基于北斗技術(shù)的高速公路自由流省級云收費(fèi)應(yīng)用研究

李 旭，蒙敏剛

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著2020年全國高速公路取消省界收費(fèi)站工程順利完成，全國高速公路實(shí)現(xiàn)“一張網(wǎng)”收費(fèi)。由于采用各省門架獨(dú)立計(jì)費(fèi)，出口統(tǒng)一收費(fèi)的模式，單次收費(fèi)金額增大，計(jì)費(fèi)異常導(dǎo)致漏收少收的風(fēng)險也在增大。例如，車輛在某些互通立交或收費(fèi)站掉頭導(dǎo)致收費(fèi)金額異常、硬件故障或改擴(kuò)建施工導(dǎo)致門架停用產(chǎn)生二義性路徑等。與此同時，高速公路收費(fèi)技術(shù)也在不斷發(fā)展，由“ETC+MTC半自動收費(fèi)(人工處理MTC車輛)”向“ETC+自助收費(fèi)終端(人工僅處理特情)”演進(jìn)，最終逐漸過渡到自由流收費(fèi)的模式，自動化程度不斷提高[1]。其中，“北斗技術(shù)+4G/5G+ETC”是未來自由流收費(fèi)的主要技術(shù)方向。

已有相關(guān)研究[2-5]是基于高速公路取消省界收費(fèi)站前的收費(fèi)模式開展的，各省獨(dú)立計(jì)費(fèi)收費(fèi)，不適用于取消省界收費(fèi)站后全國“一張網(wǎng)”的收費(fèi)環(huán)境。此外，還存在如下不足：(1)需要將高清地圖下載到OBU中實(shí)現(xiàn)精確定位，而地圖數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)更新困難；(2)沒有考慮與現(xiàn)有收費(fèi)模式的切換過渡問題；(3)沒有考慮車輛在車道中的通行順序控制、跟車控制等特情。本文結(jié)合取消高速公路省界收費(fèi)站之后的收費(fèi)環(huán)境，提出兼容現(xiàn)有收費(fèi)模式、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)過渡的北斗自由流省級收費(fèi)方案。

1 北斗自由流云收費(fèi)

1.1 北斗自由流云收費(fèi)原理

與傳統(tǒng)收費(fèi)控制不同，云收費(fèi)的業(yè)務(wù)處理部署在站級邊緣云的收費(fèi)車道系統(tǒng)集群，通過網(wǎng)絡(luò)與出入口車道設(shè)施遠(yuǎn)程交互實(shí)現(xiàn)車輛通行控制。北斗自由流云收費(fèi)通行原理如下：

如圖1所示，當(dāng)安裝北斗自由流車載終端的車輛駛?cè)肴肟谲嚨?，車道設(shè)備識別車輛并將車輛數(shù)據(jù)上傳至站級邊緣云；為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兼容過渡，站級邊緣云的收費(fèi)車道系統(tǒng)集群控制入口RSU天線將ETC入口信息寫入車載終端的ETC模塊中并控制入口欄桿機(jī)起桿放行；車載設(shè)備ETC模塊記錄ETC入口信息后，打開北斗定位功能，開始記錄行駛定位數(shù)據(jù)。

車輛在高速公路行駛過程中，車載終端通過北斗定位模塊獲取定位信息，通過4G/5G通信模塊定時上傳定位數(shù)據(jù)至省級云平臺；省級云平臺根據(jù)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑還原，映射到收費(fèi)單元，完成通行費(fèi)計(jì)算，實(shí)時同步計(jì)費(fèi)結(jié)果到車輛通行方向最近收費(fèi)站的站級邊緣云。

車輛行駛至出口車道，車道設(shè)備識別車輛并將車輛數(shù)據(jù)上傳至站級邊緣云；收費(fèi)車道系統(tǒng)集群檢索從省級云平臺同步北斗計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)，若該車輛的北斗計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)正常，則生成出口流水并控制車道起桿放行車輛，省級云平臺接收到出口流水后，從綁定的賬戶自動扣費(fèi)并推送扣費(fèi)信息給用戶；若查不到北斗計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常，則控制出口RSU天線進(jìn)行ETC出口交易，生成出口流水并控制車道起桿放行。出口交易完成后，車載終端關(guān)閉北斗定位功能。

1.2 兼容現(xiàn)有收費(fèi)模式

2020年取消全國高速公路省界收費(fèi)站之后，收費(fèi)模式變成“全國一張網(wǎng)”，即ETC門架計(jì)費(fèi)、出口收費(fèi)站收取全程通行費(fèi)、交通運(yùn)輸部路網(wǎng)中心統(tǒng)一拆分給各省。因此，各省只能確定本省的通行費(fèi)，對于多省通行的車輛必須通過全國“一張網(wǎng)”統(tǒng)一計(jì)費(fèi)、統(tǒng)一拆分。在全國“一張網(wǎng)”的模式下，北斗自由流最終需要交通運(yùn)輸部路網(wǎng)中心統(tǒng)一技術(shù)方案實(shí)施，才能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通行。

因此，北斗自由流云收費(fèi)的探索只能在省級路網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)施，安裝北斗自由流車載終端的車輛在省內(nèi)通行時，可基于北斗定位信息在云端進(jìn)行路徑擬合完成收費(fèi)。同時，北斗自由流的車載終端還需要兼容現(xiàn)有的ETC交易業(yè)務(wù)，保障車輛在多省通行時能正常收費(fèi)。

1.3 系統(tǒng)建設(shè)方案(圖2)

圖2 北斗自由流省級云收費(fèi)總體架構(gòu)圖

1.3.1 車載終端

(1)北斗模塊：與北斗系統(tǒng)通信，實(shí)時獲取定位信息。

(2)4G/5G模塊：通過VPN將車輛實(shí)時定位數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、ETC數(shù)據(jù)回傳至省中心平臺。

(3)ETC模塊：實(shí)現(xiàn)ETC功能，兼容現(xiàn)有收費(fèi)模式。

1.3.2 高速公路收費(fèi)站改造

(1)土建車道不再部署車道收費(fèi)工控機(jī)及系統(tǒng)。ETC天線、車牌識別儀、車道攝像機(jī)、分流屏等設(shè)備通過TCP/IP以太網(wǎng)連接到部署在站級邊緣云的收費(fèi)車道系統(tǒng)集群；使用IO及RS232連接的設(shè)備先匯聚到外設(shè)接入層設(shè)備，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接到站級邊緣云。

(2)通過云收費(fèi)系統(tǒng)控制車道設(shè)備。部署在站級邊緣云的收費(fèi)車道系統(tǒng)集群實(shí)現(xiàn)收費(fèi)業(yè)務(wù)處理并實(shí)時遠(yuǎn)程控制車道設(shè)備，降低運(yùn)維成本。

(3)手持收費(fèi)終端通過4G VPN連接到省級云平臺，遠(yuǎn)程控制車道設(shè)備，處理收費(fèi)現(xiàn)場特情。

1.3.3 站級邊緣云收費(fèi)系統(tǒng)

(1)收費(fèi)車道系統(tǒng)集群：實(shí)現(xiàn)收費(fèi)業(yè)務(wù)處理并實(shí)時遠(yuǎn)程控制車道設(shè)備，減少車道系統(tǒng)與站級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，提高系統(tǒng)的運(yùn)維效率。

(2)省中心-收費(fèi)站數(shù)據(jù)傳輸：實(shí)時同步車輛北斗自由流計(jì)費(fèi)結(jié)果到收費(fèi)站，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)參數(shù)同步、收費(fèi)數(shù)據(jù)上傳、運(yùn)行監(jiān)控、手持收費(fèi)終端遠(yuǎn)程控制等功能。

(3)部中心-收費(fèi)站數(shù)據(jù)傳輸：滿足部中心數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)業(yè)務(wù)和收費(fèi)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測。

(4)密鑰授權(quán)：實(shí)現(xiàn)密鑰授權(quán)與監(jiān)控。

1.3.4 省級云平臺

(1)行駛路徑擬合模塊：接收車載終端實(shí)時回傳的北斗定位數(shù)據(jù)，根據(jù)路網(wǎng)收費(fèi)單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還原收費(fèi)路徑，并將擬合后的路徑提供給通行費(fèi)計(jì)算模塊輸出車輛通行費(fèi)金額。

(2)通行費(fèi)計(jì)算模塊：根據(jù)路徑擬合結(jié)果，計(jì)算車輛通行費(fèi)金額；實(shí)時同步通行費(fèi)計(jì)算結(jié)果到車輛行駛最近收費(fèi)站，作為車輛通行識別與費(fèi)用展示的數(shù)據(jù)支撐。

(3)清分結(jié)算模塊：根據(jù)車輛通行信息、綁定賬戶信息自動結(jié)算通行費(fèi)用，支持ETC賬戶與移動支付賬戶，完成通行費(fèi)清分。

(4)收費(fèi)稽查模塊：車輛通行費(fèi)用稽查。

2 面臨的挑戰(zhàn)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

(1)通行費(fèi)計(jì)算能力要求高。取消省界收費(fèi)站之后，大部分通行費(fèi)計(jì)算功能由途經(jīng)ETC門架及出口收費(fèi)站完成，少部分無法正常計(jì)費(fèi)的，通過在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)完成計(jì)費(fèi)。采用北斗自由流收費(fèi)方式，由省級云平臺處理車輛的北斗定位數(shù)據(jù)還原路徑并計(jì)算通行費(fèi)，對省級的通行費(fèi)計(jì)算能力要求較高，需提高并發(fā)計(jì)算處理能力。

(2)收費(fèi)模式兼容性。目前主流收費(fèi)模式是“ETC+MTC”封閉式收費(fèi)，收費(fèi)模式的變化是一個漸進(jìn)的過程，因此在推行北斗自由流時需要考慮新舊多種收費(fèi)模式共存的情況，車道前端收費(fèi)系統(tǒng)以及后臺相關(guān)系統(tǒng)都要考慮收費(fèi)模式的兼容性，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。尤其是車道前端收費(fèi)系統(tǒng)，需要考慮不同收費(fèi)模式車輛混合通行的情況，減少跟車或偷逃通行費(fèi)情況的發(fā)生。

2.2 設(shè)備成本

使用北斗自由流收費(fèi)的車輛需安裝具備北斗定位、移動通信模塊的專用車載終端，而目前大量使用的車載終端是ETC，所以這些ETC用戶需更換升級車載終端才能使用北斗自由流收費(fèi)服務(wù)。由此，設(shè)備更換成本也是一個值得考慮的問題。

2.3 個人隱私

北斗自由流車載終端與車輛綁定，并且?guī)в腥蚨ㄎ还δ?，定位?shù)據(jù)及行駛路線可以實(shí)時獲取，個人隱私存在風(fēng)險。若個人隱私問題得不到解決，那么北斗自由流收費(fèi)模式的推廣也會受到極大的限制，因此要從多個層面探索解決：在法律層面，加強(qiáng)交通數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的立法與執(zhí)法；在技術(shù)層面，對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，車載終端在駛離高速公路后主動關(guān)閉北斗定位功能；在運(yùn)營層面，首先在貨運(yùn)、客運(yùn)、危化品運(yùn)輸、特種車輛等具有公共屬性的車輛上推廣安裝，以積累運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語

本研究基于北斗技術(shù)的高速公路自由流省級云收費(fèi)應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)將北斗實(shí)時定位、云收費(fèi)架構(gòu)與高速公路收費(fèi)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通行車輛路徑的精確還原與實(shí)時準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)，同時提高高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)維效率。

(2)兼容取消省界收費(fèi)站收費(fèi)模式，不影響現(xiàn)有通行車輛的收費(fèi)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)模式可以平穩(wěn)切換。后續(xù)將逐步開展試點(diǎn)探索，為產(chǎn)業(yè)化落地提供依據(jù)。

未來隨著高速公路朝無人化、自由流不斷演進(jìn)，還有許多方面值得關(guān)注。在技術(shù)方面，北斗自由流與車路協(xié)同、自動駕駛相結(jié)合，有廣大的發(fā)展空間；在政策法規(guī)層面應(yīng)制定與技術(shù)發(fā)展相符合的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，保障高速公路各參與者的合法權(quán)利與利益；在用戶體驗(yàn)方面，不斷加強(qiáng)與車路協(xié)同、智慧高速的業(yè)務(wù)融合，提高司乘人員的通行體驗(yàn)；在經(jīng)濟(jì)效益方面，促進(jìn)高速公路自由流收費(fèi)技術(shù)的推廣應(yīng)用，對于自由流收費(fèi)的車載設(shè)備、路側(cè)設(shè)備、稽查設(shè)備等都有希望形成新的制造產(chǎn)業(yè)。