基于流處理技術(shù)融合多種特征的套牌車輛稽核技術(shù)

徐東彬, 張孝銘

(1.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088 3.帝國(guó)理工大學(xué), 英國(guó) 倫敦 SW72AZ)

0 引言

2020年1月1日零時(shí)起，全國(guó)29個(gè)聯(lián)網(wǎng)省份的487個(gè)高速公路省界收費(fèi)站全部取消，開啟了新ETC時(shí)代。交通運(yùn)輸部下發(fā)的《取消高速公路省界收費(fèi)站總體技術(shù)方案》中提出了實(shí)現(xiàn)電子不停車快捷收費(fèi)(ETC)、車牌圖像識(shí)別、多種支付手段融合應(yīng)用的技術(shù)路徑。取消省界收費(fèi)站以后，全國(guó)高速公路形成一張網(wǎng)，收費(fèi)方式和通行規(guī)則發(fā)生了較大變化，車輛的逃費(fèi)行為也與之前有所差異，如何利用數(shù)據(jù)資源打擊偷逃費(fèi)行為，挽回高速公路通行費(fèi)損失是高速公路管理者需要面臨的課題。

1 偷逃費(fèi)稽核現(xiàn)狀

在取消高速公路省界收費(fèi)站前，盡管有省界收費(fèi)站作為省際間路網(wǎng)的物理分割，但隨著各省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)距離不斷增加，車輛單次通行費(fèi)金額不斷增大，逃費(fèi)的誘惑力也越來越大，一些不法司機(jī)或運(yùn)輸企業(yè)為了達(dá)到逃費(fèi)目的采用多種作弊手段[1-2]。這些作弊手段包括闖關(guān)、換卡、改寫卡、倒卡以及假冒綠通、軍警等免費(fèi)車輛等。

面對(duì)日益猖獗的逃費(fèi)行為，高速公路管理部門采取了多種管理措施和技術(shù)手段。在管理方面，一方面加強(qiáng)內(nèi)部人員的管理，增加對(duì)內(nèi)部人員的檢查力度，打擊收費(fèi)人員與外部人員串通作弊逃費(fèi)；另一方面，與交警等進(jìn)行專項(xiàng)治理，聯(lián)合打擊偷逃費(fèi)行為。在技術(shù)方面，利用高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)積累的大量通行數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、打擊偷逃費(fèi)行為。

換卡、改寫卡等逃費(fèi)車輛的作弊行為，在數(shù)據(jù)上必然表現(xiàn)為某種異常，如車輛行駛時(shí)間過短、超時(shí)，出入口站點(diǎn)不合理、車型不一致，同一輛車同時(shí)出現(xiàn)在不同地點(diǎn)、路徑明顯存在異常等。借助大數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和異常，通過對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得出異常車輛數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)特征，從而判斷車輛是否存在逃費(fèi)行為，為打擊逃費(fèi)提供有力證據(jù)。

2 新ETC時(shí)代發(fā)生的變化

新ETC時(shí)代，在數(shù)據(jù)資源、通行規(guī)則和收費(fèi)模式、逃費(fèi)行為方面都發(fā)生了重要變化。

2.1 數(shù)據(jù)資源變化

取消高速公路省界收費(fèi)站后，數(shù)據(jù)資源變得更加豐富，數(shù)據(jù)類型更加多樣，數(shù)據(jù)量激增，主要表現(xiàn)為：

1) 數(shù)據(jù)種類增多。數(shù)據(jù)類型上，除了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);除了收費(fèi)數(shù)據(jù)，還有運(yùn)營(yíng)的其他數(shù)據(jù)等;除了收費(fèi)車道數(shù)據(jù)，還新增了ETC門架數(shù)據(jù)。其中ETC門架數(shù)據(jù)包括ETC流水、牌照識(shí)別流水、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、車輛圖像記錄流水、車輛抓拍圖片、CPC卡通行記錄、視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

2) 數(shù)據(jù)量激增。取消高速公路省界收費(fèi)站前，收費(fèi)數(shù)據(jù)主要是出入口的交易流水。取消高速公路省界收費(fèi)站后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)每輛車平均經(jīng)過10個(gè)ETC門架，以一個(gè)中部省份為例，ETC門架每天相應(yīng)的數(shù)據(jù)量約1.2 TB，其出入口交易量約2 GB，該數(shù)據(jù)量尚不包括ETC門架產(chǎn)生的抓拍圖片。

3) 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性更高。同一個(gè)ETC門架產(chǎn)生的OBU交易數(shù)據(jù)、車牌識(shí)別數(shù)據(jù)等存在關(guān)聯(lián)性，往往對(duì)應(yīng)的是同一車輛數(shù)據(jù)。相鄰ETC門架所產(chǎn)生數(shù)據(jù)，在時(shí)空關(guān)系上具有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，即一輛車與相鄰門架的關(guān)系既可以用來彌補(bǔ)漏交易，又能反映出車輛的行駛軌跡。

4) 數(shù)據(jù)價(jià)值更為豐富。新ETC時(shí)代，ETC車輛占比日益增大，同時(shí)貨車也開始大量使用ETC。ETC用戶的注冊(cè)信息與通行信息結(jié)合，能更好地實(shí)現(xiàn)用戶畫像，為ETC的應(yīng)用與拓展、稽核和信用體系的建立提供了可能。

2.2 用戶類型和收費(fèi)方式變化

取消高速公路省界收費(fèi)站以后，用戶類型和收費(fèi)方式變化主要表現(xiàn)為：

1) 用戶類型變化。我國(guó)在2015年實(shí)現(xiàn)ETC全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，ETC用戶數(shù)量穩(wěn)步上升，截至2018年底已突破7 000萬，但ETC車道及用戶數(shù)量、電子不停車收費(fèi)金額占比仍相對(duì)偏低。交通運(yùn)輸部取消高速公路省界收費(fèi)站工作的實(shí)施，極大地促進(jìn)了ETC的發(fā)展。截至到2020年7月，ETC用戶數(shù)量突破2.15億。同時(shí),《收費(fèi)公路車輛通行費(fèi)車型分類》(JT/T 489—2019)將摩托車歸為1類客車，為摩托車上高速公路奠定了基礎(chǔ)。

2) 收費(fèi)方式變化。高速公路用戶將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐訣TC用戶為主；通行費(fèi)收取方式也逐步從人工半自動(dòng)停車收費(fèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娮硬煌＼囀召M(fèi)為主；支付方式從以現(xiàn)金為主逐步調(diào)整為非現(xiàn)金(ETC用戶卡、手機(jī)移動(dòng)支付等)為主的支付方式。

2.3 逃費(fèi)行為變化

取消高速公路省界收費(fèi)站以后，車輛偷逃費(fèi)行為變化主要表現(xiàn)為：

1) 從MTC車輛為主向ETC車輛逃費(fèi)為主轉(zhuǎn)變。撤站后ETC用戶占比和通行占比較大，截至到2020年7月，ETC車輛通行比例超66%，作弊車輛可能利用技術(shù)存在的不足進(jìn)行逃費(fèi)，如拔出ETC卡、屏蔽CPC卡等。

2) 逃費(fèi)金額較撤站前更大。撤站前，按省域收費(fèi)的模式將偷逃通行費(fèi)行為限制在省域范圍內(nèi)；撤站后，由于沒有省界主線站的限制，逃費(fèi)范圍將變得更大。因此，單次逃費(fèi)金額更高，跨省逃費(fèi)成為可能。

3) 逃費(fèi)方式發(fā)生變化。撤站后，貨車由計(jì)重收費(fèi)調(diào)整為車型收費(fèi)，因此“走S行”和“跳秤”的行為將不復(fù)存在，但同時(shí)可能產(chǎn)生屏蔽通行卡和OBU進(jìn)行逃費(fèi)的行為。

3 基于車標(biāo)特征的稽核技術(shù)

3.1 Strom流處理的在線稽核技術(shù)

基于Storm流處理的在線逃費(fèi)稽核技術(shù)采用流處理技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、大數(shù)據(jù)分析支撐層和應(yīng)用層[3]。計(jì)算逃費(fèi)車輛所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)層，包括站點(diǎn)閾值表、車牌數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)也存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并發(fā)射收費(fèi)數(shù)據(jù)形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流；大數(shù)據(jù)分析支撐層包括假冒軍警牌、倒卡逃費(fèi)、套牌車識(shí)別計(jì)算等3個(gè)在線計(jì)算模塊，通過這些模塊并發(fā)判斷車輛是否存在逃費(fèi)行為，并進(jìn)行日志登記和任務(wù)監(jiān)控。在該數(shù)據(jù)層，收費(fèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，傳輸給3種在線計(jì)算模塊，計(jì)算模塊同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；最后，分析應(yīng)用層面向用戶給出稽核結(jié)果，完成逃費(fèi)車輛的在線稽核。

倒卡、假冒軍警牌、套牌換卡等3種逃費(fèi)方式在時(shí)間特征、空間特征上存在著顯著的區(qū)別，文獻(xiàn)[3]利用時(shí)空特征差異提出了基于Storm環(huán)境下的假冒軍警牌、倒卡、套牌車逃費(fèi)判別方法。通過對(duì)站點(diǎn)閾值、軍警牌數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)收費(fèi)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，應(yīng)用Strom流處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)稽核偷逃費(fèi)車輛。由于3種逃費(fèi)稽核方法共享同一份收費(fèi)數(shù)據(jù)，可以高效排查不同逃費(fèi)手段的可疑車輛，達(dá)到了低延時(shí)、高識(shí)別率的稽核逃費(fèi)車輛。

3.2 車輛的車標(biāo)識(shí)別

在逃費(fèi)行為中，套牌車輛逃費(fèi)具有隱蔽性高、普遍存在且不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，將Strom流處理技術(shù)應(yīng)用于套牌車輛稽核，應(yīng)用效果顯著。套牌車輛，如果僅從聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)數(shù)據(jù)的時(shí)空特征上進(jìn)行分析，對(duì)一部分套牌車輛難以進(jìn)行區(qū)分，還需要借助于其他特征加以判斷。套牌車輛除車牌以外還可能存在其它區(qū)別，如車標(biāo)就是一個(gè)顯著特征。取消高速公路省界站后，一方面，前端攝像機(jī)具備了車輛特征識(shí)別功能，另一方面聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)數(shù)據(jù)變得更加豐富，不僅有車牌識(shí)別結(jié)果，還有車輛的高清圖片。這些信息為識(shí)別套牌車輛提供了依據(jù)。為此，在原有Strom流處理技術(shù)的在線識(shí)別算法基礎(chǔ)上增加車輛的車標(biāo)作為特征，可以進(jìn)一步提高算法的識(shí)別準(zhǔn)確率。

為了識(shí)別車輛車標(biāo)，需要建立車輛的車標(biāo)特征庫(kù)，因圖像的HU不變距具有旋轉(zhuǎn)、平移和縮放不變特性，因此文獻(xiàn)[4]提出了基于圖像的HU不變距作為一個(gè)顯著的形狀特征，用于車標(biāo)特征識(shí)別。其中圖像的HU不變距定義如下：現(xiàn)假設(shè)有1幅圖像f(x,y)，它的(p+q)階原點(diǎn)距定義為：

(1)

中心距為：

q,p=0,1,2,L(2)

標(biāo)準(zhǔn)化中心距定義為：

文獻(xiàn)[4]還通過基于灰狼算法尋優(yōu)來進(jìn)一步提升車標(biāo)識(shí)別率。

3.3 融合車標(biāo)特征的套牌車輛識(shí)別

應(yīng)用Strom流處理技術(shù)，對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分析可以得到疑似換卡的套牌車輛。套牌車輛盡管車牌相同，但可能存在其他如車型、車品牌不一致情況，車品牌不一致最明顯表現(xiàn)為車標(biāo)不一致，因此將車標(biāo)作為區(qū)別車輛的重要特征，能夠進(jìn)一步甄別可疑車輛。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，融入車標(biāo)特征的套牌車輛識(shí)別算法能夠進(jìn)一步提高套牌車輛的識(shí)別率，可將識(shí)別率提高到99%以上。然而，部分套牌車輛尤其是經(jīng)常逃費(fèi)的套牌車輛，往往車型、品牌與被套牌車輛均完全一致，這給甄別帶來困難。

4 融合車輛特征識(shí)別及軌跡的稽核技術(shù)

對(duì)于套牌車輛與被套車型、車品牌完全相同的情況，可以借助于車輛的其他特征及軌跡特征來進(jìn)行識(shí)別。

4.1 車輛其他特征

除了車牌和車標(biāo)，其他特征也是區(qū)分不同車輛的重要證據(jù)。這些特征包括安全帶、年檢標(biāo)、車內(nèi)掛件、車內(nèi)擺件、車頂天窗、車臉位置等，如圖1所示。

圖1 車輛特征示意圖

即使采用同車型、同車牌、同品牌和同型號(hào)車輛在上述特征上也可能會(huì)存在差異，這種差異可以用于建立車輛特征信息庫(kù),用來區(qū)分套牌車輛。

車輛身份信息的認(rèn)定可以通過基礎(chǔ)信息比對(duì)來實(shí)現(xiàn)，包括：車牌號(hào)碼比對(duì)、車牌顏色比對(duì)、車標(biāo)比對(duì)、車身顏色比對(duì)、車輛品牌比對(duì)、子系品牌比對(duì)、車輛類型比對(duì)、車輛年款比對(duì)、路段信息比對(duì)、點(diǎn)位信息比對(duì)、時(shí)間信息比對(duì)等方面。

4.2 車輛軌跡異常識(shí)別

甄別車輛行駛軌跡是確定車輛是否有偷逃通行費(fèi)的主要技術(shù)特征，可充分利用ETC門架獲取的收費(fèi)數(shù)據(jù)、車牌數(shù)據(jù)、車臉圖像、車輛圖像等進(jìn)行逃費(fèi)車輛的偵測(cè)、取證、鎖定等。

逃費(fèi)車輛通過屏蔽CPC卡和OBU致使系統(tǒng)無法產(chǎn)生相應(yīng)的通行信息，按照現(xiàn)有的規(guī)則車輛以最短路徑繳納通行費(fèi)，即可達(dá)到逃費(fèi)的目的。對(duì)此，通過收費(fèi)車道和ETC門架的抓拍數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成車輛的軌跡，并根據(jù)車輛是否存在行駛時(shí)間過長(zhǎng)或過短情況，或存在不合理的繞行、折返來判斷車輛是否逃費(fèi)或套牌。對(duì)于無上、下高速圖片的車輛，其軌跡又存在異常，可將其列為逃費(fèi)嫌疑車輛。

取消高速公路省界收費(fèi)站后，系統(tǒng)運(yùn)行過程中小客車投訴咨詢的現(xiàn)象比較少，但大型車輛投訴較多。如果大型車輛屬于“兩客一?！避囕v，則可接入“兩客一?！钡能囕v數(shù)據(jù)，獲得車輛的實(shí)際路徑，以核實(shí)車輛通行情況，從而達(dá)到識(shí)別車輛逃費(fèi)行為。

5 結(jié)語

面對(duì)新ETC時(shí)代逃費(fèi)稽核形勢(shì)變化，需運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立數(shù)據(jù)分析模型，并形成完整證據(jù)鏈，為稽核工作找到突破口和著力點(diǎn)。同時(shí)，逐步建立完善的信用體系，形成車輛黑白名單數(shù)據(jù)庫(kù)，將偷逃通行費(fèi)的車輛納入失信名單，通過對(duì)應(yīng)的懲罰機(jī)制，真正實(shí)現(xiàn)誠(chéng)信者受益、失信者受罰，保障聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的公平秩序。