联网收费高速公路大数据分析与应用0911.docx

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联网收费高速公路大数据分析与应用0911

大数据在联网收费高速公路中的使用

一引言

近年来，山东省高速公路的建设和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，省会和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和公共管理并重转移。

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，通过构建数据分析使用体系，理清数据分析使用的思路，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，根据数据分析使用的需要，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。

三高速公路收费大数据分析使用体系构建

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使用目标进行构建，路网宏观分析使用指标主要为领导宏观决策提供支撑，在使用上侧重于决策管理、行业管理、科研设计等方面；微观分析使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使用指标总体框架

（二）高速公路收费大数据分析使用指标细化

根据高速公路收费大数据使用分析指标总体框架，结合实际情况，对各种分析使用指标进行细化，具体情况如表3所示：

表1高速公路收费大数据分析使用指标体系

使用范围

一级指标

二级指标

三级指标

决策支持

道路特征

路网密度

路网连通度

路网容量

交通特征

时间分布特征

年、月、周、日、时交通量

月变系数

日变系数

12H、16H交通量系数

空间分布特征

路网空间交通量分布图

路段断面交通量

车型分布特征

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

方向分布特征

方向分布系数

运输量特征

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

轴载谱分布特征

中轴轴重分布

后轴轴重分布

路网运营特征

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

超限车辆分布特征

超限车辆车型分布比例

车型车辆地域分布比例

通行费稽查

偷逃漏费分布比例

路网经济效益

通行费收入情况

各业主通行费收入

通行费拆帐情况

路段每公路拆帐收入

道路养护特征

道路养护计划

运营管理

路段道路特征

路段基础数据

路段交通特征

时间分布特征

年、月、周、日、小时交通量

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

通行费稽查

内部稽查

班长卡使用情况

外部稽查

车辆黑名单

通行卡情况分析

路网通行卡调拨

卡调拨区域

通行卡流失情况

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

道路状况发布

出行网站

交通广播电台

出行服务热线

情报板、诱导屏

行驶路径查询

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使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使用支持系统总体框架结构

2高速路网大数据分析使用系统处理流程

高速路网智能交通管理和数据使用支持系统数据处理流程划分为数据层、分析层和使用层三个层面，分析流程如图3所示：

图3高速路网大数据分析使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和功能分析

目前，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和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和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，对山东高速路网路段断面交通量进行挖掘分析和研究，得到各路段断面交通量的大小和车型分布比例，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，对路面承运量和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和功能分析

随着路网规模的不断扩大，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和物资的疏散和撤离、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，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和功能分析

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、设计和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和实施、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，和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，因此车型判别结果是最准确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：

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使用实践

（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：

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情况统计分析

2016年7月货车车货总吨位22737.04万吨，同比下降0.60%，环比增长0.54%；1-7月份货车车货总吨位143107.15万吨，同比增长7.11%。

2015年1月以来全路网货车车货总吨位情况见图12：

图122015年1月—2016年7月份路网车货总吨位月变化情况

（二）高速路网交通量时间出行分布特征分析

1全省高速路网的交通量年变化特征

2002年-2015年我省高速公路车流量具体变化情况如图13所示：

图132002年1月—2015年全路网交通量变化情况（单位：

万辆）

2全省高速路网的交通量月变化特征

2014年1月-2016年7月各月交通量具体变化情况如图14所示：

图142014年1月—2016年7月全路网交通量变化情况

2全省高速路网的交通量日变化特征

2015年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152015年全省路网交通量日变系数

图162015年路网每日交通量情况

3全省高速路网客、货车出行时间分布特征

高速公路上车辆出行遵循双峰曲线出行规律，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征

2015年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192015年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征

根据通行车辆的OD信息，按照最短路径法把2016年全路网交通量分配到各个路段上，得到全路网的交通量（车次）分布情况，如图20所示。

从图上可以看出，全省高速路网交通量空间出行分布突出特征是不平衡性，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202016年全省路网交通量分布情况

（五）电子收费客服运营情况

截止到2016年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发售情况

图212015年1月-2016年7月全省鲁通卡发售情况示意图（单位：

万张）

图222015年1月-2016年7月电子标签发售量示意图（单位：

万个）

2ETC车道各月车流量情况

图232015年1月-2016年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种统计、分析的工具。

高速公路联网收费稽查管理系统于2011年9月开始设计开发，2012年7月在我省路网部分路段开通试用，2013年3月底我省联网高速公路全面开通运行收费稽查系统。

收费稽查系统的开通，为各运营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

收费稽查系统完成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能，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、出口图像功能。

目前结算中心稽查数据库存放三个月的入、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。

目前在用实时异常业务分析包括设备故障、版本异常、安全警报、收费特情、修改特情共5大类90种异常。

系统每月分析出各种异常业务流水约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）建立多种嫌疑逃费车辆判定统计模型，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。

目前逃费模型分析系统涉及约8大类（有入无出、有出无入、套牌、鲁通卡余额不连续、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、平台化处理

稽查管理平台同时肩负联网收费稽查任务的发布、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、审核处理。

（5）分类管理稽查系统用户，保障系统安全运行

收费稽查系统的服务用户包括：

厅结算中心、各运营管理单位、各路段收费分中心、各收费站等相关机构人员。

各方用户统一纳入到收费稽查服务范围，平台针对不同用户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。

各方用户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，包括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，高效的打击和处罚了各种逃费现象，对收费业务可能存在隐患及时发行、处理和跟踪。

（6）开发外部使用接口平台

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，目前实现的包括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，增进了检察院和交通厅的内部联系；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，同时稽查平台可以从公安局查询相关车辆的注册信息；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情况，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，由相关单位于次月中旬将稽查情况汇总后报厅财务处；通过收费稽查系统下发的，由结算中心利用稽查系统汇总有关单位稽查进展情况，并于次月中旬报厅财务处。

4、成果及效益

稽查平台从2012年初开始试运行，2013年全面运行，以打击逃费、全方位稽查、为一线收费管理方提供服务为目标，经过多次的功能扩展、系统优化和采取日常运维保障措施，目前平台系统已稳定运行，产生了很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、有入无出等主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。

和此同时稽查平台对各种可能发生、或处于萌芽状态的逃费行为、异常现象进行了全面数据分析，实现提前预防、提前整治，在预防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，有效的预防和震慑各类逃费行为，降低了稽查成本。

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，在另一个角度督促收费业务的不断改进和持续优化，并提高收费管理效率，最终产生良好的管理效益和经济效益。

（1）已成为收费稽查支柱使用平台

稽查平台已在全省路网范围内推广使用，截至2015年底稽查平台使用用户统计如下：

稽查系统共有用户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，如稽查平台上线初期挖掘出较多的换卡逃费、套牌车、利用自动发卡机逃费、OBU发行车型偏小逃费、利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准确性和全面性，大大帮助了稽查人员的针对性专项整治，利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，稽查后逃费情况大为减少，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，大部分原来无法全面、有效处理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利用稽查平台快速全面的查询到相关逃费线索，对于一些典型、逃费成本较低的逃费行为，大为减少，反过来对于原有意逃费的车辆，在意识到被稽查风险后，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，作为日常重点稽查对象，通过稽查平台的日常化分析，将高速公路出现大范围逃费、恶劣逃费的可能性降至最低，消灭在萌芽状态。

（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，主要体现在：

●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面梳理，能够发行收费系统运行中可能存在的故障点（如关键设备异常，人员操作不规范等）和改进方向。

●通过多维、多角度数据分析，可以对收费系统中提高收费效率、改进收费模式提供建议。

（6）已在全国范围内形成良好的示范效应

随着高速公路收费业务发展，各省份也愈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很多省份的认可。

目前山东省稽查系统已在全国范围形成了良好的示范效应，包括江苏、河北、江西、陕西等各省份多次和我省多次交流、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，初步分析如下：

●稽查平台必须继续保证稳定运行和维护，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；

●随着稽查平台使用的深入，各方面用户也会提出更多的功能需求、管理需求，因此稽查平台也需持续改进；

●高速公路新业务模式处于高速发展中，下一步对最终车主用户提供更加优质服务也成为重点研究内容；

●稽查平台具备良好的收费业务平台化管理基础，针对各联网单位、路段运营方提供更好、更加贴合的管理服务也是稽查平台下一步发展方向；

●现阶段稽查平台的软硬件投入较少，未来如需要进一步发展，还需加大投入，进一步提升稽查平台的服务和运营水平。

（八）高速公路超限超载治理分析

联网集中收费系统为治理超限超载工作提供数据支持，通过数据挖掘分析，从收费大数据中可以得到超限车辆名单记录及其时空分布、超限车辆超限比例分布、超限车辆超限属地分布等特征，根据这些特征，可以实现治超从货运源头抓起，下发超限车辆名单，实现追踪处理，从而提高治超管理水平。

各地市行政区域内高速公路超限货车占货车总交通量比例的对比情况如图24所示：

图24