融合ETC 及無(wú)感支付技術(shù)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 豐，班偉杰，戴澤華

（1.中國(guó)人民大學(xué)，北京 100872；2.張家口市高等級(jí)公路資產(chǎn)管理中心，河北 張家口 075000）

0 引 言

收費(fèi)系統(tǒng)是高速公路管理體系的核心組成部分之一[1]。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的持續(xù)攀升，高速公路收費(fèi)管理效率面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，建立智能化、一體化、高效便捷的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。將無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)[2]、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[3]和各類(lèi)電子設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用于高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)，可以提高收費(fèi)管理的自動(dòng)化程度，降低人力成本和收費(fèi)差錯(cuò)率[4-5]。從高速公路現(xiàn)有電子收費(fèi)和支付手段的應(yīng)用情況分析，ETC（不停車(chē)電子收費(fèi)系統(tǒng)）電子支付方式已經(jīng)開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用。與傳統(tǒng)的人工收費(fèi)方式相比，ETC 具有高效、便捷、安全等諸多優(yōu)點(diǎn)。但ETC 的OBU（車(chē)載單元）系統(tǒng)安裝過(guò)程較為繁瑣，需要支付一定的OBU 系統(tǒng)安裝費(fèi)，且需要將車(chē)輛信息與銀行卡綁定，由于無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控銀行卡余額，因此容易出現(xiàn)預(yù)付款余額不足及車(chē)輛銀行信息不對(duì)應(yīng)等問(wèn)題，導(dǎo)致普及率不高。近幾年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，微信、支付寶等移動(dòng)APP 支付手段呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)支付的基礎(chǔ)上，融入人工智能和圖像識(shí)別技術(shù)，形成一種無(wú)感支付系統(tǒng)，與現(xiàn)有ETC系統(tǒng)互為補(bǔ)充。為此，本文設(shè)計(jì)一種融合ETC 和無(wú)感支付的高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)，可以適用于更多的場(chǎng)景，提升高速公路收費(fèi)管理效率[6-7]。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

融合ETC 無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)和無(wú)感支付技術(shù)的高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)是一種組合式收費(fèi)系統(tǒng)，在單通道設(shè)計(jì)上不再像傳統(tǒng)收費(fèi)系統(tǒng)一樣區(qū)分ETC 通道和其他類(lèi)型通道，即在原有ETC 通道基礎(chǔ)上，加裝用于無(wú)感支付的高清攝像頭、信號(hào)傳感器、圖像識(shí)別裝置等系統(tǒng)硬件，并輔以相應(yīng)的軟件算法，保證無(wú)感識(shí)別的準(zhǔn)確性，組合收費(fèi)系統(tǒng)的整體布局和框架設(shè)計(jì)[8]，如圖1 所示。

圖1 組合高速收費(fèi)系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

在隔離帶安裝用于通過(guò)車(chē)輛車(chē)牌掃描和圖像信息提取的高清攝像頭、車(chē)輛紅外檢測(cè)器和ETC 射頻裝置。為了提高車(chē)輛的通過(guò)效率，將兩種檢測(cè)方式集成于一個(gè)模組，不再區(qū)分ETC 車(chē)道和無(wú)感檢測(cè)車(chē)道，對(duì)于具備ETC 功能的車(chē)輛優(yōu)先使用ETC 功能，如車(chē)輛的系統(tǒng)出現(xiàn)故障或綁卡余額不足，則切換到無(wú)感檢測(cè)功能。現(xiàn)階段在停車(chē)?yán)U費(fèi)系統(tǒng)中仍需要設(shè)置自動(dòng)欄桿，繳費(fèi)成功后欄桿自動(dòng)抬起，車(chē)輛順利通行[9-10]。高速公路組合收費(fèi)系統(tǒng)的總體工作流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體工作流程

當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入收費(fèi)系統(tǒng)通信區(qū)后，微波傳感器感知信號(hào)并激活射頻鏡頭模組，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，射頻標(biāo)簽開(kāi)始響應(yīng)系統(tǒng)的信息讀寫(xiě)需求。讀寫(xiě)器提取信息后向射頻卡發(fā)送代碼，同時(shí)查詢(xún)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存有通過(guò)車(chē)輛。如果車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中保留有通過(guò)車(chē)輛的信息，則可以直接調(diào)取車(chē)輛信息；如果系統(tǒng)中沒(méi)有通過(guò)車(chē)輛的詳細(xì)信息，還需要進(jìn)行信息比對(duì)并將車(chē)輛信息存入記錄數(shù)據(jù)庫(kù)和后臺(tái)管理中心[11]。管理中心主要負(fù)責(zé)對(duì)上傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)管理和存儲(chǔ)，并將車(chē)輛的相關(guān)信息傳遞給銀行及第三方的支付軟件平臺(tái)，以便支付平臺(tái)形成最終的繳費(fèi)賬單[12]。

2 融合ETC 與無(wú)感支付的收費(fèi)系統(tǒng)接口與通信設(shè)計(jì)

復(fù)合收費(fèi)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上融合了ETC 與無(wú)感支付的雙重功能，適用于更多的車(chē)輛類(lèi)型和場(chǎng)景，收費(fèi)系統(tǒng)的主控制中心設(shè)置了多個(gè)接口，主要控制接口與高清攝像機(jī)、字符數(shù)據(jù)疊加器、天線(xiàn)控制器、費(fèi)用金額顯示器、車(chē)輛檢測(cè)器、分離器等模塊連接，系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 收費(fèi)系統(tǒng)接口連接圖

融合ETC 和無(wú)感支付的收費(fèi)系統(tǒng)接口包括I/O 接口和串行接口兩類(lèi)。其中，I/O 接口主要用于系統(tǒng)主控中心的邏輯控制，包括車(chē)輛檢測(cè)、信號(hào)指示、車(chē)輛分離和系統(tǒng)報(bào)警，與I/O 接口連接的設(shè)備全部為開(kāi)關(guān)控制量設(shè)備，負(fù)責(zé)調(diào)控車(chē)輛的通行與否；串行接口主要為異步通信接口與字符疊加器、天線(xiàn)控制器、計(jì)費(fèi)顯示器和稱(chēng)重顯示器相連[13]。異步通信接口的數(shù)據(jù)傳輸幀格式有嚴(yán)格的要求，選用通信性能更好的RS 485 總線(xiàn)連接。收費(fèi)系統(tǒng)的主控制中心融合了通信技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，是高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的大腦。與I/O 接口連接的設(shè)備中，車(chē)輛檢測(cè)器是最關(guān)鍵的設(shè)備，起到喚醒系統(tǒng)的功能，本文設(shè)計(jì)選用四線(xiàn)圈高靈敏度的車(chē)輛檢測(cè)器[14]，可以與RS 485 總線(xiàn)、ETC 模塊、無(wú)感高清攝像頭兼容，如圖4 所示。

圖4 四線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器

車(chē)輛檢測(cè)器與地感線(xiàn)圈連接，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)地感線(xiàn)圈后，車(chē)輛檢測(cè)器內(nèi)部電路頻率發(fā)生變化，進(jìn)而識(shí)別出車(chē)輛的噸位和型號(hào)。車(chē)輛分離器利用紅外線(xiàn)掃描采集通過(guò)車(chē)輛的相關(guān)信息，響應(yīng)速度快且更加穩(wěn)定。用于無(wú)感支付的攝像頭選擇DS2CD4032FWD 型的高清夜視攝像頭，響應(yīng)速度快、無(wú)延遲，能夠準(zhǔn)確捕捉通過(guò)車(chē)輛的車(chē)牌信息，如圖5 所示。

圖5 無(wú)感支付高清夜視攝像頭

字符疊加器與高清攝像頭連接，主要用于原始圖像信息的預(yù)處理和圖像降噪，并將圖像和視頻文件加入時(shí)間信息和特定的疊加字符串信息傳輸至攝像頭信息存儲(chǔ)系統(tǒng)中[15-16]。通信模塊是高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，通信模塊由天線(xiàn)控制器和RSU 天線(xiàn)構(gòu)成，天線(xiàn)控制器負(fù)責(zé)控制天線(xiàn)的開(kāi)啟和關(guān)閉，當(dāng)控制器接收到系統(tǒng)主控制中心的通信信號(hào)和通信請(qǐng)求時(shí)，將按照與之適應(yīng)的通信協(xié)議將通信信號(hào)封裝成數(shù)據(jù)幀，反饋給收費(fèi)站系統(tǒng)的控制中心。RSU 天線(xiàn)將天線(xiàn)控制器中的信號(hào)調(diào)制后，放大功率，再輻射到臨近互聯(lián)網(wǎng)基站。收費(fèi)站管理系統(tǒng)與支付寶、微信等第三方APP 建立聯(lián)系，并完成一次自動(dòng)繳費(fèi)過(guò)程。一般情況下移動(dòng)通信系統(tǒng)在高速公路設(shè)有專(zhuān)用的通信網(wǎng)絡(luò)，采用GSMR 網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，具體包括移動(dòng)匯接網(wǎng)TMSC 和移動(dòng)本地網(wǎng)絡(luò)MSC ，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

在高速公路移動(dòng)通信GSMR 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，一個(gè)移動(dòng)交換中心匹配半徑內(nèi)的多個(gè)區(qū)域。對(duì)于車(chē)流量較大的公路網(wǎng)絡(luò)可多設(shè)置一些MSC 節(jié)點(diǎn)，而對(duì)于業(yè)務(wù)量較少的公路區(qū)域，為了降低成本可以不單獨(dú)設(shè)置MSC 節(jié)點(diǎn)，GSMR 網(wǎng)絡(luò)在通信距離上可以滿(mǎn)足要求。

圖6 高速公路移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

融合ETC 和無(wú)感支付的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，全程采用可視化的數(shù)據(jù)管理模式，將車(chē)輛、車(chē)道、站點(diǎn)等相關(guān)信息全部納入到系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)施全過(guò)程、動(dòng)態(tài)化的管理和控制，提高車(chē)輛收費(fèi)通行的效率，復(fù)合高速公路自動(dòng)化收費(fèi)系統(tǒng)主控工作程序設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 復(fù)合式自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)主控程序

融合了ETC 技術(shù)和無(wú)感支付技術(shù)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，具有自動(dòng)采集車(chē)輛信息和綜合分析與評(píng)估的能力，數(shù)據(jù)融合與圖像識(shí)別技術(shù)是系統(tǒng)最核心的技術(shù)，也是組建智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵。無(wú)感支付過(guò)程中，以準(zhǔn)確采集和識(shí)別通過(guò)車(chē)輛的車(chē)牌信息，作為完成支付的關(guān)鍵步驟。由于在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛較多，為提高車(chē)輛的通過(guò)效率，本文利用圖像壓縮、編碼技術(shù)及小波變換算法，縮短圖像的識(shí)別時(shí)間，利用小波函數(shù)對(duì)原始的圖像信號(hào)做高分辨率分析。設(shè)無(wú)感支付的原始圖像為g( x )：

式中：τmn為小波函數(shù)系數(shù)；φm,n為小波變換函數(shù)；m,n 為圖像的行、列數(shù)。小波變換函數(shù)φm,n可以表示為：

正交性是小波函數(shù)的關(guān)鍵特征之一，小波函數(shù)系數(shù)τmn能夠基于正交分解的方法處理：

車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)壓縮和正交分解后，識(shí)別效率可得到明顯提高，壓縮的過(guò)程具體分為兩步：

1）對(duì)分解后的量化系數(shù)分解和編碼，獲得更為清晰、像素壓縮比更高的視頻或圖像；

2）按照人眼視覺(jué)機(jī)制調(diào)整圖形的分辨率，多個(gè)小波系數(shù)之間彼此獨(dú)立，且圖像的關(guān)鍵信息都集中在圖像的低頻分量當(dāng)中，小波分解層數(shù)越高，圖像的清晰度越高，但也要兼顧圖像壓縮和分解處理時(shí)長(zhǎng)。

將小波變換后的圖像編碼流輸入MSC 通信信道中，與車(chē)主的手機(jī)終端建立支付關(guān)聯(lián)完成公路收費(fèi)支付。數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有低成本、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，從收費(fèi)系統(tǒng)前端采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)包含一些冗余、錯(cuò)誤和不完整的圖像信息，對(duì)于不完整的數(shù)據(jù)采用時(shí)刻梯度數(shù)據(jù)加權(quán)方式預(yù)估處理，并調(diào)用收費(fèi)站系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步比對(duì)和修復(fù)，過(guò)程如下：

式中：ω 為加權(quán)系數(shù)，取值范圍在[ 0,1 ]之間；?k( t )為第k 天、第t 時(shí)刻的數(shù)據(jù)，加權(quán)處理可以有效修復(fù)圖像由于時(shí)刻偏差所產(chǎn)生的不準(zhǔn)確情況。在圖像數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，為了更好地融合ETC技術(shù)和無(wú)感支付技術(shù)，本文還采用像素矩陣分解卡爾曼濾波算法，擴(kuò)大狀態(tài)空間向量算法模型的使用范圍，減少自動(dòng)通行收費(fèi)中發(fā)生錯(cuò)誤的概率。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試目標(biāo)與方法設(shè)計(jì)

1）測(cè)試目標(biāo)

系統(tǒng)測(cè)試工作是保證高速公路收費(fèi)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段之一，通過(guò)對(duì)各層次、各維度、各模塊工作運(yùn)行狀況的檢驗(yàn)，能夠識(shí)別出系統(tǒng)運(yùn)行中潛在的故障點(diǎn)，更好地滿(mǎn)足車(chē)輛高效、快速通行的基本需求。

2）測(cè)試方法設(shè)計(jì)

根據(jù)融合ETC 及無(wú)感支付技術(shù)的收費(fèi)系統(tǒng)特點(diǎn)，基于不同的測(cè)試粒度，采用單元測(cè)試與集成測(cè)試相結(jié)合的測(cè)試方法。單元測(cè)試檢測(cè)各硬件模塊的主要功能能否滿(mǎn)足實(shí)際場(chǎng)景的需要。本系統(tǒng)將與I/O 接口和串行接口相連接的模塊，作為單獨(dú)的單元獨(dú)立測(cè)試，避免由于單獨(dú)某一個(gè)模塊存在故障而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行；集成測(cè)試是一種更為高級(jí)、全面的系統(tǒng)測(cè)試，具體包括硬件測(cè)試和軟件測(cè)試，即將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)整體多角度地進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)主控程序及子程序是否能夠正常運(yùn)行。

4.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試主要檢測(cè)各硬件模塊的功能是否完備，及主控程序、模塊子程序的運(yùn)行情況，系統(tǒng)功能測(cè)試分為單元測(cè)試和集成測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 模塊單元功能測(cè)試結(jié)果

表2 軟件程序功能測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果顯示，軟件程序的穩(wěn)定性較高無(wú)異常情況出現(xiàn)，系統(tǒng)通信模塊功能趨于穩(wěn)定。其他模塊的功能測(cè)試處于低故障率水平，也能滿(mǎn)足實(shí)際使用的需求。融合ETC 模塊和無(wú)感支付技術(shù)后，高速收費(fèi)系統(tǒng)的功能性得到增強(qiáng)，復(fù)合雙檢測(cè)系統(tǒng)的加入減少了車(chē)輛通行時(shí)車(chē)道切換所帶來(lái)的不便，能夠提升高速公路的通行效率。

4.3 通行能力仿真

借助Matlab 仿真軟件，模擬車(chē)輛的收費(fèi)通行情況，并驗(yàn)證融合兩項(xiàng)技術(shù)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的性能，先設(shè)定一組仿真通行參數(shù)如表3 所示。

設(shè)車(chē)輛在單位時(shí)間（1 h）內(nèi)的基本通行能力為γ，表示為：

式中：ta為車(chē)輛進(jìn)入時(shí)間；tb為車(chē)輛駛離時(shí)間。

本文仿真了單位時(shí)間內(nèi)，不同車(chē)速條件下車(chē)輛通行能力，如表4 所示（通過(guò)車(chē)型按照真實(shí)比例隨機(jī)選擇，參與對(duì)比的對(duì)象為傳統(tǒng)ETC 收費(fèi)方式）。

表3 仿真參數(shù)設(shè)定

表4 單位時(shí)間內(nèi)不同車(chē)速下車(chē)輛收費(fèi)通行能力對(duì)比 輛

從表4 結(jié)果能夠看出，融合ETC 和無(wú)感支付的收費(fèi)系統(tǒng)通行能力更接近理想狀態(tài)下的通行能力，在單位時(shí)間內(nèi)的通行能力優(yōu)于傳統(tǒng)ETC 收費(fèi)系統(tǒng)。為了從更多角度進(jìn)行對(duì)比分析，將通行車(chē)輛的車(chē)速限定為8 km/h，從一天24 h 內(nèi)選擇5 個(gè)通行時(shí)段進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋?：00—9：00，12：00—13：00，15：00—16：00，17：00—18：00，20：00—21：00），仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 跨時(shí)段車(chē)輛通行能力對(duì)比

圖8 所示的結(jié)果變化呈現(xiàn)出了一個(gè)明顯趨勢(shì)，即在非高峰時(shí)段，融合ETC 和無(wú)感支付的收費(fèi)系統(tǒng)和ETC 收費(fèi)系統(tǒng)的通行能力均與理想狀態(tài)接近，這主要是由于車(chē)輛較少，甚至人工收費(fèi)系統(tǒng)都可以滿(mǎn)足需求；但在高峰時(shí)段本文系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯，采用無(wú)感支付技術(shù)與ETC 方式相融合，解決了高峰時(shí)段高速公路繳費(fèi)通行擁堵問(wèn)題，提高了高速公路收費(fèi)管理的通行效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)高速公路總里程和汽車(chē)保有量都在持續(xù)增長(zhǎng)，而高速公路收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下，逐漸成為制約高速公路通行效率的主要因素之一?，F(xiàn)階段高速公路ETC 系統(tǒng)的適用性和普及程度仍有待提高，為此本文在原有ETC 系統(tǒng)模式基礎(chǔ)上融入了無(wú)感支付技術(shù)，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和移動(dòng)APP 支付的便捷性，拓展了自動(dòng)化收費(fèi)的應(yīng)用場(chǎng)景，也顯著提高了高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的整體工作效率和適用性。