联网收费高速公路大数据分析和应用

大数据在联网收费高速公路中的应用一引言近年来，山东省高速公路的建设与发展获得了突出成就。现在高速公路联网收费里程已达5465公里，截至8月底，全省高速公路网建成收费站391个，鲁通卡268.8万张，OBU189.9万个,日均入出口车流量220万车次。“五纵连四横、一围绕山东”的高等级公路网主框架基本形成，省会与各市之间实现高速直达，全省“半日生活圈”的宏伟蓝图已经实现。山东省高速公路建设已经不再是经济社会发展的瓶颈制约，交通中心工作由强调基础设施建设向强调基础设施建设与公共管理并重转移。随着高速公路路网规模和复杂程度逐步扩大，如何加强管理，提高高速公路运行质量和服务水平，最大程度发挥高速公路运行的经济、社会效益，已成为交通主管部门面临的严峻课题。要提高高速路网的管理水平，建立交通应急预案，保障路网畅通，方便顾客安全便捷出行，需要对高速公路收费大数据进行挖掘分析，量化分析道路管理者、高速公路顾客和高速公路设施之间的关系，找出三者之间规律，为管理提供决策支持。随着我国经济的进一步发展，以高速公路为主体的高等级路网规模不停扩大，区域间的旅客出行需求不停增大，货品流动更加频繁，公众出行目的日益多元化，安全、快捷、经济、舒适和个性化的出行需求变得越来越迫切，需要高速公路交通行业为出行者提供范畴更广、质量更高、内容更丰富、区域集成的动态交通状况信息服务。为达成这一目的，需要对高速公路收费大数据进行深度分析，为公众出行提供高速路网动态路况信息。现在，高速公路联网收费信息系统中积累了海量的交通量信息，通过构建数据分析应用体系，理清数据分析应用的思路，采用科学有效的数据分析解决办法，对收费大数据进行深度挖掘分析，得到的数据分析成果为领导决策提供数据支撑，为高速公路日常运行管理提供数据根据，为公众出行提供路网实时路况信息。二高速公路收费大数据资源分析高速公路联网收费信息系统除了完毕收费功效外，还含有先进的交通信息采集功效，收费信息系统通过专用通信网络实时把进出收费站的每一辆车的属性信息传递到结算中心，形成高速路网交通信息数据库，数据库中的收费大数据是高速公路管理的贵重资源，在这些收费大数据中包含了诸多信息，例如车流量状况、车流量比例状况、轴重状况、路段车流量分布状况、各收费站进出车流量状况等，高速公路收费信息系统中保存的每条原始数据字段诸多，根据数据分析应用的需要，从收费原始数据中提取其中的10个字段，这10个字段涉及车流量的出入口站点、出入口时间、车型、轴重、轴数、行驶里程、收费额、超限率，根据这些数据，通过交通流分派模型，能够得到实时的、精确的交通流量、行驶时间、行驶车速、OD交通量、拥挤度、交通事件以及运行特性等方面的交通信息，从而能够进行交通量、路段断面交通量、运输量、超限超载和路网运行状态等方面的分析。三高速公路收费大数据分析应用体系构建高速公路收费结算数据分析指标体系围绕决策支持、运行管理和公众服务三个应用目的进行构建，路网宏观分析应用指标重要为领导宏观决策提供支撑，在应用上侧重于决策管理、行业管理、科研设计等方面；微观分析应用指标反映道路运行状态和运行质量为主，提供路网中各路段的服务水平，重要为路网监控、应急处置、公众出行信息服务提供信息支撑。（一）高速公路收费大数据分析指标总体框架根据高速公路收费大数据分析需求，数据分析指标总体框架如图1所示：图1高速公路收费大数据分析应用指标总体框架（二）高速公路收费大数据分析应用指标细化根据高速公路收费大数据应用分析指标总体框架，结合实际状况，对多个分析应用指标进行细化，具体状况如表3所示：表1高速公路收费大数据分析应用指标体系应用范畴一级指标二级指标三级指标决策支持道路特性路网密度路网连通度路网容量交通特性时间分布特性年、月、周、日、时交通量月变系数日变系数12H、16H交通量系数空间分布特性路网空间交通量分布图路段断面交通量车型分布特性客车分布比例货车分布比例总交通量分布比例当量交通量折算方向分布特性方向分布系数运输量特性客运量客运周转量货运量货运周转量路段断面承运量车货总重分布轴次分布轴载谱分布特性中轴轴重分布后轴轴重分布路网运行特性道路实时路况畅通、基本畅通、拥挤、阻塞路段平均行驶时间路段平均行驶速度超限车辆分布特性超限车辆车型分布比例车型车辆地区分布比例通行费稽查偷逃漏费分布比例路网经济效益通行费收入状况各业主通行费收入通行费拆帐状况路段每公路拆帐收入道路养护特性道路养护计划运营管理路段道路特性路段基础数据路段交通特性时间分布特性年、月、周、日、小时交通量空间分布特性路段断面交通量道路运行质量指数路网服务水平一、二、三、四级服务水平路政信息特性通行费稽查内部稽查班长卡使用状况外部稽查车辆黑名单通行卡状况分析路网通行卡调拨卡调拨区域通行卡流失状况无卡车换卡车坏卡车路段养护施工路段路况分析路段实时路况公众服务路网实时路况道路服务水平一、二、三、四级服务水平道路交通诱导道路状况公布出行网站交通广播电台出行服务热线情报板、诱导屏行驶途径查询ETC客户服务四、大数据分析系统总体框架构造和功效分析（一）系统总体框架构造和数据解决流程1高速路网大数据分析应用系统总体框架构造系统总体框架构造如图2所示。图2高速路网大数据分析应用支持系统总体框架构造2高速路网大数据分析应用系统解决流程高速路网智能交通管理与数据应用支持系统数据解决流程划分为数据层、分析层和应用层三个层面，分析流程如图3所示：图3高速路网大数据分析应用系统数据解决流程3子系统框架构造构建和功效分析（1）高速路网断面承运量分析系统构建与功效分析现在，山东省联网高速公路实施吨公里计费联网收费模式。高速公路收费实现省域联网是提高高速公路效率的有效办法,体现了高速公路安全、快捷、方便的特点。同时给高速公路运行管理增加了难度，高速公路日常运行模式是以各管理处对所辖路段进行管理，各路段断面交通量大小与车型分布比例是联网高速多途径问题的重要基础数据，但是在收费信息系统中交通量只有入、出口信息，车辆的行驶途径按最短路法拟定，各路段的实际交通量与收费信息系统中的路段交通量有一定偏差，根据路段流量检测器得到的交通量只是车流次数，缺少车辆类型信息。实施吨公里收费模式后来，收费信息系统中添加了交通流的重量信息，运用高速公路收费系统中翔实的交通流数据，对山东高速路网路段断面交通量进行挖掘分析与研究，得到各路段断面交通量的大小与车型分布比例，为解决联网收费多途径问题提供基础数据。标定路段的每公里承载吨位和通车次数能够拟定路面的磨损状况，为拟定路段的维修维护费用提供客观根据，通过路段每公里拆账收入，较精确反映路段的效益状况，综合路段的每公里承载吨位和每公里拆账收入状况，得出各路段的经营管理现状。运用断面交通流承运量，对路面承运量与路面磨损状况之间的关系进行分析研究，为高速公路道路养护、治理超限超载等提供科学根据。承运量分析系统框架构造如图4所示。图4高速路网断面承运量分析系统框图（2）高速公路交通流应急分流仿真系统构建与功效分析随着路网规模的不停扩大，路网中的某些路段、立交桥、桥梁和隧道等联结路网的核心作用日益突出，当这些核心点阻断时，造成路网发生交通阻塞，影响人们的交通出行。随着自然灾害、公共突发事件、人为破坏事件数量的增多，突发事件破坏性对人们生活破坏性的加重，人们越来越重视有关如何使突发事件对公众生活破坏性减少到最小的研究。对于突发事件状况下的人员与物资的疏散和撤离、紧急救援的精确达成、破坏影响范畴的控制等核心技术环节，公路交通应急疏散及运行安全方略的科学性和有效性将起到至关重要的作用。高速公路交通流应急分流仿真系统根据山东省高速公路信息管理系统，围绕山东省高速公路、国道和省道，搭建基于GIS的交通应急决策支持系统，仿真山东高速路网中的核心点阻断时，通行高速网的交通量如何通过其它路段进行疏导。通过交通仿真软件对交通应急预案进行仿真模拟，建立多个山东省高速公路交通应急备选方案，增强全省公路交通应急防止能力。高速公路交通流应急分流仿真系统框图如图5所示。图5高速公路交通流应急分流仿真系统框图（3）高速公路路况信息管理系统的构建与功效分析在高速公路单车通行统计数据中，普通都涉及下列信息：车辆的车型、车辆的出入口时间、车辆的出入口收费站信息（即通行里程信息）。通过对该信息的整顿、分析，得出某一时间段内，通过高速公路某一断面的交通车辆实体数据量，即高速公路断面交通量，在此基础上借助成熟的交通流模型，进一步挖掘分析，得出高速公路的动态路况信息。在此基础上，统计分析历史收费大数据、设计与验证交通流计算模型、上传汇总现有检测设施信息、检测设施补强方案制订与实施、设计多元数据融合算法，开发高速公路路况信息管理系统。路况信息管理系统实现对高速公路全路网断面交通流和路网运行状况的实时检测分析，以电子地图等形式，对省域高速公路网动态交通流实时呈现，路段通行状况鉴定精确率不不大于90％，实时分析系统单次解决全路网数据不大于60秒。高速公路路况信息管理系统框图如图6所示。图6高速公路路况信息管理系统框图（4）高速公路入口自动发卡智能车型识别系统针对山东省高速公路入口自动发卡车型识别的需求，我们研制了智能车型识别系统，该系统采用高清视频识别，以高清全景车辆图像、车辆牌照为重要识别特性，结合省厅结算中心联网收费综合稽查获取的全路网实时车型数据库，通过车型数据大数据分析挖掘、模式识别技术实现的智能车型识别系统，并含有自学习含糊识别功效。智能车型识别采用软件识别路线，依靠高清视频、车牌以及中心海量数据仓库，与传统物理车型识别技术路线（依靠车轴、车高、车长）有本质区别。车型原则普通以客车座位数、货车核定载荷作为鉴别原则，全部自动识别方式都无法直接去鉴别座位数、核定载荷。智能车型识别系统以全路网出口收费员人工校核的车型鉴别成果为基础样本，并提取每辆车统计角度上最精确车型，因此车型鉴别成果是最精确和最符合路网实际规定的。系统涉及智能车型识别终端、接口开发SDK、车型识别终端测试软件、设备接口动态库。高速公路入口自动发卡智能车型识别系统框图如图7所示：图7高速公路入口自动发卡智能车型识别系统框图五高速公路收费大数据具体分析应用实践（一）高速公路运行状况分析现在我国经济下行压力不停增大，已成为经济运行中的重要矛盾。交通运输是经济发展趋势的晴雨表，高速公路是全国运输大通道的重要构成部分，在交通运输体系中占有极其重要的地位，对高速公路路网交通量、运输量、通行费收入和路段断面承运量等参数进行分析，摸清路网运行状况，探索经济运行发展变化趋势，为领导决策提供支持根据。1京台、青银、京沪高速公路运行状况统计分析为了精确反映路网承运量变化状况，排除新增路的干扰，对京台（德州—鲁苏界）、青银（济南－青岛）、京沪（泰安—鲁苏界）三条高速公路的通行费、交通量和承运货车车货总吨位状况的变化趋势进行统计分析。1月—7月期间，京台路、京沪路、青银路三条高速路段通行费、交通量和承运车货总吨位同比增速和环比增速分别如图9、图10、图11所示。从图中能够看出，1月份至今，三条高速路段通行费、交通量和承运车货总吨位变化趋势基本一致：图9京台、京沪、青银三条高速路段通行费收入变化趋势图10京台、京沪、青银三条高速路段交通量变化趋势图11京台、京沪、青银三条高速路段承运车货总吨位变化趋势3全省高速路网货车运输量状况统计分析7月货车车货总吨位22737.04万吨，同比下降0.60%，环比增加0.54%；1-7月份货车车货总吨位143107.15万吨，同比增加7.11%。1月以来全路网货车车货总吨位状况见图12：图121月—7月份路网车货总吨位月变化状况（二）高速路网交通量时间出行分布特性分析1全省高速路网的交通量年变化特性-我省高速公路车流量具体变化状况如图13所示：图131月—全路网交通量变化状况（单位：万辆）2全省高速路网的交通量月变化特性1月-7月各月交通量具体变化状况如图14所示：图141月—7月全路网交通量变化状况2全省高速路网的交通量日变化特性全省路网周平均日交通量变化趋势：周五出行交通量最大，周日出行交通量最小，周变系数具体变化趋势如图15所示：图15全省路网交通量日变系数图16路网每日交通量状况3全省高速路网客、货车出行时间分布特性高速公路上车辆出行遵照双峰曲线出行规律，小型、中型车辆早高峰上午10点左右，晚高峰下午5点左右。大型车出行时间意义下交通量分布如图17-18所示，高峰发生在22点左右，白天期间通行量较小。图17小型、中型车出行时间意义下交通量分布图18大型车出行时间意义下交通量分布(三)高速路网交通量车型分布特性全省高速路网客车交通量比货车交通量高5.22%；在客车交通量中一型客居多，占客车交通量的85.1%；在货车交通量中五型货居多，占货车交通量的37.4%。各型车占总交通量的比例如图19所示：图19全路网交通量车型分布比例（四）高速路网交通量空间分布特性根据通行车辆的OD信息，按照最短途径法把全路网交通量分派到各个路段上，得到全路网的交通量（车次）分布状况，如图20所示。从图上能够看出，全省高速路网交通量空间出行分布突出特性是不平衡性，京台路（德州—鲁苏界）、京沪路（泰安—鲁苏界）、青银路等路段交通量分布较大。图20全省路网交通量分布状况（五）电子收费客服运行状况截止到8月18日，共发行鲁通卡（含联名卡）268.84万张，电子标签189.86万个。7月份我省非现金交易使用率为31.21%，客车ETC使用率为31.55%，非现金通行费占总通行费比例达38.33%。1鲁通卡和电子标签各月出售状况图211月-7月全省鲁通卡出售状况示意图（单位：万张）图221月-7月电子标签出售量示意图（单位：万个）2ETC车道各月车流量状况图231月-7月全省ETC车道车流量（含出、入口）（单位：万车次）（七）高速公路逃费治理分析1收费稽查管理系统概况山东省联网收费稽查管理系统对全省高速路网收费大数据进行分析挖掘统计，为各级收费管理人员提供稽查的基础数据和多个统计、分析的工具。高速公路联网收费稽查管理系统于9月开始设计开发，7月在我省路网部分路段开通试用，3月底我省联网高速公路全方面开通运行收费稽查系统。收费稽查系统的开通，为各运行管理单位提供了监控异常收费业务、挖掘逃费嫌疑线索、追踪逃费嫌疑车辆的服务信息平台。2、联网收费稽查管理平台建设内容（1）建设路网入、出口流水图像库收费稽查系统完毕了山东省高速公路信息管理系统入、出口车辆抓拍图片全路网集中存储和管理的核心功效，对进出高速公路的每辆车入出口图像数据上传到厅结算中心数据库，对全路网入、出口流水的图像数据进行存储和管理，为数据挖掘分析提供可靠的第一手图片数据，便于稽查和分析嫌疑逃费车辆，同时为全路网各收费稽查人员提供查询入、出口图像功效。现在结算中心稽查数据库寄存三个月的入、出口图像数据。（2）实时分析入、出口业务流水数据，查找异常业务流水联网收费稽查管理系统对我省高速公路联网收费大数据进行实时分析，对异常业务数据进行提示告警，供各地稽查人员查询、确认并解决问题。现在在用实时异常业务分析涉及设备故障、版本异常、安全警报、收费特情、修改特情共5大类90种异常。系统每月分析出多个异常业务流水约100万条，路网各收费站稽查人员通过稽查平台每日查询并确认近3万次异常业务，形成必不可缺的日常稽查工作。（3）建立多个嫌疑逃费车辆鉴定统计模型，标定模型参数针对计重偏轻、异常免费、换卡逃费、客车大车小标、货车拖磅/顶轴逃费、货车甩挂/倒货、异常下路逃费等突出嫌疑逃费问题，通过精密设计的逃费分析模型，按月分析嫌疑逃费信息。现在逃费模型分析系统涉及约8大类（有入无出、有出无入、套牌、鲁通卡余额不持续、业务类型不一致、车型计重异常、ETC异常、综合统计）94种模型，日常重点使用的有31种模型，每月下发逃费嫌疑稽查任务约600批次。（4）稽查任务的电子化、平台化解决稽查管理平台同时肩负联网收费稽查任务的公布、下发以及跟踪、统计工作，稽查平台分析出的逃费嫌疑信息，下发稽查任务到管理处、收费站等，并进行稽查任务的后续跟踪、审核解决。（5）分类管理稽查系统顾客，保障系统安全运行收费稽查系统的服务顾客涉及：厅结算中心、各运行管理单位、各路段收费分中心、各收费站等有关机构人员。各方顾客统一纳入到收费稽查服务范畴，平台针对不同顾客设计不同的权限和管理职责，形成了完整、高效的稽查工作流程以及稽查任务发起响应核查流程。各方顾客通过稽查平台信息化管理平台，能够较好的协同开展各项收费稽查工作，涉及日常异常收费业务分析、各类逃费模型挖掘，稽查任务申请、稽查、确认等工作，高效的打击和处分了多个逃费现象，对收费业务可能存在隐患及时发行、解决和跟踪。（6）开发外部应用接口平台稽查平台已经成为结算中心对外提供流水数据、稽查数据的统一接口平台，现在实现的涉及检察院行驶轨迹查询系统、公安局查询业务流水和图像、安全厅查询业务流水和图像等。稽查平台为检察院制作了单独的查询系统，供检察院查询车辆行驶轨迹，增进了检察院与交通厅的内部联系；稽查平台每4个小时定时产生发卡和收费基础数据、图像数据，提供济南公安局使用，同时稽查平台能够从公安局查询有关车辆的注册信息；安全厅查询业务流水和图像接口，正在调试中。3、建立重要稽查信息的流转和反馈机制厅高速公路收费结算中心负责每月筛选、汇总全省路网收费重要异常状况，报厅财务处研究后，以书面方式或者通过收费稽查系统分发到有关联网单位，以书面方式分发到有关联网单位的，由有关单位于次月中旬将稽查状况汇总后报厅财务处；通过收费稽查系统下发的，由结算中心运用稽查系统汇总有关单位稽查进展状况，并于次月中旬报厅财务处。4、成果及效益稽查平台从初开始试运行，全方面运行，以打击逃费、全方位稽查、为一线收费管理方提供服务为目的，通过多次的功效扩展、系统优化和采用日常运维保障方法，现在平台系统已稳定运行，产生了较好的经济效益和管理效益。对换卡、货车计重、客车车型降档、假冒绿通军车、闯关、有入无出等重要逃费现象进行稽查后，堵漏增收效果明显，年增收5000万元左右。与此同时稽查平台对多个可能发生、或处在萌芽状态的逃费行为、异常现象进行了全方面数据分析，实现提前防止、提前整治，在防止逃费方面起到直接效果。稽查平台还对路网日常稽查工作，特别是一线监控员、稽查员提供了高效、精细化的数据支撑，大大提高稽查效率，有效的防止和震慑各类逃费行为，减少了稽查成本。稽查平台通过大量的数据分析也是对整个联网收费一定程度上的监督和管理，在另一种角度督促收费业务的不停改善和持续优化，并提高收费管理效率，最后产生良好的管理效益和经济效益。（1）已成为收费稽查支柱应用平台稽查平台已在全省路网范畴内推广使用，截至底稽查平台使用顾客统计以下：稽查系统共有顾客964位，注册计算机终端1012台，日常在线人数500余人，日常并发查询次数约100人，每日点击次数约100万，每日查询次数5万余次。大部分收费站已将稽查平台作为不可缺少的日常稽查支撑平台。（2）通过稽查平台打击多起典型逃费行为通过稽查平台的逃费数据模型挖掘，及时发现了多起恶劣逃费行为，如稽查平台上线早期挖掘出较多的换卡逃费、套牌车、运用自动发卡机逃费、OBU发行车型偏小逃费、运用出口计重偏小逃费、频繁闯关、收费员输入车型偏小等。由于稽查平台挖掘逃费线索的精确性和全方面性，大大协助了稽查人员的针对性专项整治，运用平台挖掘的逃费线索快速高效的打击了逃费现象。通过平台统计，以上典型逃费行为均在3个月左右得到有效遏制，稽查后逃费状况大为减少，挽回了巨大经济损失。（3）通过稽查平台对逃费形成强有力威慑效应稽查平台上线以来，大部分原来无法全方面、有效解决的逃费现象得到有效遏制，进一步对逃费行为形成强有力的威慑效应。由于一线稽查人员能够运用稽查平台快速全方面的查询到有关逃费线索，对于某些典型、逃费成本较低的逃费行为，大为减少，反过来对于原故意逃费的车辆，在乎识到被稽查风险后，也会主动打消逃费行为。（4）稽查平台日常化分析将风险降至最低稽查平台对非法改写卡、非法充值、换卡逃费、闯关等逃费行为，作为日常重点稽核对象，通过稽查平台的日常化分析，将高速公路出现大范畴逃费、恶劣逃费的可能性降至最低，消亡在萌芽状态。（5）对收费业务发现问题、提出有益的建议稽查平台事实上也是对收费业务的监督和督促，能够发现问题并提出有益建议，重要体现在：●通过异常业务分析、逃费模型挖掘，针对收费业务的流程和安全角度发现问题提出建议。●通过对收费大数据全方面梳理，能够发行收费系统运行中可能存在的故障点（如核心设备异常，人员操作不规范等）和改善方向。●通过多维、多角度数据分析，能够对收费系统中提高收费效率、改善收费模式提供建议。（6）已在全国范畴内形成良好的示范效应随着高速公路收费业务发展，各省份也更加重视收费稽查的信息化建设，而山东省稽查系统先行一步和先进性也得到诸多省份的承认。现在山东省稽查系统已在全国范畴形成了良好的示范效应，涉及江苏、河北、江西、陕西等各省份多次与我省多次交流、学习和探讨收费稽查的建设。5、下一步展望随着高速公路事业的日益发展和管理需要，稽查平台也面临进一步的发展挑战和机遇，初步分析以下：●稽查平台必须继续确保稳定运行和维护，同时持续优化和扩充数据分析手段和逃费挖掘模型，以适应高速公路发展需要；●随着稽查平台应用的进一步，各方面顾客也会提出更多的功效需求、管理需求，因此稽查平台也需持