高速公路智慧型營運(yùn)管理平臺研究

郝建明， 徐青松， 唐又林

（中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

隨著高速公路建設(shè)的持續(xù)快速發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)也在不斷成熟，營運(yùn)管理工作中對通行費(fèi)的收取和拆分、通行卡和票據(jù)的管理等需求已經(jīng)得到了滿足。但是，隨著近年來智慧城市理念的提出和發(fā)展，智慧高速公路逐漸成為智慧城市的組成部分，營運(yùn)管理工作朝著智慧化方向發(fā)展的過程中，在收費(fèi)金額預(yù)測、作弊車輛分析和信息服務(wù)提供等方面產(chǎn)生了新的需求，而聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)尚無法滿足這些新需求。

引入智慧型營運(yùn)的概念，利用數(shù)據(jù)挖掘和實時分析技術(shù)，以聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立智慧型營運(yùn)管理平臺來滿足營運(yùn)管理的新需求，無疑是提高營運(yùn)管理水平的有效手段。

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外營運(yùn)管理現(xiàn)狀

美、歐等國家在上世紀(jì)80年代就開始了智能交通營運(yùn)管理平臺的研究。美國建立了車隊管理、交通出行信息、電子收費(fèi)等系統(tǒng)。歐洲則建立了旅行信息系統(tǒng)（Advanied Traveler Infor mation System，ATIS）、車輛控制系統(tǒng)（Advanced Vehicle Control Systems，AVCS）、商業(yè)車輛運(yùn)行系統(tǒng)（Advanced Co mmercial Vehicle Operations，ACVO）和電子收費(fèi)系統(tǒng)［1］等。發(fā)達(dá)國家對營運(yùn)管理系統(tǒng)平臺的建設(shè)起步較早，現(xiàn)已形成了完善的體系。

我國在高速公路營運(yùn)管理領(lǐng)域的起步較晚，從最早的人工管理階段發(fā)展到半自動化管理階段，目前正伴隨著智慧城市的發(fā)展向智慧型營運(yùn)階段邁進(jìn)。高速公路營運(yùn)管理工作大致包括：

1）通行費(fèi)的收取、統(tǒng)計、拆分。

2）通行卡、票據(jù)的管理。

3）收費(fèi)費(fèi)率的制定。

4）收費(fèi)政策的制定和新業(yè)務(wù)的推廣。

5）收費(fèi)稽查。

6）信息服務(wù)提供。

目前的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)滿足了營運(yùn)管理工作中對錢、卡、票和費(fèi)率的管理需求，但是在滿足其他需求時存在不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）無法對收費(fèi)政策制定和新業(yè)務(wù)推廣方案制定提供決策數(shù)據(jù)支持。

2）無法自動地獲取作弊車輛信息，從而進(jìn)行主動稽查。

3）無法提供多元化的信息服務(wù)發(fā)布方式。如公安人員只能到高速系統(tǒng)內(nèi)部以人工查詢方式獲取嫌疑車輛通行記錄。

1.2 引入智慧型營運(yùn)管理平臺的必要性

為適應(yīng)高速公路營運(yùn)管理工作向著智慧型營運(yùn)階段發(fā)展的趨勢，必然需要在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)之外引入獨(dú)立的智慧型營運(yùn)管理平臺，從“營運(yùn)分析智慧化”、“稽查分析智能化”、“信息推送實時化”和“信息提供多元化”多角度滿足智慧型營運(yùn)的需求，以期解決營運(yùn)管理工作中缺少決策支持?jǐn)?shù)據(jù)、無法自動稽查分析和信息服務(wù)提供方式單一等問題。

根據(jù)智慧城市的理念，所有事物、流程、運(yùn)行方式都將實現(xiàn)更深入的智能化［2］，而智慧型營運(yùn)管理平臺的智慧之處主要體現(xiàn)為平臺能夠主動地進(jìn)行信息推送、主動地分析出營運(yùn)管理所需的決策支持?jǐn)?shù)據(jù)和收費(fèi)稽查數(shù)據(jù)，并支持多種信息服務(wù)提供方式。

2 總體技術(shù)方案研究

2.1 平臺功能設(shè)計

為了滿足智慧型營運(yùn)的要求，設(shè)計了智慧型營運(yùn)管理平臺（見圖1）。

圖1 智慧型營運(yùn)管理平臺功能模塊劃分圖

1）智慧化的營運(yùn)分析功能。平臺能夠通過數(shù)據(jù)挖掘模型自動對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘得到收費(fèi)金額預(yù)測數(shù)據(jù)、車輛行為模式分析數(shù)據(jù)和斷面分析數(shù)據(jù)，為收費(fèi)正常制定和新業(yè)務(wù)推廣提供決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。

2）智能化的稽查分析功能。平臺能夠建立作弊車輛實時分析模型對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，得到路網(wǎng)內(nèi)的作弊車輛信息，并將作弊車輛信息反饋給聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，為各路段確定稽查范圍、加強(qiáng)稽查力度提供支持?jǐn)?shù)據(jù)。

3）實時化的信息推送功能。平臺能夠自動將工作清單和重要通知推送到平臺主界面，提醒管理人員注意。

4）多元化的信息提供方式。平臺能夠通過短信平臺、Web Ser vice和網(wǎng)站等多種形式為不同的信息需求者提供其所需要的信息。

2.2 總體架構(gòu)

圖2 智慧型營運(yùn)管理平臺總體架構(gòu)圖

圖2 中，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)源，其歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后存儲于營運(yùn)管理平臺歷史數(shù)據(jù)庫中，以歷史數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)實現(xiàn)營運(yùn)分析中收費(fèi)金額預(yù)測、車輛行為模式分析和斷面分析功能；實時數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后存儲于營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫中，以實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)實現(xiàn)稽查分析中套牌車作弊分析、換卡車作弊分析和卡信息篡改作弊分析功能。營運(yùn)分析和實時分析的結(jié)果都存放于平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中，信息推送和信息服務(wù)的數(shù)據(jù)源均為營運(yùn)管理平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫。

2.3 技術(shù)路線

2.3.1 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是通過仔細(xì)分析大量數(shù)據(jù)，揭示有意義的新關(guān)系、趨勢和模式的過程。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對營運(yùn)管理歷史數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以實現(xiàn)營運(yùn)分析中的收費(fèi)金額預(yù)測功能。數(shù)據(jù)挖掘中常用的決策樹算法［3］和貝葉斯算法［4］屬于分類算法，常用于提取某類事物的特征，如超重車輛特征等?；貧w分析方法常用于定量分析的實際研究中，而線性回歸算法是回歸分析方法的一種。高速公路收費(fèi)金額預(yù)測屬于定量分析的范疇，因此可采用線性回歸算法來進(jìn)行收費(fèi)金額預(yù)測的數(shù)據(jù)挖掘工作。

2.3.2 實時數(shù)據(jù)分析

實時數(shù)據(jù)分析以營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)為分析對象，通過建立作弊車輛分析模型，對實時數(shù)據(jù)套用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以此得到套牌車作弊車輛信息、換卡車作弊車輛信息和卡信息篡改作弊車輛信息，并將作弊車輛信息反饋給聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)。

3 平臺功能模型設(shè)計

3.1 智慧型營運(yùn)分析

營運(yùn)分析以營運(yùn)管理平臺歷史數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用數(shù)據(jù)挖掘的線性回歸算法實現(xiàn)收費(fèi)金額預(yù)測功能，采用OD（Origin Destination）分析等方法實現(xiàn)車輛行為模式分析功能，采用最短路徑算法實現(xiàn)斷面分析功能。

3.1.1 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)源自聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，再經(jīng)過采集、集成、清洗等過程，將原始數(shù)據(jù)融合后得到營運(yùn)管理平臺所需的數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)融合過程示意圖

數(shù)據(jù)采用閑時定時采集的方式，每天凌晨1：00～3：00采集前一天的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集成階段刪除冗余字段，同時對人工半自動車道收費(fèi)（Manual Ton Collection，MTC）系統(tǒng)數(shù)據(jù)和電子停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection，ETC）系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，以0表示非ETC系統(tǒng)，1表示ETC系統(tǒng)。數(shù)據(jù)清洗階段采用數(shù)據(jù)過濾算法進(jìn)行清洗，去掉其中的噪聲。

數(shù)據(jù)過濾算法如下：在入口表和出口表中以卡號字段進(jìn)行類聚，再對其中出現(xiàn)重復(fù)的記錄按操作時間進(jìn)行分析，保留最早入口記錄和最晚出口記錄，刪除其他記錄，這樣可以剔除壞卡、廢卡等特殊情況產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)。

3.1.2 收費(fèi)金額預(yù)測分析

收費(fèi)金額預(yù)測模型采用數(shù)據(jù)挖掘算法中的線性回歸算法，利用交通流量和收費(fèi)金額之間的關(guān)系建立線性回歸模型。線性回歸公式為Y＝a X＋b，其中交通流量作為自變量X；收費(fèi)金額作為因變量Y；a為斜率，代表Y隨著X的變化而變化的趨勢；b為截距，代表線性回歸曲線在Y軸上的偏移量。線性模型中交通流量和收費(fèi)金額的依賴關(guān)系是根據(jù)線性關(guān)系中的X和Y值進(jìn)行確定的。在計算交通流量時，根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將不同車型的交通流量折合為標(biāo)準(zhǔn)交通流量。

表1 代表車型與車輛折算系數(shù)對應(yīng)表

選取某收費(fèi)站2012年5月的數(shù)據(jù)按照車輛折算關(guān)系進(jìn)行計算標(biāo)準(zhǔn)交通流量后，使用線性回歸算法，預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 線性回歸算法預(yù)測結(jié)果表

線性回歸曲線Y＝a X＋b公式的參數(shù)為：a＝128.58，b＝－1 023 127.83，即線性回歸曲線為Y＝128.58×交通流量－1 023 127.83。從表2可知，此曲線預(yù)測的收費(fèi)金額具有很高的準(zhǔn)確性，可為營運(yùn)管理收費(fèi)政策的制定提供參考數(shù)據(jù)。

3.1.3 車輛行為模式分析

車輛行為模式分析模型建立以車牌號和車牌顏色為唯一標(biāo)識的車輛檔案，設(shè)立常規(guī)路線、月通行頻率、月均通行費(fèi)、月均違章率等常規(guī)指標(biāo)，對營運(yùn)管理平臺的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)分析，得到車輛的行為模式。根據(jù)車輛行為模式分析的結(jié)果，可以讓營運(yùn)管理者了解路網(wǎng)內(nèi)車方司乘人員的信息，為制定新業(yè)務(wù)推廣方案提供數(shù)據(jù)參考。

（1）常規(guī)路線以車牌號為標(biāo)識對每年的車輛通行記錄進(jìn)行OD分析，得到車輛的常規(guī)通行路線；

（2）月通行頻率＝通行次數(shù)／當(dāng)月天數(shù)；

（3）月均通行費(fèi)＝當(dāng)月通行費(fèi)總額／通行次數(shù)；

（4）月均違章率＝當(dāng)月違章次數(shù)總數(shù)／通行次數(shù)。

選擇車牌為A35260和A33788兩車2012年5月的數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛模式行為分析得到的結(jié)果見表3。

表3 車輛模式行為分析結(jié)果表

3.1.4 斷面分析

按照工班日期，根據(jù)采集到的每條流水的入口站和出口站的編號，利用最短路徑算法計算出整個行駛路徑上的相鄰站信息，若入口站到出口站的路徑上經(jīng)過了N個收費(fèi)站，則得到入口站到相鄰站1，相鄰1到相鄰站2，…，相鄰站i到相鄰站i＋1，…相鄰站n到出口站共n＋1條記錄，表示整條路徑上的n＋1個相鄰站區(qū)間都經(jīng)過了1輛車，再根據(jù)表1中的折算關(guān)系折算成標(biāo)準(zhǔn)車流，即得到該工班日期收費(fèi)站區(qū)間Inter val（i）的1條斷面車流數(shù)據(jù)F（i）。對所有流水都進(jìn)行上述操作后進(jìn)行求和計算，得到收費(fèi)站區(qū)間Interval（i）在該工班日期的斷面車流量P（i）＝Su m（F（i））。Interval（i）表示收費(fèi)站i－1到收費(fèi)站i的區(qū)間。某條高速公路2012－05－15的斷面流量分析見表4。

表4 斷面流量分析表

3.2 智能化稽查分析

稽查分析以營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，建立套牌車作弊實時分析模型、換卡車作弊實時分析模型和卡信息篡改作弊實時分析模型，對路網(wǎng)內(nèi)通行車輛主動地進(jìn)行智能化分析，得出作弊車輛信息，并下發(fā)到各路段的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中，幫助路段稽查人員確定稽查范圍，增強(qiáng)稽查力度。

營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫中存放路網(wǎng)內(nèi)所有在途車輛的檔案信息，以車牌為唯一標(biāo)識，包括車型、車種、卡號、入口時間和入口抓拍圖像等信息。當(dāng)車輛進(jìn)入高速公路時，采集車輛信息進(jìn)入到在途車輛檔案；當(dāng)車輛離開高速公路時，將此車輛信息從在途車輛檔案中刪除。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

稽查分析數(shù)據(jù)采集方式為實時采集，將聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)實時產(chǎn)生的入口流水?dāng)?shù)據(jù)和出口流水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過采集、集成、清洗等階段處理后存儲于營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫中，作為實時分析模型的數(shù)據(jù)源。

3.2.2 套牌車作弊分析

當(dāng)入口車道產(chǎn)生一條入口車道流水時，如車牌為A12345，此車輛信息被實時采集到平臺實時數(shù)據(jù)庫的在途車輛檔案中，營運(yùn)管理平臺套牌車作弊實時分析服務(wù)經(jīng)過分析比對，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在途車輛檔案中有多個A12345后，將每個A12345對應(yīng)的車型、車種、卡號、入口時間等關(guān)鍵信息寫入套牌車作弊記錄表，并下發(fā)給各路段的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)。在A12345進(jìn)入出口車道時重點核查，確認(rèn)車輛的入口信息，避免通行費(fèi)的流失。

3.2.3 換卡作弊分析

當(dāng)出口車道產(chǎn)生的流水信息和抓拍圖像被采集到營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫之后，換卡車作弊實時分析服務(wù)以車牌為唯一標(biāo)識對比出口流水中的卡號、入口站、車型和車種等信息。若信息一致則從在途車輛檔案中刪除車輛信息；若卡號或者入口站等信息不一致，則說明該車輛發(fā)生了換卡作弊行為，將此換卡作弊車輛信息寫入換卡作弊記錄表，并下發(fā)給各路段聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)。

3.2.4 卡信息竄改作弊分析

當(dāng)車輛經(jīng)過出口車道駛離高速公路時，產(chǎn)生一條出口流水和抓拍圖像，此車輛信息被實時采集到營運(yùn)管理平臺實時數(shù)據(jù)庫中，卡信息篡改作弊實時分析服務(wù)將出口信息中的卡號、車型、車種、入口站、入口時間等關(guān)鍵字段信息與在途車輛檔案中的卡號、車型、車種、入口站和入口時間進(jìn)行對比分析，若信息一致，則從在途車輛檔案中刪除此車輛信息。若車牌和卡號一致，但車型、車種、入口站或者入口時間有任意信息不一致，則說明此車輛為卡信息篡改作弊車輛。將此車輛的入口信息和出口流水中的入口信息均記錄在卡信息篡改作弊記錄表并將車輛信息列入到黑名單中，同時將卡信息篡改作弊記錄表和黑名單信息下發(fā)給各路段聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)。

3.3 實時化信息推送

信息推送技術(shù)是一種基于客戶端／服務(wù)器機(jī)制，由服務(wù)器端主動將信息發(fā)往客戶端的技術(shù)。在推送應(yīng)用中，信息推送事物由服務(wù)器發(fā)起，沒有明顯的客戶機(jī)請求，其優(yōu)勢在于信息的主動性和及時性。信息推送有郵件列表推送方式、基于服務(wù)器和客戶端軟件的推送、基于RSS（Really Si mple Syndication）的推送和通過手機(jī)短信的推送方式。在智慧型營運(yùn)管理平臺的具體應(yīng)用中，瀏覽器相當(dāng)于客戶端，營運(yùn)管理平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫相當(dāng)于服務(wù)器端，故適合采用基于服務(wù)器和客戶端軟件的推送。

當(dāng)用戶通過瀏覽器登錄營運(yùn)管理平臺時，首先通過TCP（Trans mission Control Protoco）協(xié)議建立瀏覽器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的連接，當(dāng)用戶輸入的用戶名和密碼通過驗證后，服務(wù)器端信息推送服務(wù)自動檢測該用戶是否存在未完成的工作，然后將工作清單通過Socket發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器收到Socket消息后進(jìn)行解析，最終以復(fù)選框的形式將工作清單顯示在營運(yùn)平臺主界面上，提示用戶應(yīng)完成的工作列表。

當(dāng)管理員在平臺中發(fā)布重要通知后，信息推送服務(wù)自動檢測到通知的標(biāo)題和發(fā)布時間等內(nèi)容，并將通知的鏈接實時推送到平臺主界面，提示用戶查看。

3.4 多元化信息服務(wù)

營運(yùn)管理平臺的信息服務(wù)分為向管理者提供信息服務(wù)、向相關(guān)系統(tǒng)提供信息服務(wù)和為廣大用戶提供信息服務(wù)。信息服務(wù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對外發(fā)布，發(fā)布形式多樣，可滿足不同信息需求者的要求。

3.4.1 向管理者提供信息服務(wù)

營運(yùn)管理平臺通過短信平臺向管理者提供路網(wǎng)流量、收費(fèi)金額和拆分金額、重大事件等信息服務(wù)內(nèi)容。短信平臺是以手機(jī)為應(yīng)用基礎(chǔ)，具有豐富增值服務(wù)內(nèi)容的、完整的大規(guī)模短信信息處理系統(tǒng)。

3.4.2 向相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供信息服務(wù)

營運(yùn)管理平臺通過Web Ser vice的方式向其他相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供信息服務(wù)。Web Ser vice是由企業(yè)發(fā)布的完成其特定商務(wù)需求的在線應(yīng)用服務(wù)，其他軟件系統(tǒng)能夠通過Internet來訪問并使用Web Service在線服務(wù)。采用Web Service可實現(xiàn)跨平臺、跨防火墻的應(yīng)用，并且提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，其他軟件系統(tǒng)只需調(diào)用Web Service提供的接口服務(wù)即可獲取到信息服務(wù)。

營運(yùn)管理平臺發(fā)布的Web Ser vice接口有：

Get Exceed Data（Shift Date Date Ti me，Station Int）

Get Traffic Flow Data（Shift Date Date Ti me，Station Int）

Get VehiclePass Data（Shift Date Date Ti me，Veh Plate String）

接口說明：Shift Date為高速公路運(yùn)營的工班日期；Station為收費(fèi)站編碼，Station＝0時提供所有收費(fèi)站的數(shù)據(jù)；Veh Plate為車牌。

Get Exceed Data向高速公路執(zhí)法治超系統(tǒng)提供超限車輛數(shù)據(jù)。Get Traffic Flow Data向交通信息中心系統(tǒng)提供交通流量數(shù)據(jù)。Get VehiclePass Data向公安系統(tǒng)提供車輛的通行記錄數(shù)據(jù)。

3.4.3 向廣大用戶提供信息服務(wù)

營運(yùn)管理平臺通過網(wǎng)站方式向廣大社會公眾提供信息服務(wù)，包括實時路況信息、出行信息、天氣信息、服務(wù)區(qū)信息、費(fèi)率查詢、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖、起止站路徑查詢等一系列服務(wù)司乘人員方便出行的信息。

4 結(jié) 語

高速公路智慧型營運(yùn)管理平臺彌補(bǔ)了聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)對營運(yùn)管理工作支持的不足，已應(yīng)用于某省的高速公路系統(tǒng)，為收費(fèi)政策制定、業(yè)務(wù)推廣方案制定提供了支持?jǐn)?shù)據(jù)，并且在加強(qiáng)稽查力度和提供信息服務(wù)方面收到了良好的效果。

［1］ 鐘足峰.聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與挖掘的理論和實現(xiàn)［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2007.

［2］ 王輝.智慧城市［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］ 陳文偉.數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘教程［M］.第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［4］ 李愛國，庫向陽.數(shù)據(jù)挖掘原理、算法及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.