基于ETC门架智慧感知的高速公路运营数据分析应用

谢元昌

摘要：大力提高交通運输和物流效率是党中央，国务院高度重视的一项工作，新型ETC门架系统能够显著提高高速公路计费运营效率，对于提升高速公路系统智能化程度而言具有积极的作用。新型ETC门架系统有别于传统人工收费模式，具有高效化、智能化、系统化的优势，但由于新型ETC门架系统涵盖了数千台新增设备及其数据，在出现突发问题时需要迅速确定位故障点且维修故障，否则对于高速公路运营数据的分析和正常计费将产生不利影响。因此，高速公路运营数据分析应用，对设备的运行安全进行实时管理，及时有效处理各类问题是值得深入研究的课题。

关键词：ETC  门架设备  数据分析  高速公路运营

中图分类号：U495    文献标识码：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

国务院在2018年就明确提出要取消高速公路省界收费并加强服务水平提升以便全面提高其运行效率，拟加快推广高速公路电子不停车（ETC）快速计费应用计划，ETC设备免费安装，全面实现联网计费体制，但分段计费表现出许多问题，仍需在一定时期内不断探索与尝试，解决计费结算物理分割与统一管理的准确难题。随着社会和经济的飞速发展，汽车保有量急剧增加，高速公路的车流量也在逐年呈高位上升趋势，更多高速公路已处于或者将要处于超饱和车流量的运营状态。伴随而来的是交通拥堵所造成的各种约束，再加上如今各级政府，社会民众和新闻媒体对于交通安全保畅问题的重视，使得道路交通安全保暢问题成为营运高速公路治理工作中的重中之重。流量超饱和给高速公路运营管理工作造成了极大的考验，而运营管理正是实现公路运营效率最大化和促进道路安全性提高的重要途径。硬件环境决定管理大小，软件环境反映管理强弱，二者有机融合不仅构成高速公路运营管理有机系统，而且决定高速公路运营管理整体水平。面对空前的交通压力，高速公路如何突破道路交通安全保畅这一瓶颈，探讨车流量超饱和情况下高速公路高效运营管理方法，研究形成可持续发展运营管理模式是目前迫切需要解决的课题。

1 ETC门架系统介绍

国务院常务会议于2018年5月16日提出了推进消高速公路省界收费站建设的建议[1]。交通运输部联合有关部门组成工作组，本着“试点在前，稳妥有序”，明确试点省，出台试点技术方案、工程实施方案、测试方案与关键技术要求，进行大量基础性测试，并对部省两级系统进行建设改造，于2018年12月28日在江苏与山东、重庆与四川试点，取消高速公路省界收费站15处，省界收费站拥堵问题得以破解，取得了较好的成效，为高速公路省界收费站交通拥堵问题的解决提供了宝贵的经验借鉴。为了顺应收费公路体制改革，提升收费公路服务质量和实现收费公路提质增效目标，ETC获得了长足发展的契机。大力开发ETC用户和依靠电子不停车快速收费技术建设ETC门架系统对实现ETC汽车分段收费，MTC汽车分段收费和出口统一收费[2]。开展高速公路入口治超工作，对全部车辆按型号收费。2019年，我国基本完成了撤销29个联网省份省界收费站、我国高速公路一张网建设任务[3]。图1为我国目前使用的门架系统模式之一。

1.1 高速公路指挥行车省界路段ETC门架系统

省界路段上，为了避免门架之间的信号互相干扰，同向设置的2个门架之间的最小距离应当不少于50m。对同向没有条件安装2个门架的地段，单排门架可以结合实际情况进行安装，并要兼顾关键设备冗余安装。

1.2 ETC门架设备数据分析目标

伴随着国内高速收费模式逐渐过渡到自由流收费模式，人们对于ETC设备依赖性越来越大，构建系统化、智能化的高速运营管理体系，对于提升高速运营管理效率，加强高速运营服务而言具有积极的作用。在这样的背景下，经营体系的构建和完善显得十分重要，智能化的经营体系不仅是一个简单的系统搭建，而是需要高速运营各经营单位协同探索的工作，这样才能提高高速公路的通行效率，为广大旅客提供更加高效、贴心的交通运输服务，实现舒适、自由、顺畅的高速公路旅行方式。故障发生后迅速报告，并给出了专家的检查意见，在发现问题时可以快速定位和及时维修，实现自由流收费模式，促进收费公路提质增效目标的实现。

2 ETC门架设备数据分析流程

2.1 实时数据采集

收集门架关键设备和门架机柜的数据信息，收集到的信息主要是为了给后续检测系统提供数据支持。通过数据可以有效地为设备指标分析提供基础条件。收集到的数据主要可以为设备状态、运行环境与设备的动力方面提供相应的支持。

2.2 数据解析

根据采集到的数据结合物联网协议对其进行解析可以实现数据的格式电子解析的标准。物联网协议是厂家规定的协议，不可以随意更改，因此物联网协议分析平台可以实现对于厂家设备的数据解析，并保证准确性。

2.3 检测维度确立

在数据解析之后需要确立一个对于全部门架设备的检测维度，并在此检测维度内对于数据进行数据集的设置。数据集的设置可以实现对于海量数据和信息进行搜索，以及对于设备故障的排查引擎的构建。

2.4 机器学习

基于数据解析和检测维度的确立，在此基础上利用算法及关联算法实现对于收集到的数据进行特征分析，并构建一套符合设备故障规则的引擎以实现对数据进行正常或者异常情况分析，机器学习算法可以在大量数据获取的基础上实现对于设备故障的学习，进而在此规则下引擎具备了对于设备故障进行检验以及实现对于故障点的精准定位能力。

2.5 实时监测

检测维度确立后以监测数据作为数据的输入来源，将数据发送至机器设备中，在设备中设置好的规则下引擎可以实现对数据的正确与否进行检测，当出现异常情况则设备会自动传递给专家进行排查，从而实现快速的为维护人员提供维护信息。该平台可以实现对于故障点位及时准确的定位功能，并能够及时发现问题并传递给专家库进行解决。通过专家库可以针对检查出来的故障给出专家维修建议并提供专家支持，使设备能够迅速恢复正常工作[4]。

3 ETC门架设备数据分析技术说明

ETC门架设备数据的搜集和分析以对门架设备电流、电压、功率、温度、湿度等数据的分析为前提，保证了故障出现前的精准预判，能够为系统管理人员提供准确的数据，以便系统管理人员可以对ETC门架设备数据进行快速的分析，找到ETC门架设备数据中存在的问题，通过实时监控来提高ETC门架的运行稳定性。该平台内建协议栈，一般情况下内建协议栈可以融合多个设备厂家的数据和系统模式，当路段采用众多厂家设备的时候还可以对数据进行快速的整合解析，从而提升检测维度的精密性，提高运行效率。

ETC门架设备数据平台的构建依赖于规则引擎并通过数字算法实现对数据的搜集和分析，规则算法解析流程决定了系统如何采集数据和整合数据，并利用系统的学习功能，将温湿度值、电流、电压等数据的形成设备状态异常规律进行分析，当设备电流出现异常信号就可以实时发出故障报警，将问题定位于设备故障之前，有利于系统维护人员第一时间响应故障，实现了设备故障预判并能够迅速定位处理而不会影响高速公路的正常计费。

ETC门架设备数据平台的学习模型运行需要大量的实时数据和历史数据。第一，实时数据可以由内因实时数据与（或）外因实时数据构成。内因实时数据是指目前机电设备电流、电压、功率因数、运行时长、生产厂家、机型、生产年份、批号等其中一种或几种的综合。外因实时数据为天气数据、维护次数和地点中的一种或者几种。第二，历史数据。历史数据一般也划分为两个类型，一种是内因历史数据，通常是功率因数、运行时长、生产厂家、机型等数据；另一种是外因历史数据，主要是天气状况数据、维护的场合、维护的次数等。值得注意的是，这里提及的维护次数是指整个设备生命周期内进行维护次数。平台系统的运行还依赖于关联算法的设置，有的时候设备运行环境不正常就是由于多个设备之间互相依赖和互相制约而产生的不正常情况，如机柜温度过高，这个问题的出现原因是多方面的，可能是空调的硬件结构受损，也有可能是机柜处于空调状态，或者是电链路中断等问题。因为问题的原因是多面的，在分析原因时会带来一定的困难，这时候如果可以利用关联算法，对运行情况进行全面的分析，就可以更高效地找到问题原因所在，有利于运维人员进行源头性问题的梳理和处理，迅速对问题进行维修，提高ETC门架设备数据平台的运行效率。优势在于不仅降低了运维人员的人力和时间耗费，还有利于提高ETC门架系统的运行稳定性 [5]。

4 基于ETC门架智慧感知的高速公路运营数据分析应用

4.1 ETC分段計费过程中存在的问题分析

数据采集的方式有很多种，并且从各独立的平台进行采集，具有平台壁垒的特点，这就要求工作人员离线填表，离线汇总和离线统计分析。存在着统计灵活性、及时性不高，以及工作量反复和效率低下等问题。由于数据分析大多为离线进行，缺少实时观测数据并进行连续分析，不能用数据来实时地反映道路运营情况、预测道路运营趋势、实现道路运营状况的提前检测、积极防范。第一，数据收集覆盖率，准确率不高，缺少数据清理及数据校正等功能；第二，出对有冲突的数据源只会使双方数据可信度下降，无法利用数据源之间的内在联系来实现数据相互校正。长途运输车辆利用这一漏洞，使用屏蔽计费设备或者遮挡车牌来偷逃通行费是经常发生的。高速公路业务数据主要来源于已有第三方系统，这就导致了对于第三方平台转型依赖，并且在数据统计类型上不能满足要求，在数据权利上较为被动等问题。如果第三方系统出现故障，无法接入等问题，将严重妨碍高速本身对业务数据进行分析。

4.2 基于ETC门架智慧感知的高速公路运营阶段性数据分析与应用

4.2.1 搭建综合分析系统

某高速为了解决路径信息丢失问题，对通行实时计费算法进行优化，搭建网络模型并进行最短路径算法研究，提出了一种适用于大流量高速公路网络费率的实时测算方案，该综合数据分析平台意在根据某高速数据采集，应用需求情况，面向“平安智慧高速”，搭建某高速数据运营平台全面解决前文提出的难题。平台智慧数据分析平台要求该路段的数据类型。

4.2.2 发布交通情报信息

文章全面考虑某高速公路营运条件下情报板信息安全分发的具体需求，面向智慧高速情报板信息应用场景，以传统情报板信息管理平台文字信息编辑分发为基本功能，采用语义分析算法对文字内容编辑进行优化。第一，引入智慧模板理念，根据服务类型对情报板信息内容进行归类，产生实时路况模板和智慧天气模板两种模板应用。第二，在情报板信息分发过程中实现批量操作、信息审核追踪、信息计划分发等功能。第三，支持智能高速情报板信息处理。第四，结合智能高速情报板消息处理流程，为情报板信息处理提供保障。第五，提出智能高速情报板事件处理方案。某高速信息安全发布显示出当前常用情报板信息发布系统逻辑拓扑，操作员通过情报板分发软件的前端界面或者web界面对所需分发的信息进行编辑，同时通过情报板分发或者后台系统通过高速公路主干网/监控网以播放列表的形式向下位机发送所分发信息，下位机再依据播放列表在情报板屏幕中按照自己的播放策略定时循环播放。若操作员选择互联网数据来进行即时数据更新和分发，如实时路况图、实时天气预报、实时路况事件等，情报板分发软件或者后台系统会自动循环从规定的互联网数据源中，获取该数据并只进行智能处理，然后自动循环更新至下位机，下位机再将该数据分发至情报板中。

4.2.3 数据感知分析及应用

某高速公路智慧数据分析平台通过抓取某高速公路所辖全部收费站2020年10月14日至10月21日时的车道日志数据，门架式ETC天线诱导日志数据，及路侧监测抓拍数据等，对某高速每条龙门架诱导及抓拍准确度、每条路段、收费站开通状况、收入状况，某高速整体OD矩阵等，进行定量分析，以及龙门架感应与抓拍的准确度分析等。[6]第一，分析了某高速上各个龙门架感应与抓拍准确度。从数据分析中可以看出，ETC感应天线数据采集准确率比传统抓拍设备更高。常规抓拍设备准确率高，受光条件影响大，昼夜准确率相差约1倍。此外，不同站段龙门架上的抓拍设备资料也出现异常。某高速各个服务站进出流量呈现明显大部分地区偏高、少部分地区偏低态势，此外，从资料中可以看出城市较大的收费站的流量是最大的，小城市的两个站的流量之和才能与大城市站点流量相近。出入车辆占比异常情况需要对分流的成因进行深入的分析。第二，根据车型定量分析。根据车型（客车和货车）某个区段车流数据进行了定量分析。经过数据分析，某高速的流量被不同枢纽分流到高速上，且分流比例较大。第三，对站点收入进行了分析某智慧数据分析平台根据每个路段交通流量数据及每个收费站车道收费日志数据还原每个收费站7日内收入及每个路段收入能力。根据资料分析，某高速现实际收益高于应收收益，主要是货车收益[7]。

5 结语

第一，高速公路指挥行车ETC门架系统，是保障网络安全、计算和储存等装置稳定运行的关键设备。ETC门架系统借鉴了网络安全等级防护中安全通信网络，安全区域边界和安全计算环境三级安全防护需求，并充分考虑了外场设备物联网属性进行安全防护，从而为联网收费系统提供了很好的保障。第二，为了保证高速公路指挥行车ETC门架系统门架立柱、横梁的平稳施工与安装，要加强基础施工控制的力度，特别要注意角偏位位移的控制。第三，每条高速公路上指挥行车ETC门架结构系统的安装施工都要有充分准备，以保证施工和通行的安全，拟定了施工期各种工况的交通组织计划；此外，对门架在施工和安装时存在的风险源也进行了识别和分析并拟定了相关风险防范措施。第四，在每条高速公路指挥行车ETC门架系統配置一套户外综合机柜。综上所述，门架设备实时监测与异常数据分析可以缩短由于运维人员经验较少而耗费在高速公路上的设备故障检查维修时间，减少经济效益损失等，同时可以及时采取应对措施，降低故障出现的可能性。

参考文献

[1] 彭立，龚平，王祥，等.高速公路智慧行车ETC门架系统技术研究[J].中外公路，2022，42（1）：261-266.

[2] 李刚，易西泽郎，赵盛雄，等.基于ETC门架智慧感知的高速公路运营数据分析应用[J].中国科技信息，2021（12）：62-64.

[3] 杨祥明.智慧交通ETC门架系统网络安全建设方案[J].智能城市，2021，7（10）：125-126.

[4] 周小杰.智慧交通ETC门架系统网络安全建设[J].科技创新与应用，2020（36）：71-72.

[5] 唐颖.智慧高速公路ETC门架设备数据计算与分析[J].交通世界，2020（26）：22-23.

[6] 戴剑军，彭巍，傅达，等.ETC门架智慧运维关键技术及应用[J].湖南交通科技，2020，46（2）：124-128.

[7] 刘健帅，张帅，孙志华.浅析智慧交通ETC门架系统网络安全建设[J].自动化博览，2019，36（S2）：36-40.