基于ETC門架數(shù)據(jù)的高速公路交通量轉(zhuǎn)換探究

李林鋒 邱廷銓 邢麗峰

（1.福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)運營有限公司，福建 福州 350001;2.交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028）

公路交通情況調(diào)查（簡稱“交調(diào)”）通過對國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道及專用公路的交通狀況開展調(diào)查，掌握公路斷面交通量、車型等交通流特性。公路斷面交通量是指單位時間內(nèi)通過公路某斷面的交通實體數(shù)。目前，高速公路斷面交通量、車型等交調(diào)數(shù)據(jù)依托于高速公路路段設(shè)置的自動化交調(diào)站實時采集。截至2020年底，全國高速公路自動化交調(diào)站有2342個，高速公路網(wǎng)觀測覆蓋程度達34.3%。但這種依托于自動化交調(diào)站的采集方式，受調(diào)查站點布設(shè)位置、布設(shè)密度等局限性的影響，無法準確掌握高速公路全路網(wǎng)的交通量情況。

為提高高速公路全路網(wǎng)各路段交通量自動化采集水平，充分發(fā)揮ETC門架數(shù)據(jù)價值，通過智能化手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件，減少高速公路沿線交調(diào)站的建設(shè)和運維費用，文章提出兩種轉(zhuǎn)換方法，將ETC門架數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為交通量數(shù)據(jù)。

一、研究現(xiàn)狀

在公路交通情況獲取方面，王海燕等[1]基于收費站數(shù)據(jù)，推算了出入口OD流量；鐘足峰等[2]提出了基于回歸樹理論和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)高速公路交通量預測方法；錢超[3]基于多維ETC歷史數(shù)據(jù)，提出了利用OLAM方法的公路交通量多維預測模型；王靜[4]通過人工抽樣的車型轉(zhuǎn)換方法，將高速公路主線收費站作為二類交調(diào)站的補充用于公路交通量統(tǒng)計；李樹彬等[5]在收費站數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用仿真手段估計全路網(wǎng)實時交通狀態(tài)；胡閏秀[6]研究提出基于人工調(diào)查手段的車型轉(zhuǎn)換方法，將收費數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為斷面交通量，并對單線路邏輯求和，為路網(wǎng)平衡配流；趙亞偉等[7]研究提出多重影響因素下的高速公路ETC車道短時交通流量預測模型；湯權(quán)等[8]依據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析挖掘技術(shù)，利用ETC系統(tǒng)收費數(shù)據(jù)實現(xiàn)交通量多維預測；史學文[9]以連霍高速公路江蘇段為研究對象，對收費站和交調(diào)站數(shù)據(jù)建立基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的短時交通量預測模型。

根據(jù)研究現(xiàn)狀可知，ETC數(shù)據(jù)在公路交通情況獲取方面的應(yīng)用集中于交通量的統(tǒng)計、預測，以及舊收費標準下的車型轉(zhuǎn)換研究，缺少新收費標準下的基于ETC門架數(shù)據(jù)的交通量轉(zhuǎn)換研究。

二、轉(zhuǎn)換可行性分析

（一）站點布設(shè)及設(shè)備運行條件

ETC門架系統(tǒng)基本覆蓋了所有交通流發(fā)生變化的路段，與交調(diào)站的布設(shè)原則基本一致。門架系統(tǒng)由上、下行雙方向門架組成，上、下行雙向門架宜背向錯開設(shè)置，一個門架系統(tǒng)即可視為一個交調(diào)站，上下行門架監(jiān)測的流量合計即為該斷面的交通量。ETC門架系統(tǒng)涉及高速公路收費業(yè)務(wù)，其路網(wǎng)覆蓋范圍、設(shè)備精度、運維保障水平等方面的要求高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠滿足交調(diào)采集要求。

（二）指標采集一致性

ETC門架系統(tǒng)向上級系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，包括ETC交易流水（雙片式OBU）、ETC通行憑證（單片式OBU）、ETC通行記錄（交易失?。D像流水記錄、CPC卡通行記錄，含交易時間、車型、車種、車牌號碼、車牌顏色、交易時間、行駛方向等信息。

公路交調(diào)設(shè)備能夠按照行駛方向采集通過道路斷面的單個機動車車型數(shù)據(jù)，統(tǒng)計交通數(shù)據(jù)處理周期內(nèi)（5min）的機動車分車型的交通量數(shù)據(jù)，并對采集和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行記錄和傳輸。要求分車型采集的交通量的相對誤差應(yīng)不大于10%。

從指標采集一致性方面分析，在ETC門架系統(tǒng)中提取如下字段，如表1所示，統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理周期內(nèi)的分車型數(shù)據(jù)，可獲得不同車型的交通量數(shù)據(jù)。

表1 ETC門架系統(tǒng)提取字段說明表

（三）車型劃分匹配性

根據(jù)《收費公路車輛通行費車型分類》（JT／T489-2019），收費車輛按客車、貨車和專項作業(yè)車三個大類分別進行具體分類。其中，客車按照公安機關(guān)交通管理部門機動車注冊登記的車輛類型和核定載人數(shù)分為4類；貨車按總軸數(shù)、車長和最大允許總質(zhì)量分為6類；專項作業(yè)車分類標準和貨車類似，分為6類，主要針對裝置有專用設(shè)備或器具，在設(shè)計和制造上用于工程專項（包括衛(wèi)生醫(yī)療）作業(yè)的汽車。ETC門架系統(tǒng)中，針對不同車型單獨編碼，四類客車分別編碼為1～4，六類貨車分別編碼為11～16，六類專項作業(yè)車分別編碼為21～26。此外，在貨車收費車型的基礎(chǔ)上細分了車種分類，并對J1類型集裝箱、J2類型集裝箱單獨編碼為24、28。

根據(jù)公路交調(diào)車型劃分標準，交調(diào)車型按汽車軸數(shù)、車長和額定承載能力分為7類，其中客車分為包括中小客車、大客車2類，貨車分為小貨車、中貨車、大貨車、特大貨車和集裝箱車5類。

對比兩類標準，可得交調(diào)車型和收費車型對應(yīng)關(guān)系，如表2所示，中小客、大客、大貨、特大貨、集裝箱5個車型均可直接對應(yīng)匹配。但由于兩種標準對貨車質(zhì)量定義不同，交調(diào)車型劃分標準中要求，小貨車載質(zhì)量小于2噸，中貨車介于2噸～7噸；而收費車型劃分標準中要求，1類貨車總質(zhì)量小于4.5噸，2類貨車不小于4.5噸，1類、2類貨車與小貨車、中貨車標準有交叉，因此不能直接對應(yīng)。

表2 交調(diào)車型和收費車型對應(yīng)關(guān)系表

從兩種車型劃分標準匹配性方面分析，兩者在車型劃分上匹配度較高，僅收費車型1類貨車、2類貨車和交調(diào)車型的小貨車、中貨車匹配中存在交叉重疊，可通過轉(zhuǎn)換模型劃分。

三、車型轉(zhuǎn)換方法

針對交調(diào)車型小貨車、中貨車與收費車型1類、2類貨車交叉的問題，提出兩種轉(zhuǎn)換方法，一是比例拆分法，利用拆分模型對交叉車型進行拆分；二是直接對應(yīng)法，小貨車、中貨車分別直接對應(yīng)1類貨車、2類貨車。

（一）比例拆分法

比例拆分法的思路是通過確定同一路段交調(diào)車型小貨車、中貨車的比例，對門架通行數(shù)據(jù)中1類貨車和2類貨車數(shù)據(jù)進行拆分。

1.交調(diào)數(shù)據(jù)比對

基于高速公路交調(diào)站歷史數(shù)據(jù)，以路線為單位，確定中、小貨車交通量比例關(guān)系，按比例對門架通行數(shù)據(jù)中1類貨車和2類貨車的總流量進行拆分。

如歷史數(shù)據(jù)中，存在路線t，共n個交調(diào)站，路線中第i（i=1，2，3，···n）個交調(diào)站點的小貨車流量為Pit，中貨車流量為Oit，而路線t中所有門架1類貨車、2類貨車的總流量為Lt，則拆分后的小貨車交通量計算如公式3所示：

中貨車交通量計算如公式2所示：

2.抽樣人工確定

通過人工抽樣觀測的方式，以路線為單位，選取路線上典型位置的門架開展人工觀測，基于人工采集的小貨車、中貨車的數(shù)量和比例，確定該路線的拆分系數(shù)，拆分該時段通行流水數(shù)據(jù)中1類貨車和2類貨車總流量。

3.圖像采集識別

基于高速公路圖像流水記錄中車輛通過ETC門架采集的圖像歷史記錄，通過圖像識別軟件匯總歷史圖像記錄中的小貨車、中貨車的數(shù)量和比例，確定該路段的拆分系數(shù)，拆分該時段通行流水數(shù)據(jù)中1類貨車和2類貨車總流量。

（二）直接對應(yīng)法

兩種車型劃分標準下，車長劃分標準一致，均為6m；而質(zhì)量劃分標準不同，交調(diào)小貨車要求載質(zhì)量≤2噸，收費1類貨車要求總質(zhì)量＜4.5噸，差異集中在貨車空載質(zhì)量（即貨車自重）。車輛空載情況下，同一車型空載質(zhì)量基本一致，載貨情況下由于貨重不同造成貨車總質(zhì)量差異較大。

為避免對不同時期高速公路貨車載重變化造成估計誤差，可基于長時間序列的高速公路入口稱重數(shù)據(jù)繪制1類貨車總質(zhì)量分布曲線，得到1類貨車總質(zhì)量在不同噸位上的數(shù)量分布，通過構(gòu)造滑動窗搜索左側(cè)概率分布第一個峰值，其對應(yīng)的總質(zhì)量即為1類貨車的平均空載質(zhì)量。若在長時間序列、大樣本范圍內(nèi)，統(tǒng)計結(jié)果滿足公式3，即證明1類貨車直接轉(zhuǎn)換為交調(diào)小貨車數(shù)據(jù)的誤差不超過10%，滿足交調(diào)分車型采集的精度要求，可進行直接對應(yīng)。2類貨車和交調(diào)中貨車直接轉(zhuǎn)換的驗證思路相同。

其中，HC表示貨車數(shù)量。

（三）方法比較

比例拆分法中，通過交調(diào)數(shù)據(jù)比對的優(yōu)點是簡單易行，分析結(jié)果代表性高，但對交調(diào)站規(guī)模和數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高；通過抽樣人工數(shù)據(jù)比對的優(yōu)點是準確性較高，但須耗費人力物力財力；通過圖像采集識別的優(yōu)點是準確率高，可獲得每個門架的拆分系數(shù)，但操作時間長，成本高；在滿足交調(diào)分車型采集精度的條件下，直接對應(yīng)法的轉(zhuǎn)換規(guī)則簡單，可實現(xiàn)實時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程對計算性能要求較低。

四、結(jié)語

為實現(xiàn)ETC門架數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為公路交通量數(shù)據(jù)，本文以ETC門架數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從站點布設(shè)及設(shè)備運行情況、指標采集一致性和和車型劃分匹配性三個方面分析了轉(zhuǎn)換的可行性，提出了比例拆分法和直接對應(yīng)法。文章提出的方法具有較強的現(xiàn)實意義，對掌握全路網(wǎng)各路段交通量、創(chuàng)新高速公路交調(diào)自動化采集體系具有重要參考價值。