基于ETC門架智慧感知的高速公路運營數據分析應用

謝元昌

摘要：大力提高交通運輸和物流效率是黨中央，國務院高度重視的一項工作，新型ETC門架系統能夠顯著提高高速公路計費運營效率，對于提升高速公路系統智能化程度而言具有積極的作用。新型ETC門架系統有別于傳統人工收費模式，具有高效化、智能化、系統化的優勢，但由于新型ETC門架系統涵蓋了數千臺新增設備及其數據，在出現突發問題時需要迅速確定位故障點且維修故障，否則對于高速公路運營數據的分析和正常計費將產生不利影響。因此，高速公路運營數據分析應用，對設備的運行安全進行實時管理，及時有效處理各類問題是值得深入研究的課題。

關鍵詞：ETC??門架設備??數據分析??高速公路運營

中圖分類號：U495????文獻標識碼：A

Analysis?and?Application?of?Expressway?Operation?Data?Based?on?the?Intelligent?Perception?of?the?ETC?Gantry

XIE?Yuanchang

（Guangxi?Transportation?Science?and?Technology?Group?Co.，?Ltd.，?Nanning，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?530000?China）

Abstract：?The?Central?Committee?of?the?Communist?Party?of?China?and?the?State?Council?attach?great?importance?to?vigorously?improving?the?efficiency?of?transportation?and?logistic.?The?new?ETC?gantry?system?can?significantly?improve?the?efficiency?of?highway?billing?operation，?which?has?a?positive?role?in?improving?the?intelligent?degree?of?the?highway?system.?The?new?ETC?gantry?system?is?different?from?the?traditional?manual?toll?collection?mode，?and?it?has?the?advantages?of?high?efficiency，?intelligence?and?systematization.?However，?since?the?new?ETC?gantry?system?covers?thousands?of?new?equipment?and?its?data，?it?is?necessary?quickly?identify?fault?points?and?repair?faults?in?the?event?of?a?sudden?problem，?or?it?will?have?an?adverser?effect?on?the?analysis?of?the?operation?data?and?the?normal?billing?of?the?expressway.?Therefore，?the?analysis?and?application?of?highway?operation?data，?the?real-time?management?of?equipment?operation?safety?and?timely?and?effective?handing?of?various?problems?are?topics?worthy?of?in-depth?study.

Key?Words：?ETC;?Gantry?equipment;?Data?analysis;?Expressway?operation

國務院在2018年就明確提出要取消高速公路省界收費并加強服務水平提升以便全面提高其運行效率，擬加快推廣高速公路電子不停車（ETC）快速計費應用計劃，ETC設備免費安裝，全面實現聯網計費體制，但分段計費表現出許多問題，仍需在一定時期內不斷探索與嘗試，解決計費結算物理分割與統一管理的準確難題。隨著社會和經濟的飛速發展，汽車保有量急劇增加，高速公路的車流量也在逐年呈高位上升趨勢，更多高速公路已處于或者將要處于超飽和車流量的運營狀態。伴隨而來的是交通擁堵所造成的各種約束，再加上如今各級政府，社會民眾和新聞媒體對于交通安全保暢問題的重視，使得道路交通安全保暢問題成為營運高速公路治理工作中的重中之重。流量超飽和給高速公路運營管理工作造成了極大的考驗，而運營管理正是實現公路運營效率最大化和促進道路安全性提高的重要途徑。硬件環境決定管理大小，軟件環境反映管理強弱，二者有機融合不僅構成高速公路運營管理有機系統，而且決定高速公路運營管理整體水平。面對空前的交通壓力，高速公路如何突破道路交通安全保暢這一瓶頸，探討車流量超飽和情況下高速公路高效運營管理方法，研究形成可持續發展運營管理模式是目前迫切需要解決的課題。

1?ETC門架系統介紹

國務院常務會議于2018年5月16日提出了推進消高速公路省界收費站建設的建議[1]。交通運輸部聯合有關部門組成工作組，本著“試點在前，穩妥有序”，明確試點省，出臺試點技術方案、工程實施方案、測試方案與關鍵技術要求，進行大量基礎性測試，并對部省兩級系統進行建設改造，于2018年12月28日在江蘇與山東、重慶與四川試點，取消高速公路省界收費站15處，省界收費站擁堵問題得以破解，取得了較好的成效，為高速公路省界收費站交通擁堵問題的解決提供了寶貴的經驗借鑒。為了順應收費公路體制改革，提升收費公路服務質量和實現收費公路提質增效目標，ETC獲得了長足發展的契機。大力開發ETC用戶和依靠電子不停車快速收費技術建設ETC門架系統對實現ETC汽車分段收費，MTC汽車分段收費和出口統一收費[2]。開展高速公路入口治超工作，對全部車輛按型號收費。2019年，我國基本完成了撤銷29個聯網省份省界收費站、我國高速公路一張網建設任務[3]。圖1為我國目前使用的門架系統模式之一。

1.1?高速公路指揮行車省界路段ETC門架系統

省界路段上，為了避免門架之間的信號互相干擾，同向設置的2個門架之間的最小距離應當不少于50m。對同向沒有條件安裝2個門架的地段，單排門架可以結合實際情況進行安裝，并要兼顧關鍵設備冗余安裝。

1.2?ETC門架設備數據分析目標

伴隨著國內高速收費模式逐漸過渡到自由流收費模式，人們對于ETC設備依賴性越來越大，構建系統化、智能化的高速運營管理體系，對于提升高速運營管理效率，加強高速運營服務而言具有積極的作用。在這樣的背景下，經營體系的構建和完善顯得十分重要，智能化的經營體系不僅是一個簡單的系統搭建，而是需要高速運營各經營單位協同探索的工作，這樣才能提高高速公路的通行效率，為廣大旅客提供更加高效、貼心的交通運輸服務，實現舒適、自由、順暢的高速公路旅行方式。故障發生后迅速報告，并給出了專家的檢查意見，在發現問題時可以快速定位和及時維修，實現自由流收費模式，促進收費公路提質增效目標的實現。

2?ETC門架設備數據分析流程

2.1?實時數據采集

收集門架關鍵設備和門架機柜的數據信息，收集到的信息主要是為了給后續檢測系統提供數據支持。通過數據可以有效地為設備指標分析提供基礎條件。收集到的數據主要可以為設備狀態、運行環境與設備的動力方面提供相應的支持。

2.2?數據解析

根據采集到的數據結合物聯網協議對其進行解析可以實現數據的格式電子解析的標準。物聯網協議是廠家規定的協議，不可以隨意更改，因此物聯網協議分析平臺可以實現對于廠家設備的數據解析，并保證準確性。

2.3?檢測維度確立

在數據解析之后需要確立一個對于全部門架設備的檢測維度，并在此檢測維度內對于數據進行數據集的設置。數據集的設置可以實現對于海量數據和信息進行搜索，以及對于設備故障的排查引擎的構建。

2.4?機器學習

基于數據解析和檢測維度的確立，在此基礎上利用算法及關聯算法實現對于收集到的數據進行特征分析，并構建一套符合設備故障規則的引擎以實現對數據進行正?；蛘弋惓Ｇ闆r分析，機器學習算法可以在大量數據獲取的基礎上實現對于設備故障的學習，進而在此規則下引擎具備了對于設備故障進行檢驗以及實現對于故障點的精準定位能力。

2.5?實時監測

檢測維度確立后以監測數據作為數據的輸入來源，將數據發送至機器設備中，在設備中設置好的規則下引擎可以實現對數據的正確與否進行檢測，當出現異常情況則設備會自動傳遞給專家進行排查，從而實現快速的為維護人員提供維護信息。該平臺可以實現對于故障點位及時準確的定位功能，并能夠及時發現問題并傳遞給專家庫進行解決。通過專家庫可以針對檢查出來的故障給出專家維修建議并提供專家支持，使設備能夠迅速恢復正常工作[4]。

3?ETC門架設備數據分析技術說明

ETC門架設備數據的搜集和分析以對門架設備電流、電壓、功率、溫度、濕度等數據的分析為前提，保證了故障出現前的精準預判，能夠為系統管理人員提供準確的數據，以便系統管理人員可以對ETC門架設備數據進行快速的分析，找到ETC門架設備數據中存在的問題，通過實時監控來提高ETC門架的運行穩定性。該平臺內建協議棧，一般情況下內建協議?？梢匀诤隙鄠€設備廠家的數據和系統模式，當路段采用眾多廠家設備的時候還可以對數據進行快速的整合解析，從而提升檢測維度的精密性，提高運行效率。

ETC門架設備數據平臺的構建依賴于規則引擎并通過數字算法實現對數據的搜集和分析，規則算法解析流程決定了系統如何采集數據和整合數據，并利用系統的學習功能，將溫濕度值、電流、電壓等數據的形成設備狀態異常規律進行分析，當設備電流出現異常信號就可以實時發出故障報警，將問題定位于設備故障之前，有利于系統維護人員第一時間響應故障，實現了設備故障預判并能夠迅速定位處理而不會影響高速公路的正常計費。

ETC門架設備數據平臺的學習模型運行需要大量的實時數據和歷史數據。第一，實時數據可以由內因實時數據與（或）外因實時數據構成。內因實時數據是指目前機電設備電流、電壓、功率因數、運行時長、生產廠家、機型、生產年份、批號等其中一種或幾種的綜合。外因實時數據為天氣數據、維護次數和地點中的一種或者幾種。第二，歷史數據。歷史數據一般也劃分為兩個類型，一種是內因歷史數據，通常是功率因數、運行時長、生產廠家、機型等數據；另一種是外因歷史數據，主要是天氣狀況數據、維護的場合、維護的次數等。值得注意的是，這里提及的維護次數是指整個設備生命周期內進行維護次數。平臺系統的運行還依賴于關聯算法的設置，有的時候設備運行環境不正常就是由于多個設備之間互相依賴和互相制約而產生的不正常情況，如機柜溫度過高，這個問題的出現原因是多方面的，可能是空調的硬件結構受損，也有可能是機柜處于空調狀態，或者是電鏈路中斷等問題。因為問題的原因是多面的，在分析原因時會帶來一定的困難，這時候如果可以利用關聯算法，對運行情況進行全面的分析，就可以更高效地找到問題原因所在，有利于運維人員進行源頭性問題的梳理和處理，迅速對問題進行維修，提高ETC門架設備數據平臺的運行效率。優勢在于不僅降低了運維人員的人力和時間耗費，還有利于提高ETC門架系統的運行穩定性?[5]。

4?基于ETC門架智慧感知的高速公路運營數據分析應用

4.1?ETC分段計費過程中存在的問題分析

數據采集的方式有很多種，并且從各獨立的平臺進行采集，具有平臺壁壘的特點，這就要求工作人員離線填表，離線匯總和離線統計分析。存在著統計靈活性、及時性不高，以及工作量反復和效率低下等問題。由于數據分析大多為離線進行，缺少實時觀測數據并進行連續分析，不能用數據來實時地反映道路運營情況、預測道路運營趨勢、實現道路運營狀況的提前檢測、積極防范。第一，數據收集覆蓋率，準確率不高，缺少數據清理及數據校正等功能；第二，出對有沖突的數據源只會使雙方數據可信度下降，無法利用數據源之間的內在聯系來實現數據相互校正。長途運輸車輛利用這一漏洞，使用屏蔽計費設備或者遮擋車牌來偷逃通行費是經常發生的。高速公路業務數據主要來源于已有第三方系統，這就導致了對于第三方平臺轉型依賴，并且在數據統計類型上不能滿足要求，在數據權利上較為被動等問題。如果第三方系統出現故障，無法接入等問題，將嚴重妨礙高速本身對業務數據進行分析。

4.2?基于ETC門架智慧感知的高速公路運營階段性數據分析與應用

4.2.1?搭建綜合分析系統

某高速為了解決路徑信息丟失問題，對通行實時計費算法進行優化，搭建網絡模型并進行最短路徑算法研究，提出了一種適用于大流量高速公路網絡費率的實時測算方案，該綜合數據分析平臺意在根據某高速數據采集，應用需求情況，面向“平安智慧高速”，搭建某高速數據運營平臺全面解決前文提出的難題。平臺智慧數據分析平臺要求該路段的數據類型。

4.2.2?發布交通情報信息

文章全面考慮某高速公路營運條件下情報板信息安全分發的具體需求，面向智慧高速情報板信息應用場景，以傳統情報板信息管理平臺文字信息編輯分發為基本功能，采用語義分析算法對文字內容編輯進行優化。第一，引入智慧模板理念，根據服務類型對情報板信息內容進行歸類，產生實時路況模板和智慧天氣模板兩種模板應用。第二，在情報板信息分發過程中實現批量操作、信息審核追蹤、信息計劃分發等功能。第三，支持智能高速情報板信息處理。第四，結合智能高速情報板消息處理流程，為情報板信息處理提供保障。第五，提出智能高速情報板事件處理方案。某高速信息安全發布顯示出當前常用情報板信息發布系統邏輯拓撲，操作員通過情報板分發軟件的前端界面或者web界面對所需分發的信息進行編輯，同時通過情報板分發或者后臺系統通過高速公路主干網/監控網以播放列表的形式向下位機發送所分發信息，下位機再依據播放列表在情報板屏幕中按照自己的播放策略定時循環播放。若操作員選擇互聯網數據來進行即時數據更新和分發，如實時路況圖、實時天氣預報、實時路況事件等，情報板分發軟件或者后臺系統會自動循環從規定的互聯網數據源中，獲取該數據并只進行智能處理，然后自動循環更新至下位機，下位機再將該數據分發至情報板中。

4.2.3?數據感知分析及應用

某高速公路智慧數據分析平臺通過抓取某高速公路所轄全部收費站2020年10月14日至10月21日時的車道日志數據，門架式ETC天線誘導日志數據，及路側監測抓拍數據等，對某高速每條龍門架誘導及抓拍準確度、每條路段、收費站開通狀況、收入狀況，某高速整體OD矩陣等，進行定量分析，以及龍門架感應與抓拍的準確度分析等。[6]第一，分析了某高速上各個龍門架感應與抓拍準確度。從數據分析中可以看出，ETC感應天線數據采集準確率比傳統抓拍設備更高。常規抓拍設備準確率高，受光條件影響大，晝夜準確率相差約1倍。此外，不同站段龍門架上的抓拍設備資料也出現異常。某高速各個服務站進出流量呈現明顯大部分地區偏高、少部分地區偏低態勢，此外，從資料中可以看出城市較大的收費站的流量是最大的，小城市的兩個站的流量之和才能與大城市站點流量相近。出入車輛占比異常情況需要對分流的成因進行深入的分析。第二，根據車型定量分析。根據車型（客車和貨車）某個區段車流數據進行了定量分析。經過數據分析，某高速的流量被不同樞紐分流到高速上，且分流比例較大。第三，對站點收入進行了分析某智慧數據分析平臺根據每個路段交通流量數據及每個收費站車道收費日志數據還原每個收費站7日內收入及每個路段收入能力。根據資料分析，某高速現實際收益高于應收收益，主要是貨車收益[7]。

5?結語

第一，高速公路指揮行車ETC門架系統，是保障網絡安全、計算和儲存等裝置穩定運行的關鍵設備。ETC門架系統借鑒了網絡安全等級防護中安全通信網絡，安全區域邊界和安全計算環境三級安全防護需求，并充分考慮了外場設備物聯網屬性進行安全防護，從而為聯網收費系統提供了很好的保障。第二，為了保證高速公路指揮行車ETC門架系統門架立柱、橫梁的平穩施工與安裝，要加強基礎施工控制的力度，特別要注意角偏位位移的控制。第三，每條高速公路上指揮行車ETC門架結構系統的安裝施工都要有充分準備，以保證施工和通行的安全，擬定了施工期各種工況的交通組織計劃；此外，對門架在施工和安裝時存在的風險源也進行了識別和分析并擬定了相關風險防范措施。第四，在每條高速公路指揮行車ETC門架系統配置一套戶外綜合機柜。綜上所述，門架設備實時監測與異常數據分析可以縮短由于運維人員經驗較少而耗費在高速公路上的設備故障檢查維修時間，減少經濟效益損失等，同時可以及時采取應對措施，降低故障出現的可能性。

參考文獻

[1] 彭立，龔平，王祥，等.高速公路智慧行車ETC門架系統技術研究[J].中外公路，2022，42（1）：261-266.

[2] 李剛，易西澤郎，趙盛雄，等.基于ETC門架智慧感知的高速公路運營數據分析應用[J].中國科技信息，2021（12）：62-64.

[3] 楊祥明.智慧交通ETC門架系統網絡安全建設方案[J].智能城市，2021，7（10）：125-126.

[4] 周小杰.智慧交通ETC門架系統網絡安全建設[J].科技創新與應用，2020（36）：71-72.

[5] 唐穎.智慧高速公路ETC門架設備數據計算與分析[J].交通世界，2020（26）：22-23.

[6] 戴劍軍，彭巍，傅達，等.ETC門架智慧運維關鍵技術及應用[J].湖南交通科技，2020，46（2）：124-128.

[7] 劉健帥，張帥，孫志華.淺析智慧交通ETC門架系統網絡安全建設[J].自動化博覽，2019，36（S2）：36-40.