高速公路ETC系统数据挖掘与收费系统优化

摘要：本文通过分析高速公路不停车收费系统的数据，提出了利用高速公路门架数据为高速管理的营运管理服务的方法，其分析主要聚焦在高速公路路网监控和运行状态、经营和收费管理、高速公路养护分析和高速公路服务水平计算等几个方面。最后针对ETC使用情况、成功率、图像识别与ETC识别对比情况、交易时长等，分析了ETC系统目前的运行状况；针对ETC系统交易时间长的不足，提出了基于机动车电子标识用于高速自由流收费的系统优化方案。

关键词：ETC系统；数据分析和挖掘；高速公路收费；不停车收费系统

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，国务院常务会议上提出，为进一步促进物流降本增效，会议确定，推动取消高速公路省界收费站。为此，国家发展改革委、交通运输部于2019年6月联合印发了《加快推进高速公路电子不停车快捷收费应用服务实施方案》，明确年底高速公路不停车快捷收费率达到90%。鼓励ETC在停车场等涉车领域应用，2020年年底前，基本实现机场、火车站、客运站、港口码头等大型交通场站停车场景ETC服务全覆盖，推广ETC在居民小区、旅游景区等停车场景的应用。交通运输部明确提出了推广ETC联网收费的推广计划和时间表，全国开展了轰轰烈烈的撤除省界收费站、改扩建ETC通道等基础建设，同时各地高速公路联网运營企业会同各商业银行及第三方支付企业展开了大规模的ETC发行和安装宣传，ETC辅以视频图像识别将成为我国高速公路收费和涉车领域应用的主要形式。

为响应取消高速公路省界收费站的决定，交通运输部于2019年6月制定了《取消高速公路省界收费站总体技术方案》［2］。2020年1月1日0时我国高速公路全网完成取消高速公路省界收费站工程全网并网切换，全网系统采用分段式计费方式，通过对入口车道系统、ETC门架系统、出口车道系统、全网清分结算系统及其他相关系统进行升级完善，实现“一次通行、一次扣费、一次告知和点亮出口费显”［3］。经过5个月左右的系统磨合，随着2020年5月全网恢复通行费收取，系统逐步走向了稳定、实用。

一、ETC系统数据挖掘

经过多年的ETC基础设施建设，特别是2019年全国高速收费“一张网”的建设，江苏全省共建成并投入使用ETC车道数共1399个，2021年1—7月ETC日均出口133.08万辆，ETC门架和出入口车道每天产生的交易数据约3000万条。通过ETC门架系统，我们可以实现高速公路上各项信息的有效采集和识别［4］，面对这样庞大的一笔数据财富，全面深化挖掘ETC道路信息数据的共享和利用［5］，为高速运营管理单位构建营运监管和交通运行监测平台提供数据支撑。同时，可以对门架数据进行相关的专题分析［6］，分析高速公路的服务水平和管养需求等。下面我们从ETC数据的构成、高速公路运维管理指标体系以及运维管理系统功能几方面分析高速公路运维管理系统的架构。

（一）ETC门架数据构成

ETC门架数据记录有200多个字段组成，数据量很大。这些数据大部分是ETC系统内部使用，其中有很大一部分数据是冗余的，这些冗余字段在以往门架本地计算能力较弱的情况下，为保证交易的成功率起到了比较大的作用。为更好地分析高速公路的运营状况和通行能力等指标，我们抽取了如下的字段作为ETC记录数据进行存储和分析。

（二）高速公路运维指标体系

作为负责高速公路的运营管理的营运管理公司，其主要的管理职责有路网监控和运行状态管理，高速公路收费和经营管理以及高速公路的养护管理等。通过利用实时的ETC门架数据，我们为其设计了高速公路路网监控运行指标，高速公路路段营运指标和高速公路服务水平及养护等三类指标，主要有以下的内容：

1.高速公路路网监控和运行状态

通过精准地获取路段上所行驶车辆的车型、车速、通行方向、通行时间及与之相关联的轴重、总重等全面的交通数据，可计算出交通量、平均车速、车辆密度、车辆在高速道路上的出行里程等信息，对全路网进行全方位的监控和管理。同时可对路网的通行效率进行分析，为交通诱导等提供数据服务。同时，通过计算两相邻门架之间的平均车速，用于交通管控中区间测速，结合门架的视频信息，可对超速车辆进行相应的处罚。

2.高速公路经营和收费管理

通过高速公路门架数据，可以统计汇总分路段通行费收入及收费站所收入的总金额，从而对本公司的经营情况有全面的了解。同时，分析各类特情及处理结果，可以对可能存在的收费异常进行统计和汇总，为通行费稽查工作提供参考依据。

3.高速公路养护分析

通过高速公路门架数据所提供的车辆类型及轴载分布，可分析计算各种车辆轴载对路面结构的损耗，提前预知道路可能产生的路面损害，为道路养护工作计划制定提供依据，也为养护资金的预算和分配提供依据。

4.高速公路服务水平计算

高速道路服务水平是指道路使用者从道路状况、交通条件、道路景观与环境方面满足人和车的出行需求所得到的满意程度，其服务水平和行车速度、通行时间、行车的通畅和交通终端及受阻、安全性、行车的舒适的等因素相关，在实际考核中，一般以行车速度、运行时间、交通密度、服务交通量和通行能力之比来确定高速公路的服务水平。

以往对高速公路的服务水平评估除部分采用出入口数据外，大都是通过人工方式进行数据采集，工作量巨大，危险性高，并且有人为出错的可能。结合高速公路门架数据，对通行速度、所占车道、车辆类型等数据都可以从门架数据中获取，得到较为精准的影响高速公路服务水平的各项指标，从而计算出某段高速公路的服务水平。

二、ETC系统数据分析

为更好地分析高速公路联网收费ETC系统目前的使用情况，我们采集了一个门架一个月的数据，试图分析所采集的数据状态对ETC系统中各项重要的指标进行定量分析，得出ETC系统使用中存在的问题，从而针对性地提出优化策略和措施。

（一）ETC卡的使用率

ETC卡的使用率是指通过门架车辆使用ETC卡与所有通行车辆的比例，是衡量高速公路收费站通行效率的一个重要指标。我们统计的某门架一个月的ETC卡使用情况如下：

上表可以看出，ETC卡的使用率在65.00%～69.00%之间，平均值为66.84%，数值每天变化不大，从数据可以看出，ETC的使用率约为67%左右，换言之，仍有约三分之一的车辆在走人工收费通道。

（二）ETC/CPC交易成功率

ETC/CPC成功与否取决于很多因素，最直接的就是车辆经过门架时未能识读到OBU的数据，下面是ETC/CPC交易成功率的数据，我们同样采集了某门架一个月的数据，情况见下表。

从上表可以看出，对于一个中等通行流量的门架，每天有超过2万辆车经过，成功率约为98%，意味着每天约有200辆左右的车辆要进行特情处理，对于全省有超过1200个门架的情形下，处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卡交易情况

根据我们统计的ETC卡的交易时长，普遍存在交易时长过长现象，究其原因除门架计算机处理能力以及网络延时等因素外，最主要的是OBU与RSU之间空口传输的数据量过大造成的，下面就是ETC卡交易时间的数据统计。

从上表可以看出，ETC交易的时延平均为280ms左右（国标为270ms）。从原始数据分析，最大的时延超过1000ms，交易时间长意味着RSU天线所覆盖的交易距离长，这样就带来邻道和对向的干扰，这应该是造成ETC交易不成功的一个重要因素。缩短交易时长对提高ETC工作效率有巨大的好处。

三、ETC系统优化策略

ETC系统存在的一些问题是由其目前采用的两片式组合ETC收费技术所决定的，这种模式为路侧单元（RSU）+电子标签（OBU）+IC卡，在这种模式下，RSU和OBU之间存在着大量的数据交换，而OBU和IC卡之间又存在着大量的数据交换，尤其是RSU和OBU之间数据交换是通过空中接口进行的，无线传输相对于有线传输的成功率低，而整个体系只要有一处数据传输出现问题，就会导致整个交易失败。

为改变设备间多次大数据量的数据传输过程，我们设计了一种提高ETC工作效率的方法，RSU只需从OBU上获取车辆基本信息，然后根据门架（出入口）信息形成原先存储在IC卡上的《ETC用户卡复合消费文件》，通过网络上传至云端。当车辆经过下一個门架（出入口）时，门架获取通过车辆的基本信息后，查找到存储在云端的《ETC用户卡复合消费文件》，并形成新的《ETC用户卡复合消费文件》，如果此门架是出口，则依照以前的流程进行计费并上传到云端进行清分结算。

这样做的好处是极大地减少了门架与车载设备之间的数据交换，整个数据传输的过程应在50ms内完成，这样就能大大地缩短RSU天线所覆盖的交易距离，减少了RSU天线之间的无线干扰，提高ETC交易的成功率。

四、利用机动车电子标识实现优化的方法

2021年3月24日，公安部官网发布了《道路交通安全法（修订建议稿）》公开征求意见的公告，公开向社会征求意见，机动车电子标识的普及和推广逐渐提上议事日程。作为物联网发展的一个分支产物，机动车电子标识利用无源射频识别（RFID）技术的高准确性采集、高灵敏度、高精度识别的特点，通过在机动车辆上安装电子车牌标签，解决汽车网联化过程中身份识别问题。作为机动车“二代身份证”的机动车电子标识具有的唯一性、防篡改、防复用的特性，在高速行驶中可以进行分车道识别机动车，使用机动车电子标识的电子不停车收费系统将极大地提高收费系统的工作效率。

结语

本文将ETC系统中门架数据用于高速公路运营单位的日常管理工作中，从高速路网运行状态和通行情况的监控、运营状态和通行费用分析、高速公路养护以及高速公路服务水平计算等方面提供的思路和方法，同时针对ETC使用率、成功率以及ETC交易延时等实时数据的采集，从数据层面分析了提高ETC系统效率的方法。随着机动车电子标识立法进程的推进以及推广应用，机动车电子标识将逐渐走进人们的生产和生活，成为机动车身份识别的另一个有效的手段，对交通运输行业和人们的生活产生革命性的影响。

参考文献：

［1］国家发改委、交通运输部《加快推进高速公路电子不停车快捷收费应用服务实施方案》［Z］.2019-6.

［2］交通运输部《交通运输部关于印发取消高速公路省界收费站总体技术方案的通知》（交公路函〔２０１９〕３２０号）.

［3］冯士峰.ETC门架系统在高速公路分段计费中的应用［J］.交通世界，2020（31）：5-6.

［4］王震宇.浅谈ETC技术对我国智慧高速公路发展的推动作用［J］.智能城市，2020，19：157-158.

［5］朱熙豪，郑于海，陶杰，等.5G与ETC融合的智慧交通体系建设探讨［J］.中国交通信息化，2021（S1）：14-16+38.

［6］孙婧.ETC的后应用时代（一）| ETC门架数据应用场景及实践［J］.中国交通信息化，2021（11）：18-25.

［7］公安部《道路交通安全法（修订建议稿）》公开征求意见的公告［Z］.2021-3-24.

作者简介：高潮（1963—），男，汉族，江苏南京人，硕士，高级工程师，研究方向：智慧交通。