基于無感支付的高速公路ETC 設(shè)計方法

梁穗軍

（廣東利通科技投資有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

根據(jù)對既有電子收費系統(tǒng)和傳統(tǒng)ETC 系統(tǒng)支付方式的應(yīng)用情況來看，ETC 已經(jīng)在全國范圍內(nèi)得到了迅速的推廣和使用，其與人工收費相比，無感支付的ETC系統(tǒng)具有高效、便利以及安全等的眾多優(yōu)勢。但是，由于ETC 不停車電子收費系統(tǒng)安裝過程煩瑣，需要綁定車輛信息和銀行卡，很容易出現(xiàn)卡內(nèi)余額不足、信息不符等問題。近些年來，隨著我國互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，微信、花唄等移動APP 支付方式逐漸呈現(xiàn)多元化模式，與既有ETC 形成補充，可應(yīng)用多個場景，切實提升高速公路管理水平。

1 案例概況

廣深高速公路北起于廣州市黃村立交，與廣州環(huán)城高速公路北段相接，南止于深圳市皇崗口岸附近，與深圳皇崗路相接，雙向六線行車，全線設(shè)有路燈照明，全長122.8km，寬33.1m，雙向6 車道、全封閉、全立交，限速為120km/h；2004 年12 月7 日納入聯(lián)網(wǎng)收費。

2 無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)

無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)組成

通過圖1 可以看出，無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)由入口檢測系統(tǒng)、出口檢測系統(tǒng)、智能感知平臺、車載OBU、車道處理、支付、識別系統(tǒng)以及風險監(jiān)測系統(tǒng)組成。其中，入口監(jiān)測系統(tǒng)和出口檢測系統(tǒng)又分別由車檢器、自動欄桿機、繳費顯示器、車道控制系統(tǒng)、聲光報警器以及通信等的系統(tǒng)組成。無感支付高速公路ETC可以自動切快速檢測過往高速公路收費站車輛的基本信息，保證過往車輛在80km/h 的行駛速度下實現(xiàn)不停車過收費口的目的[1]。

3 無感支付的ETC 設(shè)計方法

3.1 整體設(shè)計思路

無感支付的ETC 收費系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ETC 收費系統(tǒng)截然不同，該系統(tǒng)指的是借助無感信息匹配平臺、用戶查詢平臺、信息采集服務(wù)器等軟件算法，確保過往車輛暢通無阻?；跓o感支付的高速公路ETC 收費站的出口和入口都需要安裝可以快速識別車輛噸位、號牌的高清攝像頭、紅外線檢測器以及ETC 系統(tǒng)的射頻裝置。在ETC 車道安裝無感支付設(shè)備，快速幫助用戶形成無感支付訂單，車輛快速通過。此外，基于無感支付的ETC 收費系統(tǒng)還需要設(shè)置自動欄桿，如果無法準確判斷車主與賬戶余額信息，自動欄桿可及時攔截過往車輛，并快速且準確地切換至人工收費系統(tǒng)完成支付[2]。

3.2 框架設(shè)計

（1）應(yīng)用層。應(yīng)用層指的是用來體現(xiàn)車輛基本信息、行程信息以及賬戶信息的支撐系統(tǒng)，主要負責管理用戶基本信息，應(yīng)用層需要與無感支付高速公路ETC收費系統(tǒng)連接，才能保證正常運行。

（2）中間層。中間層指的是ETC 高速公路收費口采集車輛信息的系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了信息采集裝置、車輛識別芯片以及服務(wù)端，車輛進入和出入高速公路收費站都需要與ETC 收費系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。也就是說，當車輛進入ETC 收費通道之后，車輛與車牌識別系統(tǒng)和高清攝像頭等的模塊就會自動接收到微波傳感器傳來的感知信號，并開始運行。如果司機正是該車的車主，可按照車主賬戶信息自動完成繳費，并通過收費通道；如果司機不是該車的車主，也可以根據(jù)司機信息扣除相應(yīng)費用[3]。

（3）感知層。感知層中設(shè)置的高清攝像機主要用來拍攝過往高速路口收費車道的高清圖像，5.8GHz 天線設(shè)備主要用來接收和發(fā)送車輛信息，并捕捉車輛的車載單元信息，快速完成識別一次扣費，自動欄桿機抬起，車輛快速通過。

3.3 收費系統(tǒng)接口與通信設(shè)計

無感支付的高速公路ETC 收費系統(tǒng)在硬件上集合了ETC 額無感支付的眾多優(yōu)勢，可應(yīng)用到更多的場景。該系統(tǒng)的接口與通信環(huán)節(jié)的設(shè)計，需要再既有收費系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重新設(shè)置多個端口，并將主控制中心與高清攝像機、天線控制器、費用顯示器等的多個模塊進行連接，如圖2 所示。

圖2 無感支付的ETC 高速收費系統(tǒng)接口連接

無感支付的ETC 高速收費系統(tǒng)主要用來調(diào)控過往高速路口車輛的正常通行。串行接口需要根據(jù)實際情況與異步接口、字符疊加器以及稱重顯示器進行連接，異步通信接口對于數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和傳輸方式有著極其嚴格的要求，需要與通信能力良好的RS485 進行連接，無感支付的ETC 收費系統(tǒng)分別融合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等等，好比基于無感支付的ETC 高速收費系統(tǒng)的“大腦”。

（1）在本設(shè)計方案中，需要根據(jù)四線圈中高靈敏度的特點檢測車輛的通過情況，并同時與RS485 總線、ETC 系統(tǒng)以及無感高清攝像頭實現(xiàn)兼容，將車輛檢測器與地感檢測器連接，當檢測到車輛過往高速路口時，其內(nèi)部電頻率發(fā)生變化，識別測量噸位、型號以及車主信息等。

（2）測量分離器采用紅外線技術(shù)掃描過往車輛，具有響應(yīng)速度快、安全和穩(wěn)定等的特點。

（3）無感高清攝像頭采用某攝像頭生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的DS2CD4032FWD 型的高清夜視攝像頭，該攝像頭不僅響應(yīng)速度快、不會出現(xiàn)延遲且能夠快速且準確地檢測到車輛到達收費站光前的車牌信息，還可以用作處理和降噪原始圖像，并在已經(jīng)生成的圖像和視屏中介入疊加字符串，傳送至高清攝像頭信息存儲中心。

（4）通信模塊是基于無感支付高速公路ETC 系統(tǒng)的重要組成部分，按照通信協(xié)議將所有數(shù)據(jù)信息歸納為數(shù)據(jù)幀，統(tǒng)一反饋至ETC 收費系統(tǒng)控制中心。

（5）待RUS 在接收到天線控制器中傳來的車輛信息后，通過放大功率將車輛信息快速傳送至高速路收費站附近的互聯(lián)網(wǎng)基站，ETC 收費系統(tǒng)就可以與用戶的支付寶、微信或者花唄等的APP 連接，快速完成自動扣費。

通常情況下，移動、電信和聯(lián)通三大運營商都會在高速公路設(shè)有專門的通信網(wǎng)絡(luò)，該通信網(wǎng)絡(luò)采用GSMR二級結(jié)構(gòu)，分別涉及移動匯接網(wǎng)TMSC 與本地移動網(wǎng)絡(luò)MSG。其中，在GSMR 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計環(huán)節(jié)，一個移動交換中心可匹配附近多個區(qū)域，對于車流較大的高速公路路口，比如本設(shè)計方案中的廣深高速公路可根據(jù)實際情況設(shè)置與之相對應(yīng)數(shù)量的MSC 節(jié)點，對于車流較少的高速公路收費站，為降低建設(shè)成本，無須另外設(shè)置MSC 節(jié)點，只需GSMR 在通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下滿足車輛快速通過高速路口即可。

3.4 系統(tǒng)主程序設(shè)計

無感支付ETC 收費系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用的是可視化的管理模式，該系統(tǒng)可以將傳統(tǒng)ETC 收費系統(tǒng)無法跟蹤的車輛信息、車道布置情量等的問題進行統(tǒng)一分析后，對經(jīng)過高速公路收費站的車輛進行動態(tài)管理，提升車輛收費和通信效率[4]。

基于無感支付的高速公路ETC 收費系統(tǒng)，還具備自動采集、綜合分析、評估車輛、數(shù)據(jù)融合以及圖像識別等的能力。其中，數(shù)據(jù)融合與車輛識別技術(shù)是該系統(tǒng)的核心，也是構(gòu)成該系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。無感支付過程中，以準確采集和識別過往車輛信息，作為完成無感支付的主要步驟。隨著春節(jié)、五一和國慶等節(jié)假日車輛免費通過高速路口政策的出臺，因短時間內(nèi)過往收費通道的車輛增加，為提高車輛的通信效率，文章分別利用圖像壓縮、編碼技術(shù)以及小波變換算法，縮短車輛識別時間，并利用小波函數(shù)對原始數(shù)據(jù)信息進行高分辨率分析，設(shè)無感支付原始圖像為g（x），如式（1）所示。

式中：τmn——小波函數(shù)系數(shù)；φm，n——小波變換函數(shù)；m，n——圖像的行，列。

其中，小波變換函數(shù)還可以通過式（2）表示。

小波函數(shù)系數(shù)可借助針腳分解方法進行處理，如式（3）所示。

車輛數(shù)據(jù)信息經(jīng)過壓縮和正交分解后，識別效率大大提升，壓縮和正交分解要通過以下兩個步驟完成。

（1）對經(jīng)過分解后的車輛數(shù)據(jù)信息進行再分解和編碼，以此獲得更加親戚視頻或者圖像。

（2）將經(jīng)過變換后的小波信息輸入MSC 中，與車主手機建立聯(lián)系，完成高速公路收費支付。

系統(tǒng)主程序設(shè)計過程中，需要及時調(diào)整ETC 收費系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，與新的數(shù)據(jù)信息進行比對和完善如式（4）所示。

式中：ω——加權(quán)系數(shù)，取值范圍在0～1；ζk（t）——第k天和第t 時刻采集到的車輛數(shù)據(jù)信息。

通過時刻梯度數(shù)據(jù)加權(quán)處理方式可及時修復(fù)圖片或視頻由于時間排查而引起的信息不準確問題，以此減少和降低車輛通過收費車道時出現(xiàn)錯誤的概率。

4 無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)測試

4.1 測試目的

無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)測試的目的是保證高速公路收費系統(tǒng)正常與穩(wěn)定運行的重要手段，通過對不同維度、模塊以及層次運行狀態(tài)的測試，可準確識別出無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)中存在的故障，滿足車輛高效、快速地通過ETC 收費車道。

4.2 測試方法

根據(jù)無感支付的高速公路ETC 系統(tǒng)自身的特點優(yōu)勢，可實現(xiàn)對整個ETC 系統(tǒng)進行多角度測試，重點監(jiān)測系統(tǒng)是否能夠正常運行。

4.3 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試主要用來檢測ETC 系統(tǒng)各個硬件模塊、主控程序和子程序是否正常。通過對ETC 系統(tǒng)功能的測試得出：①軟件程序運行正常，無故障情況。②系統(tǒng)通信模塊正常，各項指標趨于穩(wěn)定。③其他模塊運行正常，無異常情況，可滿足實際使用需求。

4.4 車輛通信能力仿真

本文借助Matlab 仿真軟件，模擬車輛通過車道收費口通行情況，并用來驗證無感支付高速公路ETC 收費系統(tǒng)的使用性能，設(shè)置車輛在1h 內(nèi)的通行能力為通過式（5）表示。

式中：ta——車輛進入ETC 車道的時間；tb——車輛駛離ETC 車道的時間。

本文主要仿真了單位時間內(nèi)（1h），車輛在不同行駛速度下通行的能力。通過仿真可以得出：基于無感支付的收費系統(tǒng)額ETC 收費系統(tǒng)全部與理想狀態(tài)接近，究其原因主要是由于該高速路口收費車道車輛較少。但是，在高峰時段，無感支付的高速公路ETC 收費系統(tǒng)的優(yōu)勢和作用更加明顯，無感支付的高速公路ETC 收費系統(tǒng)有效解決了高速公路車輛通行擁堵、卡內(nèi)余額不足、信息不對等問題，提高了車輛的通信效率。

5 無感支付系統(tǒng)安全性探討

無感支付系統(tǒng)安全主要包括數(shù)據(jù)交易安全和網(wǎng)絡(luò)安全，安全手段是多層次和全方位的，在無感支付系統(tǒng)的服務(wù)器端、客戶端和數(shù)據(jù)傳輸各個環(huán)節(jié)通過采取不同的安全措施，可有效保證系統(tǒng)的安全性，進而為用戶提供安全的網(wǎng)上支付服務(wù)。①服務(wù)器端安全。主要包括銀行系統(tǒng)、第三方支付系統(tǒng)安全，通過以上安全措施可控制非法用戶侵入、避免惡意攻擊，實現(xiàn)對服務(wù)器端的安全保護。②客戶端安全。主要由銀行和第三方支付服務(wù)提供商為用戶提供，包括圖形驗證、短信驗證以及信息驗證等。③數(shù)據(jù)傳輸安全。銀行端與商戶端通過專線或VPN 方式連接，利用HTTPS 協(xié)議進行交易或信息加密處理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

6 結(jié)語

綜上所述，當前隨著我國人民物質(zhì)生活水平的提升，高速公路總里程和汽車保有量與日俱增，而高速公路傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)由于運行效率低下，逐漸成了高速公路車輛快速通過的一個重要因素，ETC 收費系統(tǒng)的適用性和普及性待提升。為此，本文在既有ETC 的基礎(chǔ)上融入無感支付技術(shù)，通過利用移動互聯(lián)技術(shù)的優(yōu)APP 手機APP 支付的便捷性，拓寬了自動化繳費應(yīng)用場景，顯著提升了高速公路ETC 收費系統(tǒng)整體的工作效率和水平。