1、1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取得了突出成就。目前高速公路联网收费里程已达 5465 公里，截至 2016 年 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、一环绕山东 ”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
2、公路运行质量和服务水平，最大限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。要提升高速路网的管理水平，建立交通应急预案，保障路网畅通，方便用户安全便捷出行，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、高速公路用户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断扩大，区域间的旅客出行需求不断增大，货物流动更加频繁，公众出行目标日益多元化，安全、快捷、经济、舒适和个性化2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围更广、质量更高、内容更丰富、区域集成的动态交通情况信
3、息服务。为达到这一目的，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。目前，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处理方法，对收费大数据进行深度挖掘分析，得到的数据分析结果为领导决策提供数据支撑，为高速公路日常运营管理提供数据依据，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成收费功能外，还具有先进的交通信息采集功能，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
4、费大数据是高速公路管理的宝贵资源，在这些收费大数据中包含了很多信息，比如车流量状况、车流量比例状况、轴重状况、路段车流量分布情况、各收费站进出车流量情况等，高速公路收费信息系统中保存的每条原始数据字段很多，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 个字段包括车流量的 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，通过交通流分配模型，可以得到实时的、准确的交通流量、行驶时间、行驶车速、OD 交通量、拥挤度、交通事件以及运营特征等方面的交通信息，从3而可以进行交通量、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
5、 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、运营管理和公众服务三个应用目标进行构建，路网宏观分析应用指标主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，主要为路网监控、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
6、情4况，对各种分析应用指标进行细化，具体情况如表 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围 一级指标 二级指标 三级指标路网密度路网连通度道路特征路网容量年、月、周、日、时交通量月变系数日变系数时间分布特征12H、16H 交通量系数路网空间交通量分布图空间分布特征路段断面交通量客车分布比例货车分布比例总交通量分布比例车型分布特征当量交通量折算交通特征方向分布特征 方向分布系数客运量客运周转量货运量货运周转量车货总重分布路段断面承运量轴次分布中轴轴重分布运输量特征轴载谱分布特征 后轴轴重分布道路实时路况 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车型
7、分布比例超限车辆分布特征车型车辆地域分布比例路网运营特征通行费稽查 偷逃漏费分布比例通行费收入情况 各业主通行费收入路网经济效益通行费拆帐情况 路段每公路拆帐收入决 策 支 持道路养护特征 道路养护计划路段道路特征 路段基础数据时间分布特征 年、月、周、日、小时交通 量路段交通特征空间分布特征 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征运 营 管 理通行费稽查 内部稽查 班长卡使用情况5外部稽查 车辆黑名单路网通行卡调拨 卡调拨区域无卡车换卡车通行卡情况分析 通行卡流失情况坏卡车路段养护施工路段路况分析 路段实时路况路网实时路况 道路服务水平 一、二、三
8、、四级服务水平出行网站交通广播电台出行服务热线道路交通诱导 道路状况发布情报板、诱导屏行驶路径查询公众服务ETC 客户服务四、大数据分析系统总体框架结构和功能分析（一）系统总体框架结构和数据处理流程1 高速路网大数据分析应用系统总体框架结构系统总体框架结构如图 2 所示。图 2 高速路网大数据分析应用支持系统总体框架结构2 高速路网大数据分析应用系统处理流程高速路网智能交通管理与数据应用支持系统数据处理流程划分为数据层、6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处理流程3 子系统框架结构构建和功能分析（1）高速路网断面承运量分析系统构建与功能分析目
9、前，山东省联网高速公路实行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方法,体现了高速公路安全、快捷、方便的特点。同时给高速公路运营管理增加了难度，高速公路日常运营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路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，车辆的行驶路径按最短路法确定，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。实行吨公里收费模式以后，收费信息系统中添加了交通流的重量信息， 利用高速公路收费系统中翔实的交通流数据，对山
10、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，为解决联网收费多路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可以确定路面的磨损状况，为确定路段的维修维护费用提供客观依据，通过7路段每公里拆账收入，较准确反映路段的效益情况，综合路段的每公里承载吨位和每公里拆账收入情况，得出各路段的经营管理现状。利用断面交通流承运量，对路面承运量与路面磨损情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依据。承运量分析系统框架结构如图 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能分析随着路网
11、规模的不断扩大，路网中的一些路段、立交桥、桥梁和隧道等联结路网的关键作用日益突出，当这些关键点阻断时，导致路网发生交通阻塞，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，人们越来越重视关于如何使突发事件对公众生活破坏性降低到最小的研究。对于突发事件情况下的人员与物资的疏散和撤离、紧急救援的准确到达、破坏影响范围的控制等关键技术环节，公路交通应急疏散及运营安全策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依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
12、，仿真山东高速路网中的关键点阻断时，通行高速网的交通量如何通过其他路段进行疏导。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8速公路交通应急备选方案，增强全省公路交通应急预防能力。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能分析在高速公路单车通行记录数据中，一般都包括以下信息：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） 。通过对该信息的整理、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
13、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定与实施、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展现，路段通9行状况判定准确率大于 90，实时分析系统单次处理全路网数据小于 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
14、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、车辆牌照为主要识别特征，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，并具备自学习模糊识别功能。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。车型标准一般以客车座位数、货车核定载荷作为判别标准，所有自动识别方式都无法直接去判别座位数、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判别结果为基础样本，并提取每辆车统计角度上最准确车型，10因此车型判别结果是最准确
15、和最符合路网实际要求的。系统包括智能车型识别终端、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：最终用户软件开发人员E G C 智能车型识别终端接口开发 S D K接口动态库 、 测试程序图 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）高速公路运行情况分析当前我国经济下行压力不断增大，已成为经济运行中的主要矛盾。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组成部分，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，摸清路网运行情况，探索经济运行发展变化趋势，为领导决策提供支持依据。1 京台、青银、京沪高速公路运行情况统计分析为了准确反映路网承运量变化情况，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情况的变化趋势进行统计分析。2014 年 1 月2016 年 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。从图中可以看出，2014 年 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：
