基于多數(shù)據(jù)融合的路徑還原系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭 勇

(廣深珠高速公路有限公司，廣東 東莞 523899)

0 引言

隨著全國高速公路取消省界收費(fèi)站后新收費(fèi)模式的運(yùn)行，在現(xiàn)有的收費(fèi)模式下，通行介質(zhì)內(nèi)金額是由多個(gè)收費(fèi)門架單元進(jìn)行標(biāo)識累加，計(jì)算較為簡單，但不管是使用ETC(電子不停車收費(fèi))或是領(lǐng)取CPC(復(fù)合通行卡)通行，都無法實(shí)現(xiàn)100%精準(zhǔn)收費(fèi)。例如：出入口車型判別錯誤、OBU電子標(biāo)簽或CPC卡供電不足、ETC門架RSU路側(cè)天線設(shè)備故障、出口交易設(shè)備故障、重復(fù)寫卡、反向交易等系統(tǒng)邏輯錯誤以及惡意屏蔽、干擾天線信號等，都會引起收費(fèi)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收費(fèi)。類似于以上原因產(chǎn)生的收費(fèi)特情，可能影響費(fèi)率計(jì)算出現(xiàn)偏差，產(chǎn)生金額爭議，收費(fèi)員只能根據(jù)實(shí)際車牌以及駕駛員提供的入口、通行路徑等信息，通過后臺系統(tǒng)查詢費(fèi)率進(jìn)行收費(fèi)，延長了現(xiàn)場收費(fèi)時(shí)間，影響司機(jī)的行駛感受。

精準(zhǔn)收費(fèi)帶來新的現(xiàn)場管理難題，現(xiàn)階段按照實(shí)施ETC費(fèi)顯和清分結(jié)算系統(tǒng)優(yōu)化工程后的收費(fèi)規(guī)則，車輛通行計(jì)費(fèi)里程不低于入、出口可達(dá)最短路徑計(jì)費(fèi)里程，且金額不超過入、出口最短路徑金額1.5倍的，收費(fèi)系統(tǒng)按通行介質(zhì)內(nèi)的費(fèi)率金額收取通行費(fèi)。而通行介質(zhì)內(nèi)的費(fèi)率金額是由多個(gè)收費(fèi)門架單元進(jìn)行標(biāo)識累加，如果出現(xiàn)部分或全部標(biāo)識失敗導(dǎo)致現(xiàn)場無法計(jì)算費(fèi)率時(shí)，可通過在線計(jì)費(fèi)功能進(jìn)行路徑擬合計(jì)算費(fèi)率，但因系統(tǒng)、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等原因經(jīng)常造成無費(fèi)率或同一行程不同費(fèi)率等計(jì)費(fèi)問題。以廣深高速公路為例，恢復(fù)收費(fèi)初期調(diào)取在線計(jì)費(fèi)功能失敗的比例為32.86%。同時(shí)，無入口信息、大車小標(biāo)等收費(fèi)特情進(jìn)一步影響精準(zhǔn)費(fèi)率計(jì)算，造成金額爭議，影響收費(fèi)站場工作秩序。

為解決上述特情問題，進(jìn)一步提升精準(zhǔn)收費(fèi)比率，實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)的公平性，本文旨在集成運(yùn)用視頻車牌識別、路徑自動擬合、視頻結(jié)構(gòu)化、云端大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，改進(jìn)算法開發(fā)多數(shù)據(jù)融合的路徑還原系統(tǒng)，以滿足收費(fèi)現(xiàn)場特情快速處置的需求。

1 項(xiàng)目需求(目標(biāo))

(1)解決出入口車型判別錯誤。通過采用視頻結(jié)構(gòu)化技術(shù)，接入路段出入口收費(fèi)站視頻及圖像信息，檢測提取視頻車輛圖像信息，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化智能分析，提取出車輛的車牌號碼、車型、車輛顏色等關(guān)鍵屬性信息，判別收費(fèi)車型。

(2)彌補(bǔ)當(dāng)OBU電子便簽或CPC卡供電不足時(shí)，出口收費(fèi)員只能按司機(jī)報(bào)的入口收費(fèi)站收費(fèi)。通過采用視頻車牌識別技術(shù)，接入路段門架視頻及圖像信息，檢測到受監(jiān)控路面的車輛自動提取車輛牌照信息，對高速公路外場ETC門架攝像機(jī)所拍攝的車輛圖像或者視頻序列進(jìn)行分析，為精準(zhǔn)收費(fèi)提供有力的輔助技術(shù)。

(3)解決當(dāng)ETC門架RSU路側(cè)天線設(shè)備故障、出口交易設(shè)備故障時(shí)、惡意屏蔽、干擾天線信號等情況，只能按最短費(fèi)率收費(fèi)的情況。通過采用路徑自動擬合技術(shù)，運(yùn)用省數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)快速分析歷史路徑，利用門架關(guān)系補(bǔ)齊門架前后的點(diǎn)位，結(jié)合門架牌識流水?dāng)?shù)據(jù)、視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、二次識別數(shù)據(jù)等補(bǔ)充收費(fèi)流水，自動進(jìn)行擬合補(bǔ)齊。

(4)解決重復(fù)寫卡、反向交易等系統(tǒng)邏輯錯誤的情況。通過采用云端大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對交易流水、牌識流水、視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合，利用智能高速引擎、交通視覺計(jì)算以及在線計(jì)費(fèi)服務(wù)接口，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析目標(biāo)車輛的入口和途經(jīng)門架數(shù)據(jù)、分段金額、路徑研判，運(yùn)算出重復(fù)寫卡、反向交易等系統(tǒng)邏輯錯誤的結(jié)果，協(xié)助快速結(jié)算收費(fèi)。

2 功能需求分析

2.1 視頻車牌識別

視頻車牌識別技術(shù)是能夠檢測到受監(jiān)控路面的車輛并自動提取車輛牌照信息進(jìn)行處理的技術(shù)，主要以數(shù)字圖像處理、模式識別、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)為基礎(chǔ)，對高速公路外場ETC門架攝像機(jī)所拍攝的車輛圖像或者視頻序列進(jìn)行分析。通過對視頻幀圖像的處理，以及邊緣檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車牌的定位，對車牌圖像處理、歸一化處理、分割以及保存，最后進(jìn)行分割圖像與模板庫的模板進(jìn)行匹配，得到每一輛汽車唯一的車牌號碼，從而完成識別過程，輸出匹配結(jié)果。各工作模塊按照一定的邏輯關(guān)系組合起來構(gòu)成了完整的處理流程，是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分之一，如圖1所示。

圖1 視頻車牌識別

2.2 路徑自動擬合

路徑自動擬合技術(shù)是本系統(tǒng)應(yīng)用的重要功能模塊，主要是運(yùn)用省數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)快速分析歷史路徑，利用門架關(guān)系補(bǔ)齊門架前后的點(diǎn)位，同時(shí)結(jié)合門架牌識流水?dāng)?shù)據(jù)、視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、二次識別數(shù)據(jù)等補(bǔ)充收費(fèi)流水，使得部分因交易失敗無法產(chǎn)生交易流水的軌跡，依然可以通過圖像自動進(jìn)行擬合補(bǔ)齊，軌跡重現(xiàn)度大大提升。通過圖像+視頻+流水的全面融合，精準(zhǔn)識別車輛信息，盡可能準(zhǔn)確、完整地顯示行駛路徑及可能路徑。

2.3 視頻結(jié)構(gòu)化

視頻結(jié)構(gòu)化技術(shù)主要通過對視頻中的圖像信息進(jìn)行智能分析，尋找視頻車輛目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，提取出車輛的車牌號碼、車型、車輛顏色等關(guān)鍵屬性信息，再進(jìn)行車輛的進(jìn)一步比對分析，確定車輛信息。

本系統(tǒng)從ETC門架視頻中進(jìn)行車輛定位和識別，對視頻中的車輛進(jìn)行檢測，抓取車輛圖片，用車輛結(jié)構(gòu)化信息描述通過視頻中車輛的車頭(角度偏離±30°范圍)或車尾(角度偏離正負(fù)30℃范圍)的特征識別，識別出車輛的車牌號碼、品牌型號、車身顏色等信息。

2.4 大數(shù)據(jù)分析

2.4.1 數(shù)據(jù)挖掘算法

基于高速公路收費(fèi)站出入口、ETC門架等的卡口相機(jī)抓拍圖片，以及收費(fèi)流水，對車輛號牌、車輛品牌、車型分析識別，進(jìn)行車輛軌跡還原，門架缺失情況，根據(jù)流水和車牌識別相互補(bǔ)充進(jìn)行擬合，還原出車輛的行駛路徑。

2.4.2 預(yù)測性分析

通過車牌號碼、車輛品牌、車型數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘，在眾多歷史數(shù)據(jù)中，分析出最有可能的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行預(yù)測性分析，做出一些預(yù)測性的判斷。

2.4.3 語義引擎

結(jié)合高速公路收費(fèi)流水、ETC卡OBU數(shù)據(jù)，解析、提取、分析數(shù)據(jù)，從“文檔”中智能提取信息。

2.4.4 數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)倉庫

建立數(shù)據(jù)倉庫，便于多維分析和多角度展示數(shù)據(jù)結(jié)果，按特定模式進(jìn)行存儲建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。整合系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載(ETL)，并按主題對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和訪問，為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)平臺。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為解決以上問題造成的現(xiàn)場處理難題，本文針對現(xiàn)場人員在處理不同收費(fèi)特情時(shí)的共性需求作為主要思路進(jìn)行了分析，認(rèn)為可通過車輛軌跡還原、在線追蹤、歷史查詢等功能形成一套便于現(xiàn)場處理收費(fèi)特情的基于多數(shù)據(jù)融合的路徑還原系統(tǒng)，提供完整、實(shí)時(shí)的信息作為客觀依據(jù)，充分展示給現(xiàn)場人員和司機(jī)進(jìn)行分析和判斷，提高特情處理效率，縮短司乘等待特情處理的時(shí)間，避免爭議擴(kuò)大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 車輛軌跡還原

系統(tǒng)接入收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)與省中心、路段中心同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能AI識圖、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)讀取和匹配、對比、擬合、補(bǔ)遺，視頻、圖像和流水匹配，還原最終軌跡結(jié)果；若任意門架信息缺失，系統(tǒng)可通過校驗(yàn)和路徑擬合，進(jìn)行途徑門架的補(bǔ)遺，還原門架信息軌跡。同時(shí)，系統(tǒng)還可通過輸入車牌號碼、車牌類型、入口時(shí)間、入口收費(fèi)站或通過掃描視頻、圖片掃描進(jìn)行車輛軌跡查詢。軌跡查詢結(jié)果顯示按查詢時(shí)間內(nèi)車輛最近一次的軌跡還原，包括出入口站點(diǎn)、時(shí)間、途徑門架等信息，如圖4所示。

圖4 根據(jù)輸入的出口擬合的途徑路線

3.2 在線追蹤

系統(tǒng)后臺建立云端大數(shù)據(jù)分析平臺，同樣接入收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)與省中心、路段中心同步車輛行駛數(shù)據(jù)，并按車輛行駛習(xí)慣，計(jì)算出車輛最有可能行駛的路徑，進(jìn)行路徑預(yù)判。對重點(diǎn)檢測車輛可及時(shí)提醒用戶進(jìn)行車輛預(yù)警，同時(shí)顯示追蹤目標(biāo)車輛正在行駛中的軌跡并實(shí)時(shí)刷新最新路過的門架或收費(fèi)站、已行走公里數(shù)、時(shí)間等信息，如圖5所示。

圖5 車輛在線追蹤

3.3 歷史查詢

當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛存在跑長買短、大車小標(biāo)等情況時(shí)，可進(jìn)一步通過輸入車牌、車輛類型、出入口時(shí)間段(30d內(nèi))等信息進(jìn)行歷史查詢功能，挖掘出車輛過往30d的歷史記錄，從而追回通行費(fèi)損失，補(bǔ)充現(xiàn)有稽核打逃系統(tǒng)，如圖6和圖7所示。

圖6 輸入車牌號碼和時(shí)間(30d內(nèi))查詢車輛歷史行駛軌跡

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行條件

運(yùn)行硬件環(huán)境：華為M6平板 全網(wǎng)通版/華為平板10.4英寸 全網(wǎng)通。運(yùn)行軟件環(huán)境：Android studio、HBuilder

4 系統(tǒng)安全保障

系統(tǒng)安全主要涉及數(shù)據(jù)、代碼、數(shù)據(jù)使用、Client到Server網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)劝踩?/p>

4.1 網(wǎng)絡(luò)安全

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接使用定向VPN流量通道，確保網(wǎng)絡(luò)不對外開放。傳輸采用HTTPS協(xié)議，并在服務(wù)器配置、性能優(yōu)化等方面進(jìn)行安全處理。

4.2 代碼安全

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用非對稱加密算法RSA加密，客戶端不做任何密碼相關(guān)存儲，僅存儲token進(jìn)行下一次的認(rèn)證，而且token設(shè)置3h有效期，到期后使用refresh token申請新的token。

4.3 數(shù)據(jù)使用安全

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源收費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)，并可查詢?nèi)「咚俟返能囕v行駛軌跡。必須杜絕一切非法查詢行為，各用戶應(yīng)分配專有賬戶，后臺對所有查詢行為進(jìn)行日志記錄，查詢結(jié)果顯示界面均有該用戶的名稱水印，以防拍照泄露。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

目前系統(tǒng)開發(fā)已完成，按設(shè)計(jì)形成了一套完整的基于多數(shù)據(jù)融合的路徑還原系統(tǒng)，并安裝在具備較強(qiáng)戶外防護(hù)能力的小型平板電腦上，率先在粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域選取部分車流量較大、車型組成復(fù)雜、收費(fèi)特情較多的高速公路開展實(shí)地測試。

5.1 典型案例

2021年5月11日，某車輛因CPC卡電量不足導(dǎo)致行駛中ETC門架標(biāo)識部分缺陷，在廣深高速公路南頭收費(fèi)站收費(fèi)系統(tǒng)顯示按特情“最小費(fèi)率”收費(fèi)交易金額為70元(圖8)。收費(fèi)站現(xiàn)場人員通過路徑還原系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，顯示交易金額為77元，同時(shí)將該車輛的入口和途經(jīng)門架數(shù)據(jù)以電子地圖路徑規(guī)劃、分段金額的模式向司機(jī)展示并進(jìn)行詳細(xì)講解(圖9)，及時(shí)消除了現(xiàn)場對行駛路徑的爭議和收費(fèi)金額的疑慮。

圖8 特情車輛收費(fèi)界面

圖9 特情車輛還原行駛路徑后的收費(fèi)界面

5.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)

2021年春節(jié)期間，系統(tǒng)協(xié)助部分路段現(xiàn)場處理特情共4 318例，其中無入口信息1 308例，大車小標(biāo)506例，最小費(fèi)率49例，出口超時(shí)10例，跑長買短4例，一車多卡24例，以及其他情況查詢的特情2 417例(表1)。

表1 2021年春節(jié)期間系統(tǒng)查獲的特情

在應(yīng)用測試過程中，還可結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需求修改完善系統(tǒng)，優(yōu)化顯示界面，突出關(guān)鍵信息顯示。測試期間系統(tǒng)、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，自啟用后協(xié)助路段收費(fèi)人員快速精準(zhǔn)地完成了對無入口信息、大車小標(biāo)、最小費(fèi)率、出口超時(shí)、跑長買短、一車多卡等多種特情車輛的處理工作，顯著提升了收費(fèi)站場解決特情的效率和減少了司機(jī)爭議，避免通行費(fèi)損失，取得了較好的成效。

6 結(jié)語

基于多數(shù)據(jù)融合的路徑還原系統(tǒng)，能夠比較精準(zhǔn)、快速地重現(xiàn)車輛的行駛軌跡，提高了特情處理效率和減少了司機(jī)爭議等問題，有效挖掘出其他可能逃費(fèi)的行為。但仍存在一些有待解決的問題，如與收費(fèi)系統(tǒng)聯(lián)動互補(bǔ)的問題、對重復(fù)出現(xiàn)特情的車輛或通行介質(zhì)進(jìn)行二次數(shù)據(jù)挖掘的問題、如何實(shí)現(xiàn)主動預(yù)警的問題等，需進(jìn)一步分析研究和完善。