■羅永煜 王陽(yáng)生 賴樹(shù)坤 朱慧先

（福建省高速公路信息科技有限公司，福州 350018）

高速公路作為我國(guó)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，截至2020 年底，我國(guó)高速公路里程已突破16 萬(wàn)km，居世界首位[1]。在取消收費(fèi)站后，29 個(gè)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)省份的24 588 套ETC 門(mén)架系統(tǒng)、48 211 條ETC 收費(fèi)車(chē)道全部完成工程建設(shè)和改造[1]。截至2021 年，ETC 累積用戶已經(jīng)超過(guò)2.2 億，車(chē)主使用率為78%，日均交易數(shù)據(jù)高達(dá)10 億，ETC 交易系統(tǒng)快速普及積累了海量的交易數(shù)據(jù)。ETC 門(mén)架系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施逐步升級(jí)，管理制度日益完善，為我國(guó)的高速公路快速精準(zhǔn)收費(fèi)提供了重要支撐。但是，ETC 門(mén)架系統(tǒng)由于設(shè)備鋪設(shè)位置造成的鄰道干擾、跟車(chē)干擾，以及設(shè)備故障、天氣原因、無(wú)線串?dāng)_造成的檢測(cè)失敗等原因，高速公路ETC 交易系統(tǒng)不可避免地存在重復(fù)交易、漏交易與誤交易事件[2-9]。因此，針對(duì)ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，識(shí)別出漏檢測(cè)、誤檢測(cè)及重復(fù)檢測(cè)現(xiàn)象，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)還原，以實(shí)現(xiàn)ETC 收費(fèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)。

1 ETC 系統(tǒng)交易異常原因分析

1.1 鄰道干擾

ETC 門(mén)架產(chǎn)生鄰道干擾現(xiàn)象是ETC 系統(tǒng)中常發(fā)性問(wèn)題，主要表現(xiàn)為ETC 門(mén)架上的RSU 設(shè)備和相鄰車(chē)道上的車(chē)輛中的車(chē)載OBU 設(shè)備進(jìn)行通信，導(dǎo)致ETC 門(mén)架收費(fèi)系統(tǒng)識(shí)別到對(duì)向車(chē)道的車(chē)輛信息，發(fā)生誤檢測(cè)交易特情，或ETC 門(mén)架上相鄰的兩RSU 設(shè)備同時(shí)識(shí)別到同一車(chē)輛而出現(xiàn)的重復(fù)檢測(cè)交易特情。ETC 門(mén)架產(chǎn)生鄰道干擾的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）設(shè)備安裝問(wèn)題。在施工過(guò)程中，RSU 設(shè)備未正對(duì)車(chē)道正中央，造成信號(hào)覆蓋區(qū)域偏左偏右的情況；設(shè)備安裝仰角大小不同也影響著信號(hào)覆蓋區(qū)域的面積；（2）車(chē)道設(shè)計(jì)問(wèn)題。相鄰車(chē)道之間需要設(shè)置一定寬度的隔離帶，若未設(shè)置隔離帶或隔離帶寬度不夠?qū)a(chǎn)生鄰道干擾現(xiàn)象；（3）RSU 設(shè)備配置問(wèn)題。天線方向圖設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)置好主瓣波束的覆蓋寬度；相鄰車(chē)道RSU 工作信道相同將出現(xiàn)同頻干擾問(wèn)題；發(fā)射功率過(guò)大同樣將導(dǎo)致覆蓋區(qū)域超出車(chē)道范圍。

現(xiàn)階段RSU 設(shè)備與OBU 設(shè)備間多采用單向通信，驗(yàn)證車(chē)輛行駛信息的準(zhǔn)確性存在較大的難度，因此鄰道干擾產(chǎn)生的特情制約著ETC 交易系統(tǒng)的精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)能力。ETC 門(mén)架鄰道干擾會(huì)出現(xiàn)以下2 種情況：（1）對(duì)向門(mén)架誤交易特情。車(chē)輛在最右側(cè)快車(chē)道行駛時(shí)，先后被對(duì)向車(chē)道和行車(chē)方向RSU 設(shè)備檢測(cè)到，并產(chǎn)生交易流水?dāng)?shù)據(jù)；（2）同向車(chē)道重復(fù)交易特情。車(chē)輛在某一車(chē)道行駛時(shí)車(chē)身相對(duì)偏向另一車(chē)道，同時(shí)由于各種原因鄰道的RSU 設(shè)備信號(hào)覆蓋區(qū)域較大且超過(guò)了車(chē)道寬度，此時(shí)將發(fā)生重復(fù)交易特情。

1.2 ETC 門(mén)架漏交易

ETC 門(mén)架作為路網(wǎng)車(chē)輛精準(zhǔn)路徑識(shí)別的重要設(shè)備是在線實(shí)時(shí)路徑識(shí)別、還原以及計(jì)費(fèi)處理的底層支撐，但由于天氣、設(shè)備故障以及網(wǎng)絡(luò)傳輸失敗等原因造成門(mén)架上的RSU 設(shè)備未識(shí)別到車(chē)輛經(jīng)過(guò)的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)門(mén)架漏交易特情。具體為車(chē)輛在經(jīng)過(guò)門(mén)架時(shí)，車(chē)載OBU 設(shè)備與ETC 門(mén)架RSU 設(shè)備通訊失敗，未生成交易流水信息導(dǎo)致出現(xiàn)門(mén)架漏交易特情。

2 ETC 門(mén)架交易異常修復(fù)方法

門(mén)架交易異常特情發(fā)生時(shí)，門(mén)架設(shè)備與OBU設(shè)備無(wú)法相互交互，門(mén)架是無(wú)法得知是否存在交易異常行為。本研究設(shè)計(jì)門(mén)架交易異常修復(fù)方法先對(duì)門(mén)架交易軌跡異常情況進(jìn)行說(shuō)明；再針對(duì)各種異常情況進(jìn)行針對(duì)性的修復(fù)方法說(shuō)明；最后設(shè)計(jì)門(mén)架交易異常修復(fù)算法對(duì)門(mén)架交易軌跡異常進(jìn)行修復(fù)還原，提高在線計(jì)費(fèi)及門(mén)架路徑擬合的精準(zhǔn)性。

2.1 ETC 門(mén)架交易異常情況說(shuō)明

門(mén)架交易特情發(fā)生時(shí)，在ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)中是無(wú)法直接反映出來(lái)的，因此對(duì)原始ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使其按照車(chē)輛行程軌跡化進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別分析是重要步驟。通過(guò)對(duì)車(chē)輛行程軌跡化后，可以利用高速公路門(mén)架拓?fù)潢P(guān)系提取出異常交易特情。

門(mén)架交易特情主要為3 類：漏交易、誤交易以及重復(fù)交易，這3 類交易特情在行程軌跡中相互組合可能出現(xiàn)幾種錯(cuò)誤軌跡。為保證ETC 收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)，需要針對(duì)不同的異常交易軌跡進(jìn)行修復(fù)以還原出車(chē)輛實(shí)際行駛路徑并進(jìn)行計(jì)費(fèi)。異常交易軌跡類型見(jiàn)表1，其中單一異常交易情況見(jiàn)序號(hào)1、2、3，處理這3 種情況相對(duì)容易，簡(jiǎn)單進(jìn)行拓?fù)浔葘?duì)即能得出。誤交易和漏交易組合出現(xiàn)的錯(cuò)誤軌跡見(jiàn)序號(hào)4、5、6，具體異常類型難以定位并難以進(jìn)行門(mén)架軌跡修復(fù)。

表1 異常交易軌跡類型

2.2 ETC 門(mén)架交易軌跡異常修復(fù)方法

對(duì)車(chē)輛交易軌跡存在多種異常交易特情的情況進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)算法進(jìn)行識(shí)別修復(fù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)的內(nèi)在需求。針對(duì)本研究梳理出的6 種異常交易情況進(jìn)行修復(fù)，主要是補(bǔ)全漏交易、刪除重復(fù)交易、修正誤交易，修復(fù)方法說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 異常交易軌跡修復(fù)方法說(shuō)明

根據(jù)異常交易軌跡修復(fù)方法說(shuō)明的思路，提出門(mén)架軌跡異常識(shí)別及修復(fù)方法，充分利用ETC 門(mén)架交易流水?dāng)?shù)據(jù)、高速公路路網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各異常交易情況識(shí)別并修復(fù)，為后續(xù)的收費(fèi)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。為此作出如下定義：

定義1 （節(jié)點(diǎn)Node）：高速公路上收費(fèi)站與ETC 門(mén)架和收費(fèi)站統(tǒng)稱為節(jié)點(diǎn)Node，其表示形式見(jiàn)公式（1）：

其中NodeID 為門(mén)架或收費(fèi)站編碼；NodeType作為區(qū)分門(mén)架和收費(fèi)站的標(biāo)識(shí)；OPP 表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的對(duì)向節(jié)點(diǎn)編碼。

定義2（通行節(jié)點(diǎn)PNode）：車(chē)輛在行駛過(guò)程中與門(mén)架設(shè)備進(jìn)行交互形成的交易信息、牌識(shí)信息以及車(chē)輛特征信息統(tǒng)稱通行信息。通行節(jié)點(diǎn)有車(chē)輛標(biāo)識(shí)、通行時(shí)間、節(jié)點(diǎn)組成，其表示形式見(jiàn)公式（2）：

其中VehSign 為車(chē)輛標(biāo)識(shí)，即車(chē)牌號(hào)；Node 為通過(guò)的節(jié)點(diǎn)信息；PTime 為通行時(shí)間。

定義3（行程門(mén)架軌跡PNodePath）：車(chē)輛在一次高速旅程中，所有的PNode 按Source 進(jìn)行分類，以PTime 排序生成的一條有序軌跡鏈。其表現(xiàn)形式見(jiàn)公式（3）：

其中PNode1、PNoden為當(dāng)前車(chē)輛高速旅程的起止點(diǎn)。需要說(shuō)明的是由于漏交易、誤交易、重復(fù)交易等異常情況，故車(chē)輛通行門(mén)架軌跡并非一定連續(xù)。將未出現(xiàn)交易特情的行程門(mén)架軌跡稱為PNodePathR；出現(xiàn)交易特情導(dǎo)致門(mén)架軌跡不連續(xù)的稱為PNodePathW。

定義4（門(mén)架拓?fù)潢P(guān)系，TP）：門(mén)架拓?fù)潢P(guān)系是由Node 之間的路網(wǎng)連接關(guān)系組成的，高速公路屬于分向行駛的全封閉道路，故拓?fù)潢P(guān)系是具有方向性的。其表示形式見(jiàn)公式（4）：

其中Nodei為當(dāng)前拓?fù)潢P(guān)系起點(diǎn)門(mén)架，Nodej為Nodei直接相連的后續(xù)門(mén)架。同時(shí)，Node 中保存著OPPNode 信息，由此可得反向門(mén)架拓?fù)潢P(guān)系TP′，見(jiàn)公式（5）：

定義5（門(mén)架連通關(guān)系，C）：門(mén)架連通關(guān)系指的是兩門(mén)架之間的最短門(mén)架路徑小于?（最大漏檢測(cè)門(mén)架數(shù)量閾值），即認(rèn)為當(dāng)前兩門(mén)架連通，其表示形式見(jiàn)公式（6）：

其中Pm=＜Nodej，…，Nodem＞為Nodei和Nodem之間的最短門(mén)架路徑；γ 為Pm 的長(zhǎng)度。

根據(jù)前人的研究[2]，絕大部分的車(chē)輛交易門(mén)架軌跡不會(huì)超過(guò)20 個(gè)門(mén)架，故選取15 個(gè)門(mén)架作為最大漏交易門(mén)架數(shù)量閾值，即?=15。

門(mén)架交易軌跡異常修復(fù)方法包括門(mén)架交易軌跡異常識(shí)別和異常交易軌跡修復(fù)2 個(gè)部分。先將ETC 交易流水軌跡提取生成PNodePath，遍歷PNodePath；再根據(jù)TP，TP′比對(duì)車(chē)輛前后的PNode信息，若出現(xiàn)重復(fù)交易特情，則刪除；若出現(xiàn)誤交易特情，則根據(jù)TP′的信息將誤交易節(jié)點(diǎn)PNoden修正成PNoden[OPP]；若出現(xiàn)漏交易特情則使用Pm 進(jìn)行漏交易門(mén)架補(bǔ)全；最終修復(fù)完成生成ReNodePath，若無(wú)法處理的軌跡提交人工審核，結(jié)束修復(fù)流程（圖1）。

圖1 門(mén)架交易異常識(shí)別及修復(fù)方法流程

3 實(shí)例分析

現(xiàn)階段，針對(duì)高速公路ETC 交易系統(tǒng)對(duì)異常交易數(shù)據(jù)清理修復(fù)的研究較少，缺乏有效的管理和科學(xué)的修復(fù)方法。如何利用ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)和高速公路門(mén)架拓?fù)湫畔?duì)ETC 交易系統(tǒng)產(chǎn)生的異常進(jìn)行修復(fù)還原成為當(dāng)前高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。異常交易特情的出現(xiàn)往往導(dǎo)致車(chē)輛的門(mén)架通行軌跡不完整、軌跡異常、軌跡錯(cuò)誤等。本研究針對(duì)漏交易、誤交易以及重復(fù)交易3 種異常交易特情組合生成的交易軌跡錯(cuò)誤情況進(jìn)行修復(fù)方法設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)的異常修復(fù)。試驗(yàn)依托于福建省高速公路信息科技有限公司的福建省高速公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)，選取了2022 年6 月22 日全天的ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Clickhouse 和Python。

3.1 異常軌跡分析

使用本研究提出的異常交易識(shí)別算法對(duì)2022年6 月22 日的ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中異常數(shù)據(jù)概況見(jiàn)圖2。ETC 流水?dāng)?shù)據(jù)異常是指出現(xiàn)漏交易、誤交易與重復(fù)交易的數(shù)據(jù)；行程指當(dāng)日的所有行程門(mén)架軌跡數(shù)，包括還未駛出高速的車(chē)輛；完整行程為當(dāng)日進(jìn)入收費(fèi)站并完成整個(gè)高速公路旅程出收費(fèi)站完成收費(fèi)的PNodePath 總數(shù)。從ETC 流水?dāng)?shù)據(jù)的異常情況看異常率較少，為1.69%，但是極小部分的異常流水?dāng)?shù)據(jù)造成了15.29%的PNodePath出現(xiàn)異常，這也說(shuō)明了ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)的異常識(shí)別和修復(fù)對(duì)收費(fèi)路徑的精準(zhǔn)擬合具有重要的研究意義。

圖2 2022 年6 月22 日ETC 交易流水異常數(shù)據(jù)

按行程錯(cuò)誤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未出現(xiàn)交易特情的PNodePathR中，平均通行門(mén)架數(shù)為7.57 個(gè)；出現(xiàn)交易特情的PNodePathW中，平均通行門(mén)架數(shù)為10.99 個(gè)。通過(guò)對(duì)PNodePath 所包含的PNode 數(shù)與PNodePath 錯(cuò)誤率的關(guān)聯(lián)分析（圖3），得出如下結(jié)論：（1）PNodePath 中的PNode 數(shù)集中在5～10 個(gè)，且大部分的PNodePath 中通行門(mén)架數(shù)小于20 個(gè)；（2）行程中PNode 異常交易率整體趨勢(shì)隨PNodePath 中的PNode 數(shù)量的增大而上升；（3）當(dāng)PNode 數(shù)小于32 個(gè)時(shí)為正確率高于異常率，一旦超過(guò)32 個(gè)PNode 和50%的PNodePath 會(huì)出現(xiàn)異常交易特情，當(dāng)PNodePath 達(dá)到72 個(gè)PNode 以上時(shí)，行程異常率接近1；（4）需要注意的是當(dāng)PNodePath 的PNode 數(shù)為2 時(shí)，異常率與正常率接近1∶1，此類數(shù)據(jù)值得重點(diǎn)關(guān)注，有可能是利用屏蔽通行介質(zhì)的方法，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算最短路徑進(jìn)行收費(fèi)從而達(dá)到“買(mǎi)短跑長(zhǎng)”目的。

圖3 行程節(jié)點(diǎn)數(shù)與行程錯(cuò)誤率關(guān)聯(lián)分析

3.2 異常軌跡修復(fù)效果分析

使用本研究提出的異常軌跡修復(fù)算法對(duì)出現(xiàn)異常的93 067 條PNodePathw進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)結(jié)果見(jiàn)圖4，本算法共修復(fù)87 486 條，仍有5 581 條屬于其他異常情況無(wú)法修復(fù)，修復(fù)成功率達(dá)到94%。針對(duì)已修復(fù)的PNodePath 進(jìn)行分析漏檢測(cè)出現(xiàn)的交易異常情況最多共86 913 次占總門(mén)架交易次數(shù)的7.6%；門(mén)架重復(fù)檢測(cè)出現(xiàn)的情況最少，占總門(mén)架交易次數(shù)的0.76%（圖5）。

圖4 完整行程修復(fù)情況

圖5 異常交易特情分析

4 結(jié)語(yǔ)

隨著取消省界收費(fèi)站后聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)里程激增，為維護(hù)高速公路正常的繳費(fèi)秩序，對(duì)門(mén)架交易狀況的識(shí)別和異常特情的還原修復(fù)成為高速公路運(yùn)營(yíng)的重要工作之一。本研究針對(duì)漏交易、誤交易、重復(fù)交易3 種交易特情所產(chǎn)生的異常交易軌跡進(jìn)行分析，提取出了6 種典型的異常交易軌跡，并根據(jù)高速公路門(mén)架拓?fù)湓O(shè)計(jì)異常軌跡修復(fù)算法，補(bǔ)充還原漏交易數(shù)據(jù)，修正誤交易數(shù)據(jù)，刪除重復(fù)交易數(shù)據(jù)；進(jìn)而選取了福建省高速公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)2022 年6 月22 日全天的ETC 交易流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證，確定了該方法的有效性，提高了收費(fèi)擬合的準(zhǔn)確性。