基于路徑識別的高速公路ETC技術(shù)研究

文/付珺

1 前言

在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)遇到發(fā)展問題的同時，安裝ETC 的車輛數(shù)量也在逐漸增多，借助ETC 和路徑識別技術(shù)，解決聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)存在的問題逐漸成為智慧交通建設(shè)發(fā)展的一種可行方案。

2 高速公路ETC 現(xiàn)狀及需求

從2020年1月1日起，全國29 個聯(lián)網(wǎng)省份的487 個省界收費(fèi)站全部取消，在ETC 的支持下通過省界的時間將大幅降低，而部分收費(fèi)站將保留一定數(shù)量的MTC（人工半自動收費(fèi)方式）與ETC 方式相結(jié)合。收費(fèi)金額根據(jù)我國及各省交通運(yùn)輸部門有關(guān)規(guī)定，統(tǒng)一制定費(fèi)率，按照車型、行駛路徑、行駛里程確定正常小車、客車等車輛的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，對貨車采用計重收費(fèi)，其中行駛里程按照最短路徑確定。我國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)長期采用最短路徑法作為計算方式，但當(dāng)今高速公路建設(shè)數(shù)量不斷增加，車輛行駛密度擴(kuò)展，最短路徑法計算得到的通行費(fèi)時常出現(xiàn)問題，這為高速公路發(fā)展帶來了影響，不利于高速公路的發(fā)展。借助二義性路徑問題，在ETC 等信息技術(shù)的幫助下將實際路徑計算出來，按照實際路徑進(jìn)行收費(fèi)，而這其中最為關(guān)鍵的就是路徑識別技術(shù)。隨著高速公路快速擴(kuò)展，對高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的需求變化，包括：聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)建設(shè)規(guī)模及質(zhì)量，需要現(xiàn)有ETC 收費(fèi)系統(tǒng)能夠精確收費(fèi)、迅速拆分賬，避免車輛在通行費(fèi)征收方面出現(xiàn)不公平問題。公眾服務(wù)需求，ETC收費(fèi)建設(shè)過程中民眾就曾提出對通行費(fèi)顯示的要求，也進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了通行費(fèi)收取不合理的問題。那么在路徑識別應(yīng)用后，相關(guān)參數(shù)信息也應(yīng)該可以通過系統(tǒng)軟件呈現(xiàn)給公眾。

雖然ETC 普及建設(shè)迅速，但是在短時間內(nèi)依然無法取代MTC，在路徑識別處理上需要能夠統(tǒng)一解決ETC 和MTC 的方案。收費(fèi)或是拆分賬都是建立在精準(zhǔn)數(shù)據(jù)之上的，若識別精度不高導(dǎo)致用戶在同一路徑中收費(fèi)出現(xiàn)差異，依然會造成不公平的問題，而且在交通運(yùn)輸量日益增長的背景下，識別速率也要有所保證[1]。建設(shè)信息化數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)是未來智慧交通發(fā)展的主要依據(jù)，高速公路信息化建設(shè)也是基于路徑識別的高速公路ETC 技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，只有更為全面且豐富的信息系統(tǒng)，才能為路徑識別、路網(wǎng)車輛行駛、收費(fèi)數(shù)據(jù)提供強(qiáng)有力的支撐。

3 高速公路中路徑識別方式

3.1 最短路徑法

最短路徑法作為傳統(tǒng)高速公路交通收費(fèi)的基礎(chǔ)方式必然有其存在的道理，其原理是以假定路徑中任意兩個節(jié)點(diǎn)作為路網(wǎng)出行交通流量中的行程與長度，并忽視其他路線上行駛路徑計算與識別，這使得最短路徑法雖然有計算便捷的優(yōu)勢，但在實際路徑識別應(yīng)用中最短路徑法過于理想化，特別是在多路徑段內(nèi)行程時間和交通量并不固定，難以憑借兩個節(jié)點(diǎn)計算出最短路徑。而且最短路徑也會受駕駛者的行駛行為影響而出現(xiàn)差異，這使得最短路徑法在現(xiàn)階段高速公路通行費(fèi)收取和拆分時會出現(xiàn)一些問題，仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3.2 車牌識別法

在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)信息化、智能化設(shè)備的支持下路徑識別技術(shù)已經(jīng)能完成一定的計算工作，車牌識別是利用一車一牌的基礎(chǔ)來形成車輛牌照識別，在車輛進(jìn)入高速公路收費(fèi)站后，識別系統(tǒng)就會記錄車輛通過時間、通過的站點(diǎn)以及車輛牌照等信息，并將相關(guān)信息傳輸至高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的數(shù)據(jù)中心，在車輛經(jīng)過后續(xù)站點(diǎn)后依然會繼續(xù)記錄相關(guān)信息，并與首次記錄的信息進(jìn)行核對，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這樣就可以為車輛通行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，進(jìn)而達(dá)到區(qū)分車輛路徑識別的作用。車牌識別的優(yōu)勢在于體系較為成熟，短時間內(nèi)就能達(dá)到良好的使用效果。但是在技術(shù)上還存在缺陷，當(dāng)前圖像抓拍與車輛識別受外界因素的干擾影響較大，比如在惡劣天氣、交通流量較大時會對車輛識別產(chǎn)生一定影響，需要人工對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查。不過，這種缺點(diǎn)卻能夠有效適應(yīng)當(dāng)前ETC 與MTC 并行的收費(fèi)模式。

3.3 電子標(biāo)簽法

電子標(biāo)簽是高速公路ETC 技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，原理是車輛設(shè)有標(biāo)識站的路段時以電子標(biāo)簽的形式記錄代碼信息，不同路段自然記錄的代碼信息也不一樣，數(shù)據(jù)中心通過分析不同代碼信息來確定車輛的行駛路徑，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)收費(fèi)?，F(xiàn)階段電子標(biāo)簽法的應(yīng)用種類主要有三種。

首先，基于移動網(wǎng)絡(luò)的IC 卡，可以簡單理解為在ETC 模塊中設(shè)置帶有SIM 卡的復(fù)合通行卡，而且當(dāng)前高速路段上也仍在使用IC 卡系統(tǒng)，為避免資源浪費(fèi)可以將IC 卡功能與ETC 技術(shù)相互結(jié)合?？梢宰詣訉⒁苿佣ㄎ粚懭肟ㄖ?，無須設(shè)置過多的路徑關(guān)鍵點(diǎn)便能識別路徑，優(yōu)勢在于可實現(xiàn)連續(xù)的軌跡識別。缺點(diǎn)在于需要良好的移動網(wǎng)絡(luò)作為支撐，還需要對現(xiàn)階段所使用的ETC 技術(shù)進(jìn)行調(diào)整。

其次，RFID 路徑識別技術(shù)，采用RFID 有源電子標(biāo)簽+復(fù)合通行卡的模式寫入標(biāo)識信息，當(dāng)前已有成熟應(yīng)用，比如在廣東、浙江等地的MTC 系統(tǒng)，RFID 路徑識別技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠提高路徑識別的準(zhǔn)確性，利用RFID 有源電子標(biāo)簽獲取車輛的行駛路線，從而實現(xiàn)路徑識別，進(jìn)而能夠?qū)νㄐ匈M(fèi)用進(jìn)行合理拆分。缺陷在于路徑識別信號容易被屏蔽，誤標(biāo)率較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，且根據(jù)部分省份應(yīng)用RFID 的經(jīng)驗來看，前期建設(shè)投入成本較大[2]。

最后，5.8GHz 路徑識別，其原理是當(dāng)車輛經(jīng)過5.8GHz 標(biāo)識站后會自動標(biāo)識復(fù)合通行卡、車載OBU 和ETC 卡，以此確定行駛路徑。此方式成熟、應(yīng)用簡單，在大多數(shù)ETC 系統(tǒng)中都有著良好的識別率，交通運(yùn)輸部門對相關(guān)技術(shù)已經(jīng)提出了要求。但也有明顯的問題，便是MTC 系統(tǒng)無法應(yīng)用此方法，其對車輛信息化以及高速公路聯(lián)網(wǎng)的要求較高。

4 基于路徑識別的高速公路ETC 技術(shù)應(yīng)用

4.1 總體框架

ETC 車輛從ETC 車道可以正常進(jìn)入路網(wǎng)，而MTC車輛從MTC 車道領(lǐng)取復(fù)合通行卡后進(jìn)入高速公路聯(lián)網(wǎng)內(nèi)布設(shè)的標(biāo)識點(diǎn)時，DSRC 技術(shù)便會將信息寫入ETC 車載設(shè)備中，而MTC 車輛則寫入復(fù)合通行卡內(nèi)。當(dāng)車輛進(jìn)入ETC 入口時會清除掉OBU 中所記錄的路徑信息，并將此車道入口的信息記錄在OBU 中，在清楚之前路徑信息時，對于OBU 只需清除標(biāo)識點(diǎn)計數(shù)即可，但是面對復(fù)合通行卡就要清除整個路徑信息文件。而在收費(fèi)站出口，ETC 車輛不停車自動繳費(fèi)駛離，MTC 車輛則需要在MTC 車道交回復(fù)合通行卡。路徑識別系統(tǒng)會讀取非現(xiàn)金支付卡內(nèi)的入口信息、OBU 及卡內(nèi)路徑信息，從而計算通行費(fèi)用。一般來說需要先判斷路徑信息所記錄標(biāo)識點(diǎn)的位置，并找出進(jìn)入高速公路后到出口之間的所有標(biāo)識點(diǎn)序列，根據(jù)卡內(nèi)路徑信息、入口信息、OBU以及標(biāo)識序列計算通行路徑，并核對車輛信息符合后，計算出通行費(fèi)并完成扣款，在扣款的同時清除標(biāo)識點(diǎn)。如果在省內(nèi)或跨省出入中沒有標(biāo)識點(diǎn)數(shù)據(jù)，則按照最短路徑進(jìn)行收費(fèi)。

4.2 ETC 技術(shù)處理流程

基于路徑識別的ETC 技術(shù)應(yīng)用本質(zhì)是為了強(qiáng)化收費(fèi)拆分的準(zhǔn)確性，分析車輛從入口收費(fèi)站到出口收費(fèi)站的行駛過程中經(jīng)過的若干標(biāo)識點(diǎn)，根據(jù)車輛的行駛路徑計算出通行費(fèi)。

傳統(tǒng)車輛通行費(fèi)計算是按照最短路徑收費(fèi)進(jìn)行計算，計算也是基于最小收費(fèi)額。而基于路徑識別的通行費(fèi)計算就要對標(biāo)識點(diǎn)序列中每個節(jié)點(diǎn)序列中相鄰標(biāo)識點(diǎn)分段計算最短收費(fèi)路徑以及最小收費(fèi)額。通行費(fèi)計算要與高速公路收費(fèi)規(guī)定相吻合，采用整數(shù)計算且個位取0 或5，在計算中也應(yīng)設(shè)定個位數(shù)≤2.5 取0，2.5＜個位數(shù)＞7.5 則取5，≥7.5 則為10。在對相鄰標(biāo)識點(diǎn)路徑進(jìn)行分析時，需要確定車輛在該分段中的路徑是否精確，計算出每個路段的收費(fèi)金額，模糊路段采用最小收費(fèi)額。然后根據(jù)車輛從標(biāo)識點(diǎn)入口到出口的順序合并車輛行駛路徑以及收費(fèi)總額，將兩個數(shù)值與最短行駛路徑及最小收費(fèi)額進(jìn)行對比，計算出路徑中每個路段的清分比例，如果行駛路徑中存在較多模糊路段，則需要進(jìn)行二次清分。不過，在軟件系統(tǒng)的計算中也可以借助歷史數(shù)據(jù)經(jīng)驗的方式得出清分比例，進(jìn)而確保車輛通行費(fèi)拆分的合理性。

4.3 ETC 系統(tǒng)優(yōu)化改造

基于路徑識別的高速公路ETC 技術(shù)關(guān)鍵在于行駛路徑上標(biāo)識點(diǎn)設(shè)定以及ETC 系統(tǒng)的優(yōu)化這兩方面。通常來看標(biāo)識點(diǎn)的設(shè)置是在多條高速公路形成的環(huán)網(wǎng)上，以兩個樞紐交界處為基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置一個標(biāo)識站，標(biāo)識站本身要盡可能設(shè)置在直線路段且周圍不能有遮擋，便于設(shè)置天線控制器、路徑識別設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，能夠?qū)⒆R別信息快速傳遞到收費(fèi)站的數(shù)據(jù)中心。

ETC 系統(tǒng)的優(yōu)化更為關(guān)鍵，是支撐路徑識別的重要基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)β肪W(wǎng)中所有標(biāo)識站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通常情況下會定期選擇某一車輛進(jìn)行同步跟蹤服務(wù)，來判斷標(biāo)識信息與實際行駛信息的差別，若采用人工智能技術(shù)，也可以提供學(xué)習(xí)經(jīng)驗。車輛在經(jīng)過標(biāo)識站后，ETC 車載設(shè)備便會在識別區(qū)內(nèi)將標(biāo)識信息記錄，對標(biāo)識點(diǎn)上傳的路徑識別數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而標(biāo)識站也會將數(shù)據(jù)傳輸至路段中心管理系統(tǒng)，當(dāng)車輛進(jìn)入路段收費(fèi)站后便將獲取的信息與ETC 車載設(shè)備存儲的信息進(jìn)行比對，這就需要路段高速公路路網(wǎng)具有較高水平的數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，能夠?qū)Υ罅柯窂阶R別信息進(jìn)行統(tǒng)一處理。另外，為了確保高速公路聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。

5 結(jié)語

通過對路徑識別系統(tǒng)的分析和研究，可以了解到在路徑識別技術(shù)的支持下，當(dāng)前高速公路正向著智能化、信息化延伸發(fā)展，為人們的日常出行帶來便利。同時高速公路ETC 技術(shù)是高速公路經(jīng)濟(jì)收益的主要來源，在路徑識別幫助下能夠更加精準(zhǔn)地得出行駛路徑，減少通行費(fèi)收取和拆分不合理現(xiàn)象的發(fā)展，為高速公路ETC的持續(xù)發(fā)展提供支撐。