基于 ETC 电子收费数据的信息提取技术研究外文翻译资料

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基于 ETC 电子收费数据的信息提取技术研究

翁剑成* ,刘力力 ,杜 博

北京工业大学 北京市交通工程重点实验室, 北京 100124

摘要: 电子不停车收费系统是智能交通应用系统中取得较大发展的子系统。系统能实时记录车辆的进、出口收费站的时间、地点等数据.本文以电子不停车收费的交易数据为基础, 通过对原始交易数据的分析, 确定了数据的处理流程, 在此基础上,提出了路段行程速度计算模型 ,交通流量分布规律分析方法和高速公路站点 OD 分布、车型比例分布等指标获取方法。研究以北京市高速公路电子收费数据为例 , 进行了案例分析.结果表明, 本研究中提出的数据处理和提取技术能较为准确地获取高速公路运营管理中所需的信息，这些信息为高速公路出行者信息服务、高速公路交通运营和规划等提供有效的信息支撑。

关键词 : 智能交通 ; 高速公路 ; 不停车收费; 出行者信息服务; 交通信息

1. 引 言

近年来，不停车电子收费技术发展已日益成熟，并逐步进入大规模的产业化应用阶段， 在欧美和日本等国已得到了广泛应用并形成规模效益。我国的电子不停车收费系统，经历了引进设备试验、自行研究、制定中国自己的标准和实现自主产业的过程。2007年5月1日，智能运输系统电子收费系列国家标准正式颁布实施。随着这个标准的实施，全国各地开始在此基础上开展电子收费系统的建设和推广。2009年5月，北京市ETC电子收费系统开始正式运营^[1]。

交通信息是提高出行者信息服务品质、改善道路交通管理能力和水平的重要基础。现阶段， 国内的高速公路运营管理和信息服务中，普遍存在信息获取的渠道较为单一、出行者信息服务薄弱等问题。同时，国内电子收费系统的应用规模还比较小，基于电子收费数据的交通信息提取技术方面的研究也较少。电子收费系统在收费过程中记录了车辆通行的原始数据，包含了大量的交通流信息，具备为其它智能交通应用子系统提供统计数据及
信息服务的功能^[2]。日本，欧洲等国家开展了部分基于 ETC 收费系统的信息提取研究和试验工作。

OHBA 等人(1999) ^[3] 提出了一种基于传统电子化人工收费磁卡数据进行高速公路行程时间计算的方法，并利用检测器实测数据对行程时间估计的精度进行了试验验证。验证了基于区间收费卡所记录的信息提取路段运行速度等信息的可行性。Kanoshima 等人( 2008) ^[4] 提到日本 ETC 收费站的普及率在 74 %左右，东京高速公路有大概 80 %的车辆使用ETC收费.VICS ( Vehicle Information and Communication System)通过路侧信息、广播信息和车载导航系统为驾驶者提供服务。ETC 电子收费系统和 VICS 信息服务系统的协调工作能有效实现=电子收费与数据处理、信息服务的高效运作。协调系统根据道路上设置的 ETC -ID 采集装置，为出行者提供合流点提示、前方道路状况、车速、定位等信息。这些信息依赖于实时的电子收费数据的分析。文献^[5] (2004)提出了基于车路定位系统(VPS) 的电子收费系统， 这将是未来电子收费技术发展的新方向.但是在基于专用短程通信(DSRC)的 ETC 收费系统尚未大范围应用的背景下，基于VPS 技术的电子收费系统还需要解决很多核心技术和系统运营机制的问题。

与国外规模化的电子收费系统和完善的高速公路出行者信息服务系统相比，国内在电子收费系统普及率,以及高速公路交通信息采集、服务方面都存在较大的差距。如何在较低的普及率, 较少的采集手段下，利用 ETC 收费数据获取高速公路运行状况信息，具有重要的研究意义。本研究以电子不停车收费的 ETC 交易数据为基础，开展基于车辆标签数据的交通信息提取以及对数据的处理分析, 以期为我国未来高速公路的出行者信息服务、高速公路交通状态获取等应用提供重要的信息来源。

2.ETC 电子收费数据的采集与处理

2.1 数据采集

本研究以 ETC 电子收费交易数据库为基础，与 ETC 交易数据相关的主要包含两个数据表， 即收费站点的属性表和 ETC 电子交易数据记录表。电子交易数据记录表是本研究中应用的重要数据基础。该表记录了每一条 ETC 交易数据的信息，包含以下字段：交易记录号，入口广场编号，入口时间，出口时间， 车辆类型。这些交易信息是获取相关入口对间交通运行状况的基础。

原始的数据库中是以面向收费交易记录的应用而建立的，但是要实现面向出行者信息服务和信息提取的应用要求，需要对数据表进行设计，提取有效的字段进行分析。因此，在数据库建立完成后，可对数据库中的 ETC 交易数据进行初步优化。实际处理中,可以只保留属性表中有价值的字段，包括收费广场编号，收费广场名称，收费场站特性。

(1)分析时段的确定

不同的信息应用对于分析时段的要求是不同的。在面向出行者信息服务的路况信息发布应用，考虑到高速公路交通信息更新频率的需求，并兼顾实际 ETC 收费数据量的情况, 考虑以 10 分钟作为时间周期对全天的时间记录进行划分，以取得相应时间段内的路况信息； 在面向高速公路交通流演变规律分析的应用中，交易数据以 1 小时为间隔统计分时段的交通量、小时平均速度等指标；在面向高速公路 OD 分布的应用需求中，该指标的分析和计算通常以日为周期进行划分。

(2)出入口站点路段距离的确定

高速公路联网收费系统的建设，使得出入口间的路段距离计算更加复杂，各出入站点的里程桩号已知，确定出入站点路段距离有以下两种情况：

①当出入口站点属于同一条高速公路时，可直接用两站点里程桩号差计算得到；

②当出入口站点属于不同高速公路时，需要确定高速相交的立交桥分别在两高速公路中的里程桩号，并计算两段高速公路上里程桩号差，叠加所得即为相应的出入口站点路段距离。

2.2 ETC 数据的处理
2.2.1 数据处理的总体流程

通过需求分析, 初步确定 ETC 数据处理的目标和需求，包括以下三方面：一是获得相应出入口对之间的路段平均行程速度；二是获得用于高速公路交通规划的出入口站点间出行 OD 特征信息；三是获得各个站点的电子收费流量信息，通过 ETC搭载率等指标，间接获取路段交通流量信息，与前两方面的需求不同，在该指标的分析中，开放式收费站点 ETC 交易数据也是分析的有效数据。车辆标签 ETC 数据的分析流程如图1所示。

图 1 车辆标签 ETC 数据的分析流程

Fig. 1 The analysis flow of ETC data

2.2.2 ETC 数据的预处理和筛选规则

ETC 数据预处理的目标是对数据仓库中数据进行筛选、清理，保留合理准确的数据, 缩小数据范围，以提高 ETC 数据分析的质量。由于ETC 原始数据是大规模的、不完全的、有噪声的，在实际应用中，对于有缺失信息或错误的数据进行剔除。数据预处理是基于 ETC 数据进行信息提取的重要环节，在研究中，通过对原始数据的分析，提出了包含数据剔除、数据筛选、进出口数据分类、交易时间分段等过程的数据预处理流程。

数据剔除主要目标是剔除不合理数据和错误数据，在数据剔除中采用的规则是 :

①由于此研究是以 2008 年北京市高速公路ETC 数据为基础进行的，在系统应用中由于系统记录的原因，记录时间出现错误。因此需要删除交易年份不等于 2008 年的交易数据.处理中 ,通过 year( En-time) 函数来判断。

②由于此研究针对北京市高速公路 ETC 收费系统，因此 OD 行程一般不会大于 100 公里，因此剔除进出口相对应的日期不在同一天的数据。

数据筛选的目标是对交易数据进行分类，确定各类指标提取中能采用的基础数据，以提高数据处理的精度，数据筛选规则如下：

①由于 ETC 交易过程中数据通信或其他系统问题，有些数据的进口时间晚于出口时间, 这部分数据在进行路段行程速度提取中不采用，而在进出口交通流量分析中可以采用。

②在开放式收费制式中，交易数据只有出口广场信息。这部分数据无法应用于路段行程速度提取，但可以反映收费站点的交通流量情况。

进出口数据分类是将不同出入口对的数据，通过添加“出入口对标记”的属性字段。来区分不同出入口对，满足进行出入口对间路段行程速度分析的应用需求。

交易时间分段是对分析时段的划分，根据不同指标分析计算的要求,进行不同时间周期的分段。

3. 基于 ETC 交易数据的信息提取

该过程是 ETC数据分析的核心环桔，根据 ETC数据分析得到的结果，利用可视化图表、曲线显示，以便相关用户能直观掌握高速公路运营状况、OD分布。交通量等各类特征数据。ETC 数据处理和信息提取具体从以下几滚方面来分析。

3.1 路段行程速度的计算模型

路段行程车速是车辆行驶在道路某一区间实际总体运行状况。行程时间包括行驶时间和中途受阻时的停车时间.它是评价道路行车畅通程度与分析车辆发生延误原因的重要数据^[6]。在高速公路出行者交通信息服务中，路段的平均行程速度信息是其最有效、对出行者最有意义的信息。传统的固定型高速公路检测手段只能获取断面的交通流信息，无法准确地掌握路段总体的行程速度。

通过对出入口广场对之间车辆进出的时间形式进行归一化，计算出驶入时间和驶出时间之差，并且，通过查询出入口广场之间的路段里程，进而可以计算得到路段的行程速度信息。通过对相同时段（如：10 分钟）内所有交易数据的统计平均，可以获得该时段内特定路段的平均行程速度。

计算模型如下：

(1)入口时间和出口时间换算成单位为秒的
形式。
(1)

其中 ———收费广场属性, 1 为入口广场，2 为出口广场；———时间记录中的小时，分，秒。

(2)时间差计算。

(2)

其中 ———第 i 个路段 , 第 j 条记录的出入口时间差；

———出入口间的路段编号；

———交易记录编号。

(3)单辆车的行程速度计算。

(3)

其中 ———某出入口间路段的里程。
(4)某时段的路段平均行程速度计算.
(4)
其中 ———某路段在给定时间间隔内通过的第1 辆车编号；
———某路段在给定时间间隔内通过的最后1 辆车编号。

3.2 路段行程速度的分布规律分析

路段行程速度的时间分布规律是衡量高速公路服务水平，了解高速公路路况演变特性的重要指标之一。对于有的放矢地制定相应高速公路交通管理政策，提高高速公路通行效率具有重要意义。研究中，可以利用对不同时间段内的行程速度分布和演变规律进行纵向分析。

3.2.1 路段行程速度特征分析

车辆在高速公路上的行程速度一般应在4 - 120 km/h 之间，进行行程速度特性分析时，可以分别计算路段速度平均值。速度标准差和速度离差等特征参数，以及常见速度、中间速度、众数等，从而掌握该路段交通流运行的基本特性，服务于高速公路规划、管理和服务^[7]。

1. 行程速度平均值.

(5)

(2)速度标准差.
(6)
其中 ———观测时间段内路段速度标准差；
———观测时段内的总样本量。
(3)速度离差 .
(7)
其中 ———观测时段内最大行程速度；
———观测时段内最小行程速度。
3.2.2 路段行程速度分布分析

将出入口间路段行程速度数据组，以 5 km/h为区间进行分组，从而得出不同速度区间的频数，了解速度分布规律，利用速度累计频率曲线可以计算出车速分布中有代表性的百分位速度值。累计频率分布曲线可以表征每组行程车速与累计频率之间的关系。另一方面，也可以根据统计时段的划分，分析不同时段路段平均速度的演变规律。

3.3 交通流量的分布规律分析

路段交通流量是体现道路服务水平的重要指标，同时也是衡量高速公路繁忙程度的指标。分析中，以 ETC 交易时间中记录的小时信息进行时段划分，通过统计处理，筛选出各个时段的交通量，得到小时电子收费交通量的分布图，进而掌握站点的高峰时段交通量。

在实际应用中，由于高速公路上以 ETC 收费方式进行收费的车辆数只占高速公路总交通流量的一部分，无法直接体现高速公路站点的交通流量。通过对各条高速公路采用 ETC 收费的总交通流量占比进行实际观测，可以间接推算出入口广场的总交通流量。

在此，定义某段高速公路OD 段 ETC 收费方式的交通流量占总交通流量的 。此路段平均每天 ETC 收费方式的交通流量为 ，则可推算，此OD 路段平均每天总交通流量 为 。

3.4 高速公路交通流量 OD 分布

高速公路出入口站点通常联系着重要的交通小区或功能区，高速公路上各个出口与入口之间的 OD分布也从一定程度上体现了交通小区之间的交通需求，是高速公路运营管理和规划的重

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