高速公路智慧型营运管理平台研究

郝建明， 徐青松， 唐又林

（中海网络科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

随着高速公路建设的持续快速发展，联网收费和联网监控技术也在不断成熟，营运管理工作中对通行费的收取和拆分、通行卡和票据的管理等需求已经得到了满足。但是，随着近年来智慧城市理念的提出和发展，智慧高速公路逐渐成为智慧城市的组成部分，营运管理工作朝着智慧化方向发展的过程中，在收费金额预测、作弊车辆分析和信息服务提供等方面产生了新的需求，而联网收费系统尚无法满足这些新需求。

引入智慧型营运的概念，利用数据挖掘和实时分析技术，以联网收费和联网监控数据为基础，建立智慧型营运管理平台来满足营运管理的新需求，无疑是提高营运管理水平的有效手段。

1 研究背景

1.1 国内外营运管理现状

美、欧等国家在上世纪80年代就开始了智能交通营运管理平台的研究。美国建立了车队管理、交通出行信息、电子收费等系统。欧洲则建立了旅行信息系统（Advanied Traveler Infor mation System，ATIS）、车辆控制系统（Advanced Vehicle Control Systems，AVCS）、商业车辆运行系统（Advanced Co mmercial Vehicle Operations，ACVO）和电子收费系统［1］等。发达国家对营运管理系统平台的建设起步较早，现已形成了完善的体系。

我国在高速公路营运管理领域的起步较晚，从最早的人工管理阶段发展到半自动化管理阶段，目前正伴随着智慧城市的发展向智慧型营运阶段迈进。高速公路营运管理工作大致包括：

1）通行费的收取、统计、拆分。

2）通行卡、票据的管理。

3）收费费率的制定。

4）收费政策的制定和新业务的推广。

5）收费稽查。

6）信息服务提供。

目前的联网收费系统已经满足了营运管理工作中对钱、卡、票和费率的管理需求，但是在满足其他需求时存在不足之处，主要体现在以下几个方面：

1）无法对收费政策制定和新业务推广方案制定提供决策数据支持。

2）无法自动地获取作弊车辆信息，从而进行主动稽查。

3）无法提供多元化的信息服务发布方式。如公安人员只能到高速系统内部以人工查询方式获取嫌疑车辆通行记录。

1.2 引入智慧型营运管理平台的必要性

为适应高速公路营运管理工作向着智慧型营运阶段发展的趋势，必然需要在联网收费系统和联网监控系统之外引入独立的智慧型营运管理平台，从“营运分析智慧化”、“稽查分析智能化”、“信息推送实时化”和“信息提供多元化”多角度满足智慧型营运的需求，以期解决营运管理工作中缺少决策支持数据、无法自动稽查分析和信息服务提供方式单一等问题。

根据智慧城市的理念，所有事物、流程、运行方式都将实现更深入的智能化［2］，而智慧型营运管理平台的智慧之处主要体现为平台能够主动地进行信息推送、主动地分析出营运管理所需的决策支持数据和收费稽查数据，并支持多种信息服务提供方式。

2 总体技术方案研究

2.1 平台功能设计

为了满足智慧型营运的要求，设计了智慧型营运管理平台（见图1）。

图1 智慧型营运管理平台功能模块划分图

1）智慧化的营运分析功能。平台能够通过数据挖掘模型自动对历史数据进行数据挖掘得到收费金额预测数据、车辆行为模式分析数据和断面分析数据，为收费正常制定和新业务推广提供决策支持数据。

2）智能化的稽查分析功能。平台能够建立作弊车辆实时分析模型对实时数据进行智能化分析，得到路网内的作弊车辆信息，并将作弊车辆信息反馈给联网收费系统，为各路段确定稽查范围、加强稽查力度提供支持数据。

3）实时化的信息推送功能。平台能够自动将工作清单和重要通知推送到平台主界面，提醒管理人员注意。

4）多元化的信息提供方式。平台能够通过短信平台、Web Ser vice和网站等多种形式为不同的信息需求者提供其所需要的信息。

2.2 总体架构

图2 智慧型营运管理平台总体架构图

图2 中，联网收费系统数据库和联网监控系统数据库是数据源，其历史数据经过数据融合后存储于营运管理平台历史数据库中，以历史数据库为基础实现营运分析中收费金额预测、车辆行为模式分析和断面分析功能；实时数据经过数据采集后存储于营运管理平台实时数据库中，以实时数据库为基础实现稽查分析中套牌车作弊分析、换卡车作弊分析和卡信息篡改作弊分析功能。营运分析和实时分析的结果都存放于平台生产数据库中，信息推送和信息服务的数据源均为营运管理平台生产数据库。

2.3 技术路线

2.3.1 数据挖掘

数据挖掘是通过仔细分析大量数据，揭示有意义的新关系、趋势和模式的过程。利用数据挖掘技术对营运管理历史数据库中的历史数据进行挖掘，以实现营运分析中的收费金额预测功能。数据挖掘中常用的决策树算法［3］和贝叶斯算法［4］属于分类算法，常用于提取某类事物的特征，如超重车辆特征等。回归分析方法常用于定量分析的实际研究中，而线性回归算法是回归分析方法的一种。高速公路收费金额预测属于定量分析的范畴，因此可采用线性回归算法来进行收费金额预测的数据挖掘工作。

2.3.2 实时数据分析

实时数据分析以营运管理平台实时数据库中的实时数据为分析对象，通过建立作弊车辆分析模型，对实时数据套用模型进行数据分析，以此得到套牌车作弊车辆信息、换卡车作弊车辆信息和卡信息篡改作弊车辆信息，并将作弊车辆信息反馈给联网收费系统。

3 平台功能模型设计

3.1 智慧型营运分析

营运分析以营运管理平台历史数据为数据源，采用数据挖掘的线性回归算法实现收费金额预测功能，采用OD（Origin Destination）分析等方法实现车辆行为模式分析功能，采用最短路径算法实现断面分析功能。

3.1.1 数据融合

数据融合的数据源自联网收费系统和联网监控系统的历史数据，再经过采集、集成、清洗等过程，将原始数据融合后得到营运管理平台所需的数据。

图3 数据融合过程示意图

数据采用闲时定时采集的方式，每天凌晨1：00～3：00采集前一天的数据。数据集成阶段删除冗余字段，同时对人工半自动车道收费（Manual Ton Collection，MTC）系统数据和电子停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）系统数据进行区分，以0表示非ETC系统，1表示ETC系统。数据清洗阶段采用数据过滤算法进行清洗，去掉其中的噪声。

数据过滤算法如下：在入口表和出口表中以卡号字段进行类聚，再对其中出现重复的记录按操作时间进行分析，保留最早入口记录和最晚出口记录，删除其他记录，这样可以剔除坏卡、废卡等特殊情况产生的噪声数据。

3.1.2 收费金额预测分析

收费金额预测模型采用数据挖掘算法中的线性回归算法，利用交通流量和收费金额之间的关系建立线性回归模型。线性回归公式为Y＝a X＋b，其中交通流量作为自变量X；收费金额作为因变量Y；a为斜率，代表Y随着X的变化而变化的趋势；b为截距，代表线性回归曲线在Y轴上的偏移量。线性模型中交通流量和收费金额的依赖关系是根据线性关系中的X和Y值进行确定的。在计算交通流量时，根据公路工程技术标准将不同车型的交通流量折合为标准交通流量。

表1 代表车型与车辆折算系数对应表

选取某收费站2012年5月的数据按照车辆折算关系进行计算标准交通流量后，使用线性回归算法，预测结果见表2。

表2 线性回归算法预测结果表

线性回归曲线Y＝a X＋b公式的参数为：a＝128.58，b＝－1 023 127.83，即线性回归曲线为Y＝128.58×交通流量－1 023 127.83。从表2可知，此曲线预测的收费金额具有很高的准确性，可为营运管理收费政策的制定提供参考数据。

3.1.3 车辆行为模式分析

车辆行为模式分析模型建立以车牌号和车牌颜色为唯一标识的车辆档案，设立常规路线、月通行频率、月均通行费、月均违章率等常规指标，对营运管理平台的历史数据进行指标分析，得到车辆的行为模式。根据车辆行为模式分析的结果，可以让营运管理者了解路网内车方司乘人员的信息，为制定新业务推广方案提供数据参考。

（1）常规路线以车牌号为标识对每年的车辆通行记录进行OD分析，得到车辆的常规通行路线；

（2）月通行频率＝通行次数／当月天数；

（3）月均通行费＝当月通行费总额／通行次数；

（4）月均违章率＝当月违章次数总数／通行次数。

选择车牌为A35260和A33788两车2012年5月的数据进行车辆模式行为分析得到的结果见表3。

表3 车辆模式行为分析结果表

3.1.4 断面分析

按照工班日期，根据采集到的每条流水的入口站和出口站的编号，利用最短路径算法计算出整个行驶路径上的相邻站信息，若入口站到出口站的路径上经过了N个收费站，则得到入口站到相邻站1，相邻1到相邻站2，…，相邻站i到相邻站i＋1，…相邻站n到出口站共n＋1条记录，表示整条路径上的n＋1个相邻站区间都经过了1辆车，再根据表1中的折算关系折算成标准车流，即得到该工班日期收费站区间Inter val（i）的1条断面车流数据F（i）。对所有流水都进行上述操作后进行求和计算，得到收费站区间Interval（i）在该工班日期的断面车流量P（i）＝Su m（F（i））。Interval（i）表示收费站i－1到收费站i的区间。某条高速公路2012－05－15的断面流量分析见表4。

表4 断面流量分析表

3.2 智能化稽查分析

稽查分析以营运管理平台实时数据库为数据源，建立套牌车作弊实时分析模型、换卡车作弊实时分析模型和卡信息篡改作弊实时分析模型，对路网内通行车辆主动地进行智能化分析，得出作弊车辆信息，并下发到各路段的联网收费系统中，帮助路段稽查人员确定稽查范围，增强稽查力度。

营运管理平台实时数据库中存放路网内所有在途车辆的档案信息，以车牌为唯一标识，包括车型、车种、卡号、入口时间和入口抓拍图像等信息。当车辆进入高速公路时，采集车辆信息进入到在途车辆档案；当车辆离开高速公路时，将此车辆信息从在途车辆档案中删除。

3.2.1 数据采集

稽查分析数据采集方式为实时采集，将联网收费实时产生的入口流水数据和出口流水数据经过采集、集成、清洗等阶段处理后存储于营运管理平台实时数据库中，作为实时分析模型的数据源。

3.2.2 套牌车作弊分析

当入口车道产生一条入口车道流水时，如车牌为A12345，此车辆信息被实时采集到平台实时数据库的在途车辆档案中，营运管理平台套牌车作弊实时分析服务经过分析比对，当发现在途车辆档案中有多个A12345后，将每个A12345对应的车型、车种、卡号、入口时间等关键信息写入套牌车作弊记录表，并下发给各路段的联网收费系统。在A12345进入出口车道时重点核查，确认车辆的入口信息，避免通行费的流失。

3.2.3 换卡作弊分析

当出口车道产生的流水信息和抓拍图像被采集到营运管理平台实时数据库之后，换卡车作弊实时分析服务以车牌为唯一标识对比出口流水中的卡号、入口站、车型和车种等信息。若信息一致则从在途车辆档案中删除车辆信息；若卡号或者入口站等信息不一致，则说明该车辆发生了换卡作弊行为，将此换卡作弊车辆信息写入换卡作弊记录表，并下发给各路段联网收费系统。

3.2.4 卡信息窜改作弊分析

当车辆经过出口车道驶离高速公路时，产生一条出口流水和抓拍图像，此车辆信息被实时采集到营运管理平台实时数据库中，卡信息篡改作弊实时分析服务将出口信息中的卡号、车型、车种、入口站、入口时间等关键字段信息与在途车辆档案中的卡号、车型、车种、入口站和入口时间进行对比分析，若信息一致，则从在途车辆档案中删除此车辆信息。若车牌和卡号一致，但车型、车种、入口站或者入口时间有任意信息不一致，则说明此车辆为卡信息篡改作弊车辆。将此车辆的入口信息和出口流水中的入口信息均记录在卡信息篡改作弊记录表并将车辆信息列入到黑名单中，同时将卡信息篡改作弊记录表和黑名单信息下发给各路段联网收费系统。

3.3 实时化信息推送

信息推送技术是一种基于客户端／服务器机制，由服务器端主动将信息发往客户端的技术。在推送应用中，信息推送事物由服务器发起，没有明显的客户机请求，其优势在于信息的主动性和及时性。信息推送有邮件列表推送方式、基于服务器和客户端软件的推送、基于RSS（Really Si mple Syndication）的推送和通过手机短信的推送方式。在智慧型营运管理平台的具体应用中，浏览器相当于客户端，营运管理平台生产数据库相当于服务器端，故适合采用基于服务器和客户端软件的推送。

当用户通过浏览器登录营运管理平台时，首先通过TCP（Trans mission Control Protoco）协议建立浏览器与数据库服务器之间的连接，当用户输入的用户名和密码通过验证后，服务器端信息推送服务自动检测该用户是否存在未完成的工作，然后将工作清单通过Socket发送给浏览器，浏览器收到Socket消息后进行解析，最终以复选框的形式将工作清单显示在营运平台主界面上，提示用户应完成的工作列表。

当管理员在平台中发布重要通知后，信息推送服务自动检测到通知的标题和发布时间等内容，并将通知的链接实时推送到平台主界面，提示用户查看。

3.4 多元化信息服务

营运管理平台的信息服务分为向管理者提供信息服务、向相关系统提供信息服务和为广大用户提供信息服务。信息服务通过移动互联网技术对外发布，发布形式多样，可满足不同信息需求者的要求。

3.4.1 向管理者提供信息服务

营运管理平台通过短信平台向管理者提供路网流量、收费金额和拆分金额、重大事件等信息服务内容。短信平台是以手机为应用基础，具有丰富增值服务内容的、完整的大规模短信信息处理系统。

3.4.2 向相关业务系统提供信息服务

营运管理平台通过Web Ser vice的方式向其他相关的业务系统提供信息服务。Web Ser vice是由企业发布的完成其特定商务需求的在线应用服务，其他软件系统能够通过Internet来访问并使用Web Service在线服务。采用Web Service可实现跨平台、跨防火墙的应用，并且提供统一的数据接口，其他软件系统只需调用Web Service提供的接口服务即可获取到信息服务。

营运管理平台发布的Web Ser vice接口有：

Get Exceed Data（Shift Date Date Ti me，Station Int）

Get Traffic Flow Data（Shift Date Date Ti me，Station Int）

Get VehiclePass Data（Shift Date Date Ti me，Veh Plate String）

接口说明：Shift Date为高速公路运营的工班日期；Station为收费站编码，Station＝0时提供所有收费站的数据；Veh Plate为车牌。

Get Exceed Data向高速公路执法治超系统提供超限车辆数据。Get Traffic Flow Data向交通信息中心系统提供交通流量数据。Get VehiclePass Data向公安系统提供车辆的通行记录数据。

3.4.3 向广大用户提供信息服务

营运管理平台通过网站方式向广大社会公众提供信息服务，包括实时路况信息、出行信息、天气信息、服务区信息、费率查询、路网结构图、起止站路径查询等一系列服务司乘人员方便出行的信息。

4 结 语

高速公路智慧型营运管理平台弥补了联网收费系统对营运管理工作支持的不足，已应用于某省的高速公路系统，为收费政策制定、业务推广方案制定提供了支持数据，并且在加强稽查力度和提供信息服务方面收到了良好的效果。

［1］ 钟足峰.联网收费系统数据分析与挖掘的理论和实现［D］.长沙：长沙理工大学，2007.

［2］ 王辉.智慧城市［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］ 陈文伟.数据仓库与数据挖掘教程［M］.第二版.北京：清华大学出版社，2011.

［4］ 李爱国，库向阳.数据挖掘原理、算法及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2012.