高速公路ETC系統數據挖掘與收費系統優化

摘要：本文通過分析高速公路不停車收費系統的數據，提出了利用高速公路門架數據為高速管理的營運管理服務的方法，其分析主要聚焦在高速公路路網監控和運行狀態、經營和收費管理、高速公路養護分析和高速公路服務水平計算等幾個方面。最后針對ETC使用情況、成功率、圖像識別與ETC識別對比情況、交易時長等，分析了ETC系統目前的運行狀況；針對ETC系統交易時間長的不足，提出了基于機動車電子標識用于高速自由流收費的系統優化方案。

關鍵詞：ETC系統；數據分析和挖掘；高速公路收費；不停車收費系統

ETC System Data Analysis and High-Speed Road

Toll Collection System Optimization

Gao Chao

ITSSKY Technology Corporation LimitedJiangsuNanjing210036

Abstract：By analyzing the data of the expressway non-stop toll collection system，this paper proposes the method of using the highway gantry data to provide operation management services for high-speed management.its analysis mainly focuses on the monitoring and operation status of the expressway road network，operation and toll management，highway maintenance analysis and highway service level calculation.Finally，according to the ETC usage，success rate，comparison between image recognition and ETC recognition，and transaction duration，the current operating status of ETC system is analyzed，and the optimization scheme of the system based on the electronic identification of motor vehicles for high-speed free-flow toll collection is proposed for the inadequacy of the long transaction time of ETC.

Keywords：ETC System；Data Analysis；High-Speed Road Toll Collocation

2018年5月16日，國務院常務會議上提出，為進一步促進物流降本增效，會議確定，推動取消高速公路省界收費站。為此，國家發展改革委、交通運輸部于2019年6月聯合印發了《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》，明確年底高速公路不停車快捷收費率達到90%。鼓勵ETC在停車場等涉車領域應用，2020年年底前，基本實現機場、火車站、客運站、港口碼頭等大型交通場站停車場景ETC服務全覆蓋，推廣ETC在居民小區、旅游景區等停車場景的應用。交通運輸部明確提出了推廣ETC聯網收費的推廣計劃和時間表，全國開展了轟轟烈烈的撤除省界收費站、改擴建ETC通道等基礎建設，同時各地高速公路聯網運營企業會同各商業銀行及第三方支付企業展開了大規模的ETC發行和安裝宣傳，ETC輔以視頻圖像識別將成為我國高速公路收費和涉車領域應用的主要形式。

為響應取消高速公路省界收費站的決定，交通運輸部于2019年6月制定了《取消高速公路省界收費站總體技術方案》［2］。2020年1月1日0時我國高速公路全網完成取消高速公路省界收費站工程全網并網切換，全網系統采用分段式計費方式，通過對入口車道系統、ETC門架系統、出口車道系統、全網清分結算系統及其他相關系統進行升級完善，實現“一次通行、一次扣費、一次告知和點亮出口費顯”［3］。經過5個月左右的系統磨合，隨著2020年5月全網恢復通行費收取，系統逐步走向了穩定、實用。

一、ETC系統數據挖掘

經過多年的ETC基礎設施建設，特別是2019年全國高速收費“一張網”的建設，江蘇全省共建成并投入使用ETC車道數共1399個，2021年1—7月ETC日均出口133.08萬輛，ETC門架和出入口車道每天產生的交易數據約3000萬條。通過ETC門架系統，我們可以實現高速公路上各項信息的有效采集和識別［4］，面對這樣龐大的一筆數據財富，全面深化挖掘ETC道路信息數據的共享和利用［5］，為高速運營管理單位構建營運監管和交通運行監測平臺提供數據支撐。同時，可以對門架數據進行相關的專題分析［6］，分析高速公路的服務水平和管養需求等。下面我們從ETC數據的構成、高速公路運維管理指標體系以及運維管理系統功能幾方面分析高速公路運維管理系統的架構。

（一）ETC門架數據構成

ETC門架數據記錄有200多個字段組成，數據量很大。這些數據大部分是ETC系統內部使用，其中有很大一部分數據是冗余的，這些冗余字段在以往門架本地計算能力較弱的情況下，為保證交易的成功率起到了比較大的作用。為更好地分析高速公路的運營狀況和通行能力等指標，我們抽取了如下的字段作為ETC記錄數據進行存儲和分析。

（二）高速公路運維指標體系

作為負責高速公路的運營管理的營運管理公司，其主要的管理職責有路網監控和運行狀態管理，高速公路收費和經營管理以及高速公路的養護管理等。通過利用實時的ETC門架數據，我們為其設計了高速公路路網監控運行指標，高速公路路段營運指標和高速公路服務水平及養護等三類指標，主要有以下的內容：

1.高速公路路網監控和運行狀態

通過精準地獲取路段上所行駛車輛的車型、車速、通行方向、通行時間及與之相關聯的軸重、總重等全面的交通數據，可計算出交通量、平均車速、車輛密度、車輛在高速道路上的出行里程等信息，對全路網進行全方位的監控和管理。同時可對路網的通行效率進行分析，為交通誘導等提供數據服務。同時，通過計算兩相鄰門架之間的平均車速，用于交通管控中區間測速，結合門架的視頻信息，可對超速車輛進行相應的處罰。

2.高速公路經營和收費管理

通過高速公路門架數據，可以統計匯總分路段通行費收入及收費站所收入的總金額，從而對本公司的經營情況有全面的了解。同時，分析各類特情及處理結果，可以對可能存在的收費異常進行統計和匯總，為通行費稽查工作提供參考依據。

3.高速公路養護分析

通過高速公路門架數據所提供的車輛類型及軸載分布，可分析計算各種車輛軸載對路面結構的損耗，提前預知道路可能產生的路面損害，為道路養護工作計劃制定提供依據，也為養護資金的預算和分配提供依據。

4.高速公路服務水平計算

高速道路服務水平是指道路使用者從道路狀況、交通條件、道路景觀與環境方面滿足人和車的出行需求所得到的滿意程度，其服務水平和行車速度、通行時間、行車的通暢和交通終端及受阻、安全性、行車的舒適的等因素相關，在實際考核中，一般以行車速度、運行時間、交通密度、服務交通量和通行能力之比來確定高速公路的服務水平。

以往對高速公路的服務水平評估除部分采用出入口數據外，大都是通過人工方式進行數據采集，工作量巨大，危險性高，并且有人為出錯的可能。結合高速公路門架數據，對通行速度、所占車道、車輛類型等數據都可以從門架數據中獲取，得到較為精準的影響高速公路服務水平的各項指標，從而計算出某段高速公路的服務水平。

二、ETC系統數據分析

為更好地分析高速公路聯網收費ETC系統目前的使用情況，我們采集了一個門架一個月的數據，試圖分析所采集的數據狀態對ETC系統中各項重要的指標進行定量分析，得出ETC系統使用中存在的問題，從而針對性地提出優化策略和措施。

（一）ETC卡的使用率

ETC卡的使用率是指通過門架車輛使用ETC卡與所有通行車輛的比例，是衡量高速公路收費站通行效率的一個重要指標。我們統計的某門架一個月的ETC卡使用情況如下：

上表可以看出，ETC卡的使用率在65.00%～69.00%之間，平均值為66.84%，數值每天變化不大，從數據可以看出，ETC的使用率約為67%左右，換言之，仍有約三分之一的車輛在走人工收費通道。

（二）ETC/CPC交易成功率

ETC/CPC成功與否取決于很多因素，最直接的就是車輛經過門架時未能識讀到OBU的數據，下面是ETC/CPC交易成功率的數據，我們同樣采集了某門架一個月的數據，情況見下表。

從上表可以看出，對于一個中等通行流量的門架，每天有超過2萬輛車經過，成功率約為98%，意味著每天約有200輛左右的車輛要進行特情處理，對于全省有超過1200個門架的情形下，處理量和事后的稽查工作量巨大，提高ETC/CPC交易的成功率十分必要。

（三）ETC卡交易情況

根據我們統計的ETC卡的交易時長，普遍存在交易時長過長現象，究其原因除門架計算機處理能力以及網絡延時等因素外，最主要的是OBU與RSU之間空口傳輸的數據量過大造成的，下面就是ETC卡交易時間的數據統計。

從上表可以看出，ETC交易的時延平均為280ms左右（國標為270ms）。從原始數據分析，最大的時延超過1000ms，交易時間長意味著RSU天線所覆蓋的交易距離長，這樣就帶來鄰道和對向的干擾，這應該是造成ETC交易不成功的一個重要因素。縮短交易時長對提高ETC工作效率有巨大的好處。

三、ETC系統優化策略

ETC系統存在的一些問題是由其目前采用的兩片式組合ETC收費技術所決定的，這種模式為路側單元（RSU）+電子標簽（OBU）+IC卡，在這種模式下，RSU和OBU之間存在著大量的數據交換，而OBU和IC卡之間又存在著大量的數據交換，尤其是RSU和OBU之間數據交換是通過空中接口進行的，無線傳輸相對于有線傳輸的成功率低，而整個體系只要有一處數據傳輸出現問題，就會導致整個交易失敗。

為改變設備間多次大數據量的數據傳輸過程，我們設計了一種提高ETC工作效率的方法，RSU只需從OBU上獲取車輛基本信息，然后根據門架（出入口）信息形成原先存儲在IC卡上的《ETC用戶卡復合消費文件》，通過網絡上傳至云端。當車輛經過下一個門架（出入口）時，門架獲取通過車輛的基本信息后，查找到存儲在云端的《ETC用戶卡復合消費文件》，并形成新的《ETC用戶卡復合消費文件》，如果此門架是出口，則依照以前的流程進行計費并上傳到云端進行清分結算。

這樣做的好處是極大地減少了門架與車載設備之間的數據交換，整個數據傳輸的過程應在50ms內完成，這樣就能大大地縮短RSU天線所覆蓋的交易距離，減少了RSU天線之間的無線干擾，提高ETC交易的成功率。

四、利用機動車電子標識實現優化的方法

2021年3月24日，公安部官網發布了《道路交通安全法（修訂建議稿）》公開征求意見的公告，公開向社會征求意見，機動車電子標識的普及和推廣逐漸提上議事日程。作為物聯網發展的一個分支產物，機動車電子標識利用無源射頻識別（RFID）技術的高準確性采集、高靈敏度、高精度識別的特點，通過在機動車輛上安裝電子車牌標簽，解決汽車網聯化過程中身份識別問題。作為機動車“二代身份證”的機動車電子標識具有的唯一性、防篡改、防復用的特性，在高速行駛中可以進行分車道識別機動車，使用機動車電子標識的電子不停車收費系統將極大地提高收費系統的工作效率。

結語

本文將ETC系統中門架數據用于高速公路運營單位的日常管理工作中，從高速路網運行狀態和通行情況的監控、運營狀態和通行費用分析、高速公路養護以及高速公路服務水平計算等方面提供的思路和方法，同時針對ETC使用率、成功率以及ETC交易延時等實時數據的采集，從數據層面分析了提高ETC系統效率的方法。隨著機動車電子標識立法進程的推進以及推廣應用，機動車電子標識將逐漸走進人們的生產和生活，成為機動車身份識別的另一個有效的手段，對交通運輸行業和人們的生活產生革命性的影響。

參考文獻：

［1］國家發改委、交通運輸部《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》［Z］.2019-6.

［2］交通運輸部《交通運輸部關于印發取消高速公路省界收費站總體技術方案的通知》（交公路函〔２０１９〕３２０號）.

［3］馮士峰.ETC門架系統在高速公路分段計費中的應用［J］.交通世界，2020（31）：5-6.

［4］王震宇.淺談ETC技術對我國智慧高速公路發展的推動作用［J］.智能城市，2020，19：157-158.

［5］朱熙豪，鄭于海，陶杰，等.5G與ETC融合的智慧交通體系建設探討［J］.中國交通信息化，2021（S1）：14-16+38.

［6］孫婧.ETC的后應用時代（一）| ETC門架數據應用場景及實踐［J］.中國交通信息化，2021（11）：18-25.

［7］公安部《道路交通安全法（修訂建議稿）》公開征求意見的公告［Z］.2021-3-24.

作者簡介：高潮（1963—），男，漢族，江蘇南京人，碩士，高級工程師，研究方向：智慧交通。