《Python數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)與案例實(shí)戰(zhàn)》第1章 了解交通大數(shù)據(jù)

了解交通大數(shù)據(jù)1交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用目錄交通大數(shù)據(jù)的背景2現(xiàn)如今，隨著大數(shù)據(jù)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)與人們的生活早已息息相關(guān)。日常生活中的衣食住行都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)看似雜亂無(wú)章卻在抽絲剝繭后可以發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。如何在這些海量數(shù)據(jù)中挖掘到想要的結(jié)果，目前是一個(gè)非常熱門(mén)的研究方向。本章主要介紹交通大數(shù)據(jù)的背景與應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析的基本任務(wù)和基本流程、常用的數(shù)據(jù)分析工具以及如何配置Python開(kāi)發(fā)環(huán)境。緒論隨著云時(shí)代的來(lái)臨，大數(shù)據(jù)也吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。而交通大數(shù)據(jù)作為其下的分支自然備受關(guān)注。接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹交通大數(shù)據(jù)的背景以及應(yīng)用。了解交通大數(shù)據(jù)隨著交通運(yùn)輸服務(wù)行業(yè)的發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及城市智能化進(jìn)程的加快，大數(shù)據(jù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用也成為了當(dāng)下的熱點(diǎn)。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用使人們重新認(rèn)識(shí)了交通需求以及交通運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)也改變了交通運(yùn)輸?shù)囊?guī)律。海量數(shù)據(jù)不僅能為企業(yè)帶來(lái)商業(yè)價(jià)值，也能為社會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)價(jià)值?？茖W(xué)合理使用這些數(shù)據(jù)將使未來(lái)的生活產(chǎn)生極大的改變。交通大數(shù)據(jù)就是將所有與交通有關(guān)的數(shù)據(jù)信息整合到一起的數(shù)據(jù)鏈，交通行業(yè)是天然的大數(shù)據(jù)行業(yè)，隨著交通領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的推廣，每天產(chǎn)生的交通數(shù)據(jù)信息量能夠達(dá)到PB級(jí)別，并且呈幾何級(jí)別的增長(zhǎng)。交通大數(shù)據(jù)的來(lái)源主要有：公路、鐵路及城市交通管理系統(tǒng)中的信息服務(wù)平臺(tái)、道路流量檢測(cè)、道路監(jiān)控、車(chē)牌識(shí)別、電子監(jiān)控、路上稱(chēng)重、公交運(yùn)營(yíng)、長(zhǎng)途客運(yùn)售票、地鐵售票、鐵路售票、出租車(chē)調(diào)度、停車(chē)管理、公共自行車(chē)運(yùn)營(yíng)、公交一卡通統(tǒng)計(jì)等。交通大數(shù)據(jù)的背景大數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到每個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域，并成為重要的生產(chǎn)要素。目前普遍認(rèn)為大數(shù)據(jù)具有大量（Volume）、多樣（Variety）、高速（Velocity）、價(jià)值（Value）等特征，而交通大數(shù)據(jù)作為大數(shù)據(jù)的一種，自然也具備著同樣的特征。交通大數(shù)據(jù)的背景1.交通大數(shù)據(jù)具備的特點(diǎn)交通大數(shù)據(jù)的具體特征如表所示。交通大數(shù)據(jù)的背景特征概述大量（Volume）交通大數(shù)據(jù)所涉及的交通信息類(lèi)型相當(dāng)廣，而每種類(lèi)型的衍生也特別多。如行人（乘車(chē)記錄，路線記錄）、車(chē)輛（車(chē)輛狀況記錄、攝像頭記錄）、道路（基礎(chǔ)設(shè)施記錄、車(chē)流量記錄）多樣（Variety）涉及面的廣大，決定了交通大數(shù)據(jù)形式的多樣性。比如行人出行相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括出行方式（字符類(lèi)型）、出行時(shí)間（時(shí)間類(lèi)型）、目的地所在（地理信息）等等。如果擴(kuò)展到其他類(lèi)型的交通信息，數(shù)據(jù)的多樣性會(huì)更強(qiáng)，每個(gè)區(qū)域、每段時(shí)間，交通信息都會(huì)存在各種各樣的數(shù)據(jù)。有結(jié)構(gòu)化明顯的車(chē)輛基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，還有一些結(jié)構(gòu)化不明顯數(shù)據(jù)，如圖片、音頻、視頻等高速（Velocity）交通大數(shù)據(jù)具有高速性。交通運(yùn)行狀態(tài)、交通服務(wù)對(duì)象、交通運(yùn)載工具，每時(shí)每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行快速處理、分析和挖掘，并及時(shí)給出反饋信息價(jià)值（Value）交通大數(shù)據(jù)中隱藏著巨大價(jià)值，但是價(jià)值的密度較低，往往需要對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析處理，才能獲得需要的信息機(jī)遇往往伴隨著挑戰(zhàn)，隨著智能交通技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的推廣和深入，智能交通大數(shù)據(jù)發(fā)展同樣面對(duì)著巨大挑戰(zhàn)，如表所示。交通大數(shù)據(jù)的背景2.交通大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)概述數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量由于資金缺乏、信息化建設(shè)速度慢、缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、缺乏各部門(mén)之間的協(xié)作機(jī)制等問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量受到很大的影響數(shù)據(jù)儲(chǔ)存壓力交通大數(shù)據(jù)最突出的特點(diǎn)是“龐大”，采集到的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、類(lèi)型多，有結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化（語(yǔ)音、視頻等）的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展速度落后于交通大數(shù)據(jù)的更新速度和應(yīng)用需求數(shù)據(jù)共享利用由于交通大數(shù)據(jù)分散在不同單位和政府部門(mén)等，彼此孤立，所以很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，就連交通部門(mén)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享也是困難重重?cái)?shù)據(jù)的分析處理由于交通大數(shù)據(jù)數(shù)量規(guī)模龐大、價(jià)值密度很低、對(duì)時(shí)效性處理要求很高等，所以需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求，建立不同的數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效深入分析數(shù)據(jù)應(yīng)用智能交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用群體多，如普通出行者、交通規(guī)劃與管理部門(mén)、咨詢(xún)機(jī)構(gòu)等，如何開(kāi)發(fā)個(gè)性化的智能交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足不同用戶群體，也是未來(lái)交通大數(shù)據(jù)發(fā)展與應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)交通使用者是交通系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象，主要包括行人、乘客、駕駛員以及企業(yè)等。對(duì)于交通使用者而言，其主要關(guān)心的是通往目的地的道路交通狀態(tài)信息，如路況信息、擁擠與事件信息、交通管制信息等，并據(jù)此做出合理的出行計(jì)劃。交通大數(shù)據(jù)的背景3.交通大數(shù)據(jù)服務(wù)的對(duì)象用戶對(duì)基礎(chǔ)交通信息的需求如表所示。交通大數(shù)據(jù)的背景用戶主體對(duì)交通信息的需求駕駛員車(chē)輛的誘導(dǎo)信息，如出行前需要了解路網(wǎng)與當(dāng)前交通狀況信息，選擇最佳出行路線；行駛過(guò)程中需要了解動(dòng)態(tài)交通信息，包括事故、施工、阻塞等，以便調(diào)整路線形式；遇到事故時(shí)能夠得到及時(shí)救援；提供停車(chē)信息等乘客了解到達(dá)目的地的各種交通手段、路線、時(shí)間、途中的各種服務(wù)特種車(chē)輛駕駛員提供優(yōu)先通行策略和行駛過(guò)程中的誘導(dǎo)信息、安全警告信息和調(diào)度信息車(chē)輛所有者車(chē)輛收費(fèi)、管理信息，應(yīng)通過(guò)車(chē)輛信息與自動(dòng)定位、收費(fèi)裝置完成采集；車(chē)輛被盜后應(yīng)當(dāng)能夠盡快通過(guò)先進(jìn)的通信手段報(bào)警；當(dāng)車(chē)輛在非運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生意外損壞時(shí)，通過(guò)車(chē)輛自動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)騎行者、摩托車(chē)駕駛員通過(guò)先進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)，在彎道、路口、狹窄街道等視野受限制區(qū)域，能感知行駛車(chē)輛的存在；在上述區(qū)域能感知行駛車(chē)輛的速度、轉(zhuǎn)向和變更路線等行駛狀態(tài)或意向；在用戶途中遭遇疾病、盜匪等意外危險(xiǎn)事件時(shí)，能發(fā)送緊急求救信號(hào)并通告所在位置交通管理部門(mén)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)施工、阻塞以及發(fā)生交通事故，應(yīng)自動(dòng)確定地點(diǎn)及路段和車(chē)輛，并自動(dòng)調(diào)度警力前往事故地點(diǎn)進(jìn)行事故處理；為了能夠保證緊急車(chē)輛快速、順利到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)，提供如路網(wǎng)、路況信息、緊急事件相關(guān)信息，并將道路狀況及時(shí)通過(guò)信息系統(tǒng)發(fā)布公安機(jī)關(guān)通過(guò)先進(jìn)的通信手段或監(jiān)控系統(tǒng)在第一時(shí)間獲得車(chē)輛被盜、駕駛員人身安全受到威脅等信息，運(yùn)用定位技術(shù)自動(dòng)確定出事地點(diǎn)，自動(dòng)地調(diào)度警力進(jìn)行處理。對(duì)公共運(yùn)輸設(shè)施、停車(chē)場(chǎng)、警車(chē)內(nèi)安全（包括警車(chē)、公安人員和犯罪嫌疑人）進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)測(cè)，利用通信與感測(cè)技術(shù)，通過(guò)顯示和預(yù)警裝置向公安人員提供足夠的交通信息，幫助其做出最合適的決策用戶對(duì)基礎(chǔ)交通信息的需求如表所示。（接上表）交通大數(shù)據(jù)的背景用戶主體對(duì)交通信息的需求汽車(chē)運(yùn)輸公司通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)了解車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)和客流狀況，及時(shí)根據(jù)客流變化調(diào)整調(diào)度；遇到車(chē)輛故障及其他緊急事件應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并迅速采取相應(yīng)措施；當(dāng)進(jìn)行危險(xiǎn)品運(yùn)輸時(shí)，提供通告、監(jiān)控、路線引導(dǎo)等特殊的安全服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施（包括道路、換乘樞紐等）建設(shè)與管理部門(mén)提供基礎(chǔ)設(shè)施的位置信息，運(yùn)用先進(jìn)的通信和監(jiān)控手段，對(duì)可能造成基礎(chǔ)設(shè)施破壞的危險(xiǎn)品運(yùn)輸，提供自動(dòng)檢測(cè)、通告、路線引導(dǎo)等服務(wù)，以保障基礎(chǔ)設(shè)施的安全；通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q乘樞紐的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況；對(duì)安全隱患發(fā)出警告信號(hào)；一旦出現(xiàn)緊急情況，自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)引導(dǎo)乘客通過(guò)緊急通道進(jìn)行疏散換乘者提供最佳換乘路線，遇有緊急情況應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)出緊急救援信號(hào)；并提供路線引導(dǎo)服務(wù)，通過(guò)緊急通道迅速撤離消防部門(mén)通過(guò)先進(jìn)的通信手段接收消防救援信號(hào)，自動(dòng)定位，引導(dǎo)消防車(chē)在第一時(shí)間到達(dá)火災(zāi)地點(diǎn)急救中心通過(guò)先進(jìn)的通信手段接收醫(yī)療緊急救援信號(hào)，通過(guò)緊急救援系統(tǒng)中的自動(dòng)定位，迅速派出救護(hù)車(chē)進(jìn)行緊急醫(yī)療救護(hù)交通控制指揮中心（緊急事件管理中心）通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；自動(dòng)檢測(cè)緊急事件；通過(guò)先進(jìn)的通信手段接收緊急救援信號(hào)，自動(dòng)確定救援地點(diǎn)，并發(fā)送救援指令迅速組織救援車(chē)輛維修公司通過(guò)先進(jìn)的通信手段接收車(chē)輛故障信息，自動(dòng)定位，并迅速提供維修服務(wù)1交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用目錄交通大數(shù)據(jù)的背景2人們?cè)谌粘３鲂袝r(shí)經(jīng)常會(huì)碰見(jiàn)各種交通相關(guān)的問(wèn)題，如交通堵塞、找不到公交車(chē)站點(diǎn)的位置、不清楚列車(chē)的發(fā)車(chē)間隔，有效運(yùn)用交通大數(shù)據(jù)可以很好地解決上述問(wèn)題。例如，各大地圖導(dǎo)航，將歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、道路情況進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)從當(dāng)前地點(diǎn)到達(dá)目的地的時(shí)間，給用戶提供多種不同組合的選擇，并推薦時(shí)間最短的組合。通過(guò)對(duì)用戶的引導(dǎo)，極大地緩解了交通壓力。常見(jiàn)的交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景如下。交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用交通大數(shù)據(jù)一個(gè)主要應(yīng)用就是將路面采集數(shù)據(jù)、城市交通參與車(chē)輛的GPS數(shù)據(jù)與電子地圖定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行多元融合和加工，生產(chǎn)出高準(zhǔn)確率和高覆蓋率的實(shí)時(shí)路況信息。對(duì)于時(shí)效性要求較高的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送，可利用配送管理信息系統(tǒng)，通過(guò)交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取道路、實(shí)時(shí)路況等信息來(lái)管理和指揮在途車(chē)輛進(jìn)行配送。同時(shí)客戶也可通過(guò)此平臺(tái)對(duì)車(chē)輛和貨物進(jìn)行查詢(xún)并反饋信息。車(chē)輛將路況、位置等信息反饋給配送管理信息系統(tǒng)。與此同時(shí)，客戶、車(chē)輛甚至配送方的數(shù)據(jù)和信息也將通過(guò)冷鏈配送管理信息系統(tǒng)和交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)被公共數(shù)據(jù)云收集。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流互聯(lián)網(wǎng)租賃自行車(chē)可以深入城市角落，彌補(bǔ)其他出行方式的服務(wù)空白，其便捷的租還、支付方式和高分布密度等優(yōu)勢(shì)，提高了使用者的出行體驗(yàn)和出行效率，受到廣大用戶的喜愛(ài)。然而自20世紀(jì)90年代以來(lái)，以機(jī)動(dòng)車(chē)為導(dǎo)向的城市發(fā)展，逐漸擠壓自行車(chē)騎行與停放空間。互聯(lián)網(wǎng)租賃自行車(chē)的發(fā)展影響著居民的出行行為，也推動(dòng)著城市規(guī)劃和管理者對(duì)城市空間和道路資源的重新認(rèn)識(shí)。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)租賃自行車(chē)出行產(chǎn)生的大量基于時(shí)間和位置的數(shù)據(jù)為描述和理解城市空間結(jié)構(gòu)提供了新的途徑。因此，有必要通過(guò)對(duì)騎行大數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間分析，揭示騎行需求規(guī)律，為城市相關(guān)規(guī)劃建設(shè)、行業(yè)管理部門(mén)和運(yùn)營(yíng)企業(yè)合作建立科學(xué)的投放與管理機(jī)制等提供技術(shù)支撐。自行車(chē)租賃伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車(chē)保有率不斷提高，隨之也涌現(xiàn)出了大量的環(huán)境問(wèn)題、空間問(wèn)題以及至關(guān)重要的安全問(wèn)題。數(shù)量龐大的汽車(chē)和復(fù)雜的駕駛環(huán)境為人工智能的應(yīng)用提供了海量數(shù)據(jù)。通過(guò)布置于車(chē)輛上的傳感器收集路面路況信息，利用算法挖掘出有效數(shù)據(jù)，分析駕駛員的駕駛習(xí)慣，將其運(yùn)用到自動(dòng)駕駛之中可以實(shí)現(xiàn)安全高效的通行。汽車(chē)自動(dòng)駕駛隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市人口數(shù)量急劇增加，城市公共交通面臨著前所未有的壓力。城市公共交通具有大容量、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是緩解城市交通壓力，解決城市居民出行問(wèn)題的最佳選擇。但傳統(tǒng)公交系統(tǒng)存在信息化、智能化水平較低，公交路線規(guī)劃不合理、服務(wù)水平較低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致城市公交可達(dá)性較差，已難以滿足日益發(fā)展的城市出行需求。利用交通大數(shù)據(jù)優(yōu)化公交車(chē)站點(diǎn)的設(shè)置，提高了百姓的出行效率和乘車(chē)體驗(yàn)，也提高了城市居民的幸福指數(shù)。公交車(chē)站點(diǎn)設(shè)置航空交通具有時(shí)效快的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于長(zhǎng)距離旅途而言有非常重要的意義，尤其是在目前的社會(huì)環(huán)境中，人們生活水平有了進(jìn)一步的提升，這為航空公司規(guī)模的擴(kuò)大提供了基礎(chǔ)。為了滿足當(dāng)前的航空運(yùn)輸需要，需要對(duì)企業(yè)的發(fā)展做升級(jí)和優(yōu)化。但是隨著高鐵、動(dòng)車(chē)等鐵路運(yùn)輸?shù)呐d建，航空公司同樣也受到巨大沖擊。民航的競(jìng)爭(zhēng)除了中國(guó)3大航空公司之間的競(jìng)爭(zhēng)之外，還將加入新崛起的各類(lèi)小型航空公司、民營(yíng)航空公司，甚至國(guó)外航空巨頭。航空產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)剩，產(chǎn)品同質(zhì)化特征愈加明顯，于是航空公司從價(jià)格、服務(wù)間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)蛻舻母?jìng)爭(zhēng)。通過(guò)對(duì)航空公司客戶數(shù)據(jù)進(jìn)