大數(shù)據(jù)與城市交通決策思維模式的變革

1、大大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與城市交通決策思維模式的與城市交通決策思維模式的變革變革同濟大學同濟大學 楊楊東東援援2015年年6月月西南交通大學一位交通工程博士研究生在博客中提出的問題“大數(shù)據(jù)這個概念這兩年又要在國內(nèi)玩過火了的架勢，這二年不管寫項目申報還是論文報告，不扯上個大數(shù)據(jù)似乎都有點不好意思拿出手。看了幾本關于大數(shù)據(jù)的專著，全是老外講他們?nèi)绾伟哑【颇虿紨[在一起賣出去的，細加琢磨，不緊喉頭一緊后背直發(fā)涼，且看且看。維克托.邁爾-舍恩伯格和肯尼思.庫克在其合著大數(shù)據(jù)時代的開篇便強調(diào)了大數(shù)據(jù)的三個基本特征：要全體不要抽樣、要效率不要絕對精確、要相關不要因果。再想想傳統(tǒng)交通的思維模式：數(shù)據(jù)從抽樣調(diào)查中獲得，模型

2、要努力提升精度，重視機理分析和因果關系。乖乖，這真是要推倒舊世界建立新世界的節(jié)奏么?！币?大數(shù)據(jù)概念的火爆，在眾多技術領域激起層層波瀾。這其中既有試圖通過大數(shù)據(jù)“沙里淘金”的商業(yè)分析人員，也有將本領域原有數(shù)據(jù)分析冠以“大數(shù)據(jù)”帽子的不求甚解者。 對于城市交通來說，大數(shù)據(jù)首先帶來一種機遇，使得我們能夠通過大樣本、多方位、多層次連續(xù)觀察研究對象；其次將引發(fā)一種變革，對復雜適應系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測能力的建立，使得對城市交通進行戰(zhàn)略調(diào)控的追求逐步得以實現(xiàn)；第三帶來一種挑戰(zhàn)，大量并不完美的非定制數(shù)據(jù)提供的是一種間接證據(jù)，要求決策分析技術進行必要的變革；第四是一種壓力，對于城市產(chǎn)生深遠影響的交通決策絕非如同“紙

3、尿布與刮胡刀”一樣可以忽視因果規(guī)律，需要在一般大數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗基礎上另辟蹊徑。城市交通領域大數(shù)據(jù)技術應用的難點和特點城市交通領域大數(shù)據(jù)技術應用的難點和特點 城市交通對策既對社會產(chǎn)生重大影響，又往往是不可逆的，其決策謹慎性要求使其不可能輕視“因果”； 用于城市交通的大量數(shù)據(jù)資源都不是“定制數(shù)據(jù)”，分析產(chǎn)生的間接證據(jù)需要決策理論的調(diào)整； 許多所關注的特征往往不能直接提取，需要借助理論或者技術加以推斷； 社會和物理共同作用所產(chǎn)生的復雜關聯(lián)，需要人機協(xié)同加以發(fā)現(xiàn)； 內(nèi)容提要 大數(shù)據(jù)為城市交通決策變革帶來的技術機遇 技術框架基于證據(jù)的決策 比較與探索支撐城市的遠見 居民活動空間與城市環(huán)境關聯(lián)分析演化機理研

4、究 特征與聚類研究對象的細分 結(jié)束語大數(shù)據(jù)為城市交通決策變革帶來大數(shù)據(jù)為城市交通決策變革帶來的技術機遇的技術機遇城市交通領域的大數(shù)據(jù)技術應用，既非將大數(shù)據(jù)技術塞入傳統(tǒng)技術城市交通領域的大數(shù)據(jù)技術應用，既非將大數(shù)據(jù)技術塞入傳統(tǒng)技術框架，也非對關聯(lián)分析等技術的簡單套用框架，也非對關聯(lián)分析等技術的簡單套用城市交通需要對演變過程進行戰(zhàn)略調(diào)控城市交通需要對演變過程進行戰(zhàn)略調(diào)控戰(zhàn)略調(diào)控的核心是交通模式戰(zhàn)略調(diào)控的核心是交通模式戰(zhàn)略調(diào)控的目標是遵循可持續(xù)發(fā)展的軌道戰(zhàn)略調(diào)控的目標是遵循可持續(xù)發(fā)展的軌道戰(zhàn)略調(diào)控的手段是交通政策戰(zhàn)略調(diào)控的手段是交通政策戰(zhàn)略調(diào)控的關鍵是建設智慧政府！戰(zhàn)略調(diào)控的關鍵是建設智慧政府！技術

5、手段的瓶頸：連續(xù)的數(shù)據(jù)采集與追蹤技術手段的瓶頸：連續(xù)的數(shù)據(jù)采集與追蹤傳統(tǒng)5-10年一次的交通調(diào)查已經(jīng)難以滿足城市交通戰(zhàn)略過程管理的需求，近年來交通信息系統(tǒng)建設形成的數(shù)據(jù)資源亟待開發(fā)利用。對于城市交通來說，大數(shù)據(jù)不是一種時髦，對于城市交通來說，大數(shù)據(jù)不是一種時髦，而是技術推動、需求拉動和任務理念變革所共同呼喚的創(chuàng)新！而是技術推動、需求拉動和任務理念變革所共同呼喚的創(chuàng)新！交通大數(shù)據(jù)環(huán)境與政府決策支持交通大數(shù)據(jù)環(huán)境與政府決策支持大數(shù)據(jù)對于城市交通的價值大數(shù)據(jù)對于城市交通的價值上海市軌道交通上海市軌道交通7號線沿線顧村、大華、靜安社區(qū)居民空間號線沿線顧村、大華、靜安社區(qū)居民空間活動復雜度對比活動復雜度

6、對比大樣本幫助我們詳細了解分布特征大樣本幫助我們詳細了解分布特征0%20%40%60%80%100%1234567891011121314151617比例比例使用頻度使用頻度其他皖浙蘇滬連續(xù)追蹤數(shù)據(jù)通過頻度細分研究對象連續(xù)追蹤數(shù)據(jù)通過頻度細分研究對象數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型信息內(nèi)涵信息內(nèi)涵備注備注移動通信數(shù)據(jù)移動通信數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域居民的活動空間公交公交IC卡數(shù)據(jù)卡數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域居民在公交網(wǎng)絡上的活動空間僅說明了IC卡用戶情況。車輛牌照檢測數(shù)據(jù)車輛牌照檢測數(shù)據(jù)城市中各種類型車輛在道路網(wǎng)絡上的活動空間并非整個路網(wǎng)均被檢測系統(tǒng)覆蓋，一般主要集中于快速道路。人口普查數(shù)據(jù)人口普查數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域居民社會結(jié)構(gòu)

7、不同區(qū)域居民社會經(jīng)濟屬性結(jié)構(gòu)的主要數(shù)據(jù)源。綜合交通調(diào)查數(shù)據(jù)綜合交通調(diào)查數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域居民交通行為特征定制數(shù)據(jù)因此針對性強。軌道交通運行數(shù)據(jù)軌道交通運行數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域通過軌道交通網(wǎng)絡形成的可達性公交公交GPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域通過常規(guī)公交網(wǎng)絡形成的可達性一般需要與調(diào)度數(shù)據(jù)配合使用。FCD數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)城市不同區(qū)域通過道路交通網(wǎng)絡形成的可達性數(shù)據(jù)質(zhì)量取決于采樣車輛規(guī)模。城市城市POI數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)城市公共服務設施分布大眾點評數(shù)據(jù)大眾點評數(shù)據(jù)城市公共服務口碑經(jīng)濟普查數(shù)據(jù)經(jīng)濟普查數(shù)據(jù)城市就業(yè)崗位分布專項數(shù)據(jù)，質(zhì)量容易得到保障。城市空間結(jié)構(gòu)與交通網(wǎng)絡關聯(lián)問題的相關數(shù)據(jù)資源多角度多層次觀察幫助全面把握情況多角度

8、多層次觀察幫助全面把握情況案例案例1：現(xiàn)有公交乘客是：現(xiàn)有公交乘客是“不得不坐不得不坐”還是還是“能夠接受能夠接受”？低高高持續(xù)忠誠持續(xù)忠誠虛假忠誠虛假忠誠非忠誠非忠誠潛在忠誠潛在忠誠行為忠誠程度行為忠誠程度態(tài)度忠誠程度態(tài)度忠誠程度18.8%12.4%32.5%36.3%看到這組調(diào)查數(shù)據(jù)對挑戰(zhàn)的思考看到這組調(diào)查數(shù)據(jù)對挑戰(zhàn)的思考2416145354261222260%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%20022008步行自行車公共交通小汽車(搭乘)小汽車(自駕)柏林18-24歲居民出行方式結(jié)構(gòu)利用IC卡數(shù)據(jù)對不同類型乘客乘坐頻次的分析城市多樣化功能和混合用地開發(fā)；短距

9、離出行，無汽車依賴；便于使用的公共交通、自行車、步行；觀念的改變，小汽車不再是身份的象征。柏林交通模式變化的原因：柏林交通模式變化的原因：案例案例2：交通需求管理抑制與服務提升：交通需求管理抑制與服務提升0102030405060701 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930車輛數(shù)量萬輛日期第一類第二類第三類第四類第五類對工作日而言，48%的第四、五類車輛產(chǎn)生了71%的記錄量，而第一、二、三類車輛以51%的車輛僅產(chǎn)生了29%的數(shù)據(jù)記錄量；對雙休日而言，42%的四、五類車輛產(chǎn)生了62%的記錄量，節(jié)假日40%的四、五類車

10、輛產(chǎn)生了60%的記錄量。不難發(fā)現(xiàn)，第五類車輛每天以3%-4%的車輛產(chǎn)生了17%-18%的記錄量。每天不同類別車輛數(shù)量0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%1357911131517192123252729日期第五類第四類第三類第二類第一類19%22%24%6%9%10%27%28%26%45%38%36%3%4%4%0%20%40%60%80%100%工作日雙休日節(jié)假日不同類別車輛構(gòu)成第一類第二類第三類第四類第五類每天不同類別車輛構(gòu)成比例擁堵的延安路高架的車輛構(gòu)成案例案例3：如何精細地提升公交服務水平：如何精細地提升公交服務水平有針對性地改善信號有針對性地改善信號配

11、時，調(diào)整線路銜接，配時，調(diào)整線路銜接，提高公交可靠性提高公交可靠性。行駛型態(tài)行駛型態(tài)機車機車市區(qū)公車市區(qū)公車小汽車小汽車時間占比怠速停等37.16%43.85%40.13%巡航10.13%10.43%10.35%加速24.81%22.03%24.60%減速27.91%25.63%24.92%0%4%8%12%16%20%24%02004006008001000概率密度日平均營運收入02468048121620平均營運收入（百元）時間收入低收入高整體水平0%20%40%60%80%100%6810 12 14 16 18 20 23 27日平均營運趟次收入低收入高00.511.522.50481

12、21620平均營運趟次時間收入低收入高整體水平0%20%40%60%80%11.21.41.6概率密度計程/最短路徑長度收入低收入高整體水平11.21.41.61.82048121620計程/最短路徑長度時間收入低收入高整體水平收入按照日平均營運收入劃分兩類人群計程/最短路徑長度營運趟次營運趟次和營運收入之間存在很強的關聯(lián)性案例案例4：某市電召出租車營運收入出現(xiàn)分化征兆：某市電召出租車營運收入出現(xiàn)分化征兆的的原因分析原因分析技術框架技術框架基于證據(jù)的決策基于證據(jù)的決策大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市交通決策支持技術包括三個支柱：數(shù)據(jù)驅(qū)動分析、大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市交通決策支持技術包括三個支柱：數(shù)據(jù)驅(qū)動分析、仿真實驗

13、和模型分析；將其分析結(jié)果整合在一起的是基于證據(jù)的決仿真實驗和模型分析；將其分析結(jié)果整合在一起的是基于證據(jù)的決策框架。策框架。從數(shù)據(jù)加工流程看城市交通領域內(nèi)的大數(shù)據(jù)技術應用從數(shù)據(jù)加工流程看城市交通領域內(nèi)的大數(shù)據(jù)技術應用交通與土地開發(fā)協(xié)同公交優(yōu)先戰(zhàn)略實施綜合交通系統(tǒng)整合需求管理與擁堵對策響應行為分析選擇行為分析網(wǎng)絡狀態(tài)響應關聯(lián)行為分析問題導向的技術集成規(guī)律分析與驗證從本質(zhì)上來說，大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市交通分析技術所完成的是一種將數(shù)據(jù)組織成為信息，從信息提煉特征，從特征變化中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，就對策進行追蹤評估的信息處理過程。從信息處理角度來看，可以劃分為數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制層、特征提取層、規(guī)律辨識與分析層和問題導

14、向功能綜合層四個層次，以及通過功能銜接和信息傳遞實現(xiàn)的有機整合。基于證據(jù)的決策大數(shù)據(jù)環(huán)境下基于證據(jù)的決策分析技術框架，其主要目標是提升有機融合城市交通戰(zhàn)略、政策、規(guī)劃、建設、管理和控制等技術環(huán)節(jié)的戰(zhàn)略調(diào)控過程的決策效果。融入管理流程的技術分析基于證據(jù)的決策城市交通大數(shù)據(jù)的特殊性由于并非專門“定制數(shù)據(jù)”，往往所提供的只是間接證據(jù)，如何使用間接證據(jù)對重大問題形成決策判斷，成為基本應用邏輯問題。 數(shù)據(jù)層融合數(shù)據(jù)層融合特征層融合特征層融合決策層融合決策層融合證據(jù)可信度評估證據(jù)可信度評估*證據(jù)間關聯(lián)辨識證據(jù)間關聯(lián)辨識*多角度證據(jù)匯集多角度證據(jù)匯集*構(gòu)建證據(jù)鏈構(gòu)建證據(jù)鏈*間接證據(jù)應用理論與信息融合技術的關

15、聯(lián)具有蓋然性的證據(jù)區(qū)間基于專家群體的多個證據(jù)合成將數(shù)據(jù)組織成為信息，從信息中提取特征，依據(jù)特征形成判斷證據(jù)。首要的任務是構(gòu)建一個證據(jù)視圖 盡可能多地利用多源數(shù)據(jù)，采用易于理解的表達形式，將事實展現(xiàn)在分析者的面前。1211,selectselectselectselectselectiijiqXxxxxxx證據(jù)視圖的進化問題識別度量設計有效性評估信息源交互研討啟發(fā)協(xié)調(diào)進化機制數(shù)據(jù)庫問題識別包括：理解決策問題的背景、更新相關技術理念、及時反映面對的挑戰(zhàn)、總結(jié)經(jīng)驗教訓、識別決策瓶頸等；度量設計問題是考慮到數(shù)據(jù)雖然是度量的基礎，但是數(shù)據(jù)不等于度量，有缺陷的度量指標有可能導致偏頗、歪曲、有缺陷的結(jié)論，因

16、而構(gòu)建證據(jù)視圖中不能遺漏這一重要技術環(huán)節(jié)；有效性評估則是圍繞證據(jù)視圖對于形成洞察能力的貢獻而展開，需要注意的是盡管預測仍然是洞察活動的重要依據(jù)，但由于識別問題結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)問題征兆等對于建立預見性具有重要意義，準確預測已經(jīng)不再是有效性評估的唯一標準。比較與探索比較與探索支撐城市的遠見支撐城市的遠見明確的答案能夠確定地告訴管理者下一步應該做什么，但是探索性明確的答案能夠確定地告訴管理者下一步應該做什么，但是探索性實驗卻可能發(fā)現(xiàn)新問題讓管理者繼續(xù)思考，從而獲得通向更好答案實驗卻可能發(fā)現(xiàn)新問題讓管理者繼續(xù)思考，從而獲得通向更好答案的途徑。的途徑。城市交通面臨的挑戰(zhàn)比單純的供需矛盾復雜得多城市交通面臨的挑

17、戰(zhàn)比單純的供需矛盾復雜得多問題的本質(zhì)是人居環(huán)境與機動化需求的矛盾問題的本質(zhì)是人居環(huán)境與機動化需求的矛盾不時出現(xiàn)的癱瘓性擁堵影響了社會與經(jīng)濟的正常運行。一方面是車滿為患，一方面是車滿為患，另一方面是針對需求管理激烈的爭論另一方面是針對需求管理激烈的爭論土地資源成為強土地資源成為強約束約束單純的軌道交通建設并不一定能夠改變城市交通模式單純的軌道交通建設并不一定能夠改變城市交通模式日本三大都市圈交通模式的演變?nèi)毡救蠖际腥煌Ｊ降难葑儾叫羞M入軌道步行進入軌道通過軌道交通接駁方式理解東京軌道為什么有很高的分擔比東京圈軌道與接駁時間的關系數(shù)據(jù)還在不斷告訴我們新的數(shù)據(jù)還在不斷告訴我們新的挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)根據(jù)上海

18、市2011年商業(yè)區(qū)段價格分布圖，在以人民廣場17Km半徑范圍內(nèi)，環(huán)境的非均質(zhì)分布產(chǎn)生的價值級差覆蓋3-4個量級（M級8000至S級3500），寶山新城明顯受此影響（由集卡GPS數(shù)據(jù)繪制的上海市集卡運輸路徑及流量分布圖可見，其處于集卡路線覆蓋區(qū)范圍）。集裝箱卡車活動分布集裝箱卡車活動分布商業(yè)區(qū)段價格分布快速增長的電動助動車是中低收快速增長的電動助動車是中低收入階層的主要私人交通工具入階層的主要私人交通工具使用者的收入分布缺乏預見性的行缺乏預見性的行業(yè)管理，難以適業(yè)管理，難以適應市場參與形式應市場參與形式的變化的變化2040年我國城市居民的生活模式是什么？年我國城市居民的生活模式是什么？62562

19、56326346356384684594384204244153473563693863813870100200300400500600700198619911996200120062011周周平平均均日日花花費費時時間間（單單位位：分分鐘鐘）年份年份第一類活動第二類活動第三類活動日本三類活動時間的變化日本三類活動時間的變化部分國家就業(yè)者周平均日自由選擇性活動時間比較部分國家就業(yè)者周平均日自由選擇性活動時間比較我們真的應該努力擴大通勤圈嗎？我們真的應該努力擴大通勤圈嗎？2040年城市交通是要支持居民生活還是謀生？年城市交通是要支持居民生活還是謀生？東京都市圈通勤圈未來變化東京都市圈通勤圈未來變

20、化建立比較交通規(guī)劃學的重要性比較社會學、比較城市規(guī)劃學等在逐漸形成；比較的目的在于：發(fā)現(xiàn)問題、判斷可能出現(xiàn)的趨勢、借鑒經(jīng)驗；涂爾干從實證主義觀點出發(fā)認為，社會學的解釋主要是建立社會現(xiàn)象的因果關系，但我們不能從社會現(xiàn)象中直接觀察到它們的因果關系，而只能通過比較的方法才能加以研究，并主張比較方法必須堅持因果關系的原則。英國哲學家穆勒從邏輯推理的角度提出了五種因果關系的分析方法：求同法、求異法、求同求異法、剩余法和共變法。涂爾干認為共變方法最能適用于社會學研究的方法，因為這種方法不必把所有不同的因素都一一排除之后再進行比較，而只需把兩類性質(zhì)雖然不同，但在某一時期有共變性的現(xiàn)象找出來，就可以作為這兩類

21、現(xiàn)象之間存在一種關系的證據(jù)。居民活動空間與城市環(huán)境居民活動空間與城市環(huán)境演化演化機理分析機理分析如何表達個體的活動空間G.Golledge在1978年提出的“錨點理論”（anchorpointtheory），認為人在陌生環(huán)境（例如新的城市）中首先會全力尋找主要節(jié)點（如工作地、居住地），而后圍繞者些主要節(jié)點，次要節(jié)點和其間的通路逐步被認識，最終形成具有等級的空間認知結(jié)構(gòu)。既架設與傳統(tǒng)理論連接的橋梁，又不被傳統(tǒng)技術概念束縛既架設與傳統(tǒng)理論連接的橋梁，又不被傳統(tǒng)技術概念束縛移動通信所測非家活動點與交通調(diào)查出行率的轉(zhuǎn)換移動通信所測非家活動點與交通調(diào)查出行率的轉(zhuǎn)換采用頻繁項集的區(qū)域聯(lián)系緊密度分析采用頻繁

22、項集的區(qū)域聯(lián)系緊密度分析基于核密度的活動點分布對比基于核密度的活動點分布對比不同區(qū)位居民軌道使用對比不同區(qū)位居民軌道使用對比移動通信用戶的多維屬性移動通信用戶的多維屬性為了與傳統(tǒng)經(jīng)驗銜接，需要在新技術屬性與傳統(tǒng)技為了與傳統(tǒng)經(jīng)驗銜接，需要在新技術屬性與傳統(tǒng)技術概念之間架設橋梁，同時要充分發(fā)揮連續(xù)追蹤數(shù)術概念之間架設橋梁，同時要充分發(fā)揮連續(xù)追蹤數(shù)據(jù)優(yōu)勢，探尋新的特征表達與分析技術。據(jù)優(yōu)勢，探尋新的特征表達與分析技術。什么是城市空間聯(lián)系結(jié)構(gòu)？對外部環(huán)境與區(qū)位的表達通過軌道交通通過軌道交通30分鐘可達商業(yè)中心數(shù)量分鐘可達商業(yè)中心數(shù)量社區(qū)周邊的餐飲環(huán)境社區(qū)周邊的餐飲環(huán)境通過軌道交通虹橋樞紐可達性通過軌道

23、交通虹橋樞紐可達性到鐵路樞紐公交最少換乘次數(shù)到鐵路樞紐公交最少換乘次數(shù)到鐵路樞紐公交到鐵路樞紐公交最小出行時間最小出行時間疑問：為什么即使在軌道沿線的外圍居民，疑問：為什么即使在軌道沿線的外圍居民，出行強度普遍偏低？出行強度普遍偏低？交通系統(tǒng)存在交通系統(tǒng)存在的問題：居民的問題：居民出行時間過于出行時間過于偏大。偏大。在對象細分基礎上的深入討論在對象細分基礎上的深入討論工作日工作日雙休雙休日日思考1：出行距離分布不符合冪指數(shù)規(guī)律說明什么？思考2：工作日與雙休日的出行強度是否有關？特征與聚類特征與聚類研究對象的細分研究對象的細分對車輛使用進行分類2720398,53%751117,14%88429

24、0,17%766612,15%50515,1%第一類第二類第三類第四類第五類對于車輛通勤使用特征的分析0%10%20%30%40%50%60%70%80%012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23檢測車輛百分比時間/小時第三類車第二類車第一類車對出租車司機活動的分析0204060801001201401601800102030405060 x(zones)frequency 不同營運小區(qū)數(shù)的出租車數(shù)量不同營運小區(qū)數(shù)的出租車數(shù)量1400.001200.001000.00800.00600.00400.00200.000.00income200150100500FrequencyMean = 718.8705Std. Dev. = 139.11515N = 1,854出租車營運收入分布出租車營運收入分布0.80.911.11.21.3x 10511.522.533.5x 1040246810 x 104 x(m)y(m) t(s)1st2nd3th營運收入最高的司機的時空活動特點營運收入最高的司機的時空活動特點對于地塊性質(zhì)的分析從從IC卡用戶中識別通勤用戶卡用戶中識別通勤用戶判別檢測時段判別檢測時段同一站點出現(xiàn)天數(shù)同一站點出現(xiàn)天數(shù)卡號數(shù)卡號數(shù)比例比例=2天