高速公路ETC性能快速檢測數(shù)據(jù)處理方法

周麗軍，周曉旭

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展，公路里程持續(xù)增長，導(dǎo)致收費站系統(tǒng)迅速擴張。2019年底數(shù)據(jù)顯示，全國高速收費站約9 400個，省界收費站244組。隨著國家取消省界收費站交通戰(zhàn)略的實施，2019年底基本實現(xiàn)ETC車道全覆蓋，由封閉收費模式向分段自由流收費過渡，2019年底全國收費站ETC車道數(shù)約為8.4萬條，門架系統(tǒng)約1.5萬套，估算門架系統(tǒng)ETC車道約4萬條，其中山西省ETC車道數(shù)預(yù)計約5 900條，其中，收費站ETC車道約3 400條，門架系統(tǒng)約861套，門架系統(tǒng)ETC車道約2 583條[1]。

面對全國路網(wǎng)數(shù)量巨大的收費站和門架系統(tǒng)的ETC車道，其ETC性能的優(yōu)劣直接影響著收費系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此，對ETC設(shè)計參數(shù)、指標(biāo)、性能等內(nèi)容進行綜合且全面的測試是保障ETC運行正確性和有效性的關(guān)鍵，也是ETC的運營和維護直接的數(shù)據(jù)來源[2-3]。

為了提高ETC運營和管理的檢測效率和安全性，需要通過先進的技術(shù)手段，突破傳統(tǒng)ETC檢測裝備的技術(shù)瓶頸，提高質(zhì)量和效率，形成技術(shù)保障體系。山西省交通科技研發(fā)有限公司自主研發(fā)了一臺面向高速公路運維的ETC性能快速檢測裝備，主要解決傳統(tǒng)ETC車道物理性能檢測儀器設(shè)備效率低下、檢測耗時長、檢測過程需要進行封路等突出問題，提升檢測效率，降低檢測時間，減少人員投入，在不停車、不封路、正常車速工況下完成檢測車道系統(tǒng)檢測[4]。

但是，由于在數(shù)據(jù)采集過程中，受車輛行駛速度、路況導(dǎo)致車輛顛簸等的影響，采集的數(shù)據(jù)會存在同一地點重復(fù)采集、無效與干擾數(shù)據(jù)增多等問題，使得檢測結(jié)果雜亂不清，很難清晰地給予實際物理意義。本文針對以上問題研究了高速公路ETC性能快速檢測數(shù)據(jù)處理方法，對自主研發(fā)的檢測裝備提升檢測水平具有十分重要意義。

1 ETC采集數(shù)據(jù)處理流程

1.1 去除冗余數(shù)據(jù)

檢測裝備以車載式在高速公路行駛，在經(jīng)過ETC車道時采集數(shù)據(jù)，其過程中會因等待前車、減速等原因在同一檢測點多次采集數(shù)據(jù)，產(chǎn)生大量重復(fù)采集點數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)若不處理不僅占據(jù)內(nèi)存，同時在最后能量分布中會占據(jù)大量能量值，影響能量正常分布。因此首先需要對采集的原始數(shù)據(jù)f（x）去除重復(fù)數(shù)據(jù)，即：

式中：g（x）為去除重復(fù)數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)集。

圖1為一個ETC車道原始采集數(shù)據(jù)，共采集了500個數(shù)據(jù)，但是有部分數(shù)據(jù)是完全重復(fù)的，如圖1中，白色部分為原始采集數(shù)據(jù)，黑色部分為去除重復(fù)點以后的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，去除重復(fù)點后，數(shù)據(jù)量減少了約36%，在數(shù)據(jù)庫中極大地減少了存儲空間。

圖1 原始采集點與去除重復(fù)采集點比較

1.2 三次樣條數(shù)據(jù)插值

采集數(shù)據(jù)過程中由于受到車載車況以及采樣設(shè)備采樣率的影響，使得在一定時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)不均勻或者有缺失，那么會因為數(shù)據(jù)量小導(dǎo)致數(shù)據(jù)的分布情況不明朗，無法準確表達數(shù)據(jù)的軌跡趨勢，為了打破數(shù)據(jù)量小的限制，可以采用插值方法產(chǎn)生合理的數(shù)據(jù)以支撐數(shù)據(jù)的分析行為，本文經(jīng)過幾種插值方法比較，選取三次樣條數(shù)據(jù)插值方法對數(shù)據(jù)進行分析。

考慮到本文中需要對某一個ETC車道的ETC性能檢測結(jié)果進行趨勢分析，即要從采集數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)趨勢輪廓信息，因此需要盡可能提取數(shù)據(jù)的峰值點，再將峰值點擬合成曲線。

在插值之前首先對去除重復(fù)數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)g（x）求導(dǎo)數(shù)，以獲取數(shù)據(jù)的極值點：

即在導(dǎo)數(shù)函數(shù)中大于0的為波峰，小于0的為波谷，分別用Max_g（x）與Min_g（x）表示。

圖2中通過上述方法提取了ETC檢測測量數(shù)據(jù)信號的波峰與波谷，從圖中可以看出，波峰呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢，但是有些波谷比波峰的能量值更高，而有些波峰的值甚至達到極低的波谷值（能量-100～-105之間）。因此，若僅僅從能量值大小上對數(shù)據(jù)進行擬合，會將極低值的波峰（在實際測量中沒有意義）進行擬合。那么需要進一步去除極低的波峰值與較高的波谷值的干擾。

去除以上干擾點可以采取如下思路：遍歷所有波峰波谷，若相鄰的波峰之間的差值小于某一閾值σ0，可刪除此波峰；若相鄰波峰與波谷之間的差值小于某一閾值σ1，可刪除此波谷，即：

根據(jù)以上去除干擾后的數(shù)據(jù)h（x）進行三次樣條插值。三次樣條插值算法流程如下：

圖3中比較了三次樣條插值與線性插值及最近鄰插值的效果，從一正弦信號中提取9個點作為原始數(shù)據(jù)點，采用線性插值方法能較好地對平滑線段進行擬合，而在彎曲部分只能擬合成直線段；采用最近鄰插值方法基本上只能以直線方式擬合，盡管在弧形部分也只能擬合成直線形式；而采用三次樣條插值方法，能較好地擬合出正弦波形，且在正弦波的曲線頂點處能擬合出平滑的曲線。

圖3 3種插值方法比較

2 實驗結(jié)果分析

本文采用自主研發(fā)的面向高速公路運維的ETC性能快速檢測裝備進行作業(yè)，該裝備集成了ETC檢測傳感器、電氣化控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在山西省某一段高速公路收費站ETC車道進行檢測，獲取的一段數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 ETC性能快速檢測裝備實測原始數(shù)據(jù)

從原始數(shù)據(jù)可以看出，采集的數(shù)據(jù)存在非均勻性以及數(shù)據(jù)跳躍間隔較大的特點，使得大多數(shù)能量值很低的信號是無效的。從這些原始數(shù)據(jù)中去除干擾無效信號，獲取信號的軌跡趨勢，如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)去干擾處理過程圖

首先需要去除冗余點，對數(shù)據(jù)中找到的相同點賦零值，最后去除零值點，獲得非冗余數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，此實例中冗余數(shù)據(jù)占比高達36%，去除這些冗余數(shù)據(jù)不僅能減少數(shù)據(jù)計算量，還能針對后續(xù)大量的檢測業(yè)務(wù)極大地減少存儲。再根據(jù)本文提出的方法去除干擾點，即對于采集數(shù)據(jù)中此位置波峰與下一個位置波谷距離較近的數(shù)據(jù)，以保留波峰去除波谷為原則進行篩除，對于此位置波峰與下一個位置波峰能量差異極大的情況，以去除低能量波峰為原則進行篩除，獲得有效的波峰信號，這些信號經(jīng)過處理后較好地保留了數(shù)據(jù)的趨勢，但同時在有些測試點上會缺失有效數(shù)據(jù)。為了更好地預(yù)測跟蹤每個測試點的數(shù)據(jù)，最后將去除干擾后的數(shù)據(jù)進行插值處理，通過性能比較，采用曲線平滑效果較好的三次樣條插值方法擬合曲線，如圖6所示，圖6中擬合結(jié)果較好地反映了采集數(shù)據(jù)的輪廓趨勢。

圖6 三次樣條插值擬合結(jié)果

3 結(jié)語

本文依托自主研發(fā)的面向高速公路運維的ETC性能快速檢測裝備外業(yè)中采集的數(shù)據(jù)，針對環(huán)境因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)干擾等問題，研究了ETC性能快速檢測數(shù)據(jù)處理方法，分析了數(shù)據(jù)冗余產(chǎn)生的原因并去除數(shù)據(jù)冗余，提取數(shù)據(jù)波峰波谷信息并從波峰波谷中分析出大量無效數(shù)據(jù)，研究了無效干擾數(shù)據(jù)的去除方法并采用三次樣條插值方法對有限有效數(shù)據(jù)進行擬合，形成了有平滑效果的數(shù)據(jù)輪廓信息，提取了ETC性能檢測數(shù)據(jù)的軌跡趨勢，表征了ETC信號的能量分布。