基于ETC门架数据的高速公路交通量转换探究

李林锋 邱廷铨 邢丽峰

（1.福建省高速公路联网运营有限公司，福建 福州 350001;2.交通运输部规划研究院，北京 100028）

公路交通情况调查（简称“交调”）通过对国道、省道、县道、乡道及专用公路的交通状况开展调查，掌握公路断面交通量、车型等交通流特性。公路断面交通量是指单位时间内通过公路某断面的交通实体数。目前，高速公路断面交通量、车型等交调数据依托于高速公路路段设置的自动化交调站实时采集。截至2020年底，全国高速公路自动化交调站有2342个，高速公路网观测覆盖程度达34.3%。但这种依托于自动化交调站的采集方式，受调查站点布设位置、布设密度等局限性的影响，无法准确掌握高速公路全路网的交通量情况。

为提高高速公路全路网各路段交通量自动化采集水平，充分发挥ETC门架数据价值，通过智能化手段代替传统硬件，减少高速公路沿线交调站的建设和运维费用，文章提出两种转换方法，将ETC门架数据转换为交通量数据。

一、研究现状

在公路交通情况获取方面，王海燕等[1]基于收费站数据，推算了出入口OD流量；钟足峰等[2]提出了基于回归树理论和数据挖掘技术高速公路交通量预测方法；钱超[3]基于多维ETC历史数据，提出了利用OLAM方法的公路交通量多维预测模型；王静[4]通过人工抽样的车型转换方法，将高速公路主线收费站作为二类交调站的补充用于公路交通量统计；李树彬等[5]在收费站数据基础上，采用仿真手段估计全路网实时交通状态；胡闰秀[6]研究提出基于人工调查手段的车型转换方法，将收费数据转换为断面交通量，并对单线路逻辑求和，为路网平衡配流；赵亚伟等[7]研究提出多重影响因素下的高速公路ETC车道短时交通流量预测模型；汤权等[8]依据联网分析挖掘技术，利用ETC系统收费数据实现交通量多维预测；史学文[9]以连霍高速公路江苏段为研究对象，对收费站和交调站数据建立基于小波神经网络模型的短时交通量预测模型。

根据研究现状可知，ETC数据在公路交通情况获取方面的应用集中于交通量的统计、预测，以及旧收费标准下的车型转换研究，缺少新收费标准下的基于ETC门架数据的交通量转换研究。

二、转换可行性分析

（一）站点布设及设备运行条件

ETC门架系统基本覆盖了所有交通流发生变化的路段，与交调站的布设原则基本一致。门架系统由上、下行双方向门架组成，上、下行双向门架宜背向错开设置，一个门架系统即可视为一个交调站，上下行门架监测的流量合计即为该断面的交通量。ETC门架系统涉及高速公路收费业务，其路网覆盖范围、设备精度、运维保障水平等方面的要求高，数据稳定可靠，能够满足交调采集要求。

（二）指标采集一致性

ETC门架系统向上级系统上传的数据，包括ETC交易流水（双片式OBU）、ETC通行凭证（单片式OBU）、ETC通行记录（交易失败）、图像流水记录、CPC卡通行记录，含交易时间、车型、车种、车牌号码、车牌颜色、交易时间、行驶方向等信息。

公路交调设备能够按照行驶方向采集通过道路断面的单个机动车车型数据，统计交通数据处理周期内（5min）的机动车分车型的交通量数据，并对采集和统计的数据进行记录和传输。要求分车型采集的交通量的相对误差应不大于10%。

从指标采集一致性方面分析，在ETC门架系统中提取如下字段，如表1所示，统计数据处理周期内的分车型数据，可获得不同车型的交通量数据。

表1 ETC门架系统提取字段说明表

（三）车型划分匹配性

根据《收费公路车辆通行费车型分类》（JT／T489-2019），收费车辆按客车、货车和专项作业车三个大类分别进行具体分类。其中，客车按照公安机关交通管理部门机动车注册登记的车辆类型和核定载人数分为4类；货车按总轴数、车长和最大允许总质量分为6类；专项作业车分类标准和货车类似，分为6类，主要针对装置有专用设备或器具，在设计和制造上用于工程专项（包括卫生医疗）作业的汽车。ETC门架系统中，针对不同车型单独编码，四类客车分别编码为1～4，六类货车分别编码为11～16，六类专项作业车分别编码为21～26。此外，在货车收费车型的基础上细分了车种分类，并对J1类型集装箱、J2类型集装箱单独编码为24、28。

根据公路交调车型划分标准，交调车型按汽车轴数、车长和额定承载能力分为7类，其中客车分为包括中小客车、大客车2类，货车分为小货车、中货车、大货车、特大货车和集装箱车5类。

对比两类标准，可得交调车型和收费车型对应关系，如表2所示，中小客、大客、大货、特大货、集装箱5个车型均可直接对应匹配。但由于两种标准对货车质量定义不同，交调车型划分标准中要求，小货车载质量小于2吨，中货车介于2吨～7吨；而收费车型划分标准中要求，1类货车总质量小于4.5吨，2类货车不小于4.5吨，1类、2类货车与小货车、中货车标准有交叉，因此不能直接对应。

表2 交调车型和收费车型对应关系表

从两种车型划分标准匹配性方面分析，两者在车型划分上匹配度较高，仅收费车型1类货车、2类货车和交调车型的小货车、中货车匹配中存在交叉重叠，可通过转换模型划分。

三、车型转换方法

针对交调车型小货车、中货车与收费车型1类、2类货车交叉的问题，提出两种转换方法，一是比例拆分法，利用拆分模型对交叉车型进行拆分；二是直接对应法，小货车、中货车分别直接对应1类货车、2类货车。

（一）比例拆分法

比例拆分法的思路是通过确定同一路段交调车型小货车、中货车的比例，对门架通行数据中1类货车和2类货车数据进行拆分。

1.交调数据比对

基于高速公路交调站历史数据，以路线为单位，确定中、小货车交通量比例关系，按比例对门架通行数据中1类货车和2类货车的总流量进行拆分。

如历史数据中，存在路线t，共n个交调站，路线中第i（i=1，2，3，···n）个交调站点的小货车流量为Pit，中货车流量为Oit，而路线t中所有门架1类货车、2类货车的总流量为Lt，则拆分后的小货车交通量计算如公式3所示：

中货车交通量计算如公式2所示：

2.抽样人工确定

通过人工抽样观测的方式，以路线为单位，选取路线上典型位置的门架开展人工观测，基于人工采集的小货车、中货车的数量和比例，确定该路线的拆分系数，拆分该时段通行流水数据中1类货车和2类货车总流量。

3.图像采集识别

基于高速公路图像流水记录中车辆通过ETC门架采集的图像历史记录，通过图像识别软件汇总历史图像记录中的小货车、中货车的数量和比例，确定该路段的拆分系数，拆分该时段通行流水数据中1类货车和2类货车总流量。

（二）直接对应法

两种车型划分标准下，车长划分标准一致，均为6m；而质量划分标准不同，交调小货车要求载质量≤2吨，收费1类货车要求总质量＜4.5吨，差异集中在货车空载质量（即货车自重）。车辆空载情况下，同一车型空载质量基本一致，载货情况下由于货重不同造成货车总质量差异较大。

为避免对不同时期高速公路货车载重变化造成估计误差，可基于长时间序列的高速公路入口称重数据绘制1类货车总质量分布曲线，得到1类货车总质量在不同吨位上的数量分布，通过构造滑动窗搜索左侧概率分布第一个峰值，其对应的总质量即为1类货车的平均空载质量。若在长时间序列、大样本范围内，统计结果满足公式3，即证明1类货车直接转换为交调小货车数据的误差不超过10%，满足交调分车型采集的精度要求，可进行直接对应。2类货车和交调中货车直接转换的验证思路相同。

其中，HC表示货车数量。

（三）方法比较

比例拆分法中，通过交调数据比对的优点是简单易行，分析结果代表性高，但对交调站规模和数据质量要求较高；通过抽样人工数据比对的优点是准确性较高，但须耗费人力物力财力；通过图像采集识别的优点是准确率高，可获得每个门架的拆分系数，但操作时间长，成本高；在满足交调分车型采集精度的条件下，直接对应法的转换规则简单，可实现实时转换，转换过程对计算性能要求较低。

四、结语

为实现ETC门架数据转换为公路交通量数据，本文以ETC门架数据为基础，从站点布设及设备运行情况、指标采集一致性和和车型划分匹配性三个方面分析了转换的可行性，提出了比例拆分法和直接对应法。文章提出的方法具有较强的现实意义，对掌握全路网各路段交通量、创新高速公路交调自动化采集体系具有重要参考价值。