基于多源時(shí)空數(shù)據(jù)融合的車輛行為評(píng)價(jià)方法研究

劉宇峰，孫 貝，王保生

（1.山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

全國(guó)取消高速公路省界收費(fèi)站，ETC門架系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)電子無(wú)感計(jì)費(fèi)的重要設(shè)施，架設(shè)在高速公路上方，實(shí)時(shí)采集車輛通行、交易、標(biāo)簽等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛快速不停車通行計(jì)費(fèi)，具備分段計(jì)費(fèi)、流量調(diào)查、視頻監(jiān)控等功能[1-2]。隨著路網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，偷逃費(fèi)、超速、違停、隨意變換車道等危險(xiǎn)駕駛行為頻發(fā)，尤其是疲勞駕駛極易誘發(fā)交通事故，交通事故與車輛行為分析、行駛軌跡密切相關(guān)。

本文提出一種基于多源時(shí)空數(shù)據(jù)融合的車輛行為分析與評(píng)價(jià)方法，融合車道收費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架牌識(shí)數(shù)據(jù)等擬合車輛行駛軌跡，深入挖掘疲勞駕駛等行為，提出一種多參量車輛駕駛行為信用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，有助于ETC業(yè)務(wù)辦理時(shí)規(guī)范引導(dǎo)和稽核偷逃費(fèi)，提供共享數(shù)據(jù)參考[3]，達(dá)到規(guī)范車輛駕駛行為、提高路網(wǎng)管理效率的目的。

1 多源數(shù)據(jù)預(yù)處理

車輛行駛過(guò)程受車速、天氣、路側(cè)監(jiān)測(cè)及車載設(shè)備影響，收集到的車道收費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架牌識(shí)數(shù)據(jù)等信息存在噪聲和數(shù)據(jù)缺失，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù)、剔除無(wú)效數(shù)據(jù)并捕獲異常數(shù)據(jù)。針對(duì)異常數(shù)據(jù)，本文通過(guò)比對(duì)取值范圍、門架及基礎(chǔ)信息表進(jìn)行過(guò)濾，如：數(shù)據(jù)類型不正確、數(shù)據(jù)超出范圍等，若數(shù)據(jù)被判定為異常數(shù)據(jù)，將其值置為空，再根據(jù)缺失數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行補(bǔ)充[4]。不同單元缺失數(shù)據(jù)處理方法基本相同，本文以ETC門架系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失為例進(jìn)行介紹。

ETC門架實(shí)時(shí)采集通過(guò)車輛的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和行駛信息，具體包括入口時(shí)間、入口收費(fèi)站名稱、出口時(shí)間、出口收費(fèi)站名稱、收費(fèi)路段編號(hào)、收費(fèi)路段名稱、收費(fèi)路段限速、收費(fèi)路段長(zhǎng)度、收費(fèi)單元編號(hào)、收費(fèi)單元名稱、收費(fèi)單位時(shí)間、收費(fèi)單元坐標(biāo)、車牌+顏色、收費(fèi)車型、收費(fèi)車道。

當(dāng)入口時(shí)間、入口收費(fèi)站名稱、出口時(shí)間、出口收費(fèi)站名稱等字段缺失時(shí)，根據(jù)“車牌+顏色”搜索當(dāng)天收費(fèi)站通行數(shù)據(jù)，匹配則根據(jù)式（1）所示進(jìn)行有效性驗(yàn)證，只有車輛行駛平均速度在合理范圍內(nèi)，此數(shù)據(jù)有效并補(bǔ)充。

式中：Ses表示收費(fèi)站與門架之間的里程；te為門架通過(guò)時(shí)間；ts為通過(guò)收費(fèi)站時(shí)間；vmin為途徑路段最低限速；vmax為途徑路段最高限速。

當(dāng)字段“收費(fèi)單位時(shí)間”缺失時(shí)，若為單個(gè)門架數(shù)據(jù)缺失，則根據(jù)該車輛通過(guò)前后門架的時(shí)間采用線性插值法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)處理，因?yàn)檎Ｐ旭倵l件下行駛時(shí)間僅與行駛距離呈現(xiàn)緊密相關(guān)性。若出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)門架數(shù)據(jù)丟失，則采用均值替換法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)處理，具體方法如下：

a）查詢車輛N0有通行時(shí)間記錄的最后一個(gè)門架Elast、重新有通行時(shí)間記錄的第一個(gè)門架Efirst的具體時(shí)間 Tlast和 Tfirst。

b）選擇與該車輛行駛路徑相同且通過(guò)時(shí)間順序相連的N臺(tái)車輛，即同時(shí)通過(guò)門架Elast和門架Efirst，其中N/2車輛通過(guò)時(shí)間在Tlast之前，N/2車輛通過(guò)時(shí)間在Tlast之后，記錄N臺(tái)車輛依次通過(guò)車輛N0缺失門架E1、E2......Em的時(shí)間t1、t2......tn。

c）則車輛通過(guò)門架Ei的時(shí)間可表示為：

d）使用ti填充車輛N0的缺失值。

其他缺失字段，根據(jù)基礎(chǔ)信息表與門架牌識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢補(bǔ)充。

2 基于時(shí)空特性的交通軌跡擬合

車道收費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架牌識(shí)數(shù)據(jù)等單元數(shù)據(jù)預(yù)處理后，即可開(kāi)展多源數(shù)據(jù)融合工作。本文將各單元的行駛數(shù)據(jù)基于車牌號(hào)碼、時(shí)間和空間信息進(jìn)行融合，形成收費(fèi)站入口為起點(diǎn)、ETC門架數(shù)據(jù)信息為節(jié)點(diǎn)、收費(fèi)站出口為終點(diǎn)的完整車輛軌跡，為車輛行駛行為分析與挖掘建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 入口收費(fèi)站數(shù)據(jù)

入口收費(fèi)站數(shù)據(jù)是車輛進(jìn)入高速公路時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，用于記錄車輛基礎(chǔ)信息和行駛信息，具體包括入口時(shí)間、收費(fèi)站名稱、車牌+顏色、收費(fèi)車型、收費(fèi)站坐標(biāo)。

2.2 出口收費(fèi)站數(shù)據(jù)

出口收費(fèi)站數(shù)據(jù)是車輛駛離高速公路時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，用于記錄車輛行駛信息及車輛基礎(chǔ)信息，具體包括入口時(shí)間、入口車牌、入口車型、收費(fèi)車型、車牌+顏色、收費(fèi)時(shí)間、入口收費(fèi)站名稱、出口收費(fèi)站名稱、出口收費(fèi)站坐標(biāo)。

2.3 門架交易數(shù)據(jù)和牌識(shí)數(shù)據(jù)

門架交易數(shù)據(jù)和牌識(shí)數(shù)據(jù)是車輛高速公路正常行駛過(guò)程中，經(jīng)過(guò)高速公路門架系統(tǒng)，用于記錄車輛經(jīng)過(guò)門架位置、時(shí)間等信息，具體包括經(jīng)過(guò)時(shí)間、車牌+顏色、車型、上下行以及門架坐標(biāo)等信息。

2.4 數(shù)據(jù)融合處理流程

基于時(shí)空特性的車輛軌跡擬合算法包含以下步驟：a）關(guān)聯(lián)各單元數(shù)據(jù)，基于車牌號(hào)碼篩選出有車輛行駛信息記錄的單元車輛流水?dāng)?shù)據(jù)；b）提取車輛在各單元的通行時(shí)間并將數(shù)據(jù)按照時(shí)間戳進(jìn)行排序[5]，獲取車輛當(dāng)日在高速公路行駛的時(shí)間集合；c）確定數(shù)據(jù)有序性后提取各單元地理坐標(biāo)信息，并換算為數(shù)學(xué)坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)點(diǎn)集；d）形成以車牌為融合條件，包含單元名稱、通行時(shí)間和通行坐標(biāo)的車輛軌跡。

3 車輛疲勞駕駛行為分析

根據(jù)疲勞駕駛界定原則，連續(xù)駕駛時(shí)間與停車休息時(shí)間是疲勞駕駛行為判定主要指標(biāo)。本文結(jié)合數(shù)據(jù)總體特征基于車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)集分析車輛疲勞駕駛行為，同時(shí)深入挖掘疲勞駕駛行為發(fā)生次數(shù)，具體流程如圖1所示，達(dá)到為駕駛行為信用評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐的目的。

圖1 疲勞駕駛判定流程圖

a）計(jì)算車輛在高速公路上行駛總時(shí)間Ht，表達(dá)式如式（3）：

式中：Tin為車輛駛?cè)敫咚贂r(shí)間；Tout為駛離高速時(shí)間。

b）若 Ht＜4 h，無(wú)需判斷是否存在疲勞駕駛行為；若Ht≥4 h，則需根據(jù)車輛行駛時(shí)間間隔判斷車輛是否駛?cè)敕?wù)區(qū)，間隔行駛時(shí)間Hn表達(dá)式如式（4）：

式中：Tin(n+1)為駛?cè)氲趎個(gè)服務(wù)區(qū)的時(shí)間；Tout(n)為駛離第n-1個(gè)服務(wù)區(qū)的時(shí)間；m為車輛行駛?cè)^(guò)程駛?cè)敕?wù)區(qū)的數(shù)量。

c）當(dāng)Hn>4 h時(shí)，表示車輛連續(xù)駕駛時(shí)間超過(guò)4個(gè)小時(shí)，即可判定為疲勞駕駛，且其次數(shù)f等于Hn>4 h情況出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。

d）若Hn均小于4 h，則計(jì)算車輛實(shí)際休息時(shí)間Tact與理論休息時(shí)間Ttot，表達(dá)式分別為式（5）、式（6）：

式中：ceil()表示向上取整。

e）比較實(shí)際休息時(shí)間與理論休息時(shí)間大小，若Tact

式中：round()為就近取整函數(shù)。

4 多參量駕駛行為動(dòng)態(tài)信用評(píng)價(jià)方法研究

本文采用扣除與動(dòng)態(tài)系數(shù)結(jié)合方式對(duì)車輛駕駛行為進(jìn)行評(píng)價(jià)，即根據(jù)失信行為發(fā)生次數(shù)及其對(duì)交通安全和收費(fèi)的影響程度扣除分?jǐn)?shù)，若車輛連續(xù)多月未發(fā)生失信行為時(shí)則根據(jù)調(diào)整系數(shù)提升信用分?jǐn)?shù)，每月最后一天更新分?jǐn)?shù)。筆者所述信用評(píng)價(jià)體系包含9個(gè)指標(biāo)，具體含義如表1所示。疲勞駕駛行為次數(shù)挖掘方法見(jiàn)本文第3節(jié)，其他8項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生次數(shù)通過(guò)路側(cè)攝像頭、雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行采集，直接調(diào)用即可，不再贅述。

表1 信用評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

信用評(píng)價(jià)算法實(shí)施步驟具體如下：

a）令wi為當(dāng)月第i類行為權(quán)重值，xi為當(dāng)月第i類行為出現(xiàn)次數(shù)，f(xi)為當(dāng)月第i類行為出現(xiàn)次數(shù)的效用函數(shù)，權(quán)重wi根據(jù)各類行為對(duì)逃費(fèi)和事故的影響程度獲得，第一個(gè)月駕駛行為信用值Cdrb的表達(dá)式為：

式中：信用基礎(chǔ)分為600；wi∈[0，1]。

b）效用函數(shù)f(xi)采用最大次數(shù)估算法進(jìn)行選取，具體表達(dá)式為：

式中：ximax基于歷史月份出現(xiàn)過(guò)的最大次數(shù)估算獲得。

c）若第m+1月車輛失信行為xi＞0，在第m月基礎(chǔ)上累計(jì)扣減，表達(dá)式為：

d）考慮到駕駛員會(huì)根據(jù)信用評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)規(guī)范其駕駛行為，引入動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)vj，其數(shù)值隨著零失信行為累計(jì)產(chǎn)生月數(shù)增加而增加，表達(dá)式為：

式中：n為“月失信行為等于零”事件連續(xù)發(fā)生月數(shù)。

e）當(dāng)?shù)趍+1月車輛各類型失信行為xi=0時(shí)，vj根據(jù)式（11）取值，更新駕駛行為信用值Cdrb分?jǐn)?shù)，表達(dá)式為：

f）車輛連續(xù)12個(gè)月不發(fā)生失信行為，車輛駕駛行為信用分即可恢復(fù)為600。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前交通駕駛異常行為頻發(fā)的現(xiàn)狀，融合車道收費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)、ETC門架牌識(shí)數(shù)據(jù)等對(duì)車輛駕駛行為信用進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整車輛信用值，有效分析車輛駕駛行為，有助于研究交通事故發(fā)生的規(guī)律，對(duì)交通路網(wǎng)規(guī)劃等具有指導(dǎo)意義。