基于出租车GPS数据的城市交通运行特性分析

摘要

伴随我国城市的飞速进步，使得城市人口不断扩增。虽然城市交通的发展方便了居民出行，但它所带来的负面效应同样不容忽视，其中大中型城市的交通拥堵问题不断突出，城市交通事故发生频繁，交通污染对社会环境以及居民健康的危害愈发严重。所以，研究我国城市交通的发展规律与运行特性，采取相应的策略来改善交通运行中的相关问题已成为重中之重。复杂网络是抽象、分析、改善复杂系统的一种重要方法。国内外很多学者都运用复杂网络理论在生命科学、电子信息、社会关系等领域展开研究，取得了丰富的研究成果。近年来，该理论在交通运输领域的应用也逐渐兴起，研究人员通过构建一系列交通网络模型，分析交通运行规律，提出了很多切实有效的改善方案。本文在前人研究的基础上，运用复杂网络方法，对南昌城市交通网络展开深入的研究。 南昌城市交通网络具有显著的动态加权复杂网络特性，要分析它的运行机制，既需要分析它的静态拓扑特性，还要结合交通流量来进一步分析其运行特性。本文基于南昌市出租车GPS数据，经过一系列误差分析和处理，选择最短距离算法使GPS数据与GIS电子地图匹配，并识别保留出行起终点信息，同时将不同聚类分析方法进行对比，选取K-means方法结合人工指定中心对南昌市交通中区进行划分，并建立交通出行OD矩阵。通过构建基于GPS数据的城市交通加权有向复杂网络模型，选取出入度及其联合分布、点强度与边权重、加权距离、加权介数等特征性和聚集性指标完成一系列统计分析，将无权与加权网络、工作日与节假日统计结果相对比，发现城市交通的运行规律，并以此为依据进一步提出一系列相关改善建议以及优化方案。 本文运用复杂网络方法，设计并选取复杂性指标进行统计与分析，可以发现南昌市出租汽车出行网络具有显著的交通网络复杂性特征，小世界和集团化特征较为突出，且平均距离服从幂律分布，点强度分布为大少小多的特点。根据南昌城市交通的运行规律，研究中提出了相关改善建议，对深层次发现城市交通复杂网络运行与演化特性，改进交通管制措施与路网布局起到了一定的理论与实践指导意义。纵使我国现阶段城市交通网络建设成果非凡，但仍存在部分建设性等问题，运用复杂网络理论基于出租车GPS数据对城市交通网络进行分析，为改善交通运行状况提供了新的视角，也为今后城市交通的建设与发展开拓新的思路。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容、方法与技术路线

1．3．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

2 本文相关理论基础

2．1 GPS原理与地图匹配

2．1．1 GPS基本原理

2．1．2 地图匹配方法的基本描述

2．2 聚类分析理论

2．2．1 聚类分析理论基础

2．2．2 聚类分析应用原则

2．3 复杂网络理论

2．4 加权复杂网络统计指标

2．4．1 出入度及其联合分布

2．4．2 边权重与点强度

2．4．3 加权聚类系数

2．4．4 加权平均距离

2．4．5 加权介数

3 出租车GPS数据收集与处理

3．1 出租车GPS数据的采集

3．2 出租车GPS数据的预处理

3．2．1 出租车GPS数据的误差分析

3．2．1 出租车GPS数据的处理方法

3．3 出租车GPS数据的地图匹配

3．3．1 地图匹配方法

3．3．2 地图匹配结果

3．4 出租车GPS数据中起讫点识别

3．4．1 出行起终点识别方法

3．4．2 出行起点识别

3．4．3 出行终点识别

3．5 本章小结

4 基于出租车GPS数据的交通中区划分

4．1 聚类方法的对比与选取

4．2 交通中区划分

4．2．1 交通中区划分原则

4．2．2 交通中区划分方法

4．3 聚类分析在交通中区划分中的应用

4．3．1 交通中区分区数量

4．3．2 结合人工指定中心聚类

4．4 OD矩阵的生成

4．5 本章小结

5 城市交通加权网络复杂性分析

5．1 城市交通加权复杂网络的构建与设计

5．1．1 加权复杂网络的构建

5．1．2 加权复杂网络指标设计与选取

5．2 加权网络复杂性相关指标计算与分析

5．2．1 出入度及其联合分布

5．2．2 点强度与边权重

5．2．3 加权聚类系数

5．2．4 加权平均距离

5．2．5 加权介数

5．3 本章小结

6 南昌城市交通网络运行特性与优化建议

6．1 南昌城市交通网络运行特性

6．2 南昌城市交通网络优化建议

6．3 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文