面向自動(dòng)駕駛的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)發(fā)展探索

王 倩

(1.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

近年來，車路協(xié)同、自由流收費(fèi)、自動(dòng)駕駛等新技術(shù)成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)，從長遠(yuǎn)來看，自動(dòng)駕駛將成為高速公路智慧化發(fā)展重要應(yīng)用方向。目前，我國高速公路實(shí)行全國“一張網(wǎng)”聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，在自動(dòng)駕駛條件下，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的技術(shù)如何發(fā)展是一個(gè)重要研究課題。

1 自動(dòng)駕駛技術(shù)概況

1.1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是集環(huán)境感知、決策控制、動(dòng)作執(zhí)行等功能于一體的綜合系統(tǒng)，是充分考慮車輛與交通環(huán)境協(xié)調(diào)規(guī)劃的系統(tǒng)，是未來智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。通常，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為感知層、決策層、執(zhí)行層3部分(見圖1)[1]。

圖1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)構(gòu)成圖

1) 感知層：采用先進(jìn)的傳感器包括激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、速度和加速度傳感器等，對環(huán)境信息和車內(nèi)信息進(jìn)行采集與處理[2]。

2) 決策層：采用先進(jìn)的決策理論包括模糊推理、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，依據(jù)感知信息來進(jìn)行決策判斷，確定適當(dāng)工作模型，制定相應(yīng)控制策略，替代人類駕駛員做出駕駛決策。

3) 執(zhí)行層：將車輛各個(gè)操控系統(tǒng)的總線與決策系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)在做出決策后，按照決策結(jié)果對車輛進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)車輛的自主駕駛。

1.2 自動(dòng)駕駛等級(jí)分類

按照國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE)制定的J3016自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)駕駛技術(shù)分為L0～L5共6個(gè)等級(jí)。L0代表沒有自動(dòng)駕駛加入的傳統(tǒng)人類駕駛；L1～L5則隨自動(dòng)駕駛的技術(shù)配置和成熟程度區(qū)分,分別為輔助駕駛、部分自動(dòng)駕駛、條件自動(dòng)駕駛、高度自動(dòng)駕駛、完全自動(dòng)駕駛。具體分級(jí)情況如表1所示：

表1 SAE自動(dòng)駕駛分級(jí)表[3]分級(jí)名稱定義駕駛操作主體感知主體接管主體應(yīng)用場景L0人工駕駛由人類駕駛者全權(quán)駕駛汽車人類駕駛員人類駕駛員人類駕駛員無L1輔助駕駛車輛對方向盤和加減速中的一項(xiàng)操作提供駕駛,人類駕駛員負(fù)責(zé)其余的駕駛動(dòng)作人類駕駛員人類駕駛員人類駕駛員L2部分自動(dòng)駕駛車輛對方向盤和加減速中的多項(xiàng)操作提供駕駛,人類駕駛員負(fù)責(zé)其余的駕駛動(dòng)作人類駕駛員人類駕駛員限定場景L3條件自動(dòng)駕駛由車輛完成絕大部分駕駛操作,人類駕駛員需保持注意力集中以備不時(shí)之需人類駕駛員L4高度自動(dòng)駕駛由車輛完成所有駕駛操作,人類駕駛員無需保持注意力,但限定道路和環(huán)境條件車輛 車輛 車輛L5完全自動(dòng)駕駛由車輛完成所有駕駛操作,人類駕駛員無需保持注意力所有場景

1.3 國內(nèi)高速公路自動(dòng)駕駛技術(shù)狀況

高速公路自動(dòng)駕駛是指在系統(tǒng)作用域?yàn)楦咚俟翻h(huán)境下實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)駕駛，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為操作主體，駕駛員提供監(jiān)視和支援功能。根據(jù)各國的交通法規(guī)限制，短期內(nèi)需要駕駛員提供即時(shí)接管能力的人機(jī)共駕是主要形態(tài)，遠(yuǎn)期隨技術(shù)不斷發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)車輛在高速公路上完全自動(dòng)駕駛。

目前，我國高速公路在協(xié)同自動(dòng)駕駛方面已取得局部突破，開展了國內(nèi)智能網(wǎng)聯(lián)高速測試基地建設(shè)、高速公路全息感知設(shè)備研發(fā)、京雄高速自動(dòng)駕駛專用車道建設(shè)、杭紹甬高速貨車編隊(duì)建設(shè)等創(chuàng)新與示范應(yīng)用。由百度Apollo支持建設(shè)的國內(nèi)首條支持高級(jí)別自動(dòng)駕駛車路協(xié)同的高速公路G5517長常北線高速長益段正式通車。依托路側(cè)先進(jìn)的面向自動(dòng)駕駛?cè)扛兄芰蛷?qiáng)大的云平臺(tái)處理能力，并且利用C-V2X和5G通信能力，長益復(fù)線高速能夠支持L4級(jí)別自動(dòng)駕駛[4]。

2 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)發(fā)展

2.1 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)發(fā)展歷程

隨著我國高速公路建設(shè)發(fā)展，高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)先后經(jīng)歷了5個(gè)重要的發(fā)展階段，分別是省域MTC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、省域ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、區(qū)域ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、全國ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、全國MTC和ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)(取消高速公路省界收費(fèi)站)。在這一發(fā)展過程中，公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)引領(lǐng)并推動(dòng)了高速公路運(yùn)營服務(wù)的高質(zhì)量發(fā)展[5-6]。

2.2 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)現(xiàn)狀

我國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)依托電子不停車快捷收費(fèi)(ETC)，輔以車牌圖像識(shí)別、多種支付手段融合應(yīng)用，在高速公路每個(gè)互通立交、入/出口之間設(shè)立ETC門架系統(tǒng)，采用開放式收費(fèi)制式(保留入/出口收費(fèi)站)，實(shí)現(xiàn) ETC車輛和MTC車輛分段計(jì)費(fèi)。

ETC車輛通過車載OBU與路側(cè)天線進(jìn)行無線通信和信息交換，MTC車輛通過“5.8 GHz復(fù)合通行卡+車牌圖像識(shí)別”方式，實(shí)現(xiàn)分段計(jì)費(fèi)、出口收費(fèi)。貨車按照車(軸)型收費(fèi)，安裝OBU實(shí)現(xiàn)不停車快捷收費(fèi)[7]。

3 面向自動(dòng)駕駛的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)方案

根據(jù)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，針對自動(dòng)駕駛的不同等級(jí)提出2種解決方案。

3.1 L3級(jí)以下自動(dòng)駕駛車輛解決方案

L0～L2級(jí)自動(dòng)駕駛更多地是依賴于人的感知行為來控制車輛，在目前條件下實(shí)現(xiàn)收費(fèi)仍脫離不開現(xiàn)有的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)。

3.1.1總體思路

在現(xiàn)有收費(fèi)環(huán)境下，若要實(shí)現(xiàn)L0～L2級(jí)自動(dòng)駕駛，必須有相應(yīng)的定位裝置，借助于路側(cè)設(shè)施來標(biāo)識(shí)車輛的行駛位置。取消高速公路省界收費(fèi)站后，ETC是主要通行方式，因此可借助車載單元(OBU)，通過ETC門架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)。MTC車輛采用5.8 GHz復(fù)合通行卡(CPC卡)作為通行介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)“分段計(jì)費(fèi)、出口收費(fèi)”。

由于CPC卡是采用電池供電的移動(dòng)通行介質(zhì)，對功耗、使用壽命的要求高，當(dāng)CPC卡的電量耗盡后，將因缺電致使CPC卡內(nèi)的敏感數(shù)據(jù)、重要信息未能得到及時(shí)刪除，對收費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)成安全隱患，因此后期可考慮高速公路采用入口管控的自由流收費(fèi)模式，采用合法ETC車輛自由流通行和非ETC車輛的預(yù)約通行方式。

3.1.2技術(shù)方案

結(jié)合聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)現(xiàn)狀，在L0～L2級(jí)自動(dòng)駕駛條件下，使用“ETC自由流+預(yù)約通行”收費(fèi)解決方案，即用戶出行前通過建設(shè)預(yù)約通行平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)約，綁定用戶賬戶和車輛信息，標(biāo)明入出口站和路徑信息，進(jìn)行預(yù)付費(fèi)并生成通行ID，在入口ETC車道通過車牌識(shí)別完成入口認(rèn)證。在行駛途中，通過門架的圖像抓拍設(shè)備獲取車輛的車牌信息并上傳省部中心，后臺(tái)系統(tǒng)通過車牌信息核對車輛的行駛路徑；如果實(shí)際路徑與預(yù)約路徑不相符，則通過事后稽查實(shí)現(xiàn)通行費(fèi)追繳。同時(shí)，升級(jí)現(xiàn)有部、省聯(lián)網(wǎng)中心系統(tǒng)。

1) 升級(jí)部中心系統(tǒng): 需對跨省清分結(jié)算、運(yùn)行參數(shù)管理、稽查和信用管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)匯聚管理、綜合業(yè)務(wù)管理等系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，增強(qiáng)計(jì)算和存儲(chǔ)能力，在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上，完成預(yù)約車輛的數(shù)據(jù)管理和清分結(jié)算業(yè)務(wù)。

2) 新建預(yù)約通行平臺(tái): 實(shí)現(xiàn)MTC車主預(yù)約通行服務(wù)的相關(guān)業(yè)務(wù)需求；建立預(yù)約通行支付系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與部省中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；建立預(yù)約通行支付賬戶系統(tǒng)，完成與銀行/第三方支付對賬和結(jié)算的功能。

3) 升級(jí)省聯(lián)網(wǎng)中心系統(tǒng): 對省聯(lián)網(wǎng)中心的省(區(qū)、市)內(nèi)清分結(jié)算、系統(tǒng)參數(shù)管理、數(shù)據(jù)傳輸管理、跨省對賬及結(jié)算、特情處理、稽查管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測服務(wù)等系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，增強(qiáng)計(jì)算和存儲(chǔ)能力，在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，完成預(yù)約車輛的數(shù)據(jù)管理和清分結(jié)算業(yè)務(wù)；完成省內(nèi)預(yù)約通行支付系統(tǒng)和預(yù)約通行支付賬戶系統(tǒng)建設(shè)。

4) 升級(jí)路段中心、收費(fèi)站系統(tǒng): 對路段中心和收費(fèi)站的數(shù)據(jù)通信管理、參數(shù)管理、報(bào)表管理、稽查管理等系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上，完成預(yù)約車輛的數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)。

5) 升級(jí)ETC門架系統(tǒng): 通過調(diào)整ETC門架系統(tǒng)軟硬件設(shè)備，在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上，提高抓拍設(shè)備對車輛在各種工況下車牌識(shí)別的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)可形成相應(yīng)的過車車牌信息并及時(shí)上傳至省部中心系統(tǒng)；部中心可利用門架的車牌信息形成車輛實(shí)際行駛路徑，用于與預(yù)約行駛路徑的比對。

根據(jù)ETC車輛收費(fèi)方式的選擇，決定是否采用在出口匝道附近設(shè)置ETC門架系統(tǒng)。

6) 升級(jí)車道系統(tǒng): 升級(jí)入口ETC車道的軟硬件，實(shí)現(xiàn)合法的ETC車輛和預(yù)約的MTC車輛不停車快捷通行；對現(xiàn)有入口車道資源進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對各類車輛合法性查驗(yàn)。應(yīng)拆除出口站的收費(fèi)島和機(jī)電設(shè)備，確保所有車輛無障礙通行；該場地可用作對各種車輛的流動(dòng)執(zhí)法區(qū)域。

3.2 L3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛車輛的解決方案

3.2.1總體思路

對于L3～L5級(jí)自動(dòng)駕駛的車輛，基本實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛，且具備高精度定位功能，通過北斗或其他定位裝置能夠很好地確定其行駛路徑，并可以實(shí)現(xiàn)車道級(jí)的定位，對于這些車輛可以不依賴于路側(cè)設(shè)施，通過與后臺(tái)賬號(hào)綁定即可實(shí)現(xiàn)車輛在自由流狀態(tài)下的精確里程收費(fèi)。

建設(shè)基于衛(wèi)星定位和無線接入技術(shù)的新一代收費(fèi)系統(tǒng)，通過前端車載收費(fèi)設(shè)備自動(dòng)記錄車輛行駛的位置和里程，綜合考慮道路收費(fèi)車輛參數(shù)和道路收費(fèi)因素，自動(dòng)計(jì)算車輛的通行費(fèi)，并從用戶綁定的支付賬戶中扣除里程使用費(fèi)，引入移動(dòng)支付技術(shù)，豐富收費(fèi)體系的支付手段。

3.2.2技術(shù)方案

對于高度自動(dòng)駕駛車輛，通過高精度的定位模塊對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，獲取車輛當(dāng)前行駛位置、速度和方向等信息，并在安全模塊的保護(hù)下，通過無線通信模塊發(fā)送至收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行里程費(fèi)計(jì)算。收費(fèi)系統(tǒng)主要由后臺(tái)管理系統(tǒng)、稽查系統(tǒng)構(gòu)成(見圖2)。

圖2 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1) 后臺(tái)管理系統(tǒng)：包括用戶信息管理系統(tǒng)、里程費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)、稽查信用管理系統(tǒng)、支付結(jié)算系統(tǒng)等。系統(tǒng)可將車輛上報(bào)的位置信息與高精度路網(wǎng)收費(fèi)地圖進(jìn)行匹配，對于匹配成功的車輛，根據(jù)車輛上報(bào)的行駛位置、里程，結(jié)合費(fèi)率和車輛信息等計(jì)算車輛里程使用費(fèi)。

2) 稽查系統(tǒng):用于稽核車載收費(fèi)設(shè)備工作狀態(tài)，并記錄異常信息，通過無線通信技術(shù)傳遞稽核設(shè)備與車載終端的比對信息，存在問題的信息將傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)確認(rèn)。

4 結(jié)語

近幾十年來，我國電子收費(fèi)技術(shù)發(fā)展得較為成熟，采用自動(dòng)車牌識(shí)別(ANPR)和射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的人工駕駛條件下精準(zhǔn)收費(fèi)。為順應(yīng)我國自動(dòng)駕駛在高速公路應(yīng)用的發(fā)展趨勢，分析研究不同等級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)條件下的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)十分必要。面向不同等級(jí)自動(dòng)駕駛，本文分別提出“ETC自由流+預(yù)約通行”、基于衛(wèi)星定位和無線接入技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)解決方案，為下一代聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)發(fā)展提供技術(shù)思路，為未來公路收費(fèi)技術(shù)的發(fā)展方向拋磚引玉。