ETC门架交易系统的异常交易数据修复方法.pdf

福建交通科技圆园23 年第 5 期高速公路作为我国交通运输基础设施建设的重要组成部分袁截至 2020 年底袁我国高速公路里程已突破 16 万 km袁居世界首位1遥 在取消收费站后袁29 个联网收费省份的 24 588 套 ETC 门架系统尧48 211 条 ETC 收费车道全部完成工程建设和改造1遥截至 2021 年袁ETC 累积用户已经超过 2.2 亿袁车主使用率为 78%袁日均交易数据高达 10 亿袁ETC 交易系统快速普及积累了海量的交易数据遥 ETC 门架系统基础设施逐步升级袁管理制度日益完善袁为我国的高速公路快速精准收费提供了重要支撑遥 但是袁ETC 门架系统由于设备铺设位置造成的邻道干扰尧跟车干扰袁以及设备故障尧天气原因尧无线串扰造成的检测失败等原因袁高速公路 ETC 交易系统不可避免地存在重复交易尧漏交易与误交易事件2-9遥 因此袁针对 ETC 交易流水数据进行挖掘分析袁识别出漏检测尧误检测及重复检测现象袁对异常数据进行修复还原袁以实现 ETC 收费系统的稳定运行及精准计费遥1ETC 系统交易异常原因分析1.1邻道干扰ETC 门架产生邻道干扰现象是 ETC 系统中常发性问题袁 主要表现为 ETC 门架上的 RSU 设备和相邻车道上的车辆中的车载 OBU 设备进行通信袁导致 ETC 门架收费系统识别到对向车道的车辆信息袁发生误检测交易特情袁或 ETC 门架上相邻的两RSU 设备同时识别到同一车辆而出现的重复检测交易特情遥 ETC 门架产生邻道干扰的原因主要有以下几点院渊1冤设备安装问题遥 在施工过程中袁RSU 设备未正对车道正中央袁造成信号覆盖区域偏左偏右的情况曰设备安装仰角大小不同也影响着信号覆盖区域的面积曰渊2冤车道设计问题遥 相邻车道之间需要设置一定宽度的隔离带袁若未设置隔离带或隔离带宽度不够将产生邻道干扰现象曰渊3冤RSU 设备配置问题遥 天线方向图设计时未设置好主瓣波束的覆盖宽度曰相邻车道 RSU 工作信道相同将出现同频干扰问题曰发射功率过大同样将导致覆盖区域超出车道范围遥现阶段 RSU 设备与 OBU 设备间多采用单向通信袁 验证车辆行驶信息的准确性存在较大的难度袁因此邻道干扰产生的特情制约着 ETC 交易系统的精准计费能力遥 ETC 门架邻道干扰会出现以下 2 种情况院渊1冤对向门架误交易特情遥 车辆在最右侧快车道行驶时袁先后被对向车道和行车方向 RSU 设备检测到袁并产生交易流水数据曰渊2冤同向车道重复交易特情遥 车辆在某一车道行驶时车身相对偏向另一车道袁同时由于各种原因邻道的 RSU 设备信号覆盖区域较大且超过了车道宽度袁此时将发生重复交易特情遥ETC 门架交易系统的异常交易数据修复方法姻 罗永煜王阳生赖树坤朱慧先（福建省高速公路信息科技有限公司，福州350018）摘要随着取消省界收费站后联网收费里程激增袁ETC 门架交易系统采集并记录了高速公路所有车辆的交易信息袁但在数据采集尧传输尧处理过程中因人为失误或设备故障问题出现交易特情袁严重影响了高速公路的精准计费遥 因此袁在海量的交易轨迹中异常交易的识别和修复成为高速公路 ETC 收费系统亟待解决的问题遥 针对漏交易尧误交易尧重复交易 3 种交易特情所产生的异常交易轨迹进行分析袁提取出了 6 种典型的异常交易轨迹袁并根据高速公路门架拓扑设计异常轨迹修复算法袁实现了 ETC 交易流水数据的异常识别和修复曰进一步通过实例分析验证袁确定了该方法的有效性袁提高了收费拟合的准确性遥关键词ETC 交易系统异常交易轨迹修复高速公路中图分类号院U495文献标志码院A文章编号院1674-8581渊2023冤05-0079-0579FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期1.2ETC 门架漏交易ETC 门架作为路网车辆精准路径识别的重要设备是在线实时路径识别尧还原以及计费处理的底层支撑袁但由于天气尧设备故障以及网络传输失败等原因造成门架上的 RSU 设备未识别到车辆经过的情况袁导致出现门架漏交易特情遥 具体为车辆在经过门架时袁车载 OBU 设备与 ETC 门架 RSU 设备通讯失败袁未生成交易流水信息导致出现门架漏交易特情遥2ETC 门架交易异常修复方法门架交易异常特情发生时袁 门架设备与 OBU设备无法相互交互袁门架是无法得知是否存在交易异常行为遥 本研究设计门架交易异常修复方法先对门架交易轨迹异常情况进行说明曰再针对各种异常情况进行针对性的修复方法说明曰最后设计门架交易异常修复算法对门架交易轨迹异常进行修复还原袁提高在线计费及门架路径拟合的精准性遥2.1ETC 门架交易异常情况说明门架交易特情发生时袁在 ETC 交易流水数据中是无法直接反映出来的袁因此对原始 ETC 交易流水数据进行数据预处理袁使其按照车辆行程轨迹化进行异常数据识别分析是重要步骤遥 通过对车辆行程轨迹化后袁可以利用高速公路门架拓扑关系提取出异常交易特情遥门架交易特情主要为 3 类院漏交易尧误交易以及重复交易袁这 3 类交易特情在行程轨迹中相互组合可能出现几种错误轨迹遥为保证 ETC 收费系统实现精准计费袁需要针对不同的异常交易轨迹进行修复以还原出车辆实际行驶路径并进行计费遥 异常交易轨迹类型见表 1袁其中单一异常交易情况见序号1尧2尧3袁处理这 3 种情况相对容易袁简单进行拓扑比对即能得出遥 误交易和漏交易组合出现的错误轨迹见序号 4尧5尧6袁 具体异常类型难以定位并难以进行门架轨迹修复遥表 1异常交易轨迹类型序号错误类型错误轨迹正确轨迹说明1重复交易A寅A寅BA寅B门架 A 出现重复交易特情2漏交易A寅DA寅B寅C寅D门架 B尧C 出现漏交易特情3误交易A寅A爷寅BA寅B门架 A 对向门架 A爷出现误交易特情4误交易漏交易A爷寅BA寅B门架 A 出现漏检测特情袁门架 A爷出现误交易特情5A寅B爷寅CA寅B寅C门架 B 漏交易袁门架 B爷误交易6A寅C爷A寅B寅C寅D门架 B尧C 漏检测袁门架 C爷误交易2.2ETC 门架交易轨迹异常修复方法对车辆交易轨迹存在多种异常交易特情的情况进行梳理袁设计算法进行识别修复是实现精准计费的内在需求遥 针对本研究梳理出的 6 种异常交易情况进行修复袁主要是补全漏交易尧删除重复交易尧修正误交易袁修复方法说明见表 2遥表 2异常交易轨迹修复方法说明根据异常交易轨迹修复方法说明的思路袁提出门架轨迹异常识别及修复方法袁充分利用 ETC 门架交易流水数据尧高速公路路网拓扑数据实现对各异常交易情况识别并修复袁为后续的收费系统提供数据支撑遥 为此作出如下定义院定义 1渊节点 Node冤院 高速公路上收费站与ETC 门架和收费站统称为节点 Node袁其表示形式见公式渊1冤院Node=NodeID袁NodeType袁OPP渊1冤其中 NodeID 为门架或收费站编码曰NodeType作为区分门架和收费站的标识曰OPP 表示当前节点的对向节点编码遥定义 2渊通行节点 PNode冤院车辆在行驶过程中与门架设备进行交互形成的交易信息尧牌识信息以及车辆特征信息统称通行信息遥 通行节点有车辆标识尧通行时间尧节点组成袁其表示形式见公式渊2冤院PNode=VehSign袁Node袁PTime渊2冤序号错误轨迹正确轨迹修复方法1A寅A寅BA寅B删除门架 A 的重复交易数据2A寅DA寅B寅C寅D补全门架 B尧C 交易信息3A寅A爷寅BA寅B删除门架 A爷的误交易数据4A爷寅BA寅B补全门架 A 的漏交易信息袁删除门架 A爷的误交易信息5A寅B爷寅CA寅B寅C补全门架 B 的漏交易信息袁删除门架 B爷的误交易信息6A寅C爷A寅B寅C寅D补全门架 B尧C 漏交易信息袁删除门架 C爷误交易信息交通工程80福建交通科技圆园23 年第 5 期其中 VehSign 为车辆标识袁即车牌号曰Node 为通过的节点信息曰PTime 为通行时间遥定义 3渊行程门架轨迹 PNodePath冤院车辆在一次高速旅程中袁 所有的 PNode 按 Source 进行分类袁以 PTime 排序生成的一条有序轨迹链遥 其表现形式见公式渊3冤院PNodePath=渊3冤其中 PNode1尧PNoden为当前车辆高速旅程的起止点遥 需要说明的是由于漏交易尧误交易尧重复交易等异常情况袁故车辆通行门架轨迹并非一定连续遥将未出现交易特情的行程门架轨迹称为PNodePathR曰出现交易特情导致门架轨迹不连续的称为 PNodePathW遥定义 4渊门架拓扑关系袁TP冤院门架拓扑关系是由 Node 之间的路网连接关系组成的袁 高速公路属于分向行驶的全封闭道路袁故拓扑关系是具有方向性的遥 其表示形式见公式渊4冤院TP=渊4冤其中 Nodei为当前拓扑关系起点门架袁Nodej为 Nodei直接相连的后续门架遥 同时袁Node 中保存着 OPPNode 信息袁 由此可得反向门架拓扑关系TP忆袁见公式渊5冤院TP忆=TP忆玉=TP忆域=嗓渊5冤定义 5渊门架连通关系袁C冤院门架连通关系指的是两门架之间的最短门架路径小于 坠 渊最大漏检测门架数量阈值冤袁即认为当前两门架连通袁其表示形式见公式渊6冤院C=袁Pm袁酌酌坠渊6冤其中 Pm=为 Nodei和 Nodem之间的最短门架路径曰酌 为 Pm 的长度遥根据前人的研究2袁绝大部分的车辆交易门架轨迹不会超过 20 个门架袁故选取 15 个门架作为最大漏交易门架数量阈值袁即 坠=15遥门架交易轨迹异常修复方法包括门架交易轨迹异常识别和异常交易轨迹修复 2 个部分遥 先将 ETC 交易流水轨迹提取生成 PNodePath袁遍历PNodePath曰 再根据 TP袁TP忆比对车辆前后的 PNode信息袁若出现重复交易特情袁则删除曰若出现误交易特情袁则根据 TP忆的信息将误交易节点 PNoden修正成 PNodenOPP曰若出现漏交易特情则使用 Pm 进行漏交易门架补全曰最终修复完成生成 ReNodePath袁若无法处理的轨迹提交人工审核袁结束修复流程渊图 1冤遥图 1门架交易异常识别及修复方法流程81FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期3实例分析现阶段袁针对高速公路 ETC 交易系统对异常交易数据清理修复的研究较少袁缺乏有效的管理和科学的修复方法遥如何利用 ETC 交易流水数据和高速公路门架拓扑信息对 ETC 交易系统产生的异常进行修复还原成为当前高速公路收费系统的一大挑战遥 异常交易特情的出现往往导致车辆的门架通行轨迹不完整尧轨迹异常尧轨迹错误等遥 本研究针对漏交易尧误交易以及重复交易 3 种异常交易特情组合生成的交易轨迹错误情况进行修复方法设计袁从而实现 ETC 交易流水数据的异常修复遥试验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运行监测平台袁选取了 2022 年 6 月22 日全天的ETC 交易流水数据进行分析袁主要开发工具与开发语言为 Clickhouse 和 Python遥3.1异常轨迹分析使用本研究提出的异常交易识别算法对 2022年6 月 22 日的 ETC 交易流水数据进行分析袁其中异常数据概况见图 2遥 ETC 流水数据异常是指出现漏交易尧误交易与重复交易的数据曰行程指当日的所有行程门架轨迹数袁包括还未驶出高速的车辆曰完整行程为当日进入收费站并完成整个高速公路旅程出收费站完成收费的 PNodePath 总数遥从 ETC 流水数据的异常情况看异常率较少袁为 1.69%袁但是极小部分的异常流水数据造成了 15.29%的 PNodePath出现异常袁这也说明了 ETC 交易流水数据的异常识别和修复对收费路径的精准拟合具有重要的研究意义遥图 22022 年 6 月 22 日 ETC 交易流水异常数据按行程错误情况进行统计袁未出现交易特情的 PNodePathR中袁平均通行门架数为 7.57 个曰出现交易特情的 PNodePathW中袁平均通行门架数为10.99 个遥 通过对 PNodePath 所包含的 PNode 数与 PNodePath 错误率的关联分析渊图 3冤袁得出如下结论院渊1冤PNodePath 中的 PNode 数集中在 5耀10 个袁且大部分的 PNodePath 中通行门架数小于 20 个曰渊2冤行程中 PNode 异常交易率整体趋势随 PNodePath 中的PNode 数量的增大而上升曰渊3冤当 PNode 数小于 32 个时为正确率高于异常率袁一旦超过 32个 PNode 和 50%的 PNodePath 会出现异常交易特情袁当 PNodePath 达到 72 个 PNode 以上时袁行程异常率接近 1曰渊4冤需要注意的是当 PNodePath 的 PNode 数为 2 时袁异常率与正常率接近 1颐1袁此类数据值得重点关注袁有可能是利用屏蔽通行介质的方法袁系统自动计算最短路径进行收费从而达到野买短跑长冶目的遥图 3行程节点数与行程错误率关联分析3.2异常轨迹修复效果分析使用本研究提出的异常轨迹修复算法对出现异常的 93 067 条 PNodePathw进行修复袁 修复结果见图 4袁本算法共修复 87 486 条袁仍有 5 581 条属于其他异常情况无法修复袁 修复成功率达到 94%遥针对已修复的 PNodePath 进行分析漏检测出现的交易异常情况最多共 86 913 次占总门架交易次数的 7.6%曰门架重复检测出现的情况最少袁占总门架交易次数的 0.76%渊图 5冤遥图 4完整行程修复情况图 5异常交易特情分析交通工程82福建交通科技圆园23 年第 5 期叶福建交通科技曳郑重声明偶有发现一些论文征稿和代发网站以本刊的名义征稿并收取版面预订费及发表费遥 在此本刊特别声明袁叶福建交通科技曳从未委托任何机构和个人代收稿件袁本刊目前唯一在线投稿方式为邮箱院袁其他投稿地址及信箱均非本刊授权遥 望广大作者注意辨别袁谨防受骗遥 如有疑问袁可直接与本刊编辑部联系袁电话院0591-83327092遥4结语随着取消省界收费站后联网收费里程激增袁为维护高速公路正常的缴费秩序袁对门架交易状况的识别和异常特情的还原修复成为高速公路运营的重要工作之一遥 本研究针对漏交易尧误交易尧重复交易 3 种交易特情所产生的异常交易轨迹进行分析袁提取出了 6 种典型的异常交易轨迹袁并根据高速公路门架拓扑设计异常轨迹修复算法袁补充还原漏交易数据袁修正误交易数据袁删除重复交易数据曰进而选取了福建省高速公路运行监测平台 2022 年 6 月22 日全天的 ETC 交易流水数据进行实例分析验证袁确定了该方法的有效性袁提高了收费拟合的准确性遥参考文献1赵亚伟袁陈艳晶袁管伟.基于多维时间序列的 ETC 短时交通流量预测模型J.交通运输系统工程与信息袁2016袁16渊4冤院191-198.2罗永煜.基于离线数仓的 ETC 门架系统异常特征与诊断研究D.福州院福建工程学院袁2022.3马涛袁郑鑫.一种降低邻道干扰的不停车收费系统J.物联网技术袁2019袁9渊2冤院82-83袁87.4李世忠.ETC 门架车牌识别及交易数据上传不及时问题探讨J.中国交通信息化袁2020渊10冤院112-116.5付珺.基于路径识别的高速公路 ETC 技术研究J.运输经理世界袁2020渊18冤院132-133.6高潮袁杨剑凌袁李阳.基于机动车电子标识的高速公路自由流收费系统研究J.科技风袁2022渊25冤院7-10.7王玉凡袁陈宏涛袁王青林.ETC 系统邻道及跟车干扰问题的研究J.电脑知识与技术袁2014袁10渊35冤院8572-8573.8龙开红袁戴连贵袁周玲.基于相邻 ETC 门架系统冗余的自由流交易成功率提高方案J.中国交通信息化袁2020渊2冤院112-114.9陈刚.电子不停车收费系统过车成功率问题研究D.重庆院重庆交通大学袁2015.10潘国梁.黑龙江省电子不停车收费系统渊ETC冤性能优化的研究D.哈尔滨院哈尔滨工业大学袁2017.83