1、30 专题 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 齐 观 德 1潘 纲 1李 石 坚 1张 大 庆 2 1 浙 江大学 2 法国国立 电信学院 当出租车轨迹挖掘遇见智能交通 关键词 ： 智能交通 出租车轨迹 起 了 学 术 界 的 广 泛 关 注， 并 催 生 了 许 多 关 于 智 能 交 通 服 务 的 研 究 2 。 研 究 表 明， 使 用 出 租 车 轨 迹 数 据 挖 掘 可 以 帮 助 政 府 了 解 城 市 道 路 状 况， 交 通 资 源 与 交 通 需 求 的 分 布， 甚 至 道 路 与 交 通 路 线 规 划 信 息 ； 可 以 帮 助 乘 客 了 解 出 行
2、的 时 间 与 费 用 以 及 交 通 服 务 质 量 ； 可以帮助司机推荐导航路线， 改善出租车的运营策略。 轨迹数据的若干视角 简 单 地 说 ， 出 租 车 轨 迹 数 据 是 许 多 行 采 样 记 录 ， 每 一 行 包 括 当 前 时 刻 、 车 辆 ID 、 经 纬 度 、 速 度 、 载 客 状 态 （1/0 表 示 有 / 无 乘 客 ） 和 朝 向 信 息 （ 与 正 北 方 顺 时 针 偏 转 的 角 度 ） 。 例 如 表 1 显 示 的 是 杭 州 市 出 租 车 轨 迹 数 据 的 若 干 记 录 。 由 于 采 样 设 备 的 差 异 性 ， 轨 迹 数 据 的
3、采 样 频 率 不 尽 相 同 。 以 杭 州 市 为 例 3 ， 每 辆 出 租 车 平 均 每 分 钟 产 生 一 条 记 录 ， 每 天 可 产 生 上 千 条 记 录 ， 杭 州 现 在 有 上 万 辆 出 租 车 ， 每 天 可 产 生 千 万 条 记 录 。 如 何 处 理 与 分 析 这 么 多 的 数 据 记 录？ 从 数 据 处 理 的 角 度 来 看， 可 以 把 轨 迹 数 据 表 示 为 GPS 采 样 点 的 集 合、 二 维 地 图 上 的 曲 线 和 关 键 地 点 构 成 的 字 符 串（ 如 图 1 所示） 。 G P S 采样点的集合 在 最 简 单 的 情
4、 况 下， 考 虑 一 个 个 离 散 城 市 交 通 系 统 如 同 人 体 的 血 液 循 环 系 统， 负 责 输 送 与 配 置 城 市 的 人 力、 物 力 资 源， 对 城 市 的 经 济 发 展 与 市 民 生 活 有 着 重 要 影 响。 在 中 国 城 市 化 进 程 中， 城 市 人 口 急 剧 增 加， 城 市 规 模 日 益 扩 大， 对 交 通 资 源 数 量 和 交 通 服 务 质 量 提 出 了 极 大 挑 战。 传 统 的 交 通设施和交通服务 已不能满足当 前 人 们 的 交 通 需 求， 因 而 出 现 了 交通堵塞、 打车难等一系列问题。 信 息 技 术
5、的 发 展 将 会 改 善 城 市 交 通 系 统 ， 使 我 们 能 够 快 速 共 享 信 息 ， 合 理 调 度 交 通 资 源 ， 帮 助 我 们 建 立 智 能 交 通 系 统 ， 提 升 交 通 服 务 质 量 。 泛 在 的 传 感 设 备 采 集 城 市 交 通 数 据 ， 通 过 这 些 数 据 ， 我 们 可 以 了 解 到 城 市 道 路 结 构 与 道 路 通 行 状 况 、 交 通 需 求 和 供 给 的 情 况 以 及 通 行 时 间 与 路 线 导 航 信 息 。 这 些 信 息 的 集 成 将 会 推 动 城 市 交 通 系 统 的 智 能 化 改 革 1 。
6、目 前， 许 多 城 市 的 出 租 车 上 已 经 安 装 了 GPS 设 备， 产 生 着 大 量 的 轨 迹 数 据。 这 些 数 据 蕴 含 着 城 市 交 通 系 统 的 丰 富 信 息， 引 表1 出 租 车 轨 迹 数 据 样 例 时刻 车辆ID 经度 纬度 速度 朝向 载客状态 2009-04-01-00:00:04 1876 120.157295 30.241793 0 170 1 2009-04-01-00:00:04 14273 120.16118 30.272419 29.63 90 1 2009-04-01-00:00:04 2471 120.16782 30.284
7、243 51.86 260 0 2009-04-01-00:00:04 14883 120.067444 30.090492 3.7 80 0 2009-04-01-00:00:07 18336 120.15485 30.290527 0.74 0 1 2009-04-01-00:00:07 10323 120.14411 30.327316 44.45 260 0 2009-04-01-00:00:14 16803 120.177246 30.292812 0 10 1 2009-04-01-00:00:21 16703 120.42536 30.232523 0 0 031 第 9 卷 第
8、 8 期 2013 年 8 月 当出租车轨迹挖掘遇见智能交通 的 GPS 位 置 以 及 出 租 车 在 这 些 位 置 的 行 为。 仅 仅 使 用 一 些 离 散 的 GPS 点， 可 以 大 致 反 映 城 市 道 路 的 轮 廓 4 。 而 相 应 的 速 度 信 息， 则 反 映 了 这 些 路 段 的 交 通 情 况 5 。 此 外， 也 要 考 虑 一 些 特 殊 的 GPS 采 样 点， 尤 其 是 载 客 点 / 下 客 点 3 ， 即 前 一 刻 载 客 状 态 为 1， 当 前 载 客 状 态 为 0 的 采 样 点。 载 客 / 下 客 地 点 反 映 了 城 市 交
9、通 需求与人们的目的地。 二维地图上的一些曲线 将每辆出租车的 GPS 采样按照时 间 先 后 顺 序 连 接 成 一 条 曲 线， 就 可 以 获 得 出 租 车 的 采 样 路 径。 采 样 路 径 和 道 路 地 图 往 往 不 重 合， 轨 迹 匹 配 算 法 6 可 以 通 过 稀 疏 GPS 采 样 推 断 出 租 车 真 正 行 驶 的 道 路 路 径。 生 成 的 出 租 车 行 驶 路 径 可 用 于 轨 迹 聚 类， 识 别 出 租 车 的 行 为 模 式 7 ， 计 算 道 路 交 通 情 况 5 ，以及规划城市交通。 关键地点构成的字符串 出 租 车 的 整 条 轨 迹
10、 包 含 丰 富 的 信 息， 但 是 在 计 算 和 表 示 上 比 较 复 杂。 根 据 二 八 定 律， 大 部 分 路 段 只 有 很 少 的 车 辆 经 过， 关 注 车 辆 频 繁 经 过 的 少 量 路 段 或 位 置 有 助 于 简 化 计 算。 因 此， 轨 迹 可 以 表 示 成 一 些 关 键 地 点 组 成 的 字 符 串 或 者 时 间 序 列， 使 用 字 符 串 匹 配 可 以 比 较 不 同 轨 迹 8 ； 使 用 概 率 图 可 以 计 算 轨 迹 相 关 的 概 率 ， 如 搭 载 乘 客 的 概 率 9 。 这 些 关 键地点可以是车辆经常经过的路 段 1
11、0 ， 也可以是一些热点区域 9 。 当关键地点是热点区域时，还可 以加入区域的语义信息，如区域 社会功能。 从 轨 迹 分 析 的 角 度， 对 于 同 一辆出租车的轨迹 （如图 2 所示） ， 我们关注的内容可能也会不同。 泛化的传感器 忽 略 出 租 车 本 身 的 信 息 ， 而 将 出 租 车 泛 化 为 一 个 在 道 路 上 移 动 的 传 感 器 。 此 时 ， 使 用 出 租 车 轨 迹 数 据 ， 可 以 感 知 城 市 交 通 状 况 5 ， 重 建 道 路 网 结 构 4 以 及 实 时 更 新 图1 轨 迹 的 三 种 数 据 表 现 形 式 ： 左 上 为GPS 点
12、 集 合 ， 右 上 为 二 维 地 图 上 的 曲 线 ， 下 方 为 关 键 位 置 组 成 的 字 符 串 t 0 :1691112131410 t 1 :12345810 t 2 :1234810 t 3 :12347810 t 4 :1234710 t 5 :12345810 t 6 :1237810 t 7 :123710 t 8 :1234587458745810 图2 杭 州 市 一 辆 出 租 车2009 年4 月1 日 的 轨 迹 空车轨迹 载客轨迹 上客/下客地点32 专题 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 路 网 信 息 。 空载出租车轨迹 只 关 注 那
13、些 空 载 的 出 租 车 轨 迹 ， 观 察 出 租 车 司 机 在 空 载 时 会 采 取 哪 些 行 为 ， 以 及 这 些 行 为 是 否 能 有 效 地 帮 助 他 们 拉 到 乘 客 。 通 过 研 究 可 以 为 司 机 提 供 空 载 时 寻 找 乘 客 的 策 略 11 ， 也 可 以 为 他 们 推 荐 最 佳 的 驾 驶 路 线 9 ， 包 括 时 间 最 短 、 载 客 收 益 最 大 化 、 油 耗 最 少 的 路 线 。 载客出租车轨迹 更 多 的 研 究 是 关 注 载 客 出 租 车 的 轨 迹。 出 租 车 的 载 客 路 径 反 映 了 出 租 车 司 机
14、的 行 为 模 式， 其 中 一 些 行 为 可 能 是 异 常 的（ 如 绕 路 ） 8 ， 一 些 可 能 有 助 于 提 高 运 营 效 率 12 ， 甚 至 可 以 用 于 道 路 导 航 10 。 出 租 车 的 载 客 路 径 还 反 映 了 人 群 （ 出 租 车 乘 客 ） 可 能 的 流 动 方 向， 可 以 用 于 分 析 道 路 交 通 流 量 或 密 度 13 ，评估道路交通规划 14 。 载客轨迹的端点 载 客 轨 迹 的 起 始 点 与 终 止 点 对 应 乘 客 的 出 发 地 与 目 的 地 。 通 过 挖 掘 出 租 车 轨 迹 ， 可 以 计 算 并 预 测
15、 任 意 一 对 出 发 地 / 目 的 地 之 间 需 要 花 费 的 时 间 和 费 用 ， 计 算 出 发 地 / 目 的 地 对 之 间 的 乘 客 流 量 ， 并 规 划 城 市 交 通 路 线 15 。 我 们 可 以 关 注 乘 客 的 出 发 地 ， 分 析 每 个 地 方 的 乘 客 流 量 与 空 车 流 量 ， 推 荐 合 适 的 载 客 位 置 或 者 搭 车 位 置 9 ； 也 可 以 关 注 乘 客 的 目 的 地 ， 观 察 这 些 地 方 何 时 人 流 活 动 比 较 频 繁 ， 甚 至 识 别 这 些 地 方 的 社 会 功 能 3 。 政府：如何改善城 市
16、交通？ 路网地图更新 现状分析 已 经 有 多 种 使 用 出 租 车 轨 迹 构 建 城 市 道 路 路 网 方 面 的 研 究， 有 的 使 用 GPS 位 置 4 ， 有 的 使 用 GPS 轨 迹 16 。 这 些 研 究 能 识 别 与 构 建 简 单 的 道 路 形 状、 走 向 4 ， 复 杂 的 道 路 单 双 向 通 行、 多 个 路 道 16 ， 甚 至 是 三 维 的 空 间 结 构， 如 高 架 桥 17 。 路 网 构 建 工 作 可 以 实 时 更 新 城 市 道 路 图， 降 低 道 路 测 绘 工 作 的 人 力、物力成本。 问题讨论 目 前 路 网 构 建 算
17、 法 的 主 要 问 题 在 于 性 能 评 估。 由 于 缺 乏 实 际 的 道 路 地 图， 一 些 研 究 将 构 建 出 的 路 网 和 OpenStreetMap 1 进行对比，但是 OpenStreetMap 是由共享的 GPS 数 据 构 建 的， 不 区 分 人 行 道 与 机 动 车 道， 而 且 也 不 包 括 一 些 数 据 中 没 有 经 过 的 道 路。 此 外， 研 究 一 般 通 过 道 路 的 匹 配 程 度 作 为 性 能 的 评 价 标 准， 而 没 有 考 虑 道 路 拓 扑 结 构 是 否 得 到 保 持。 这 样 会 出 现 一 些 严 重 问 题，
18、例 如， 如 果 仅 仅 丢 失 了 道 路 的 连 接 部 分， 匹 配 程 度 仍 然 会 很 高， 但 生 成 的 地 图却不能用于导航。 道路规划评估 现状分析 根 据 出 租 车 轨 迹 与 城 市 道 路 网， 可 以 分 析 出 租 车 在 道 路 上 的 移 动 情 况， 进 而 评 估 城 市 道 路 规 划。 微 软 亚 洲 研 究 院 的 郑 宇 等 14 提 出 了 一 种 非 常 巧 妙 的 方 法， 他 们 借 助 道 路 通 行 速 度 和 道 路 弯 曲 程 度 来 度 量 道 路 规划的好坏。 道路通行速度越低， 道路越绕， 说明道路规划得越差。 问题讨论 使
19、 用 出 租 车 轨 迹 数 据 评 估 道 路 规 划 需 要 注 意 的 一 些 问 题 是 ： (1) 出 租 车 轨 迹 数 据 能 否 反 映 真 实 的 交 通 情 况？ 一 些 度 量， 如 通 行 速 度 只 依 赖 于 道 路 状 况， 而 不 依 赖 于 交 通 工 具 ； 而 另 一 些 依 赖 交 通 工 具 的 度 量， 例 如 交 通 流 量， 则 不 能 仅 仅 根 据 出 租 车 轨 迹 数 据 推 断。(2) 出 租 车 轨 迹 是 一 种 有 偏 轨 迹， 出 租 车 行 驶 距 离 不 一 定 是 道 路 之 间 的 最 短 距 离。 出 租 车 司 机
20、对 道 路 比 较 熟 悉， 会 理 性 地 选 择 合 适 的 道 路 行驶， 有时会根据路况选择绕路。 因 此， 综 合 考 虑 交 通 速 度 和 绕 路 是较为合理的评 估标准。 交通供求分析 现状分析 如 果 不 区 分 每 次 载 客 的 人 数 ， 则 可 以 简 单 地 将 载 客 轨 迹 的 数 量 等 价 于 乘 客 流 量 18 。 从而得出每个区域的乘 客 流 量， 即 交 通 需 求 量， 也 可 以 将 经 过 区 域 的 空 车 数 量 作 为 交 通 供 给 量 19 。 交 通 供 求 建 模 可 以 帮 助 政 府 了 解 城 市 交 通 需 求 与 资 源
21、 的 匹 配 情 况， 重 新 调 度 并 合 理 安 排公共交通资源。 问题讨论 目 前， 这 方 面 1OpenStreetMap （ 简 称OSM ） 是 一 个 网 上 地 图 协 作 计 划 ， 目 标 是 创 造 一 个 内 容 自 由 且 能 让 所 有 人 编 辑 的 世 界 地 图 。33 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 的 工 作 仅 限 于 空 车 与 乘 客 流 量 的 建 模 与 预 测， 一 般 认 为 一 定 时 间 内 到 达 的 空 车 或 乘 客 数 量 都 是 服 从 泊 松 分 布 的， 并 且 这 样 的 泊 松 分 布 会 随 着 时
22、间 和 地 点 的 变 化 而 变 化。 交 通 供 求 分 析 的 主 要 问 题 在 于 ： (1) 出 租 车 的 行 驶 路 线 不 是 固 定 的， 交 通 供 给 量 具 有 一 定 的 随 机 性 ； (2) 乘 客 可 以 灵 活 自 由 地 选 择 多 种 交 通 方 式， 很 多 乘 客 是 潜 在 的 出 租 车 乘 客， 但 是 我 们 很 难 从 出 租 车 轨 迹 数 据 中 发 现 这些潜在的乘车需求。 交通路线规划 现状分析 出 租 车 乘 客 流 很 多 时 候 只 是 城 市 公 共 交 通 人 流 的 一 个 子 集， 不 能 直 接 作 为 城 市 人
23、流 的 度 量。 在 特 殊 情 况 下， 例 如 凌 晨， 一 些 没 有 夜 班 公 交 的 区 域， 出 租 车 的 乘 客 流 量 基 本 能 反 映 当 时、 当 地 的 人 流。 基 于 这 样 的 想 法， 笔 者 提 出 了 一 个 夜 班 公 交 路 线 算 法， 生 成 一 条 在 尽 可 能 短 的 时 间 内 搭 载 尽 可 能 多 的 乘 客 的 公 交 路 线 16 。 实 验 结 果 表 明， 该 算 法 生 成 的 公 交 路 线 和 白 天 的 公 交 路 线 非 常 相 似 15 （ 如 图 3 所示） 。 问题讨论 公 共 交 通 路 线 规 划 是 一
24、个 复 杂 的 问 题， 离 实 际 应 用 还 有 距 离。 除 了 避 免 以 偏 概 全， 把 出 租 车 乘 客 流 量 作 为 公 共 交 通 客 流 量 以 外， 我 们 还 需 要 考 虑 ： (1) 乘 客 流 量 在 时 空 上 会 发 生 变 化， 一 个 合 理 的 公 交 路 线 如 何 保 证 负 载 均 衡， 既 不 会 在 一 些 区 域 过 载， 也 不 会 在 一 些 时 间 段 过 载 ； (2) 提 高 载 客 效 率， 在 提 高 载 客 量 和 缩 短 行 车 时 间 之 间 权 衡 ； (3) 现 实 公 交 线 路 不 止 一 条， 采 用 多 少
25、 条 公 交 线 路 效 率 最 高， 如 何 交 叉 线 路 ， 如 何 分 流 客 流 量 。 乘客：获得哪些智 能服务？ 交通时间分析 现状分析 狭 义 的 交 通 时 间 是 指 人 们 乘 坐 交 通 工 具 从 一 地 到 另 一 地 的 通 行 时 间 ， 广 义 的 交 通 时 间 还 包 括 人 们 等 候 交 通 工 具 的 到 来 所 需 要 的 时 间 （ 候 车 时 间 ） 19 。 通 行 时 间 的 计 算 可 以 使 用 平 均 的 两 地 通 行 时 间 20 ， 也 可 以 根 据 道 路 通 行 速 度 进 行 推 断。 候 车 时 间 的 计 算 需 要
26、 对 车 辆 到 达 与 人 群 等 候 队 列 进 行 建 模， 并 利 用 排 队 论 来 求 解。 交 通 时 间 的 计 算 有 助 于 人 们 合 理 安 排 出 行 时间，规划行程。 问题讨论 使 用 出 租 车 数 据 计 算 交 通 时 间 具 有 一 定 的 局 限 性。 首 先， 出 租 车 在 两 地 的 通 行 时 间 不 等 于 其 它 交 通 工 具 的 通 行 时 间。 公 交 车 会 在 站 点 停 靠 ， 地 铁 显 然 更 快， 而 私 家 车 的 通 行 时 间 也 不 同 于 出 租 车， 因 为 出 租 车 在 很 多 时 候 会 规 避 拥 堵 道
27、路， 选 择 与 私 家 车 不 同 的 交 通 路 线。 其 次， 出 租 车 的 等 候 时 间 因 为 等 候 队 列 的 灵 活 多 变 而 难 以 计 算， 例 如 人 们 在 等 候 出 租 车 时 并 不 会 形 成 有 序 的 等 候 队 列， 而 且 等 候 出 租 车 的 人 群 会 因 等 候 时 间 过 长 而 离 开。 最 后， 要 考 虑 天 气、 节 假 日等因素对道路交通的影响。 交通费用预测 现状分析 在 日 常 生 活 中， 如 果 我 们 频 繁 来 往 于 两 地 之 间， 会 很 清 楚 两 地 之 间 的 交 通 费 用。 如 果 能 够 获 得 出
28、 租 车 每 条 轨 迹 盈 利 的 数 据， 那 么 预 测 交 通 费 用 也 不 是 一 件 困 难 的 事 情 20 。 然 而， 出 租 车 轨 迹 数 据 通 常 没 有 盈 利 信 息， 我 们 需 要 通 过 分 析 出 租 车 在 图3 夜 班 公 交 路 线 规 划 现有白班路线1 现有白班路线2 规划的夜班路线34 专题 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 两 地 之 间 的 频 繁 路 线， 综 合 道 路 长 度、 道 路 通 行 时 间 与 红 绿 灯 情 况来预测交通费用。 问题讨论 出 租 车 计 价 通 常 是 与 行 驶 距 离、 等 待 时 间
29、相 关 的 一 个 二 元 函 数， 行 驶 距 离 在 给 定 路 线 之 后 不 会 有 太 大 变 化， 但 等 待 时 间 会 因 为 道 路 交 通 状 况、 红 绿 灯 情 况 不 同 而 差 异 较 大。 准 确 检 测 每 个 路 口 红 绿 灯 是 否 存 在， 以 及 红 绿 灯 的 变 化 规 律 是 非 常 困 难 的。 一 个 粗 略 的 方 法 是 假 设 红 绿 灯 在 路 网 中 等 距 分 布， 则 推 断 等 待 红 绿 灯 的 时 间 与 行 驶 距 离成正比。 候车信息推荐 现状分析 我 们 经 常 会 发 现 有 些 区 域 特 别 难 打 到 出 租
30、 车， 而 向 周 围 行 进 一 段 距 离 就 可 以 了。 通 过 对 区 域 空 载 出 租 车 数 量 和 候 车 乘 客 数 量 建 模， 可 预 测 乘 客 的 等 候 时 间（ 如 图 4） 。 乘 客 在 获 悉 等 候 时 间 后， 可 以 自 行 选 择 是 否 等 待。 通 过 建 模 也 可 以 为 那 些 打 车 难 的 区 域 的 乘 客 推 荐 更 为 合适的乘车地点 19 。 问题讨论 预 测 候 车 时 间 面 临 的 困 难 有 ： (1) 对 于 乘 客 等 候 队 列 的 建 模， 出 租 车 轨 迹 数 据 中 并 不 直 接 包 含 乘 客 的 到
31、 达 时 间， 也 不 包 含 目 前 有 多 少 名 乘 客 在 等 候 空 载 出 租 车 的 信 息 ； (2) 许 多 地 方 只 有 少 量 的 乘 客 乘 车， 这 些 地 方 没 有 足 够 的 数 据 支 撑 建 模并预测候车时间。 候 车 地 点 的 推 荐 则 更 为 复 杂 ， 不 仅 要 准 确 计 算 每 个 地 点 的 等 候 时 间 以 及 乘 客 在 地 点 间 移 动 的 时 间 ， 还 要 确 定 有 多 少 乘 客 会 采 用 我 们 的 推 荐 。 推 荐 算 法 的 一 个 悖 论 在 于 ， 如 果 很 多 乘 客 按 照 推 荐 前 往 容 易 打
32、 车 的 地 点 ， 则 那 些 地 点 的 乘 客 等 候 队 列 会 增 加 ， 反 而 可 能 会 变 得 不 容 易 打 车 。 服务质量评估 现状分析 对 于 乘 客 而 言， 了 解 出 租 车 司 机 的 服 务 质 量 是 非 常 重 要 的。 一 方 面， 出 租 车 的 服 务 质 量 包 括 乘 车 时 间、 费 用、 行 车 安 全 等 诸 多 要 素， 这 些 要 素 的 重要程度取决于乘客 ； 另一方面， 服 务 质 量 评 估 最 终 与 出 租 车 司 机 的 驾 驶 行 为 相 关。 出 租 车 的 异 常 轨 迹 和 其 它 大 部 分 正 常 轨 迹 会
33、有 很 大 差 别， 通 过 比 对 可 获 取 租 车 司机的不恰当行为 8 。 问题讨论 服 务 质 量 评 估 的 重 要 问 题 在 于 定 义 和 识 别 出 租 车 司 机 的 语 义 行 为。 首 先， 轨 迹 数 据 的 平 均 采 样 间 隔 一 般 在 1 分 钟 以 上， 以 平 均 速 度 30km/h 计 算， 出 租 车 1 分 钟 行 驶 距 离 可 达 500 米， 所 以 很 难 发 现 司 机 抢 车 道、 强 行 超 车 这 样 细 粒 度 的 不 安 全 行 为， 而 只 能 定 义 一 些 全 局 的 行 为， 如 行 车 时 间、 费 用、 绕 路
34、等。 其 次， 出 租 车 的 一 些 行 为 以 某 些 标 准 衡 量 是 好 的， 而 以 另 一 些标准衡量则可能是差的。 例如， 为 了 缩 短 行 车 时 间， 出 租 车 司 机 可 能 会 选 择 绕 行， 费 用 也 有 可 能 增 加。 最 后， 即 使 将 出 租 车 轨 迹 定 义 为 正 常 或 异 常， 也 无 法 确 定 异 常 轨 迹 的 详 细 语 义， 有 经 验 或 无 经 验 的 出 租 车 司 机 表 现 得 可 能 图4 在 安 卓 平 台 上 开 发 的 打 的 助 手35 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 和一般司机不一样。 司机：如
35、何提高驾 驶效率？ 道路路况检测 现状分析 驾 车 人 除 了 关 心 自 己 的 车 辆 之 外， 还 关 心 道 路 路 况。 道 路 通 行、 交 通 堵 塞 21 与 交 通 速 度 等 情 况 都 可 以 通 过 出 租车数据挖掘发现 5 。 问题讨论 通 过 构 建 路 网， 根 据 路 网 的 实 时 变 化， 检 测 道 路 通 行 状 态， 包 括 限 行、 单 双 向 流 通 等。 更 简 单 的 方 法 是 在 路 网 的 基 础 上 判 断 是 否 有 车 流 经 过。 不 管 采 用 哪 种 方 法， 都 要 注 意 区 分 数 据 稀 疏 造 成 的 路 段 信 息
36、 缺 失 和 真正的路段限行。 道 路 交 通 情 况 分 析 是 交 通 领 域 的 经 典 问 题， 包 括 道 路 通 行 速 度 与 道 路 车 流 密 度 的 计 算。 利 用 出 租 车 轨 迹 数 据 来 分 析 道 路 交 通 状 况 的 问 题 有 ： (1) 出 租 车 在 道 路 上 的 密 度 以 及 它 们 对 路 线 的 选 择 不 等 于 总 的 交 通 情 况 ； (2) 出 租 车 轨 迹 数 据 采 样 稀 疏， 每 个 路 段 上 可 能 只 有 很 少 的 数 据 来 计 算 交 通 情 况 ； (3) 如 果 根 据 出 租 车 行 驶 路 程 与 时
37、 间 的 比 值 来 计 算 交 通 速 度， 则 需 要 排 除 等 待 红 绿 灯 所耗费的时间。 行车路线推荐 现状分析 城 市 交 通 路 网 交 错， 任 意 两 地 之 间 存 在 多 种 可 行 路 线。 交 通 情 况 多 变， 道 路 拥 塞 程 度 因 时 因 地 而 异。 城 市 交 通 导 航 最 重 要 的 不 是 选 择 最 短 路 径， 而 是 避 开 拥 塞 路 段， 选 择 最 快 的 路 径。 出 租 车 司 机 具 有 丰 富 的 驾 驶 经 验， 熟 悉 城 市 道 路 交 通 情 况， 因 而 往 往 能 够 选 择 最 有 效 率 的 路 线。 通
38、过 挖 掘 出 租 车 轨 迹 数 据， 可 以 学 习 出 租 车 司 机 的 智 慧，获得更好的行车路线 10 。 问题讨论 行 车 路 线 推 荐 面 临 的 主 要 问 题 在 于 它 不 可 避 免 地 遇 到 推 荐 的 悖 论， 即 如 果 多 数 人 都 按 照 推 荐 的 路 线 行 车， 则 推 荐 的 路 线 反 而 变 得 拥 堵。 真 正 理 想 的 城 市 交 通 应 该 是 负 载 均 衡 的， 推 荐 行 车 路 线 的 目 的 是 最 终 使 每 条 路 线 上 的 交 通 时 间 相 近。 此 问 题 从 计 算 的 角 度 必 然 是 非 确 定性多项式难
39、题 (NP-hard)。 可行 的 方 法 是 利 用 群 体 智 慧， 即 不 仅 考 虑 当 前 的 路 况， 还 考 虑 人 们 对 路 线 的 选 择， 让 每 个 驾 驶 者 都 知 道 每 条 路 线 选 择 人 数 的 多 少， 让 驾驶者自行博弈、选择路线。 载客策略推荐 现状分析 载 客 策 略 推 荐 是 帮 助 出 租 车 司 机 更 快、 更 好 地 找 到 乘 客 的 一 种 方 法。 载 客 策 略 包 括 载 客 地 点 的 选 择 18 、 载 客 路 线 的 推 荐 9 （ 如 图 5 所 示 ） 以 及 寻 找 乘 客 的 方 式 11 。 载 客 地 点
40、选 择 的 目 的 在 于 告 诉 出 租 车 司 机 当 前 去 什 么 位 置 更 容 易 载 客。 载 客 路 线 在 载 客 地 点 的 基 础 上 考 虑 沿 途 搭 载 乘 客 的 概 率， 推 荐 最 优 的 载 客 路 线， 使 得 载 到 乘 客 的 概 率 最 大 化。 除 了 按 照 一 定 的 路 线 主 动 寻 找 乘 客 外， 还 有 一 种 载 客 策 略是在合适的地方等待。 问题讨论 载 客 策 略 推 荐 并 不 是 一 个 简 单 的 问 题， 除 了 要 考 虑 推 荐 会 引 起 出 租 车 司 机 之 间 的 博 弈 外， 还 要 考 虑 ： (1)
41、沿 着 最 佳 推 荐 路 线 的 油 耗 与 原 地 等 待 耗 费 的 时 间 ； (2) 有 的 区 域 可 能 更 容 易 载 到 长 途 客 人， 从 而 给 司 机 带 来 更 大 收 益， 但 是 这 种 推 荐 是否对短途乘客不公平？ 收益评估 现状分析 收 益 评 估 是 指 图5 计 算 沿 途 搭 载 乘 客 的 概 率 推 荐 载 客 路 线 936 专题 第 9 卷 第 8 期 2013 年 8 月 潘 纲 C C F高级会员、本 刊编委。浙江大学 教授。主要研究方 向为普适计算、计 算机视觉等。 齐观德 C C F会员 。 浙江大学 博士生。 主要研究 方向为普适
42、计算、 移动数据挖掘等。 李石坚 C C F会员。浙江大 学副教授。主要研 究方向为普适计 算、移动互联网、 社会计算等。 通 过 建 立 出 租 车 驾 驶 行 为 模 式 与 收 益 的 关 系， 预 测 驾 驶 行 为 可 能 带 来 的 收 益， 并 推 荐 更 好 的 驾 驶 行 为。 美 国 麻 省 理 工 学 院 Senseable City 实验室的刘亮 （Liu Liang， 音 译 ） 等 12 发 现 出 租 车 司 机 的 收 入 和 他 们 的 驾 驶 策 略 有 很 大 关 系， 收 入 高 的 司 机 具 有 相 似 的 活 动 模 式， 他 们 在 交 通
43、高 峰 期 避 开 闹 市 拥 堵 地 段， 在 交 通 低 谷时进入闹市。 问题讨论 影 响 出 租 车 司 机收益的因素有很多， 主要包括： (1) 载 客 距 离 ： 根 据 出 租 车 的 计 价 方 式， 当 载 客 距 离 超 过 一 定 范 围 时， 出 租 车 司 机 将 获 得 更 高 的 收 益 / 距 离 比 ； (2) 载 客 时 间 ： 除 了 偏 好 远 距 离 的 乘 客， 出 租 车 司 机 减 少 空 载 时 找 乘 客 的 时 间 有 助 于 提 高 收 入 ； (3) 单 位 时 间 有 效 收 益 ： 城 市 交 通 情 况 越 好， 出 租 车 单 位
44、 时 间 行 驶 路 程 越 多， 收 益 效 率 越 高。 一 般 认 为， 城 市 白 天 的 人 群 流 动 大， 交 通 需 求 多， 出 租 车 司 机 基 本 处 于 载 客 运 营 状 态， 道 路 交 通 状 况 是 影 响 其 收 入 的 主 要 因 素 ； 到 了 晚 上， 尤 其 凌 晨， 道 路 交 通 状 况 非 常 好 ， 交 通 需 求 集 中 在 少 数 夜 市 区 域， 出 租 车 司 机 会 耗 费 更 多 时 间 等 待 或 寻 找乘客。 结语 出 租 车 轨 迹 数 据 是 一 种 广 泛 存在、 容易获取的公共交通数据， 它 包 含 了 城 市 人 群
45、 移 动 与 城 市 交 通 的 宏 观 信 息。 通 过 挖 掘 出 租 车 数 据， 研 究 者 提 出 了 许 多 改 善 现 有 交 通 系 统 的 算 法 与 相 应 的 服 务。 这 些 理 论 与 应 用 已 经 广 泛 用 于 城 市 交 通 系 统 中， 并 将 显 著 改 善 城 市 交 通 服 务 质 量。 但 是， 交 通 系 统 是 一 个 复 杂 系 统， 出 租 车 数 据 只 能 反 映 交 通 系 统 的 一 个 侧 面， 在 很 多 时 候 具 有 一 定 的 局 限 性。 我 们 希 望 随 着 传 感 技 术 的 发 展 与 算 法 理 论 的 进 步，
46、 可 以 获 得 全 面 的 交 通 数 据， 完 善 智 能 交 通 系统，改善城市生活。 参考文献 1 P a n, G. a n d Q i, G. e t a l., Trace analysis and mining for smart cities: issues, methods, a n d a p p l i c a t i o n s, I E E E Communications Magazine, 51(6):2013, 120126 2 P.S. Castro, D. Zhang, C. Chen, S. Li and G. Pan, From taxi GPS tr
47、aces to social and community dynamics: a survey, ACM Computing Surveys, 2013, accepted 3 Pan, G. and Qi, G. et al., Land- use classification using taxi GPS traces, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 14(1):2013, 113123 4 Davics, J. J. and Beresford, A. R. and Hopper, A., Scalabl
48、e, distributed, real-time map generation, IEEE Pervasive Computing, 5(4):2006, 4754 5 Liu, S. et al., Towards mobility- based clustering, Proceedings of the 16th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, 2010, 919928 6 Lou, Y. et al., Map-matching for low-sampling-r
49、ate GPS trajectories, Proceedings of the 17th ACM SIGSPATIAL I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e on Advances in Geographic Information Systems, 2009, 352361 7 Z h a n g, D. e t. a l., i B A T: d e t e c t i n g a n o m a l o u s t a x i trajectories from GPS traces, P r o c e e d i n g s o f t h e 13t h international conference on Ubiquitous computing, 2011,
