ETC門架數(shù)據(jù)在高速公路交通管理中的應(yīng)用探究

項(xiàng)澤文 李金洪 馮延旺 寧偉 張文謀

摘要：我國(guó)高速公路實(shí)施聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、分段計(jì)費(fèi)以來(lái)積累了大量的收費(fèi)數(shù)據(jù)，存在著極大的利用價(jià)值。本文通過(guò)分析高速公路ETC門架數(shù)據(jù)的構(gòu)成及ETC門架數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，證實(shí)了其可在實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)、節(jié)假日交通流預(yù)測(cè)、行程時(shí)間預(yù)測(cè)、車輛軌跡回放、服務(wù)區(qū)入?yún)^(qū)率研究等領(lǐng)域發(fā)揮作用，一定程度上解決了數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)問題，同時(shí)也為相關(guān)部門進(jìn)行高速公路交通管理提供了思路。

關(guān)鍵詞：高速公路;ETC門架系統(tǒng);數(shù)據(jù);應(yīng)用

1 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)高速公路收費(fèi)方式經(jīng)歷了重大變革。從封閉式人工收費(fèi)到聯(lián)網(wǎng)式電子收費(fèi)，是一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)，從功能簡(jiǎn)單到豐富完善的不斷發(fā)展的過(guò)程。聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）的推廣應(yīng)用，為人們的出行帶來(lái)了極大的方便。同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)智慧高速公路的建設(shè)與發(fā)展。

高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)每天都會(huì)產(chǎn)生數(shù)以億計(jì)的收費(fèi)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被相關(guān)部門用于查詢或生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，而后被定期清除。但這些數(shù)據(jù)中還存在著大量?jī)r(jià)值極高的信息未得到有效的利用，其能發(fā)揮的作用也遠(yuǎn)不止于此。如何從這些復(fù)雜的、海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用信息，使其充分發(fā)揮數(shù)自身效能，避免數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)，成為亟待解決的問題。

基于上述背景，本文全面總結(jié)分析ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，研究其如何用于解決高速交通問題，研究結(jié)果對(duì)道路交通管控、行駛路徑推薦、特殊車輛監(jiān)控等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

2 ETC門架系統(tǒng)構(gòu)成

ETC門架系統(tǒng)架設(shè)于高速公路上方，是一種類似交通探頭的設(shè)施，通過(guò)射頻裝置讀取車輛OBU信息，在確保車輛能夠快速不停車通過(guò)的同時(shí)，識(shí)別通行車輛車牌顏色及號(hào)碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛車輛的路徑標(biāo)識(shí)和分段計(jì)費(fèi)。ETC門架系統(tǒng)是取消高速省界收費(fèi)站后的一項(xiàng)必備的硬件設(shè)施，也是對(duì)原有省界收費(fèi)站物理拆除后的必要補(bǔ)充。

2.1 ETC門架系統(tǒng)的組成

ETC門架系統(tǒng)主要由車道控制器、RSU（支持PCI/PCI-E密碼卡）、車牌圖像識(shí)別設(shè)備、站級(jí)服務(wù)器、防雷接地設(shè)施、補(bǔ)光燈、通信設(shè)備、供電設(shè)備等設(shè)備設(shè)施組成。RSU和車牌圖像識(shí)別設(shè)備是最重要的數(shù)據(jù)采集設(shè)施，具體布設(shè)位置如圖1所示。

2.2 ETC門架系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

ETC門架系統(tǒng)主要由RSU和車牌圖像識(shí)別設(shè)備和對(duì)過(guò)往車輛進(jìn)行信息采集。ETC門架記錄的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)主要包括：計(jì)費(fèi)交易編號(hào)、通過(guò)門架的時(shí)間、通行標(biāo)識(shí)ID、OBU內(nèi)車牌號(hào)碼、OBU內(nèi)車型、車輛速度等50余個(gè)字段。ETC門架系統(tǒng)中也包含一些信息，主要為ETC門架的順序號(hào)、Hex編號(hào)、是否為省界出入口門架等。具體字段表示方法及說(shuō)明如表1所示。

3 ETC門架數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.1 實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)

ETC門架記錄了在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)通過(guò)路段的交通量，相當(dāng)于一個(gè)實(shí)時(shí)的交通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將經(jīng)過(guò)固定門架的不同車型的車輛進(jìn)行分類或按照車輛折算系數(shù)進(jìn)行折算，再結(jié)合門架編號(hào)即可得到實(shí)際地理位置上每個(gè)ETC門架位置的實(shí)時(shí)交通量。利用實(shí)時(shí)交通量，通過(guò)指定統(tǒng)計(jì)周期，結(jié)合交通工程學(xué)公式，可計(jì)算出路段的實(shí)時(shí)飽和指數(shù)和服務(wù)等級(jí)水平。通過(guò)對(duì)路段實(shí)時(shí)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)路段出現(xiàn)擁堵，即服務(wù)水平達(dá)到三級(jí)以下時(shí)，管理人員根據(jù)路網(wǎng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合路網(wǎng)中相鄰路段的服務(wù)能力，及時(shí)作出科學(xué)決策，調(diào)整交通流管控措施。

3.2 節(jié)假日交通流預(yù)測(cè)

重大節(jié)假日期間，自駕車出游或探親訪友的人數(shù)激增，大量出行需求涌入高速公路，高速公路路網(wǎng)承載了極大的運(yùn)輸壓力，使得高速公路重點(diǎn)出入口（如城市、景區(qū)主要出入口）周邊路段極易發(fā)生交通擁堵現(xiàn)象。此時(shí)，基于高速公路ETC收費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到高速公路歷史OD交通量數(shù)據(jù)，可以直接且精確地獲取歷史OD交通量矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)假日期間高速公路日OD交通量分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。具體方法如下：首先對(duì)研究路段出入口上游ETC門架統(tǒng)計(jì)的交通量進(jìn)行計(jì)算，然后利用綜合考慮多因素的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型對(duì)節(jié)假日范圍內(nèi)總OD需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，而后基于歷史各日占總量的比例將所預(yù)測(cè)的總量分配至各日[1]。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析節(jié)假日期間交通流出行分布規(guī)律，使管理部門提前做好車輛主動(dòng)管控、誘導(dǎo)分流和勤務(wù)保障，緩解路網(wǎng)運(yùn)行壓力。

3.3 行程時(shí)間預(yù)測(cè)

利用高速公路流水?dāng)?shù)據(jù)表中“入口時(shí)間”、“車輛種類”、“車型”等字段，可以進(jìn)行路段行程時(shí)間的預(yù)測(cè)。路段行程時(shí)間是最能反映交通運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)，其反映了道路的運(yùn)輸效率，體現(xiàn)實(shí)時(shí)的道路交通擁堵狀況。行程時(shí)間預(yù)測(cè)通常采用建立預(yù)測(cè)模型的方法，常用的預(yù)測(cè)模型有卡爾曼濾波、支持向量機(jī)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、K近鄰、極大似然估計(jì)、隨機(jī)森林等。以隨機(jī)森林法為例，利用高速公路流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行行程時(shí)間預(yù)測(cè)的步驟如下：首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，剔除數(shù)據(jù)表中字段值缺失、車輛行程時(shí)間（出口時(shí)間-入口時(shí)間）不合理的異常數(shù)據(jù)，篩選出能反映高速公路真實(shí)路況的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)。然后使用隨機(jī)森林算法搭建適用于被研究路網(wǎng)的行程時(shí)間預(yù)測(cè)模型[2]。隨機(jī)森林法使用啞變量編碼對(duì)離散型特征變量進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，利用訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，利用測(cè)試集數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的最終效果，驗(yàn)證得到的誤差作為最終模型在應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的泛化誤差。通過(guò)預(yù)測(cè)行程時(shí)間，可以提前預(yù)知未來(lái)道路交通路況，相關(guān)部門可提前根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果做出有針對(duì)性的措施，對(duì)可能發(fā)生擁堵的時(shí)段及路段進(jìn)行交通誘導(dǎo)，同時(shí)也可將預(yù)測(cè)結(jié)果推送至出行人手機(jī)或發(fā)布至高速公路可變情報(bào)板上，讓出行者及時(shí)了解路況信息，合理安排出行路線，從而達(dá)到緩解擁堵的目的。

3.4 車輛軌跡回放

將車牌號(hào)相同的ETC流水?dāng)?shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行串聯(lián)便可得到一條完整的車輛運(yùn)行軌跡。車輛軌跡數(shù)據(jù)描述了移動(dòng)對(duì)象的空間、時(shí)間等屬性，反映了車輛在具體時(shí)間內(nèi)的具體行程以及行車信息。因此，車輛軌跡回放為追查違法犯罪車輛、被盜車輛尋回、企業(yè)營(yíng)運(yùn)車輛管理等提供了一種省時(shí)省力的方式，解決了因人力資源不足難以完成道路交通管理這一難題，在交通管理中有很好的實(shí)用性。

3.5 服務(wù)區(qū)入?yún)^(qū)率研究

有些流量較小的服務(wù)區(qū)在出入口處未安裝卡口設(shè)備，故服務(wù)區(qū)的入?yún)^(qū)率、停留時(shí)間等信息都無(wú)法獲取，影響服務(wù)區(qū)的利用率和出行人的體驗(yàn)。利用高速ETC數(shù)據(jù)，通過(guò)建立服務(wù)區(qū)門架及出入口門架關(guān)系，即可對(duì)相關(guān)服務(wù)區(qū)信息進(jìn)行獲取。具體方法為：首先通過(guò)ETC數(shù)據(jù)得到主線車輛的平均速度，再假定最優(yōu)平均速度，并通過(guò)不斷調(diào)優(yōu)最優(yōu)平均速度的值，得到各車型最優(yōu)偏差閾值和最優(yōu)平均速度[3]。最后利用ETC記錄的車輛速度和計(jì)算得到的車輛最優(yōu)平均速度進(jìn)行比較，判斷車輛是否進(jìn)入服務(wù)區(qū)，從而得到服務(wù)區(qū)的入?yún)^(qū)率。這些信息可發(fā)布在服務(wù)區(qū)可變情板報(bào)，更好地為公眾出行提供服務(wù)區(qū)狀態(tài)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)高速公路全面實(shí)施的ETC收費(fèi)技術(shù)取得了顯著成效，在解決高速公路交通、管控問題等方面，ETC收費(fèi)數(shù)據(jù)提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但現(xiàn)階段ETC門架的布設(shè)密度較低，應(yīng)用場(chǎng)景也受到了限制。未來(lái)，為順應(yīng)新基建發(fā)展戰(zhàn)略，ETC門架收費(fèi)系統(tǒng)可能會(huì)加大布設(shè)密度，同時(shí)搭載氣象傳感器、稱重檢測(cè)器等智慧感知設(shè)備，屆時(shí)將會(huì)有更多的數(shù)據(jù)被采集與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)更加豐富、廣泛，高速公路交通問題也將會(huì)被更好地解決。

參考文獻(xiàn)：

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