類數(shù)據(jù)現(xiàn)象需根據(jù)實際情況進行進一步分析。

3數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷流程

交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷涉及到宏觀和微觀兩個層面。宏觀層面的數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷，涉及完整性、有效性、存在性三個方面。微觀層面的數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷，是對外場設(shè)備采集數(shù)據(jù)指標分類進行數(shù)據(jù)質(zhì)量判別，本文通過對具體指標包括流量、平均速度、車頭時距等交通參數(shù)進行判斷指標設(shè)計，以獲得路通流數(shù)據(jù)微觀層面的有效性評價。在宏觀層面，具體指標涉及：

3.1完整性

完整性是指設(shè)備采集到數(shù)據(jù)并傳至存儲中心的數(shù)據(jù)完整率，該指標表征了數(shù)據(jù)的缺失程度。通常由于外場設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)通訊中斷或波動等原因，導致數(shù)據(jù)在某一時段類缺失，該指標由理論上傳條數(shù)與實際上傳條數(shù)獲得。完整性檢驗是數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷的基礎(chǔ)判斷條件。

3.2有效性

通過外場設(shè)備采集到中心的數(shù)據(jù)，通常需要經(jīng)過有效性準則判斷。對于采集數(shù)據(jù)數(shù)值本身，應當通過一系列判斷準則，以檢驗該數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，可用于后續(xù)應用。通過有效性判斷，無效數(shù)據(jù)應剔除或標記。

3.3存在性

通常檢測設(shè)備對對應數(shù)據(jù)字段配置檢測算法，當某一指標字段無正常輸出時，應檢驗其對應指標是否配置。在微觀層面上，路通流數(shù)據(jù)指標涉及流量、時間占有率、車頭時距等常用交通參數(shù)。通過對具體交通參數(shù)指標進行有效性判別，能夠判斷該數(shù)據(jù)是否有效，以用于后續(xù)質(zhì)量控制或進入下一流程。

4數(shù)據(jù)質(zhì)量指標設(shè)計

4.1宏觀判斷指標設(shè)計

在宏觀層面，本文提出了完整性、有效性、存在性三個判斷指標。4.1.1完整性。完整性由理論上傳條數(shù)和實際上傳條數(shù)獲得。理論上傳條數(shù)即根據(jù)設(shè)備上傳周期，獲得時段內(nèi)理論上傳總條數(shù)，通過該條數(shù)與實際獲得上傳數(shù)據(jù)條數(shù)的比值，即為完整性指標。具體公式如下：(1)(2)式中：Ntotaldata為設(shè)備采集到總條數(shù)；Nexpected為理論上傳條數(shù)；Ttime為統(tǒng)計時段；Tperiod為設(shè)備上傳周期。4.1.2有效性。有效性通過實際上傳數(shù)據(jù)和完成判斷指標數(shù)據(jù)兩者比值獲得。對于采集到的基礎(chǔ)路通流數(shù)據(jù)滿足微觀層面數(shù)據(jù)質(zhì)量指標判斷的，即為有效數(shù)據(jù)。具體公式如下：(3)式中：Ntocc為統(tǒng)計時段內(nèi)，數(shù)據(jù)異常的記錄條數(shù)；N為統(tǒng)計時段內(nèi)，實際采樣總條數(shù)。4.1.3存在性。通過對某一指標進行連續(xù)時段檢測，以判斷該指標是否在檢測設(shè)備上配置。排除掉錯誤、異常數(shù)據(jù)之后，設(shè)某一指標長時段內(nèi)為固定值m，即判斷該指標未配置。

4.2微觀判斷指標設(shè)計

對常規(guī)視頻采集設(shè)備分析，標準視頻設(shè)備采集數(shù)據(jù)指標由如下指標組成：流量、平均速度、時間占有率、車頭時距、非高峰期占有率。通過對每一指標進行判斷算法設(shè)計，以獲得有效數(shù)據(jù)衡量該指標異常程度，得到該上傳數(shù)據(jù)有效性。4.2.1流量。流量檢測為某一設(shè)定時段內(nèi)通過檢測斷面的車輛數(shù)，設(shè)流量的有效區(qū)間為，當檢測流量值不在該有效區(qū)間時，則判定該條記錄的流量數(shù)據(jù)異常。其中，。(4)式中：s0為基本飽和流量，參考美國HCM2010（HighwayCapacityManual），取值為1900pcu/h；tc為設(shè)備采樣周期。4.2.2平均速度。平均速度為檢測車輛通過某一斷面的瞬時速度，即時間平均速度，當滿足以下條件之一時，則判斷該條記錄的平均速度數(shù)據(jù)異常。(5)(6)式中：θlow為0km/h；θhigh為78km/h，城市地面道路限速60km/h，按超速30%取。4.2.3時間占有率時間占有率表征檢測車輛占用檢測斷面時間上的關(guān)系。當滿足以下條件之一時，則判斷該條記錄的時間占有率數(shù)據(jù)異常。(7)(8)(9)式中：θhigh為100；o為時間占有率；vol為檢測時段內(nèi)的交通量，輛；li為車輛長度，m；d為虛擬線圈長度，m；vi為車輛速度，m/s；T為檢測時段。4.2.4車頭時距。車頭時距為兩輛連續(xù)車輛車頭通過同一檢測斷面的時間之差。當滿足以下條件之一時，則判斷該條記錄的時間占有率數(shù)據(jù)異常。(10)(11)式中：hs為車頭時距；θlow為0；θhigh為數(shù)據(jù)上傳周期，Tperiod。4.2.5非高峰期間占有率。設(shè)采集的占有率為occ，并對占有率設(shè)定高位閾值，當50≤occ≤100時，稱occ為高占有率。在車輛較少的時段高占有率的數(shù)據(jù)過多則判定線圈存在異常。因此規(guī)定當時段為非高峰時段內(nèi)(00:00:00-05:59:59)出現(xiàn)高占有率情況時判斷該條數(shù)據(jù)異常。雷達監(jiān)測設(shè)備多采用微波、毫米波等檢測方法，應用多普勒效應原理，通過向檢測區(qū)域內(nèi)的車輛發(fā)射波束和接受反射波束來實現(xiàn)車輛檢測。由于原理區(qū)別于視頻設(shè)備，雷達監(jiān)測設(shè)備除流量、平均速度等參數(shù)外，還能檢測到排隊長度、車頭間距、車身間距指標。因此對上訴指標進行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷設(shè)計。4.2.6排隊長度。排隊長度分為動態(tài)排隊長度和靜態(tài)排隊長度，本文主要對靜態(tài)排隊長度進行指標設(shè)計。當滿足以下條件時，判斷該條記錄的排隊長度數(shù)據(jù)異常。(12)(13)(14)式中：queue為排隊長度；θlow取0；lm為車長的較大值；lO為車輛車距。4.2.7車頭間距。車頭間距即為同方向行駛的連續(xù)兩輛機動車，車頭與車頭之間的距離。本文對車頭間距指標進行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷設(shè)計，當滿足以下條件時，則判斷該條記錄的車頭間距數(shù)據(jù)異常。(15)(16)(17)式中：hs為車頭時距；θhigh為雷達檢測器檢測范圍長度；l0為車輛間距；lmin為最小車輛長度。

5案例分析

目前，上海市已在大部分交叉口布設(shè)了視頻檢測器和雷達檢測器。本文選取某區(qū)域的部分路口為例，根據(jù)上述公式，分析路口視頻檢測器和雷達檢測器的宏觀和微觀指標情況。

5.1宏觀指標分析

圖2是視頻檢測器的數(shù)據(jù)完整性和重復性的分析結(jié)果。四個路口中，盈港路-淶港路路口視頻檢測器的數(shù)據(jù)完整率較低，為88.74%。崧澤大道-華徐公路路口和會涵路-華徐公路路口的視頻檢測器數(shù)據(jù)完整，但是完整率超過100%，說明存在重復數(shù)據(jù)。華徐公路-蟠中路路口視頻檢測器的數(shù)據(jù)完整性較好，且不存在重復數(shù)據(jù)。因此，選取華徐公路-蟠中路路口的視頻檢測器，進一步分析其數(shù)據(jù)的有效性和存在性。如圖3，以分車道的形式，對華徐公路-蟠中路路口視頻檢測器數(shù)據(jù)的有效性和存在性進行分析。在該路口的每個車道，都存在異常數(shù)據(jù)；且存在檢測故障的情況，即存在視頻檢測器為對某個指標進行檢測分析的情況。

5.2微觀指標情況

根據(jù)該路口視頻檢測器的產(chǎn)品說明書可知，該視頻檢測器提供流量檢測、時間占有率檢測、速度檢測、車型檢測、各車型流量檢測、各車型速度檢測等六項指標檢查功能。下面對各項檢測指標結(jié)果數(shù)據(jù)的有效性進行判斷分析。如圖4，該路口視頻檢測器的時間占有率存在檢測故障，說明該檢測器未按照產(chǎn)品說明書配置時間占有率指標的檢測功能。車型數(shù)檢測數(shù)據(jù)有效性差，各車道的車型數(shù)檢測結(jié)果異常率都在55%以上。其余四項指標檢測數(shù)據(jù)均為有效，其中，流量數(shù)據(jù)的有效性最好，異常率為0；平均速度、各車型流量和各車型速度等指標數(shù)據(jù)的異常率也均低于5%。

5.3結(jié)論

綜合上述對視頻檢測器檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析判斷可知，華徐公路-蟠中路路口的視頻檢測器檢測數(shù)據(jù)完整性較高，不存在數(shù)據(jù)重復的情況。且其對流量、平均速度、各車型流量和各車型速度等四項指標的檢查結(jié)果有效性較高?？蓪⒃撀房谝曨l檢測器的流量檢測、平均速度檢測、各車型流量檢測和各車型速度檢測數(shù)據(jù)應用于深入的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、挖掘等工作中。

6結(jié)束語

路通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從外場設(shè)備采集到信息傳輸再到信息收集的過程中，容易受到各種因素影響導致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，因此有必要對獲得的交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行質(zhì)量判別，以用于進一步應用，充分發(fā)揮出智能交通的效用，為正確決策提供數(shù)據(jù)支撐。本文從宏觀和微觀兩個方面對基礎(chǔ)路通流數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與指標設(shè)計，對交通參數(shù)等數(shù)據(jù)采用算法判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量。研究結(jié)果在微觀上能有效剔除無效數(shù)據(jù)，在宏觀上能給出數(shù)據(jù)質(zhì)量宏觀評價，對于路通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價研究有一定指導意義。

參考文獻

[1]施莉娟,朱健,陳小鴻,張祎.基礎(chǔ)路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價研究[J].交通信息與安全,2011,29(05):57-61.

[2]姜桂艷,牛世峰,李紅偉.動態(tài)路通流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法研究[J].北京工業(yè)大學學報,2011,37(08):1190-1195.

作者:王雪雪 楊學晨 單位:上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司