面向不同擁堵收費模式的收費技術(shù)綜述分析

徐克寧,楊學晨,王雪雪

(上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司,上海 200063)

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,日益嚴重的交通擁堵逐漸成為制約經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一.據(jù)交通部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國每年因為交通擁堵所造成的經(jīng)濟損失超過2 500億元,約占城市人口可支配收入總額的20%[1].而我國目前大型城市土地資源緊缺,通過新建道路來提高交通供給很難實現(xiàn),因此采用交通需求管理政策是值得嘗試的.

交通擁堵收費是交通需求管理政策中較為有效的一項,從20世紀70年代開始,這一政策就逐漸在一些國家被用來緩解交通擁堵,并且隨著科技的發(fā)展,如今的擁堵收費已經(jīng)可實現(xiàn)不停車不降速的自由流收費,國際上已有多個城市進行了此方面的嘗試并取得了較好的效果.

本文總結(jié)其成功經(jīng)驗,根據(jù)各城市的收費特點分為5種收費模式,分析各模式對收費技術(shù)的性能要求.選擇了3種收費技術(shù),通過其技術(shù)原理和相關(guān)經(jīng)驗,總結(jié)各技術(shù)應用在自由流擁堵收費領(lǐng)域的優(yōu)勢與不足,并對未來收費技術(shù)的發(fā)展和選擇進行探討.

1 收費模式分類

國內(nèi)外各城市的實踐與研究經(jīng)驗中,雖然各自的命名有所不同,但根據(jù)其收費特點大致可歸類為(High-Occupancy Toll,HOT)車道收費、通道收費、邊界線收費、區(qū)域收費和距離收費.

1.1 HOT車道收費

HOT車道收費模式是道路中某1條或多條特殊的車道對單乘員或乘員較少的車輛進行收費,乘員越多費率越低,乘員數(shù)達到要求甚至可免費通行[2].HOT車道通常與其他普通車道進行物理隔離,利用經(jīng)濟手段鼓勵合乘出行,降低出行車輛數(shù),同時為擁堵車道中的普通車輛提供了1條或多條收費使用的暢通車道.該模式需要感知設備覆蓋所有收費車道的出入口,并能精確地識別車輛信息及其所在的車道.

1.2 通道收費

通道收費模式是對某1段關(guān)鍵的道路進行收費,從而降低該道路的車流量,這種模式通常應用在橋梁、隧道、高速公路等收費場景,除了能緩解通道連接的兩地的擁堵,還能對目標道路起保護作用,降低損耗,同時還能回籠資金[3].該模式要求感知設備可精準地識別出車輛信息及其所在的道路,布設點位覆蓋全部可進出收費道路的斷面,如上下匝道與主線的連接處、交叉口等,是1種比較常見且簡單的收費模式.

1.3 邊界線收費

邊界線收費模式需要劃定1個或多個封閉的收費區(qū)域,對駛?cè)牖蝰偝鰠^(qū)域邊界的車輛按通過次數(shù)進行收費,從而減少車輛進出區(qū)域的次數(shù),對出境、入境和過境3種交通流量較大的區(qū)域效果較明顯[4].該模式要求對每輛進出區(qū)域邊界的車輛都能檢測到,因此需要在區(qū)域邊界的每個進出口都布設感知設備.

1.4 區(qū)域收費

區(qū)域收費模式與邊界線收費模式較為相似,都需要劃定封閉的收費區(qū)域,但不同的是,區(qū)域收費模式是對出現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)的全部車輛進行收費,無論是駛出區(qū)域、駛?cè)雲(yún)^(qū)域、還是只在區(qū)域內(nèi)部行駛[5],在設定時段內(nèi)僅收費1次.這種收費模式要求在區(qū)域內(nèi)廣泛布設感知設備,并補充流動設備,盡可能檢測到區(qū)域內(nèi)的全部車輛,該模式對境內(nèi)交通流量較大的區(qū)域效果較明顯.

1.5 距離收費

距離收費模式是根據(jù)車輛在收費道路上或收費區(qū)域內(nèi)的行駛里程進行收費,原則上該模式可根據(jù)不同道路的擁堵情況動態(tài)調(diào)整收費費率,同時還可避免車輛在收費區(qū)域繞行而不繳費,是1種更為公正合理的收費模式[6].

但在實際應用中,該模式還存在著一些技術(shù)難題,它需要記錄每輛車的行駛軌跡,并將車輛信息與軌跡信息綁定回傳到后臺系統(tǒng),而在稽查取證時,攝像頭所拍攝的車輛圖像并不能完整地反映出車輛的行駛軌跡,會對執(zhí)法造成一定的困難.此外,在建筑物密集的市區(qū)內(nèi),由于建筑物的遮擋與反射,會導致定位系統(tǒng)的偏差,影響車輛定位的精度.所以目前該模式僅在個別國家用于高速公路的收費,尚未實踐于擁堵收費政策.

表1對上述5種收費模式的應用場景、車輛定位精度要求、感知設備布設點位選取原則以及典型案例進行了整理.

表1 不同收費模式所需的技術(shù)條件及案例

2 收費技術(shù)分析

如今科技發(fā)達,感知技術(shù)多重多樣,但市場上可用于自由流擁堵收費的技術(shù)手段并不是特別多.總體上,自由流擁堵收費一般要求技術(shù)能精準地識別高速行駛的車輛,對識別的精度和速度有著很高的要求.此外,完成擁堵收費的流程還需要根據(jù)車輛信息和所在道路信息計算應收費的金額,通知車主,然后車主主動支付或后臺自動扣費.整個收費過程需要保存完整的憑證,以便處理識別錯誤、逾期未支付以及車主對收費有疑問的情況.目前國際上常見的符合自由流擁堵收費要求的技術(shù)主要有視頻車牌識別、無線射頻識別、衛(wèi)星定位3種.

2.1 視頻車牌識別技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理概述

視頻車牌識別(Automatic Number Plate Recognition,ANPR)技術(shù)在自由流擁堵收費領(lǐng)域應用的十分廣泛,幾乎世界上所有的擁堵收費都采用了該技術(shù),只不過有些將其應用于車輛識別,有些將其應用于稽查取證.該技術(shù)用于車輛識別時,主要適用于邊界線收費模式和區(qū)域收費模式.

ANPR技術(shù)以圖像處理和計算機視覺等原理為基礎,通過分析攝像機拍攝的車輛圖像,獲取車牌號碼,完成車輛識別.其中主要包含圖像抓拍、車牌定位、字符分割和字符識別等模塊.

圖1 視頻車牌識別技術(shù)流程圖

實現(xiàn)流程為:當車輛觸發(fā)視頻虛擬線圈(設備調(diào)試階段在攝像畫面內(nèi)設置)時,攝像機抓拍車輛圖像,然后車牌定位模塊、字符分割模塊開始工作,將車牌號碼的每個字符分隔開方便字符識別模塊處理,最后輸出車牌號碼[7].

但這種識別方式并不能達到100%識別率,往往需要人工操作進行完善補充.在實際應用中,對于ANPR技術(shù)對無法識別的車輛,其圖像或視頻信息將會被傳輸?shù)饺斯ぷR別系統(tǒng),進行人工核查確認車輛牌照信息.

采用ANPR作為車輛識別技術(shù)時,擁堵收費系統(tǒng)的收費方式通常為通過車主預留的銀行卡信息自動扣費,或車主定期到指定的繳費點如郵局、加油站等地進行繳費,對于逾期未繳費的,會將收費賬單和催繳通知寄送到車主的通信地址,嚴重的還會處以罰款.

2.1.2 相關(guān)經(jīng)驗

倫敦是最早提出擁堵收費政策的城市,在其最擁堵的中心城區(qū)內(nèi),除了進出中心城區(qū)的車輛以外,區(qū)域內(nèi)本身的車輛就已經(jīng)為道路交通造成了較大的負擔,經(jīng)過多年的研究與論證,倫敦選擇了區(qū)域收費模式并選用了ANPR技術(shù),對除了部分免除通行費的車種以外的全部車輛進行收費.

倫敦政府在區(qū)域邊界和內(nèi)部的每個攝像點都裝有2種攝像頭:1種黑白攝像頭,記錄所有經(jīng)過車輛的前車牌圖像,用于自動車牌號碼識別以及后臺扣費;另1種彩色攝像頭,用于拍攝背景圖片,補充車牌圖像,當車牌號碼難以自動識別時,這些圖片可用來人工識別車牌號碼,如果有車主對繳費產(chǎn)生異議,這些圖片還可作為通行證據(jù);此外還設有移動檢測裝置在區(qū)域內(nèi)流動攝像作為補充.這樣的設備布設可大大減少走小路躲避攝像頭的行為,還能降低外界環(huán)境及天氣因素對識別率的影響.

倫敦擁堵收費政策在2002—2008年期間取得了相當顯著的效果,區(qū)域內(nèi)可收費車輛數(shù)降低了約30%,公交出行的人數(shù)增加了約25%,自行車出行的人數(shù)增加了約49%[8].

2.1.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足

ANPR技術(shù)作為自由流收費系統(tǒng)的主要技術(shù),優(yōu)勢是無需安裝車載設備,且稽查取證方便,設備成本較低.但它的缺點也相對明顯,由于ANPR技術(shù)只能用于識別車輛信息,無法進行實時通信,所以只能事前或事后收費,無法實時收費.而且,該技術(shù)是基于計算機視覺等原理,對圖像清晰度要求較高,環(huán)境適應能力不強.

根據(jù)廠家調(diào)研顯示,在天氣良好光線充足的條件下,900萬像素的攝像頭可完成160 km/h車速下的車輛識別,且識別完整率和準確率都≥98%,但在夜間光線不足的情況下僅可達到約90%,在大霧、暴雨、臺風等惡劣天氣完整率與準確率都會受到更加嚴重的影響.故該技術(shù)單獨應用于擁堵收費時,應采用多組設備相互補充的點位布設方法,提高識別的完整率和準確率.

2.2 無線射頻識別技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理概述

無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)在自由流收費領(lǐng)域主要應用于邊界線收費模式和車道、通道收費模式.

該技術(shù)根據(jù)有無電源可分為有源RFID和無源RFID;根據(jù)無線頻率又可分為低頻、高頻、超高頻、微波4種[9].RFID技術(shù)目前在智能交通領(lǐng)域有2個分支:1998年我國交通部ITS中心將5.8 GHz的有源微波RFID技術(shù)作為高速公路收費的主要技術(shù),即專用短程通信(Dedicated Short Range Communications,DSRC)技術(shù)[10];2018年國家公安部牽頭推廣基于920～925 MHz的無源超高頻RFID技術(shù)的汽車電子標識(Electronic Registration Identification of the Motor Vehicle,ERI)技術(shù)用于城市交通管理[11],2種技術(shù)的實現(xiàn)原理都與RFID技術(shù)一致,區(qū)別僅在于有無電源和無線頻率.

RFID包含3個部分:車載標簽、解讀器、天線.車載標簽本身既可作為獨立的數(shù)據(jù)載體—單片式電子標簽,儲存如車牌號、車型等信息,也可通過附加1個IC卡讀寫接口,擴展數(shù)據(jù)處理、訪問控制等功能,作為雙片式電子標簽.

解讀器通過天線發(fā)送射頻信號形成射頻場,當車載標簽進入射頻場后產(chǎn)生感應電流,激活內(nèi)置天線,發(fā)送包含自身信息的無線信號,信號被天線接收傳送到解讀器進行解讀[12],整個過程通過無線信號進行信息傳輸.

采用該技術(shù)時,需要在路側(cè)建有桿體或龍門架用來安裝解讀器和天線,與車載標簽進行通信,讀取車輛ID和時間等信息,并通過后臺程序計算需繳金額,直接從車載標簽綁定的銀行卡或其他智能支付卡進行實時扣費.

2.2.2 相關(guān)經(jīng)驗

新加坡是最早建設自由流擁堵收費系統(tǒng)的城市,其收費目的很明確——緩解城市交通擁堵.新加坡在中心CBD區(qū)采用了邊界線收費模式,在幾條高速公路上采用了通道收費模式,都選用了DSRC技術(shù)對車輛進行按次數(shù)收費,降低非必要出行的車輛數(shù).

新加坡在每個收費點位架設了如圖2所示的龍門架,當車輛經(jīng)過時,龍門架上的路側(cè)設備(Road Said Unit-RSU)與如圖3所示車載設備(On Board Unit-OBU)通過DSRC技術(shù)進行信息通信完成車輛識別,系統(tǒng)快速計算費用并由RSU向OBU發(fā)送扣費指令,成功后車載裝置會發(fā)出1個短暫的嗶嗶聲,并且會在屏幕上顯示現(xiàn)金卡內(nèi)扣費后的余額,而交易記錄被RSU發(fā)送到控制中心并儲存.

圖2 龍門架和路側(cè)設備

圖3 智能儲值卡和車載設備

如果由于未插入智能儲值卡或卡內(nèi)余額不足而導致扣費失敗,或沒有安裝OBU,龍門架上的執(zhí)法攝像機會拍攝車輛的照片,發(fā)送至后臺控制中心,人工通過照片上的信息在車輛管理信息庫中匹配車主信息,向車主發(fā)出催繳通知單并加收管理費,逾期不繳者更會處以罰款[13].

2.2.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足

RFID技術(shù)的優(yōu)缺點幾乎與ANPR技術(shù)相反,它由無線通信完成身份識別與數(shù)據(jù)傳輸,具有雙向性、實時性、高速性等特點,可進行實時扣費.而且RFID技術(shù)的車輛識別完整率和準確率極高,根據(jù)廠家調(diào)研顯示,該技術(shù)在速度≤120 km/h的情況下,車輛身份識別準確率高達100%,完整率高達99.95%,且?guī)缀醪皇芴鞖饧肮饩€的影響,可滿足24 h全天候自由流收費.

該技術(shù)的缺點是需要安裝車載設備,并且無法用于稽查取證,所以通常在采用該技術(shù)用于車輛身份識別時,同時采用ANPR技術(shù)作為稽查取證的補充.

2.3 衛(wèi)星定位技術(shù)

2.3.1 技術(shù)原理概述

衛(wèi)星定位技術(shù)雖然暫未實踐于擁堵收費政策,但其技術(shù)特性比較適用于距離收費模式,部分國家已將其用于高速公路上基于行駛距離對卡車進行收費.

該技術(shù)通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)與車載衛(wèi)星信號接收單元之間的通信對車輛進行實時定位,獲取實時點位坐標信息,后臺系統(tǒng)根據(jù)坐標信息繪制車輛行駛路徑,計算行駛里程,從而實現(xiàn)基于行駛里程的費用計算.

但由于衛(wèi)星定位技術(shù)本身不具備與后臺系統(tǒng)通信的功能,所以目前的應用中大多采用蜂窩通信網(wǎng)絡進行信息傳輸,并通過事前繳費或事后繳費的方式進行支付,也可通過安裝OBU,采用RFID技術(shù)進行分段實時付費.

2.3.2 相關(guān)經(jīng)驗

德國在2005年采用衛(wèi)星定位/蜂窩通信系統(tǒng)建立了基于距離的高速公路卡車收費系統(tǒng),由安裝在卡車上的車載單元實現(xiàn)衛(wèi)星信號的接收,車載設備會存儲車輛的相關(guān)信息,包括車身質(zhì)量、排放等級和車軸的數(shù)量等.

通過蜂窩通信系統(tǒng)將車輛信息與衛(wèi)星定位信息發(fā)送給服務中心,由中心計算車輛行駛里程并通過銀行進行費用結(jié)算[14].對于未安裝車載設備的車輛也可選擇繳費機和網(wǎng)上預繳費2種方式,提前將車輛信息,如車軸數(shù)、質(zhì)量、起終點、通行時間等信息輸入系統(tǒng),進行預繳費,繳費成功后,車主將得到1張含有車輛信息、預行駛路線、預繳費用等內(nèi)容的收據(jù),以備過路檢查.

2.3.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足

衛(wèi)星定位技術(shù)的優(yōu)點是能提供全天候?qū)崟r高精度的空間坐標,可繪制車輛軌跡路線,支持按里程收費的合理收費方案.特別是對于“環(huán)環(huán)相鄰、環(huán)中有環(huán)”的路網(wǎng)布局,使用衛(wèi)星定位技術(shù)進行基于距離的收費能更好地解決多義性路徑問題.

但衛(wèi)星定位技術(shù)目前只能用于車輛定位,無法進行車輛身份識別以及與后臺系統(tǒng)的通信,不能獨立完成收費流程,需要與其他通信技術(shù)組合使用.而且市區(qū)內(nèi)高樓、立交橋等建筑遮擋衛(wèi)星信號,定位精度會受到影響,目前國際上已有的經(jīng)驗都是在高速路段的場景.

3 總結(jié)與展望

3.1 不同技術(shù)對比

根據(jù)對技術(shù)的分析與概述,各技術(shù)都有著各自的優(yōu)缺點和特性,例如ANPR技術(shù)所需的設備成本較低,但其環(huán)境適應能力和檢測精度都不如RFID技術(shù);RFID技術(shù)可支持實時收費,但無法用來稽查取證;衛(wèi)星定位技術(shù)能支持行駛軌跡與距離的計算,但無法單獨完成車輛信息的識別.表2對前文所述的技術(shù)特性進行了整理.

表2 技術(shù)特性對比

3.2 面向不同收費模式的技術(shù)備選集

結(jié)合各收費模式的原則以及各收費技術(shù)的特性,本文對面向不同收費模式的技術(shù)備選集做出了如下總結(jié):

1) 當選擇車道、通道、邊界線收費模式時,有2種技術(shù)備選集:

①RFID技術(shù)與ANPR技術(shù)結(jié)合

②ANPR技術(shù)(多組設備互補使用)

2個備選集均可滿足收費要求,備選集①完整率準確率更高,環(huán)境適應能力更高,同時成本也更高;備選集②成本較低,但各性能也相對較差.

2) 當選擇區(qū)域收費模式時,有1種技術(shù)備選集:

①ANPR技術(shù)(多組設備互補使用)

若要滿足區(qū)域收費模式的要求,需在區(qū)域內(nèi)大部分交叉口設置檢測點,盡可能檢測到區(qū)域內(nèi)的全部車輛,ANPR技術(shù)可依托于城市電子警察系統(tǒng),建設成本較低且便于維護,而RFID技術(shù)雖然也可滿足技術(shù)要求,但是現(xiàn)實條件下大范圍建設收費龍門架很難實現(xiàn),因此在區(qū)域收費模式下不考慮該技術(shù).

3) 當選擇距離收費模式時,有2種技術(shù)備選集:

①衛(wèi)星定位技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合

②衛(wèi)星定位技術(shù)與ANPR技術(shù)以及其他通信技術(shù)結(jié)合

距離收費模式的關(guān)鍵在與測量車輛行駛里程,備選集①與②的區(qū)別僅在于如何實現(xiàn)車輛信息與定位信息的關(guān)聯(lián),以及收費的執(zhí)行方式.

就我國城市交通發(fā)展現(xiàn)狀和道路建設情況來看,城市內(nèi)部小路、胡同等無法安裝感知設備的地點較多,更適合選擇邊界線收費或通道收費2種模式.根據(jù)前瞻網(wǎng)的數(shù)據(jù),截止到2020年底,我國電子收費系統(tǒng)(ETC)已有2.25億用戶,汽車覆蓋率約85%,選用RFID技術(shù)與ANPR技術(shù)相結(jié)合這一技術(shù)集的后續(xù)設備成本已被大大降低,更適合我國大型城市實施擁堵收費政策.

3.3 技術(shù)展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代和數(shù)字化時代的到來,車輛感知技術(shù)越來越多種多樣,可感知的信息越來越豐富,但各技術(shù)仍由獨立的設備個體實現(xiàn),城市大型交叉口處常見到1根桿體上安裝十幾二十幾臺檢測設備,既影響城市容貌又消耗較高的電力資源.未來的交通感知技術(shù)應該將多種功能集于一身,如射頻與視頻一體化設備[15]便是沿著這一方向發(fā)展的產(chǎn)物之一,只不過目前還處于硬件結(jié)合的層面,將射頻識別與視頻識別集成到了同一個設備中.

未來的交通感知技術(shù)會將更多技術(shù)有機結(jié)合起來,形成新的獨立的技術(shù),在滿足豐富的信息感知的同時還能減少設備的安裝,既節(jié)能又美觀.此外,衛(wèi)星定位技術(shù)也將克服建筑物遮擋以及通信等問題,提高市區(qū)內(nèi)車輛的定位精度,實現(xiàn)基于距離的擁堵收費模式.