自動收費系統(tǒng)中的車輛自動識別技術(shù)專利分析

梅瀟　皮婉素

摘 要 自動收費系統(tǒng)是解決交通阻塞的最重要的手段之一，自動收費系統(tǒng)是利用車輛自動識別（簡稱AVI）技術(shù)完成車輛與收費站之間的數(shù)據(jù)通訊，進行車輛自動識別和有關(guān)收費數(shù)據(jù)的交換。車輛自動識別技術(shù)是自動收費系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，本文針對車輛自動識別技術(shù)的專利申請和專利申請產(chǎn)出國進行了統(tǒng)計分析，并重點針對車輛識別系統(tǒng)中組具有代表性的四大技術(shù)分支：條形碼AVI系統(tǒng)，視頻圖像處理AVI系統(tǒng)，射頻識別AVI系統(tǒng)以及衛(wèi)星定位AVI系統(tǒng)進行了分析。

關(guān)鍵詞 不停車 收費 識別 條形碼 圖像 射頻 衛(wèi)星

中圖分類號：C18 文獻標識碼：A

1自動收費系統(tǒng)中的車輛自動識別技術(shù)概述

自動收費系統(tǒng)主要是利用車輛自動識別（AVI）技術(shù)，通過信息的通信和信息交換，以達到對車輛的自動識別，并自動從該車輛的帳戶中扣除通行費，從而實現(xiàn)車輛的自動收費。

車輛自動識別技術(shù)（AVI）是自動收費系統(tǒng)的核心技術(shù)，是區(qū)別不同的自動收費系統(tǒng)的主要標志。車輛自動識別技術(shù)是指利用現(xiàn)有的自動化檢測技術(shù)和手段，將通過特定地點的行駛車輛身份自動的識別出來以備交通管理應用。

車輛自動識別技術(shù)（AVI） 經(jīng)歷了聲表面技術(shù)、光學和紅外技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)、無線電射頻和微波通信技術(shù)等過程，最后得到認可的有改進的條形碼技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)、無線電射頻和微波通信技術(shù)。到20 世紀末，已基本確立了采用無線電射頻和微波通信技術(shù)作為自動收費系統(tǒng)的車輛自動識別技術(shù)的主流地位。近年來，采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的車輛定位系統(tǒng)（VPS）也進人了AVI 的應用。并被歐盟建議為歐洲各國收費技術(shù)的發(fā)展目標。

2專利技術(shù)的整體分析

2.1 全球?qū)＠暾埩口厔?/p>

經(jīng)過檢索，截止到2015年6月30日，在ven數(shù)據(jù)庫中供檢索到1600余項自動收費系統(tǒng)中的車輛自動識別技術(shù)的專利申請，最早的專利申請出現(xiàn)在1971年，但是1971年至1989年每年的專利申請量都很小。因此，選擇1991年至今的全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)進行分析：

圖2.1：1991年至今的全球?qū)＠暾埧偭侩S年份變化的趨勢圖

圖2.1所示為1990年至今的自動收費系統(tǒng)中的車輛自動識別技術(shù)全球?qū)＠暾垰q年份變化的趨勢圖。從圖中可以看出，1992年以前，專利申請量較小。從1993年開始到1999年，申請量開始有一個小幅的上升，隨后經(jīng)過一個小幅的回落，從2002年開始專利申請量開始逐步攀升，盡管在2008年至2010年有所下降，但專利申請量總體還是一個逐步上升的趨勢并在2012年達到高峰。并且由于專利申請公開的時延性，導致近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)并不完整。

根據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，自動收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)出現(xiàn)較早，這主要還是由于在發(fā)達國家的汽車數(shù)量較多，交通的嚴重阻塞情況亟需解決所導致的。

2.2 專利申請產(chǎn)出國分布

通過對檢索到的專利文獻產(chǎn)出國進行統(tǒng)計分析（如下圖2.2所示），日本29.83%的專利申請比例占據(jù)第一，美國以17.05%的專利申請比例占據(jù)第二，中國以9.69%的專利申請比例占據(jù)第二，同時也從側(cè)面反映出中國在自動收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但后期發(fā)展比較迅速，專利申請總量也比較多，當然和日本、美國的等國家還具有一定差距。

圖2.2：全球?qū)＠暾埉a(chǎn)出國分析

2.3 在華專利申請量趨勢

如圖2.3所示為自動收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)在華申請歲年份變化的趨勢圖，從圖中可以看出，我國從1992年開始已有電子不停車收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)的專利申請，然而申請量一直較低；直至2000年，我國國家經(jīng)貿(mào)委和交通部主持了“高等級公路自動收費系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”項目，隨后，針對自動收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)的專利申請量開始逐步攀升，由于專利申請公開的滯后性，2013年以及2014年的專利申請量并不完整。經(jīng)過與之前全球?qū)＠暾埧偭侩S年份變化的趨勢圖比較可以得出，我國自動收費系統(tǒng)的車輛識別技術(shù)在華專利申請發(fā)展迅速。這與自動收費系統(tǒng)在中國各省市大量運行實踐，逐步成為主流收費方式的發(fā)展趨勢也是一致的。

圖2.3：在華專利申請總量隨年份變化的趨勢

3主要技術(shù)分支的專利申請分析

3.1光學和紅外AVI系統(tǒng)

基于光學和紅外AVI系統(tǒng)的不停車收費系統(tǒng)由室內(nèi)設備、室外設備以及車輛上的標識部分組成。基本結(jié)構(gòu)如圖3.1 所示. 當車輛進入安裝地面檢測點的相應車道時， 微機通過接口電路啟動相應的掃描器開始工作。掃描器發(fā)出脈沖形式的光波， 并接收經(jīng)車輛反射的光信號， 由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號， 經(jīng)過整形放大后送到譯碼器， 由譯碼器解譯后通過接口電路箱入到計算機. 當車輛出清該車道時， 微機通過接口電路停止相應激光掃描器的工作。

圖3.1：車輛自動識別系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

20世紀70年代末，在紐約和新澤西試行了借助于自動車輛識別的不停車收費系統(tǒng)的實驗，采用光學和紅外的技術(shù)原型對AVI系統(tǒng)進行了評估；美國圖像識別公司提出專利申請（US4958064A），記載了可在車輛的停車場或收費公路安裝相機，相機中裝配條碼閱讀器，通過讀取車輛上條碼信息來判斷車輛是否有權(quán)進入停車場或者在收費道路自動生成車輛的通行費賬單；通過增加條形碼的光源以及調(diào)整相機的焦距，提高了相機的分辨率，使得在混亂的背景中準確的識別出條碼的信息。然而，由于車輛的移動速度以及長期暴露于外部環(huán)境，在惡劣天氣、環(huán)境污染或污物覆蓋的情況下，系統(tǒng)很難達到較高的識別精度。

3.2視頻圖像處理 AVI 系統(tǒng)

視頻圖像處理 AVI 系統(tǒng)由視頻攝像機、圖像采集設備及計算機處理系統(tǒng)組成。在車輛電子收費技術(shù)領(lǐng)域，視頻圖像處理系統(tǒng)的研究主要集中在車牌識別系統(tǒng)，其識別流程如圖3.2所示：

視頻采集：由攝像鏡頭和圖像采集卡組成。圖像采集卡將攝像鏡頭拍攝到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機。對視頻信號進行關(guān)鍵幀提取。車牌定位：從一幅包含車牌的圖像中將車牌找出來，車牌定位是整個車牌識別系統(tǒng)中最重要的部分。字符分割：對獲得的牌照分離出每個字符。字符識別：將分割后的字符采用一定的方法將其識別出來。

1995年美國IND公司提出，使用神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行車輛的車牌識別（US5425108A），通過照相機獲取車輛的車牌圖像，然后尋找到圖像中車牌的位置并進行分離。然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法識別出被分離的字符。與傳統(tǒng)的模板匹配方式相比，神經(jīng)網(wǎng)絡算法優(yōu)勢更為明顯。盡管，國外汽車牌照識別系統(tǒng)研究工作已經(jīng)有了一定的進展，但是并不盡合我國國情，主要是因為我國標準汽車牌照是由漢字、英文字母和阿拉伯數(shù)字組成，漢字的識別與字母和數(shù)字的識別有很大的不同。2010年，復旦大學提出一種可用于收費道路的車牌識別，使用分類器，預先對數(shù)字、字符和漢字建立二值模板，車牌識別時，首先進行車牌定位，得到一組車牌候選區(qū)；將字符塊與模板對比，根據(jù)對比結(jié)果，對每組字符塊進行識別，排除錯誤候選區(qū)，生成識別出的車牌號碼，車牌顏色以及車牌區(qū)域坐標。

3.3射頻識別 AVI 系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。射頻識別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它通過識別裝置自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識別高速運動物體，射頻識別技術(shù)的閱讀距離遠，讀卡速度快；可穿過玻璃、塑料等非金屬介質(zhì)，也可在惡劣環(huán)境下工作；具有全球唯一的ID 號。

具有射頻識別系統(tǒng)的ETC原理圖如圖3.3所示：

圖3.3收費站ETC車道工作原理圖

當有車輛通過時，車輛檢測裝置會發(fā)射驗證信號，檢測待通過車輛是否安裝了電子標簽，如果檢測到該車輛未安裝電子標簽，則禁止通行； 如果檢測到該車輛安裝了電子標簽，則閱讀器會對該車輛電子標簽卡片內(nèi)信息進行讀取核對，從該卡片內(nèi)扣除本次通行費用，放行該車輛。

德州儀器公司首次提出了一種可用于收費道路或收費停車場的車輛識別通信系統(tǒng)（US5552789A），車身裝載有具有唯一識別ID的發(fā)射應答器，地面上安裝有車輛識別系統(tǒng)AVI，通過車輛識別系統(tǒng)AVI的環(huán)形天線與車身的發(fā)射應答器進行通信，進而識別出車輛的身份ID。當車輛通過收費站時，車身的發(fā)射應答器與AVI系統(tǒng)進行通信并發(fā)送ID信息以及信用卡信息。車輛識別系統(tǒng)AVI的環(huán)形天線通過RF信號與車身的發(fā)射應答器進行通信。隨著車輛的逐漸增多、車道的逐漸增加，RF識別AVI系統(tǒng)的問題也逐漸暴露，針對跟車干擾問題，2013年，北京速通科技提出了一種基于多波束天線的電子不行車收費ETC的防干擾方法，多波束天線對所在車道天線通信區(qū)域內(nèi)的車載電子標簽進行信號和位置檢測；多波束天線檢測到多個車載電子標簽在所述通信區(qū)域內(nèi)時，向每個車載電子標簽發(fā)射定向下行波束，各下行波束分別形成一個相互獨立相對較小的通信子區(qū)域，以空分復用的方式實現(xiàn)與所述多個車載電子標簽的并發(fā)通信?？梢哉{(diào)整ETC交易的有效通信區(qū)域，實時檢測ETC車道的OBU精確位置，并依據(jù)電子標簽的位置調(diào)整定向下行波束，以空分復用的方式實現(xiàn)與多個車載電子標簽的并發(fā)通信，從而提高車道通行速度，同時避免ETC車道車輛跟車干擾。

3.4衛(wèi)星定位（GPS）AVI系統(tǒng)

衛(wèi)星收費系統(tǒng)工作原理是車輛在行駛時通過安裝在車上的車載終端GPS不斷獲取車輛當前的位置信息，同時將所在位置和車載地圖上的收費路段相匹配進行路段識別，如果確定車輛進入收費路段，系統(tǒng)開始計算車輛行駛軌跡和路程，并進行通行費用計算。衛(wèi)星定位不停車系統(tǒng)組成示意圖見圖3.4：

車載終端子系統(tǒng)。存儲有車載收費地圖，可完成定位信息的接收、收費路段匹配、通行費用計算和收費信息傳遞等任務。

路側(cè)稽查子系統(tǒng)。通過微波通信的方式與收費道路上過往的車輛進行通信，確認車載設備的工作狀態(tài)；將車載設備信息傳送給后臺管理中心子系統(tǒng)。

后臺管理中心子系統(tǒng)。主要接收和存儲車載設備發(fā)送的路徑、通行費用信息和稽查設備發(fā)送的稽查信息。

圖3.4：衛(wèi)星收費系統(tǒng)組成示意圖

基于衛(wèi)星定位和無線接入技術(shù)的不停車收費技術(shù)是世界上最先進的路橋收費技術(shù)之一，1994年，德國快捷達公司提出了一種基于GPS的道路收費系統(tǒng)（GB2295476A），車身裝載有接收單元用于從GPS接收位置信息，根據(jù)位置信息來產(chǎn)生相應的過路費賬單信息。日本三菱公司針對基于GPS的不停車收費系統(tǒng)造價較高的問題，提出了一種有效利用現(xiàn)有設備的同時能夠以低成本擴充收費對象區(qū)域的收費系統(tǒng)，其包括設置在收費對象區(qū)域（A）中的收費裝置，和安裝在車輛中并且在與收費裝置之間交換有關(guān)收費的信息的車載器的收費系統(tǒng)中，車載器基于由GPS接收機取得的位置信息檢測是否進入到擴充收費對象區(qū)域，在進入收費對象區(qū)域（A）時，對于在收費對象區(qū)域（A）的收費站中設置的收費裝置，發(fā)送表示是否進入到擴充收費對象區(qū)域（B）的進入標志的狀態(tài)，從而將是否進入到擴充收費對象區(qū)域（B）的情況通知給收費裝置。

4結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和車輛的不斷增多，自動收費技術(shù)將會得到更大發(fā)展。盡管目前的自動收費技術(shù)已經(jīng)逐漸普及。但是識別速度慢、跟車干擾、鄰近車道干擾等問題依然存在，自動收費技術(shù)還需要更進一步的研究和完善。

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