許天宇，韓振峰，張 波，馬 靜，王 磊，靳引利

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；3.陜西省高速公路收費(fèi)中心，陜西 西安 710000）

0 引 言

目前我國(guó)對(duì)于高速公路數(shù)據(jù)的管理存在部門分管、難以交互的問(wèn)題，例如高速收費(fèi)站數(shù)據(jù)是保存在收費(fèi)部門，而GPS 數(shù)據(jù)是保存在高速運(yùn)管部門。在研究高速公路貨車異常行為時(shí)，數(shù)據(jù)之間的不互通容易導(dǎo)致許多問(wèn)題。本文以貨車的逃費(fèi)和交通違章這兩類問(wèn)題為例，分析數(shù)據(jù)不互通在數(shù)據(jù)分析中所造成的問(wèn)題。貨車的逃費(fèi)行為包含倒換卡、換掛等，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；而交通違章行為通常包含強(qiáng)闖ETC、尾隨ETC、套牌等，不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失，更是對(duì)高速公路交通安全及人身安全造成了威脅。針對(duì)貨車逃費(fèi)行為，已經(jīng)有許多學(xué)者做了相關(guān)的研究：通過(guò)數(shù)據(jù)融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，能夠發(fā)現(xiàn)大部分的逃費(fèi)行為，并且在部分省的高速公路收費(fèi)站也得到了實(shí)際運(yùn)用[1-6]。實(shí)際中為有效管理貨車運(yùn)輸?shù)陌踩?，?guó)家通過(guò)強(qiáng)制在貨車上安裝GPS 系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；雖然GPS 的數(shù)據(jù)與車輛的原始信息綁定之后能夠?qū)Φ箍?、換卡等逃費(fèi)行為具有一定的監(jiān)測(cè)作用，但是由于安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與收費(fèi)流水?dāng)?shù)據(jù)相互獨(dú)立且隔離，貨車的逃費(fèi)行為仍舊難以察覺。

針對(duì)貨車交通違章的現(xiàn)象，目前主要是采用車牌識(shí)別、視頻檢測(cè)技術(shù)等方法進(jìn)行處理。這些方法往往時(shí)效性低，需要收費(fèi)站錄入數(shù)據(jù)才能察覺，同時(shí)基于圖像處理的檢測(cè)技術(shù)，存在計(jì)算量過(guò)大并且對(duì)于較為復(fù)雜的情況精度較低等問(wèn)題[7-9]。

綜上可以看出，單獨(dú)使用GPS 數(shù)據(jù)或收費(fèi)站數(shù)據(jù)進(jìn)行異常軌跡車輛的分析，效果并不理想。為了提高車輛識(shí)別效率和精確度，本文通過(guò)GPS 軌跡數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)的融合，對(duì)貨車的高速公路通行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，確定貨車通行數(shù)據(jù)中的行為異常點(diǎn)，尋找存在異常行為的貨車，進(jìn)而有助于尋找存在異常軌跡行為的貨車。

1 GPS 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

GPS 設(shè)備對(duì)駕駛車輛空間軌跡信息進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)主要包括車牌號(hào)碼、時(shí)間、經(jīng)度和緯度等信息，但是采集的這些信息不是完全正確可靠的。GPS 數(shù)據(jù)主要存在數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)異常和數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題。

原始的GPS 數(shù)據(jù)都存在質(zhì)量問(wèn)題，必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)清洗，才能得到有價(jià)值和研究意義的數(shù)據(jù)，同時(shí)也方便對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的研究和挖掘。因此對(duì)于原始數(shù)據(jù)，需要對(duì)其中的異常數(shù)據(jù)、缺失數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10-13]。

異常、缺失、重復(fù)的數(shù)據(jù)被清理之后，得到的用于搭建模型的數(shù)據(jù)項(xiàng)見表1 所列。

1.2 GPS 數(shù)據(jù)映射

任意兩個(gè)門架之間，在一定時(shí)間段內(nèi)會(huì)具有車輛全部的通行軌跡，將這些GPS 軌跡數(shù)據(jù)聚類后能夠在軌跡中找出所需內(nèi)容與規(guī)律。本文在確定已知標(biāo)準(zhǔn)鏈路之上，進(jìn)行GPS 點(diǎn)映射到標(biāo)準(zhǔn)路徑上的處理，是將GPS 點(diǎn)按最短距離規(guī)則映射到標(biāo)準(zhǔn)路線上。GPS 點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)路徑上的距離分成兩部分，其中一部分為GPS 點(diǎn)到子軌跡段的距離；另一部分為GPS 點(diǎn)到連接點(diǎn)的距離。GPS 點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)路徑的最短距離示意圖如圖1 所示。

圖1 GPS 點(diǎn)映射到標(biāo)準(zhǔn)路徑上的示意圖

圖中：Q代表GPS 點(diǎn)，A—B—C—D—E是代表一條標(biāo)準(zhǔn)路徑，Qt是BC的垂線，點(diǎn)t是BC與Qt的交點(diǎn)。首先找到前后距離Q最近的兩個(gè)連接點(diǎn)B點(diǎn)和C點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)Q作線段BC的垂線，相交于t點(diǎn)，獲得最短距離Qt，t點(diǎn)就是Q點(diǎn)的映射點(diǎn)。Q點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)鏈路上的映射點(diǎn)有兩種情況，第一種映射點(diǎn)是連接點(diǎn)，第二種映射點(diǎn)是過(guò)GPS 軌跡點(diǎn)的垂線與連接線段的交點(diǎn)。t點(diǎn)的具體計(jì)算步驟如下：

利用點(diǎn)斜式公式計(jì)算垂線Qt的方程：

利用兩點(diǎn)式方程求取直線BC的方程：

聯(lián)立式（1）和式（2）建立方程組，求解出t點(diǎn)的坐標(biāo)，t就是Q點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)鏈路A—B—C—D—E上的映射點(diǎn)。

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)?fù)雜、不規(guī)律的GPS 軌跡映射到標(biāo)準(zhǔn)鏈路上，并且將折返的重疊軌跡進(jìn)行平面展開，有助于更好地分析車輛的GPS 軌跡，分析其行為特征。

2 高速公路異常車輛的行為分析

高速公路上存在大量的車輛，其行為與正常在高速公路上行駛的車輛有較大的不同。這些車輛為了完成繞行、換掛、倒卡、換卡等逃費(fèi)行為，往往需要在高速公路上不斷往返，或者在某服務(wù)區(qū)停留較長(zhǎng)的時(shí)間，這導(dǎo)致其GPS 軌跡數(shù)據(jù)與收費(fèi)站數(shù)據(jù)往往有一定的區(qū)別。通過(guò)分析這些車輛的各種行為，能夠得到這些車輛的GPS 數(shù)據(jù)與收費(fèi)站數(shù)據(jù)中的異常特征。

2.1 偷逃費(fèi)車輛的行為分析

隨著我國(guó)高速公路里程不斷擴(kuò)張，尤其是2020 年取消省界收費(fèi)站后，貨車在高速公路上行駛會(huì)產(chǎn)生高額的通行費(fèi)用，容易出現(xiàn)貨車偷逃費(fèi)行為，一般主要有換掛、倒卡換卡、甩掛甩貨等逃費(fèi)行為[14-15]。這些偷逃費(fèi)行為都具有一些相似特征，本節(jié)主要針對(duì)換掛行為進(jìn)行分析。換掛是指掛車在高速路上聯(lián)合其他掛車通過(guò)交換后掛的方式將貨物運(yùn)送到指定的地點(diǎn)的高速公路車輛行為。換掛逃費(fèi)是通過(guò)縮減系統(tǒng)記錄的行程距離，從而實(shí)現(xiàn)減少通行費(fèi)的目的。換掛逃費(fèi)往往都是具有系統(tǒng)組織的行為，逃費(fèi)次數(shù)多，逃費(fèi)總額大。分析其折返軌跡特征，具體換掛逃費(fèi)行為如圖2 所示。

圖2 換掛逃費(fèi)行為示意圖

換掛車輛的逃費(fèi)流程分為四個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)T0時(shí)刻、T1時(shí)刻、T2時(shí)刻和T3時(shí)刻（T3＞T2＞T1＞T0）。有3 輛掛車，甲掛車攜帶1 號(hào)掛箱，乙掛車攜帶2 號(hào)掛箱，丙掛車攜帶3 號(hào)掛箱。

第一階段：在T0時(shí)刻，掛車甲攜帶1 號(hào)掛箱，從收費(fèi)站A 上高速，往前行駛到達(dá)a 服務(wù)區(qū)，掛車乙在a 服務(wù)區(qū)等待掛車甲。

第二階段：T1時(shí)刻，掛車甲和在此等待的掛車乙交換掛箱。掛車甲攜帶2 號(hào)掛箱在B 收費(fèi)站下高速，掛車乙攜帶1 號(hào)掛箱向b 服務(wù)區(qū)行駛。

第三階段：在T2時(shí)刻，掛車丙攜帶3 號(hào)掛箱，從收費(fèi)站C 上高速公路，向b 服務(wù)區(qū)行駛。掛車乙和掛車丙在b 服務(wù)區(qū)相遇并交換彼此的掛箱，之后，他們繼續(xù)向前行駛。

第四階段：掛車丙攜帶掛箱1 行駛到C 收費(fèi)站下高速，掛車乙攜帶3 號(hào)掛箱在高速公路上繼續(xù)折返行駛。三輛掛車在高速公路上像這樣周而復(fù)始進(jìn)行換掛逃費(fèi)。

2.2 交通違章車輛的行為分析

在高速公路上，由于部分駕駛員對(duì)安全駕駛行為意識(shí)淡薄，所以就存在車輛發(fā)生交通違章的情況，相應(yīng)的也會(huì)導(dǎo)致這些車輛產(chǎn)生一些較為異常的GPS 行駛軌跡。目前，國(guó)內(nèi)高速較為常見的違法行為主要有違法停車、超速行駛、違規(guī)倒車等情況。

違法停車這一行為在高速公路上較為常見，車輛在高速上長(zhǎng)時(shí)間的逗留會(huì)產(chǎn)生極大的危害，許多駕駛員可能會(huì)在高速公路匝道口上隨意停車上下人，在車輛沒有出現(xiàn)故障時(shí)就貿(mào)然駕駛車輛停到應(yīng)急車道進(jìn)行休息或者車輛檢查。

車輛的超速行駛，同樣也是較為常見的容易引發(fā)惡性交通事件的違章行為。超速會(huì)影響車輛的操作穩(wěn)定性，極易發(fā)生側(cè)翻或者傾斜；同時(shí)當(dāng)車輛速度過(guò)快時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)艘曇白冋?，難以有效地處置車輛前方的緊急情況。

車輛的違規(guī)倒車雖然并不常見，但所造成的危害也比較重大。有的車輛可能會(huì)在高速出口倒車，也存在有的車輛可能因速度太快或者駕駛員注意力不集中等情況而沒有及時(shí)下站，就可能會(huì)在行車道倒車，極易導(dǎo)致后車來(lái)不及采取措施而發(fā)生交通事故。

3 異常特征分析和軌跡數(shù)據(jù)模型

根據(jù)收費(fèi)站數(shù)據(jù)與貨車的GPS 軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合第2 節(jié)中的分析可得知具有異常GPS 軌跡車輛的軌跡特征；根據(jù)異常車輛軌跡的特征能夠在異常車輛的GPS 軌跡中找到其GPS軌跡的異常點(diǎn)。

3.1 異常車輛的GPS 軌跡特征

（1）收費(fèi)數(shù)據(jù)異常。異常行為車輛的收費(fèi)數(shù)據(jù)異常主要分為兩類：第一類有入無(wú)出，截止當(dāng)前時(shí)刻，在收費(fèi)中心，只有該異常行為車輛進(jìn)入高速公路收費(fèi)站的信息，沒有駛離高速公路收費(fèi)站的信息；第二類是無(wú)入無(wú)出，截止當(dāng)前時(shí)刻，在收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中，沒有該車輛進(jìn)出收費(fèi)站的信息，但是該車輛此刻卻在高速公路上行駛；第三類是數(shù)據(jù)異常，如出現(xiàn)通行卡丟失等情況。

（2）時(shí)間異常。第一類異常行為車輛會(huì)長(zhǎng)時(shí)間行駛在高速公路上。與正常行駛的車輛相比，異常行為車輛可能長(zhǎng)時(shí)間不下高速或根本就不下高速公路，在時(shí)間上與正常車輛存在明顯的異常。

（3）路徑異常。與正常駕駛的標(biāo)準(zhǔn)軌跡不一致，異常行為車輛在其高速公路行駛軌跡中存在局部子路徑多次重復(fù)的現(xiàn)象。例如：異常行為車輛多次在A點(diǎn)和B點(diǎn)進(jìn)行折返，它的軌跡中就會(huì)出現(xiàn)A點(diǎn)到B點(diǎn)的軌跡重疊現(xiàn)象。

3.2 GPS 軌跡異常點(diǎn)

據(jù)3.1 節(jié)中異常數(shù)據(jù)的原則，遍歷GPS 軌跡數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多路徑異常點(diǎn)，其分為折返點(diǎn)與停留點(diǎn)。折返點(diǎn)的主要特征就是具有一定的折返現(xiàn)象，而停留點(diǎn)的特征是某一個(gè)GPS 軌跡點(diǎn)保持不動(dòng)，停留某段較長(zhǎng)的時(shí)間。

3.2.1 GPS 軌跡折返點(diǎn)

根據(jù)第2 節(jié)中異常數(shù)據(jù)的原則，遍歷GPS 軌跡數(shù)據(jù)和收費(fèi)站數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多路徑折返點(diǎn)。折返點(diǎn)的主要特征就是具有一定的折返現(xiàn)象。分析出所有GPS 軌跡點(diǎn)中真正的折返點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡劃分和折返次數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及判斷車輛在空間上的折返軌跡。折返點(diǎn)的判斷條件如下：

（1）該點(diǎn)必須能夠聚焦到標(biāo)準(zhǔn)高速路線上；

（2）該點(diǎn)與前一個(gè)點(diǎn)和后一個(gè)點(diǎn)形成的相對(duì)夾角必須是銳角；

（3）該點(diǎn)之后的反向點(diǎn)必須在路徑上持續(xù)一段時(shí)間。遍歷映射點(diǎn)集合，查找滿足條件的點(diǎn)。

對(duì)于給定的GPS 軌跡標(biāo)準(zhǔn)鏈路和GPS 軌跡映射點(diǎn)，折返點(diǎn)的判斷主要取決于以下三個(gè)變量：

（1）映射點(diǎn)t聚焦到標(biāo)準(zhǔn)高速路線上，給定GPS 軌跡點(diǎn)坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)鏈路上距離GPS 軌跡點(diǎn)最近的兩個(gè)連接點(diǎn)，按照最短距離規(guī)則，聯(lián)立式（1）、式（2）得到標(biāo)準(zhǔn)鏈路上的映射點(diǎn)t的坐標(biāo)，折返點(diǎn)映射在該標(biāo)準(zhǔn)路徑上，從而可以計(jì)算重復(fù)出現(xiàn)點(diǎn)數(shù)的路徑，否則，如圖3 所示，不在標(biāo)準(zhǔn)高速線路上屬于換線，則會(huì)造成折射點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)量缺失。

圖3 映射點(diǎn)換線示意圖

（2）如圖4 所示，對(duì)于給定的折返點(diǎn)A、前一點(diǎn)B和后一點(diǎn)C，相對(duì)夾角的閾值θ被定義為：

圖4 折返點(diǎn)相對(duì)夾角示意圖

式中：dis(A,B)和dis(A,C)分別表示折返點(diǎn)到前一個(gè)點(diǎn)的距離和折返點(diǎn)到后一個(gè)點(diǎn)的距離。本文設(shè)定相對(duì)夾角的閾值θth=60°。

（3）如圖5 所示，對(duì)于給定的折返點(diǎn)p1和折返之后的反向點(diǎn)p2，折返后反向點(diǎn)持續(xù)距離D被定義為：

圖5 折返后反向行駛示意圖

式中dis(p1,p2)表示折返點(diǎn)到折返后反向點(diǎn)的距離。

折返點(diǎn)分布數(shù)據(jù)見表2 所列，通過(guò)大量數(shù)據(jù)歸納總結(jié)特征，當(dāng)貨車發(fā)生折返現(xiàn)象后，一般需要在折返路徑上行駛一段時(shí)間，因?yàn)楦咚偕洗嬖谠S多小范圍的折返現(xiàn)象，例如車輛選擇走匝道或者上互通立交轉(zhuǎn)換等情況，所以折返距離越長(zhǎng)說(shuō)明折返的可能性越大，本文取置信度為0.05，設(shè)定持續(xù)距離閾值Dth=5 km。

表2 折返點(diǎn)分布數(shù)據(jù)

在滿足映射點(diǎn)聚焦到標(biāo)準(zhǔn)高速路線上的條件后，如果θ≤θth同時(shí)滿足D≥Dth，其中θth和Dth分別表示θ和D的預(yù)設(shè)閾值，則認(rèn)為該軌跡點(diǎn)作為折返點(diǎn)。重復(fù)執(zhí)行遍歷軌跡上的各映射點(diǎn)，直到所有軌跡點(diǎn)都被處理完畢，則表明折返點(diǎn)已經(jīng)全部被檢測(cè)。

3.2.2 GPS 軌跡停留點(diǎn)

根據(jù)2.1 節(jié)中的行為分析，結(jié)合實(shí)際資料，發(fā)現(xiàn)貨車司機(jī)往往不會(huì)在收費(fèi)站長(zhǎng)時(shí)間停留、過(guò)夜等，能夠得出貨車長(zhǎng)時(shí)間停留是一種異常行為。本文通過(guò)對(duì)貨車GPS 軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了軌跡停留點(diǎn)的整合數(shù)據(jù)，見表3 所列。取0.01的置信區(qū)間，可令停留時(shí)長(zhǎng)超過(guò)6 小時(shí)的軌跡點(diǎn)為異常點(diǎn)。

表3 停留點(diǎn)數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用1 臺(tái)搭載Windows 10 系統(tǒng)、CPU 為8 核、顯卡為RTX2080Ti、內(nèi)存16 GB 的計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)中采用的原始數(shù)據(jù)為某省2021 年10 月—12 月收費(fèi)站的收費(fèi)數(shù)據(jù)、門架數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)車輛的GPS 數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到了實(shí)驗(yàn)待測(cè)車輛總共20 374 輛。利用上述識(shí)別算法對(duì)這些車輛的GPS 軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行一一識(shí)別，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)銳角閾值和折返持續(xù)時(shí)間閾值的調(diào)整，發(fā)現(xiàn)了具有異常軌跡的車輛。本文以其中一輛為例，分析其行駛過(guò)程中的異常軌跡。其GPS 軌跡如圖6 所示。

圖6 異常車輛的GPS 軌跡

車輛從韓城開往乾縣，整個(gè)路段劃分為A（韓城匝道至合陽(yáng)匝道）、B（合陽(yáng)匝道至荊姚匝道）和C（荊姚匝道至乾縣匝道）三段。該車輛在B 路段有軌跡重復(fù)的現(xiàn)象，將該路段向下“舒展”開，如圖6 深色軌跡部分所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該車輛在B 段往返折疊的軌跡有7 次，具有重大的換掛嫌疑。為了測(cè)試算法的有效性，通過(guò)實(shí)地選取實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)車輛在高速公路上進(jìn)行來(lái)回折返駕駛，通過(guò)算法可以準(zhǔn)確識(shí)別出實(shí)驗(yàn)車輛，驗(yàn)證了算法的有效性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了貨車異常GPS 軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理，同時(shí)將GPS 軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)映射到標(biāo)準(zhǔn)鏈路上，然后對(duì)高速公路異常車輛的行為進(jìn)行分析，并針對(duì)異常特征提出一種識(shí)別軌跡異常的檢測(cè)方法。最后通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。從結(jié)果中得出，本文所提出的檢測(cè)算法對(duì)于識(shí)別異常軌跡車輛有著不錯(cuò)的效果，有助于降低稽查部門工作強(qiáng)度。