基于GPS数据的出租车路径选择研究及应用

摘 要：探讨了基于GPS数据的出租车路径选择算法，提出了如何将蚁群算法与出租车交通运行特性相结合的思想。分析了将GPS数据的出租车交通运行特性应用于路径选择算法的可行性及问题。

关键词：路径选择；出租车；蚁群算法

近年来，城市化进程的快速发展，导致大量的农村人口向城市集中，大大提高了城市人口的密度。并且，随着家庭经济基础的日益改善，私家车正在快速的成为越来越多家庭的必备出行工具。人口和车辆绝对数目的增加相对于没有多大改善的城市交通环境，必然造成日益严重的交通拥堵。出租车作为城市公共交通的重要补充力量，其方便快捷的特性受到越来越大的挑战。如何在拥挤的交通环境中规划出一条快捷高效的行进线路，提高效率，减少空驶率，快速的将客户送的指定的地点，是每个出租车驾驶员都非常关心的问题。

一、出租车常用的路线选择方式

出租车在运营的过程中，分空载和载客两种状态，在空载状态下，为了能够找到客源，出租车司机往往要去车站、商场、酒店、高密度住宅区等人员密集，客源比较丰富的地方。但是，正是由于这些场所较大的人员密度，对有限的道路资源容易造成更大的交通压力，特别是上下班高峰时段，这些地方更容易产生堵车现象。所以空载状态下，出租车司机一般会在人员密集的区域，根据当前地段的交通拥堵状况随机选择交通比较顺畅的路线。而在载客状态下，选择交通顺畅的路线，尽快将客户送到目的地，出租车司机往往会选择避开人流密集区域，有时会在征求客户同意的时候选择绕行。所以在载客状态下，出租车司机一般会选择两点之间 的最短路径，不过会尽量避开交通拥堵地段。出租车司机每天都在城市的各条道路上穿行，因此会对城市的交通状况有比较全面的认识，什么时段哪些路段比较拥堵，哪里客户较多等等。不过这些都是感性上的认识，没有具体的数据支持，所以有时候在路径的选择上还是不竟如人意。而通过GPS数据收集处理出租车交通运营特性数据，再进过寻路算法的计算给出相对合理的运营路线，是一种解决出租车运营路线选择的有效方法。

二、蚁群算法在出租车路径选择上的相似性

出租车驾驶员在城市道路中寻找客户行为类似于蚂蚁个体的寻找食物行为。不过，出租车驾驶员在寻找顾客或者选择到达目的地的路径时的选择行为时会受到交通拥堵、路径长短、客流量丰富程度等众多因素的影响。经验丰富的出租车驾驶员根据经验可以找到较好的路径，或者与信息台交流也可以找到合适的路径。这与蚂蚁寻找食物的时候群体之间的信息交流是非常相似的。

三、基于GPS数据的出租车交通运营特性

FCD 是指在固定的时间间隔或者固定的距离通过分布式传感器如GPS 、移动电话、Wi-Fi 或者蓝牙等采集的车辆的定位数据。在出租车上安装GPS，当出租车驾驶员在道路上运营时，每隔固定的时间间隔采集出租车的位置信息、速度信息、载客信息、行驶方向等数据信息。并根据这些采集到的原始数据，加工处理后得到不同时段道路的拥堵程度、空载率、出租车速度、停靠点等能够为出租车司机寻路提供参考的关键信息，也就是通过蚁群算法寻路所需要的信息元素。

四、基于GPS数据的道路信息构建

（一）道路信息参数指标

出租车作为城市公共交通的重要组成部分，几乎是全天候运营，一般一辆出租车都有至少2名司机，采用轮班的方式。并且，出租车的道路覆盖广，几乎是城市里凡是出租车能够进去的地方，都有出租车的足迹。因此，通过安装在出租车上的GPS设备对出租车的运行数据进行采用和分析，可以比较准确地反映城市中各条路段的通行状况信息。本文通过GPS采用点数据分析，计算出在某个时段t道路i的出租车平均速度Vi（t）和平均载客率Ci（t），平均载客率Ci（t）的取值在0到1之间。

公式中：i表示路段编号；t表示一天中的某个时段，如7点―9点等；j表示某一辆出租车；m表示在时段t通过路段i的出租车总数量；k表示路段i上的某个采样点编号。ni（t）表示路段i在t时间段采样的数据的总数，vk（i，j）表示在路段i上车辆j在第K个采样点的速度；ck（i，j）表示在路段i上车辆j在第K个采样点时车辆是否空载，空载取值为0，非空载取值为1。n（i，j）表示车辆j在路段i上采样点个数。

根据上面两个公式得出的某条路段i在时间段t出租车的平均行进速度Vi（t），我们可以得到该路段i在时间段t的道路拥挤程度Di（t）。这里使用出租车在该路段的运行速度反映路段的拥堵状况。

公式中：vimax表示路段i在毫不拥堵的状态下车辆允许的最高限速；Vi（t）表示路段i在t时间段的平均速度；Di（t）表示路段i在t时间段的拥堵程度，Di（t）的取值在0到1之间，当Di（t）的取值为0时，表示道路i严重拥堵，当Di（t）的取值为1时，表示道路i交通状况非常好。

（二）道路拥堵度和载客率的建立

通过GPS采样数据得到的城市街道中的每条道路信息参数反映了每条道路的拥堵程度以及出租车在每条道路上运行时的载客率。道路拥堵率高，说明当前时段道路交通压力大，车辆通行缓慢或者堵车；载客率高说明客源丰富，容易拉到乘客。并且根据载客率的高低，可以合理设置出租车的停靠点，方便出租车乘客出行。拥堵程度Di（t）和载客率Ci（t）可以为出租车驾驶员选择运行线路提供参考依据。拥堵程度Di（t）和载客率Ci（t）可以作为城市交通道路有向图的边的权重。出租车司机在考虑运行路线时要充分考虑这两个权重，出租车司机是否选择边Ei可以用P（Ei，t）表示。

公式中：a，b表示拥堵程度和载客率对于出租车司机是否选择该路段的选择系数，a为拥堵程度的选择系数，b为载客率的选择系数。

五、出租车路径选择模型

出租车司机在选择运行线路是要考虑的因素有很多，诸如道路运行状况、是否能够拉到客户；还要考虑到为了避免拥堵，客户是不是介意绕路等等。本文不考虑客户的因素，只是简单从到达目的地的距离L（t）和出租车司机选择该条路段的意愿P（t）两个方面建立路径选择模型

公式中：L（t）表示在t时间段从当前位置行驶到目标位置的距离；P（t）表示综合考虑t时间段内所经过的路段拥堵程度和载客率等因素后的出租车司机选择路段Ei的意愿；S（Ei，t）表示出租车司机选择的出行路线。该路线要求到达目标位置路线尽可能短，并且路段尽量不拥堵、载客率尽可能高。

六、结论

本文以许昌市道路导航电子地图为试验数据，对出租车驾驶员路径选择进行基于GPS数据的规划试验，并将试验数据与某出租车驾驶员实际运行路线进行对比。进过试验对比发现，本文的寻路算法和出租车驾驶员实际行走路线都避开了拥堵程度很高的路段，具有很高的相似性。不过，出租车在空载的情况下，算法会规划到人流和车辆密集的区域的行进路线，造成车辆拥堵，这个问题需要进一步的完善。

参考文献：

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