基于機動車電子標識的高速公路自由流收費系統(tǒng)研究

高 潮 楊劍凌 李 陽

江蘇長天智遠交通科技有限公司 江蘇南京 210036

國家發(fā)改委、交通運輸部于2019年6月聯(lián)合印發(fā)的《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》中提出，年底高速公路不停車快捷收費率達到90%。2020年1月1日0時我國高速公路完成取消高速公路省界收費站工程全網并網切換，全網系統(tǒng)采用分段式計費方式，通過對入口車道系統(tǒng)、ETC門架系統(tǒng)、出口車道系統(tǒng)、全網清分結算系統(tǒng)及其他相關系統(tǒng)進行升級完善，實現(xiàn)“一次通行、一次扣費、一次告知和點亮出口費顯”。經過5個月左右的系統(tǒng)磨合，2020年5月全網恢復通行費收取，高速公路收費系統(tǒng)正逐步邁向穩(wěn)定、實用的新階段。

1 現(xiàn)有高速公路收費系統(tǒng)現(xiàn)狀

據(jù)實時門架和收費站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，目前ETC設備的使用率不足70%，仍有超過30%的車輛采用CPC卡的方式通行，離《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》中要求的90%以上的ETC使用率有一定的距離；ETC應用中圖像車牌識別的成功率約為98%，但在CPC應用、極端惡劣天氣及黑夜場景下圖像識別成功率較低；RSU天線捕獲OBU信號時，不能區(qū)分車道及車輛行駛速度，與圖像識別不能很好地關聯(lián)以形成完整的證據(jù)鏈和追繳依據(jù)；大量使用CPC卡的情形下對CPC卡的壽命要求較高，且卡片的調撥和儲運帶來較高的運營管理成本。

ETC使用過程中的一些不足之處，除通過改善使用環(huán)境，強化管理措施等手段外，還可以通過電子識別新技術進行驗證、補充。機動車電子標識具有的唯一性、防篡改、防復用的特性，在高速行駛中可以進行分車道機動車及其車速識別；利用機動車電子標識能夠有效地進行高速道路收費管理，為高速道路的人車感知提供新的手段，為智慧高速的建設提供新的措施和方法。

自由流對高速公路收費系統(tǒng)提出了更高的要求，其關鍵技術可以概括為以下兩點：一方面，快速流程交易，在滿足交易安全可靠的情況下對交易流程簡化，盡量減少路側單元與車載單元之間的數(shù)據(jù)交互，優(yōu)化各模塊的處理速度和模塊間數(shù)據(jù)傳輸時間，使單個車載完成交易的時間控制在20～30ms。另一方面，多天線同步協(xié)調，由于多天線覆蓋多條車道，為避免相鄰天線間信號互相干擾，將多個天線進行同步，由一個控制中心來協(xié)調各天線的開關時隙，消除鄰道干擾。

2013年起，公安部交通管理科學研究所牽頭，聯(lián)合國內有關領軍科研機構、產品測試機構及企業(yè)，共同起草制定汽車電子標識系列國家標準，目前已有《機動車電子標識通用規(guī)范第1部分：汽車》(GB/T 35789.1-2017)等6項國家推薦性標準于2017年12月29日由國家標準化管理委員會正式發(fā)布，并于2018年7月1日實施。上述國家標準分別針對機動車電子標識和電子標識讀寫設備，從產品設計、生產、試驗到安裝、使用的全流程，明確了詳細技術要求、安全技術要求和使用規(guī)范。機動車電子標識系列國家標準的起草和發(fā)布，引領我國超高頻RFID技術涉車應用，使得各地電子標識試點應用具有可遵循的技術依據(jù)和產品標準。

縱觀基于超高頻RFID技術的電子車牌，具有可存儲數(shù)據(jù)(車輛標識、車輛特征、車主信息等)，遠距離讀取識別標簽、可靠性高(讀取成功率高達99.99%以上)，可同時識別大量標簽(最大每秒200個以上)，精準識別高速運動中的標簽(移動識別速度可達100km/h以上)等優(yōu)點，加之公安部牽頭制定的國家標準在安全性、唯一性、防篡改等方面的優(yōu)勢，將逐步替代傳統(tǒng)車牌的識別方式，若能順利通過立法，將成為涉車領域中一項重要的技術性變革。

2 系統(tǒng)總體設計

很多人把2019年稱作邊緣計算的元年，終端設備產生的大量數(shù)據(jù)若都上傳到云端進行處理，會對云端造成巨大的壓力負擔。邊緣計算節(jié)點通過負責自己范圍內的數(shù)據(jù)計算、存儲工作以分擔中心云節(jié)點的壓力。同時，大多數(shù)的數(shù)據(jù)并不是一次性數(shù)據(jù)，那些經過處理的數(shù)據(jù)仍需要從邊緣節(jié)點匯聚集中到中心云，云計算通過大數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)共享，同時對算法模型不斷訓練優(yōu)化，將優(yōu)化后的算法推送到前端進行設備更新和升級，完成自主學習閉環(huán)。同時，這些數(shù)據(jù)應進行備份，當邊緣計算過程中出現(xiàn)意外情況，存儲在云端的數(shù)據(jù)也不會丟失。

2.1 系統(tǒng)架構

邊緣計算與云計算技術相互結合應用到高速公路收費場景，邊緣服務器端負責車輛的識別、路徑擬合、費率計算以及數(shù)據(jù)的存儲，而把收費計算的結果上傳到云端服務器，云端服務器負責相應的清分和結算。其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 系統(tǒng)流程

基于車牌識別的邊云協(xié)同收費系統(tǒng)是現(xiàn)有高速公路收費系統(tǒng)的一個補充，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如下：

(1)車輛進入入口車道，車道門架邊緣終端記錄車牌識別所識別的車輛信息，生成高速入口記錄并向臨近的門架發(fā)送一條收費信息，為車輛可能途經點做數(shù)據(jù)準備。同時，門架邊緣終端向云端服務器發(fā)送一條途經點信息；

(2)車輛經過任意一個路徑點門架，門架邊緣終端記錄車牌識別所識別的車輛信息，與前一個門架傳送過來的收費信息進行對比，生成車輛到目前路徑點的完整收費信息，并繼續(xù)向臨近的門架發(fā)送一條收費信息，為車輛可能途經點做數(shù)據(jù)準備；

(3)車輛駛出出口車道時，車道門架邊緣終端獲取車牌識別所識別的車輛信息，查找出前一個門架傳送過來的收費信息，形成一條該車輛的完整高速公路收費信息，對該車輛進行計費并通過適當?shù)姆绞饺缳M顯或手機短信等方式通知車主，同時傳送到云端服務器進行清分和結算；

(4)結算完成后，云端服務器向所有可能的途經點的邊緣終端發(fā)送一條交易完成信息，各邊緣終端根據(jù)車輛實際經過情況對未實際經過的門架記錄進行邏輯清理。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2.3 系統(tǒng)特點

相比較傳統(tǒng)的ETC/MTC(不停車收費系統(tǒng))，基于車牌識別的邊云協(xié)同收費系統(tǒng)具有以下特點。

(1)傳統(tǒng)的ETC/MTC收費系統(tǒng)采用ETC/MTC卡片存儲通行數(shù)據(jù)的方式，收費交易必須在有效的識別范圍內完成，當通行數(shù)據(jù)過大時，對交易數(shù)據(jù)的完整性產生較大的影響進而造成較多的特情。而基于車牌識別的邊云協(xié)同收費系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲在邊緣終端上，減少了空口數(shù)據(jù)傳輸量，縮短了交易距離，從而保證了交易數(shù)據(jù)的完整性；

(2)當車輛途經任何門架(出口、入口、途經點)時，傳統(tǒng)的ETC/MTC收費系統(tǒng)對車輛的識別都采用開集識別的方式，在此種情況下識別率得不到有效保證。而基于車牌識別的邊云協(xié)同收費系統(tǒng)除入口門架是開集識別外，后面的所有門架都將使用前序門架的數(shù)據(jù)作為參考，相當于在有限的閉集中識別，識別率將大大提高；

(3)由于邊云協(xié)同收費系統(tǒng)中各門架會主動向下一個可能的途經點發(fā)送收費信息。對于出口門架而言，當車輛經過前序門架時，完整的收費信息已經生成并已傳送到出口門架，當車輛經過出口門架時，只需查找到相應的收費記錄就能完成收費交易，大大降低了出口門架邊緣終端的處理時間。

3 系統(tǒng)測試與結果分析

為驗證系統(tǒng)的可行性，根據(jù)系統(tǒng)設計架構開發(fā)了基于車牌識別的邊云協(xié)同高速公路收費原型系統(tǒng)，并在智能網聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)進行了系統(tǒng)功能測試。智能網聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)如圖3所示。

圖3 智能網聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)

系統(tǒng)原型由路段中心系統(tǒng)、車道系統(tǒng)和門架系統(tǒng)組成，測試路徑規(guī)劃示意圖如圖4所示。

圖4 測試路徑規(guī)劃示意圖

通過對原型系統(tǒng)的交易時間、計費準確性、路徑擬合、數(shù)據(jù)的合規(guī)性進行測試，觀察系統(tǒng)的功能和性能表現(xiàn)，具體的測試結果如下。

3.1 交易時間

通過測試經過不同數(shù)量門架系統(tǒng)和天線設備數(shù)據(jù)交互完整過程的消耗時間，車道系統(tǒng)軟件與天線完成數(shù)據(jù)交互后直接打印輸出時間值，測試用例包括入口、出口及路徑中間門架信息。每組5個電子車牌，共測試3組，測試結果如表1所示。

表1 交易時間測試結果

3.2 計費準確性

驗證不同車型的車輛在測試場測試路徑下交易處理和計費是否正確，測試結果如表2所示。

表2 計費準確性測試結果 單位：元

3.3 路徑擬合

針對電子車牌識別過程中存在漏標的情況，收費系統(tǒng)能夠通過擬合路徑正確計費，測試結果如表3所示。

表3 路徑擬合測試結果

注：√：電子車牌被天線正確識別；×：電子車牌未被天線識別。

3.4 數(shù)據(jù)合規(guī)性

通過檢查之前各項測試所產生的所有交易流水記錄，核對本地數(shù)據(jù)庫的交易數(shù)據(jù)格式是否正確，字段內容是否合規(guī)。交易數(shù)據(jù)上傳至站級服務器數(shù)據(jù)庫中后，測試數(shù)據(jù)是否能通過數(shù)據(jù)合規(guī)性校驗，測試結果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)合規(guī)性測試結果

3.5 測試結論

在系統(tǒng)測試期間，從原型系統(tǒng)的功能來看，系統(tǒng)運行基本正常。在測試數(shù)據(jù)范圍內，車道和門架系統(tǒng)的入口、出口流程、路徑擬合、優(yōu)惠和特情處理等系統(tǒng)功能基本可以滿足使用要求。在數(shù)據(jù)方面，收費數(shù)據(jù)、收費金額統(tǒng)計、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)審計等功能基本正常，可以滿足使用要求，從報表中反映出的數(shù)據(jù)與實際測試的數(shù)據(jù)吻合。

圖5 部分測試數(shù)據(jù)

結語

本文根據(jù)現(xiàn)有高速公路收費系統(tǒng)遇到的問題，利用車牌識別的唯一性、防篡改、防復用的特性，設計并實現(xiàn)了基于邊云協(xié)同的高速公路自由流收費系統(tǒng)，并模擬高速公路收費場景對系統(tǒng)功能和性能進行測試。實驗表明，系統(tǒng)在交易處理時間、車輛識別準確率等方面較傳統(tǒng)的ETC/MTC有明顯改善，并且電子車牌在識別準確率、識別距離、目標運行速度等方面達到高速公路自由流收費的要求，完全滿足高速公路自由流收費場景的應用，為今后的高速公路運營管理提供了一種新的方法。隨著車牌識別立法進程的加速，此類應用將有望投入實際使用并提高高速公路運營管理的水平。