智能數(shù)據(jù)工程試驗報告
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[作業(yè)要求]（作業(yè)要求.md）
一、項目名稱
共享單車軌跡數(shù)據(jù)助力城市合理規(guī)劃自行車道
二、項目任務和問題
???????共享單車的出現(xiàn)為人們提供了一種便利的自行車共享方式，用戶可以輕松地在任何地方使用智能手機來實現(xiàn)自行車的租借服務。自行車重返上路，成為城市用戶喜愛的出行方式。以摩拜單車為例，目前它已擁有超過1億注冊用戶，日訂單量約2500萬。政府也非常愿意在群眾中推廣共享單車的使用，因為共享單車可以降低城市的道路擁堵，減輕空氣污染，提高公共交通的使用效率，健康出行。
???????目前的自行車道建設卻沒能跟上共享單車所帶來的新的騎行需求。如果沒有良好的自.行車道規(guī)劃，很多時候騎行的人們只能和機動車一起使用機動車道路，使人們的騎行體驗大打折扣，還可能產(chǎn)生潛在的交通事故。因此，政府希望能夠規(guī)劃出更有效的自行車道來提升大眾的騎行體驗。
???????自行車道的規(guī)劃存在一定的要求和限制:建設每條專門門的自行車道都需要消耗一定的資源，如政府預算和道路空間等;自行車道作為-種公共資源，政府希望它能夠更好地服務更多的人，并覆蓋更長的個人騎行軌跡;為了施工和管理的便利，政府更希望這些道路的建設能夠在整個路網(wǎng)上連成有限個區(qū)域，而不是在整個城市中分散的分布。若已獲取摩拜單車的用戶在使用過程的歷史記錄(非常有價值的軌跡信息)，真實地反映了人們的騎行需求，如何利用大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘技術更有效、合理地規(guī)劃自行車道的建設?你的思路是什么?
三、 基本思想和關鍵技術
(一)、問題背景
???????共享單車的出現(xiàn)極大地解決了人們共同面臨的“最后一公里”難題。然而，在共享單車發(fā)展迅猛的時代背景下，自行車道建設以及城市規(guī)劃卻始終沒有能夠跟上腳步。
騎車，在過去的汽車時代，已經(jīng)是被人們逐漸舍棄的一種出行方式，但在低碳綠色倡導的當下，騎車又被推崇而出，略過公交、地鐵等常見火熱的交通方式，形成一股復古的潮流。
???????早在上世紀七八十年代，中國曾被稱為自行車大國。當時，大多數(shù)人的出行都依賴于自行車，以至于自行車成為了中國當時結婚所要求的“三大件[1]”之一。隨著經(jīng)濟的快速增長，越來越多的私家汽車進入了普通民眾的生活，成為普通群眾出行不可缺少的一部分，為大眾的出行帶來了極大的便利。但隨之而來的卻是各種城市問題：交通擁堵、空氣污染等等。
???????共享單車的出現(xiàn)為人們提供了一種便利的自行車共享方式，用戶可以輕松地在任何地方使用智能手機來實現(xiàn)自行車的租借服務。于是自行車重返上路，成為城市用戶喜愛的出行方式。以摩拜單車[2]為例，目前它已擁有超過1億注冊用戶，日訂單量約2500萬。政府也非常愿意在群眾中推廣共享單車的使用，因為共享單車不僅僅可以降低城市的道路擁堵，減輕空氣污染，還可以提高公共交通的使用效率，對人們的出行方式來說也是更加健康的。而這里，又不得不提出共享單車，在共享經(jīng)濟這個大環(huán)境下，共享單車的蜂擁而至，是共享經(jīng)濟滿足交通出行需求的市場反應，是城市公共交通短板的折射，是人與車爭奪城市空間資源的表現(xiàn)，更是對城市治理能力的測試。單車雖小，卻是對城市規(guī)劃、建設、管理的全面檢視，也是政府面對新經(jīng)濟回答如何實現(xiàn)科學監(jiān)管的問題。
???????但是，目前的自行車道建設與共享單車的騎行需求確實非常不匹配的。如果沒有良好的自行車道規(guī)劃，很多時候騎行的人們沒有可選的合適道路，只能和機動車一起使用機動車道路，這不僅使人們的騎行體驗大打折扣，并且還可能產(chǎn)生潛在的交通事故。因此，政府希望能夠規(guī)劃出更有效的自行車道來提升大眾的騎行體驗。
在一定意義上，共享單車的善治既是城市經(jīng)濟結構優(yōu)化升級的結果，也是城市治理能力提升的表現(xiàn)，更是智慧城市建設惠民利民的真切體現(xiàn)。
???????共享單車停放將會占用城市公共空間，作為一種正常的、合理的空間需求，單車是有權利得到安放的。單車是以滿足更多人綠色出行需求的交通工具，原有的城市空間規(guī)劃沒有為新型交通活動預留空間，特別是沒有堅持以人為本、步行友好、交通通達的設計理念，過度追求大馬路、大廣場、大社區(qū)，忽視了城市微循環(huán)的功能發(fā)揮，導致公共空間無法滿足居民頻繁交往和慢行交通的需求。
???????幸運的是摩拜單車大量的軌跡數(shù)據(jù)為我們提供了一種新的思路：利用大數(shù)據(jù)和AI技術，使用以數(shù)據(jù)為依托，在數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式下更為合理地規(guī)劃自行車道的建設。
（二）、共享單車對城市街道的影響
???????共享單車的誕生與推廣，對機動車出行方式帶來了極大影響，共享單車出行在城市交通出行中占比的提升，也影響到城市街道的秩序和美觀。共享單車對城市街道的影響主要表現(xiàn)為3方面[3]
1、共享單車亂停亂放，對城市街道有序運行造成不利影響
???????作為一種公共資源，共享單車被賦予了自由停放的“特權”，對用戶停放共享單車行為缺乏有效的約束，共享單車停放在非機動車道、人行道上，甚至有的停放在機動車道上。將共享單車停放在非機動車道上，會造成非機動車、摩托車等車流對機動車道的擠壓，使交通運行速度放緩；將共享單車停放在人行道上，會使行人通行空間受限，擠壓非機動車道，最終造成非機動車為避讓行人而占用機動車道，進而造成交通擁堵
2、共享單車用戶交通安全意識不足，致使交通事故頻發(fā)
???????共享單車在為人們出行帶來便利的同時，也存在一定的安全隱患。不僅會造成人身傷害，還助長了破壞公共財產(chǎn)的不良社會風氣；一些有故障的共享單車未得到及時維修，使用戶騎行存在安全隱患，引發(fā)交通事故
3、共享單車比例增加，降低城市街道交叉口通行效率
???????由于出行方式的轉(zhuǎn)變，共享單車對城市基礎設施提出了新的要求，需相應調(diào)整街道信號燈的時長，以滿足單車出行方式帶來的通行效率問題。
（三）、共享單車發(fā)展下的城市街道設計基本思想
???????自行車道的規(guī)劃需要綜合考慮多方面的因素：
???????預算限制：主要包括政府財政預算以及城市給自行車的余留空間大小
便于施工和管理：施工隊需要派遣到各個不同的地點鋪設自行車道，為了便于管理，通常傾向于使這些車道集合成k個聚類的區(qū)域，而不是大面積分散的形式
提高自行車的使用率：從政府的角度來說，希望良好規(guī)劃的自行車道能提高自行車的可用性，以及覆蓋更多的區(qū)域
???????共享單車規(guī)劃設計，可從以下3方面著手。
1、通行空間設計
???????通行空間設計標準在共享單車通行空間設計過程中，不僅要遵循設計速度、最低寬度、街道坡度等設計規(guī)范標準，還要充分考慮街道周邊環(huán)境，在通行需求大的騎行前提下，自行車道應設計為直線型，以此達到縮短通勤距離及時間的目的，并確保騎行不受樹木等視線盲區(qū)影響，如主要城市道路；在景觀需求的大前提下，則以休閑騎行為設計出發(fā)點，將自行車道沿街道兩側綠化長廊設計，在保證通行的前提下設計為曲線型，使開放與隱蔽空間有效結合。
1）、車道寬度
???????自行車道寬度及隔離方式通常情況下，單人騎行時的寬度在0.6m左右，同時還應考慮騎行時的動態(tài)距離，通常取左右兩側活動空間各0.2m，進而設置自行車道寬度為1m。
2）、車道影響因素
???????自行車道寬度在一定程度上還受機動車速、自行車流的影響，為減輕機動車速對共享單車的影響，自行車道寬度應與機動車道設計速度呈正相關關系。
2、停放空間設計共享單車停放空間設計可從以下方面著手。
1）、擴大停放空間
???????滿足合理規(guī)模共享單車的停放需求?？晒┕蚕韱诬囃７诺膮^(qū)域空間包括公交車站、地鐵車站、公共建筑內(nèi)部等。
2）、考慮公共設施
???????在公交車站對共享單車停放空間進行設計時，可于公交車站就近建設共享單車停放設施，共享單車不可停放在公交站臺候車區(qū)，且共享單車停放區(qū)距離公交站臺路緣線單側距離應控制在5m以上，并結合綠化帶間隔建設共享單車停放設施，確保不影響公交站臺候車空間
3、城市街道配套設施設計
1）、功能性標識清晰
???????容易辨認，滿足人們在騎行過程中觀察、感受的需求。
2）、保證美觀性與環(huán)境相協(xié)調(diào)性，觀賞性，
???????借助現(xiàn)代技術，依托對共享單車信息數(shù)據(jù)的采集分析，構建數(shù)據(jù)庫，為共享單車的監(jiān)管管理提供有力依據(jù)，打造智慧城市。
3）、重視信息采集
???????重視對騎行者和行人的信息采集能力在以機動車為主導的城市街道環(huán)境下，機動車行車人員通常難以過多關注街道兩側的各種信息，因此大多數(shù)街道設計均是以機動車行車人員的信息采集能力而開展，疏忽了對騎行者、行人的信息采集能力。
三、基本思路和關鍵技術
（一）、研究思路
???????在街道設計中，應加強對速度及停留行為的有效考慮，以實際的騎行行為和街道環(huán)境建構線性回歸模型，反推環(huán)境對騎行行為支持的程度，并確定兩者之間的關系，用騎行需求、騎行環(huán)境、騎行行為三者建構可騎行性評估，對街道環(huán)境進行評估。
???????共享單車使用特征進行分析；其次選取影響騎行行為的各種環(huán)境指標，對建成環(huán)境與騎行行為之間關系建立線性回歸模型進行分析，以確定影響騎行行為的指標、指標對騎行行為的貢獻能力和解釋強度；最后，將影響騎行行為的指標進行整合，用騎行需求、騎行環(huán)境、騎行行為對街道進行可騎行性評估，如圖
???????騎行需求主要是控制街道之間由于需求差異造成的誤差，當騎行環(huán)境與騎行需求均較高時，街道的騎行環(huán)境才是優(yōu)越的，且因為空間自相關作用，街道的騎行行為受周邊街道的騎行行為影響較大，因此在對街道騎行環(huán)境測度時應將騎行需求和周邊街道的騎行行為考慮在內(nèi)。街道道路的橫斷面屬性，如道路等級、是否機非分離等均對騎行的舒適性有一定的影響，而街道上的基礎設施和街道兩側的業(yè)態(tài)所隱含的信息，均可能是騎行的阻礙因素。
???????騎行行為可分為騎行頻次、騎行時間和騎行速度等，由于不同街道其騎行速度的差異性較小，無明顯的街道環(huán)境偏好。街道被所有騎行者騎行經(jīng)過的次數(shù)，考慮不同時間段街道的騎行量差別較大，對騎行頻次進行全時間段分析會掩蓋不同時間段內(nèi)騎行頻次與街道環(huán)境之間的關系，結合對不同騎行需求下的騎行環(huán)境速度對騎行行為進行分析
???????可以用線性回歸模型的系數(shù)代替權重值，對騎行環(huán)境進行評估，對騎行行為與街道環(huán)境建構回歸模型，找出街道環(huán)境中對騎行行為有影響的指標，以這些指標的回歸模型系數(shù)作為可騎行性評價體系中各指標的權重，可騎行性評價體系分騎行需求、騎行環(huán)境以及騎行行為，為方便觀察三類指標對街道環(huán)境的貢獻程度。
（二）、關鍵技術
???????“PlanningBikeLanesbasedonSharingBikes’Trajectories”論文中，我們提出了一個基于貪心思想的近似解法，來實現(xiàn)自行車道規(guī)劃方案的推薦。該算法包括兩個步驟：1.基于路網(wǎng)距離的空間聚類；2.基于貪心的網(wǎng)絡擴展（GreedyNetworkExpansion）。
1、算法的過程
1）首先需要尋找到k個貪心網(wǎng)絡的起始片段
???????我們可以直接選擇效益函數(shù)在top-k高的k個片段作為起始片段。經(jīng)過對數(shù)據(jù)集的研究，發(fā)現(xiàn)在共享單車軌跡起點密集處一般分布在在像大型商場這樣離地鐵較遠的地方，被稱為空間熱點，而往往效益函數(shù)高的地方就在這些空間熱點附近）這種方法非常直接而簡單，但是，top-k高的片段往往容易集中在一起，不能很好的擴張，因此，我們采用自下而上（其實自上而下應該也是可以的）的層次空間聚類來幫助選出最合適的貪心網(wǎng)絡起始點。
???????層次空間聚類和K-means不同，它在確定的層級總會產(chǎn)生穩(wěn)定的結果。為了簡化計算，我們首先還是需要篩選出那些效益函數(shù)排名較高的路段，作為聚類的基本元素
2）接下來執(zhí)行層次空間聚類算法
???????接下來執(zhí)行層次空間聚類算法，它每次都合并距離最近的兩個聚類。由于這里明顯用的是歐式距離，因此我們可以把聚類的中心點作為簇的位置來計算歐式距離。執(zhí)行這個算法得到k個聚類，再從每一個聚類中選擇效益函數(shù)最高的路段，這樣我們就能得到更加“均勻分布”的貪心網(wǎng)絡起始點
2、算法評價指標
???????在第一步計算中，我們首先根據(jù)用戶在各條道路上的騎行數(shù)據(jù)選出Top-M條用戶騎行最頻繁的候選路段，然后利用這些路段之間的距離進行層次空間聚類，每次我們都合并兩個路網(wǎng)距離上最接近的路段聚類，并知道最后的結果只剩下K個聚類。最后在每個聚類（cluster）中，我們會選擇騎行最頻繁的路段作為下一步貪心網(wǎng)絡擴展的起始點。
???????在第二步的計算中，每一次我們都將這些起始路段的鄰接路段作為候選集合，然后檢驗每一個候選路段所能夠帶來的單位長度上所有軌跡分數(shù)的提升。接下來，我們每一輪都選擇能夠給現(xiàn)有方案帶來最大提升的路段作為結果，直至預算被使用完每條軌跡都會為新的路段給出一個得分
???????segs(τ)表示這條軌跡被我們的建設方案所分成的連續(xù)的段數(shù)，s.l表示每一段的長度，而α則是一個調(diào)節(jié)參數(shù)，當該數(shù)值越大時，更多的分數(shù)就會被給予更連續(xù)的規(guī)劃方案，因為在連續(xù)的自行車道上騎行會有更好的體驗。
四、數(shù)據(jù)集和評價指標
（一）、數(shù)據(jù)集
???????數(shù)據(jù)來源于某共享單車品牌用戶騎行軌跡的 1%的隨機抽樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含用戶 ID、共享單車 ID、唯一編碼 ID、起點坐標、終點坐標、起點時間戳、終點時間戳以及軌跡點八類屬性，具體如表所示
此外，還需要建成環(huán)境數(shù)據(jù)，例如土地利用數(shù)據(jù)、歸一化植被數(shù)據(jù)、城市街道數(shù)據(jù)等。
（二）、評價指標
???????評價機制的構建以普世性、整體系統(tǒng)、強實踐性為關鍵，這是評價過程能夠順利完成的基礎。全域自行車交通系統(tǒng)評價所包含的層次內(nèi)容多、范圍廣，其公平性評判標準涉及影響要素復雜，因此，建構一個綜合、完整、系統(tǒng)、便捷、科學合理、可操作性強的評價機制，才能為其發(fā)展、規(guī)劃運行與管理下的社會公平提出可靠的依據(jù)。因此，評價機制的成立應該以幾下幾點原則為基礎。
1、普適性原則
???????本文的研究希望建立一個可以為以后道路交通基于公平性下的服務水平提供評判依據(jù)的機制，可以直觀的反應使用者想評價的每一個地區(qū)，具有普世性，對未來建設提供評價依據(jù)。
2、整體性原則
???????公平視角下的全域自行車交通系統(tǒng)評價機制是一個以宏觀為導向的超多層級完備的評價系統(tǒng)，包含若干相互平行、相互補充由相互作用的因素，因而要以整體為考量的尺度，更能全面地評價和反映問題。雖然本研究是以遵循公平標準為導向，具有些許的主觀傾向性，但是要盡量減少其中的干擾因素，要從多角度反映、客觀地表述對象的特點，能夠完整描述全域自行車交通系統(tǒng)的公平性，綜合各單項標準，對城市或區(qū)域進行整體性評判。
3、強實踐性原則
???????構建的評價機制是一個具有普適性的體系，因而務必確保其具有較強的可操作性，同時必須保證其評價標準具有實際操作的功能，其中評價標準的選擇不宜過于繁雜，結果的產(chǎn)生要具有實際意義，并可以對未來建設及優(yōu)化提供強有力的實踐依據(jù)。
五、分析和測試結果
（一）、分析
???????通過對研究區(qū)域和數(shù)據(jù)的處理，得出完整的共享單車騎行數(shù)據(jù)。在對騎行行為與騎行環(huán)境建構關系時應先對騎行行為的特征進行分析，先從整體上對騎行行為進行特征描述，其次對騎行行為進行時空間分布特征，最后對騎行需求和騎行環(huán)境各指標進行分析。
（二）、測試結果
???????騎行頻次是從騎行量上對街道環(huán)境進行評價，是對街道環(huán)境中各種量指標及其街道設施、周邊街道的關系的反映，同時騎行頻次受騎行者的出行需求和目的影響較大。通過對以上回歸結果的分析，各時間段的街道騎行頻次與騎行者的出行需求、道路等級、交叉口個數(shù)均相關，受街道的空間自相關影響，周邊街道的繁忙度對街道的騎行頻次有一定影響。未發(fā)現(xiàn)騎行頻次與街道兩側就業(yè)店鋪數(shù)量的相關性。結合前小節(jié)對各時間段回歸結果的分析，得出以下結論：
1、街道騎行頻次與街道道路等級、道路橫斷面屬性等相關性較大
???????通過回歸模型分析發(fā)現(xiàn)，街道環(huán)境中的道路等級、植被覆蓋率、道路坡度、是否有自行車道、街道道路的路面質(zhì)量、街道人行道鋪裝質(zhì)量、土地利用多樣性、街道兩側休閑店鋪的數(shù)量均對騎行行為有影響。
2、街道騎行頻次與騎行者的出行需求相關性較大，
???????共享單車是以需求為導向的交通方式之一 從所有時間段的回歸模型系數(shù)表可以看出，通勤類出行需求、休閑類出行需求、站點類出行需求、交叉口個數(shù)、周邊街道騎行頻次均對騎行行為有影響。騎行起訖點的出行需求與街道騎行頻次呈正相關關系，即居民的出行需求越大，騎行頻次越高。騎行需求是通過用地間的功能互補性得出的，即工作時間段出行行為發(fā)生在功能互補性較高的街道之間，即兩地之間的互補性越高時，聯(lián)系強度越高，騎行的頻次越高。因此，未來對騎行環(huán)境改善時應考慮騎行需求的差異對街道環(huán)境的影響，如騎行需求大的街道應布置更完善的自行車設施。
3、街道路面質(zhì)量良好的街道，對騎行行為有吸引力，
???????僅工作日早晚高峰發(fā)
可以看出街道道路的路面質(zhì)量越好，街道的騎行頻次越多。因龍崗區(qū)的自行車道較少，大多數(shù)人行道的寬度和鋪裝質(zhì)量均不有利于騎行，因此居民多在機動車道上騎行，道路路面質(zhì)量越好的街道，道路等級越高，基礎設施越完善，而道路路面質(zhì)量較差的街道，騎行需求較少且騎行舒適感較差。
4、人行道鋪裝質(zhì)量對街道騎行頻次有促進作用
??????? 有人行道的街道相較于沒有人行道的街道對騎行吸引力較大，且人行道鋪裝越完善，人行道寬度越寬，街道的騎行頻次越高。
六、結論和討論
???????我國越來越重視城市生態(tài)文明的建設，頒布了一系列政策推動生態(tài)發(fā)展，而自行車作為綠色環(huán)保的出行方式正是順應了這種趨勢，許多城市都開始注重全域?qū)用孀孕熊嚱煌ǖ陌l(fā)展，從網(wǎng)絡建設的完善到增設自行車專用道再到高速自行車道網(wǎng)絡的布局，都能看出未來城市交通的發(fā)展方向；同時自行車的使用人群正在迅速增加，也兼顧了通勤、休閑、娛樂、健身、體驗等多種功能，相信在民意與政策的雙重推動之下，我國未來全域自行車交通的發(fā)展將會朝著更加公平公正的方向發(fā)展，將會越來越好。
參考鏈接
[1]三大件（完成某事的三種重要物品）_百度百科(baidu.com)
[3]劉琪.共享單車發(fā)展下的城市街道設計研究[J].城市住宅,2020,27(02):202-203+205.
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[5] Jie B , He T , Ruan S , et al. Planning Bike Lanes based on Sharing-Bikes' Trajectories[C]// KDD. ACM, 2017.
