基于ETC門架數據的高速公路交通量轉換探究

李林鋒 邱廷銓 邢麗峰

（1.福建省高速公路聯網運營有限公司，福建 福州 350001;2.交通運輸部規劃研究院，北京 100028）

公路交通情況調查（簡稱“交調”）通過對國道、省道、縣道、鄉道及專用公路的交通狀況開展調查，掌握公路斷面交通量、車型等交通流特性。公路斷面交通量是指單位時間內通過公路某斷面的交通實體數。目前，高速公路斷面交通量、車型等交調數據依托于高速公路路段設置的自動化交調站實時采集。截至2020年底，全國高速公路自動化交調站有2342個，高速公路網觀測覆蓋程度達34.3%。但這種依托于自動化交調站的采集方式，受調查站點布設位置、布設密度等局限性的影響，無法準確掌握高速公路全路網的交通量情況。

為提高高速公路全路網各路段交通量自動化采集水平，充分發揮ETC門架數據價值，通過智能化手段代替傳統硬件，減少高速公路沿線交調站的建設和運維費用，文章提出兩種轉換方法，將ETC門架數據轉換為交通量數據。

一、研究現狀

在公路交通情況獲取方面，王海燕等[1]基于收費站數據，推算了出入口OD流量；鐘足峰等[2]提出了基于回歸樹理論和數據挖掘技術高速公路交通量預測方法；錢超[3]基于多維ETC歷史數據，提出了利用OLAM方法的公路交通量多維預測模型；王靜[4]通過人工抽樣的車型轉換方法，將高速公路主線收費站作為二類交調站的補充用于公路交通量統計；李樹彬等[5]在收費站數據基礎上，采用仿真手段估計全路網實時交通狀態；胡閏秀[6]研究提出基于人工調查手段的車型轉換方法，將收費數據轉換為斷面交通量，并對單線路邏輯求和，為路網平衡配流；趙亞偉等[7]研究提出多重影響因素下的高速公路ETC車道短時交通流量預測模型；湯權等[8]依據聯網分析挖掘技術，利用ETC系統收費數據實現交通量多維預測；史學文[9]以連霍高速公路江蘇段為研究對象，對收費站和交調站數據建立基于小波神經網絡模型的短時交通量預測模型。

根據研究現狀可知，ETC數據在公路交通情況獲取方面的應用集中于交通量的統計、預測，以及舊收費標準下的車型轉換研究，缺少新收費標準下的基于ETC門架數據的交通量轉換研究。

二、轉換可行性分析

（一）站點布設及設備運行條件

ETC門架系統基本覆蓋了所有交通流發生變化的路段，與交調站的布設原則基本一致。門架系統由上、下行雙方向門架組成，上、下行雙向門架宜背向錯開設置，一個門架系統即可視為一個交調站，上下行門架監測的流量合計即為該斷面的交通量。ETC門架系統涉及高速公路收費業務，其路網覆蓋范圍、設備精度、運維保障水平等方面的要求高，數據穩定可靠，能夠滿足交調采集要求。

（二）指標采集一致性

ETC門架系統向上級系統上傳的數據，包括ETC交易流水（雙片式OBU）、ETC通行憑證（單片式OBU）、ETC通行記錄（交易失敗）、圖像流水記錄、CPC卡通行記錄，含交易時間、車型、車種、車牌號碼、車牌顏色、交易時間、行駛方向等信息。

公路交調設備能夠按照行駛方向采集通過道路斷面的單個機動車車型數據，統計交通數據處理周期內（5min）的機動車分車型的交通量數據，并對采集和統計的數據進行記錄和傳輸。要求分車型采集的交通量的相對誤差應不大于10%。

從指標采集一致性方面分析，在ETC門架系統中提取如下字段，如表1所示，統計數據處理周期內的分車型數據，可獲得不同車型的交通量數據。

表1 ETC門架系統提取字段說明表

（三）車型劃分匹配性

根據《收費公路車輛通行費車型分類》（JT／T489-2019），收費車輛按客車、貨車和專項作業車三個大類分別進行具體分類。其中，客車按照公安機關交通管理部門機動車注冊登記的車輛類型和核定載人數分為4類；貨車按總軸數、車長和最大允許總質量分為6類；專項作業車分類標準和貨車類似，分為6類，主要針對裝置有專用設備或器具，在設計和制造上用于工程專項（包括衛生醫療）作業的汽車。ETC門架系統中，針對不同車型單獨編碼，四類客車分別編碼為1～4，六類貨車分別編碼為11～16，六類專項作業車分別編碼為21～26。此外，在貨車收費車型的基礎上細分了車種分類，并對J1類型集裝箱、J2類型集裝箱單獨編碼為24、28。

根據公路交調車型劃分標準，交調車型按汽車軸數、車長和額定承載能力分為7類，其中客車分為包括中小客車、大客車2類，貨車分為小貨車、中貨車、大貨車、特大貨車和集裝箱車5類。

對比兩類標準，可得交調車型和收費車型對應關系，如表2所示，中小客、大客、大貨、特大貨、集裝箱5個車型均可直接對應匹配。但由于兩種標準對貨車質量定義不同，交調車型劃分標準中要求，小貨車載質量小于2噸，中貨車介于2噸～7噸；而收費車型劃分標準中要求，1類貨車總質量小于4.5噸，2類貨車不小于4.5噸，1類、2類貨車與小貨車、中貨車標準有交叉，因此不能直接對應。

表2 交調車型和收費車型對應關系表

從兩種車型劃分標準匹配性方面分析，兩者在車型劃分上匹配度較高，僅收費車型1類貨車、2類貨車和交調車型的小貨車、中貨車匹配中存在交叉重疊，可通過轉換模型劃分。

三、車型轉換方法

針對交調車型小貨車、中貨車與收費車型1類、2類貨車交叉的問題，提出兩種轉換方法，一是比例拆分法，利用拆分模型對交叉車型進行拆分；二是直接對應法，小貨車、中貨車分別直接對應1類貨車、2類貨車。

（一）比例拆分法

比例拆分法的思路是通過確定同一路段交調車型小貨車、中貨車的比例，對門架通行數據中1類貨車和2類貨車數據進行拆分。

1.交調數據比對

基于高速公路交調站歷史數據，以路線為單位，確定中、小貨車交通量比例關系，按比例對門架通行數據中1類貨車和2類貨車的總流量進行拆分。

如歷史數據中，存在路線t，共n個交調站，路線中第i（i=1，2，3，···n）個交調站點的小貨車流量為Pit，中貨車流量為Oit，而路線t中所有門架1類貨車、2類貨車的總流量為Lt，則拆分后的小貨車交通量計算如公式3所示：

中貨車交通量計算如公式2所示：

2.抽樣人工確定

通過人工抽樣觀測的方式，以路線為單位，選取路線上典型位置的門架開展人工觀測，基于人工采集的小貨車、中貨車的數量和比例，確定該路線的拆分系數，拆分該時段通行流水數據中1類貨車和2類貨車總流量。

3.圖像采集識別

基于高速公路圖像流水記錄中車輛通過ETC門架采集的圖像歷史記錄，通過圖像識別軟件匯總歷史圖像記錄中的小貨車、中貨車的數量和比例，確定該路段的拆分系數，拆分該時段通行流水數據中1類貨車和2類貨車總流量。

（二）直接對應法

兩種車型劃分標準下，車長劃分標準一致，均為6m；而質量劃分標準不同，交調小貨車要求載質量≤2噸，收費1類貨車要求總質量＜4.5噸，差異集中在貨車空載質量（即貨車自重）。車輛空載情況下，同一車型空載質量基本一致，載貨情況下由于貨重不同造成貨車總質量差異較大。

為避免對不同時期高速公路貨車載重變化造成估計誤差，可基于長時間序列的高速公路入口稱重數據繪制1類貨車總質量分布曲線，得到1類貨車總質量在不同噸位上的數量分布，通過構造滑動窗搜索左側概率分布第一個峰值，其對應的總質量即為1類貨車的平均空載質量。若在長時間序列、大樣本范圍內，統計結果滿足公式3，即證明1類貨車直接轉換為交調小貨車數據的誤差不超過10%，滿足交調分車型采集的精度要求，可進行直接對應。2類貨車和交調中貨車直接轉換的驗證思路相同。

其中，HC表示貨車數量。

（三）方法比較

比例拆分法中，通過交調數據比對的優點是簡單易行，分析結果代表性高，但對交調站規模和數據質量要求較高；通過抽樣人工數據比對的優點是準確性較高，但須耗費人力物力財力；通過圖像采集識別的優點是準確率高，可獲得每個門架的拆分系數，但操作時間長，成本高；在滿足交調分車型采集精度的條件下，直接對應法的轉換規則簡單，可實現實時轉換，轉換過程對計算性能要求較低。

四、結語

為實現ETC門架數據轉換為公路交通量數據，本文以ETC門架數據為基礎，從站點布設及設備運行情況、指標采集一致性和和車型劃分匹配性三個方面分析了轉換的可行性，提出了比例拆分法和直接對應法。文章提出的方法具有較強的現實意義，對掌握全路網各路段交通量、創新高速公路交調自動化采集體系具有重要參考價值。