基于車牌識別的城市年票自動管理系統

何炳林，張 斌

（廣東省電子技術研究所，廣東 廣州510630）

實施年票制是撤并路橋收費站，提高公路通行效率的較為行之有效的辦法[1]，為了緩解順暢交通和“貸款修路、收費還貸”之間的矛盾，越來越多的城市開始實施“年票制”。但由于年票征管部門缺乏有效的監管措施，全國每年漏收、欠收的年票費高達數十億元，加之人工攔截沖關車時往往導致征管人員受傷，以新的技術手段改造年票監管系統已成為當務之急，也引起各個城市年票征費部門的極大興趣。本文提出一種基于車牌識別的城市年票自動管理系統，可有效防止車輛逃費的現象。

1 系統技術方案

本系統由年票收費中心、若干個年票收費站及若干個年票售票點組成，各個部分通過專用/租用的網絡交換數據[2]，其中每個收費站包括若干個收費車道。本系統用車牌識別技術和數據庫技術防止通行費的流失：對于應交納年票但未交納或年票已過期的本地車，車輛通過監控點時系統自動識別并記錄到后臺數據庫，后臺數據庫定期生成年票催繳通知單，年票監管部門可根據通知單提醒車主按時交納年費；對于應購買次票的外地車，位于市內的無人值守監控點識別出車牌后自動計算車輛的滯留時間，若滯留時間超過允許的逗留時間，系統將該車加入灰名單；若同一車輛連續三次進入灰名單，車輛被自動加入黑名單，此后當該車輛通過年票收費站時，自動欄桿不抬桿，報警燈自動報警以提醒征稽人員攔截并處罰。本系統包括年票收費站管理子系統以及委托站次票監管子系統，分別介紹如下。

1.1 年票收費站管理子系統

年票收費站管理子系統的工作流程如圖1 所示，其工作原理為：車輛到達車道時，車牌識別設備自動識別車輛牌照號碼及顏色并自動通知車道軟件，車道軟件首先判斷該車是否為免費車，若該車輛為免費車，免費放行；若非免費車，進一步判定車輛是否為本地車，若是本地車，再查詢該車是否欠繳年票，若欠繳年票，提示欠年票并記錄該車欠年票，但仍允許免費通過；若不欠年票，允許免費通過。若車輛并非本地車，再自動查詢該車是否已購買了本地的年票，若有購買年票，允許車輛免費通過，否則必須購買次票后才能通過。車輛通過收費站后車道軟件產生車輛過站信息并上傳到收費站，收費站匯總收費信息后可產生各種營運所需的報表，并可自動將信息上傳到收費中心。收費中心軟件同步、匯總各個收費站的收費信息，并提供數據導入/導出接口，利用數據導入接口可導入來自交警部門的新上牌、報停、注銷等車輛的信息，也可手工或自動導入市政收費處各個年票售票點的年票信息。上述信息均可自動下發到各個收費站和收費車道。

1.2 委托站次票監管子系統

委托站次票監管子系統由兩部分組成：

（1）兼容于原高速公路收費的“一票兩費”系統，該系統可同時征收高速公路通行費和次票通行費，并具備通行費拆分功能；

（2）核查系統，可自動統計經過各個代收費車道的年、次票車輛，便于市政收費處核對代收站拆分的次票金額。

圖1 年票收費站管理子系統工作流程圖

1.2.1 “一票兩費”系統的工作原理

車輛到達車道時，車牌識別設備自動識別車輛牌照及顏色并自動通知車道軟件，車道軟件同時讀取司機所持的IC 卡信息，然后判斷該車是否為免費車，若該車為免費車，免費放行；若為非免費車，進一步判斷該車是否為本地車。若是本地車，只征收高速公路通行費；若不是本地車，再判斷該車是否已購買年票。若未購買年票，同時征收高速公路通行費和次票通行費，否則只征收高速公路通行費。高速公路通行費和次票通行費的拆分在收費站軟件中自動完成，對于使用粵通卡繳費的次票車輛，通行費的拆分由高速公路結算中心完成。

1.2.2 核查系統的工作原理

車輛到達車道時，車牌識別設備自動識別車輛牌照及顏色并自動通知車道核查子系統，收費員在“一票兩費”軟件中輸入車型后，“一票兩費”軟件也自動通知車道核查子系統車輛的車型，車道核查子系統首先判別該車是否為免費車，若該車輛為免費車，記錄該車可免費通過；若不是免費車，進一步判斷是否為本地車。若是本地車，再查詢該車是否欠繳年票，若欠繳年票，記錄該車欠繳年票；若車輛并非本地車，自動查詢該車是否已購買了本地年票，若有購買年票，允許車輛免費通過，否則根據車型計算并記錄該車應購買的次票金額。

2 系統關鍵技術

2.1 車牌識別技術

車牌識別技術以計算技術、圖像處理技術、模糊識別為基礎，建立車輛的特征模型，識別車輛特征，如號牌、車型、顏色等[3]。車牌識別技術主要分為靜態圖像圖片識別以及動態視頻流實時識別。

本系統使用自主研發的基于視頻流觸發的車牌識別器進行車牌的識別，其工作原理：如果攝像機位置保持不變，在一個很短的時間內，所拍攝到的背景圖像保持不變，而運動車輛的圖像會出現變化，采用統計模型對背景建模后，可利用相臨幀的差值，獲得變化的車輛運動圖像。準確定位出運動車輛位置后，根據車牌的大小、形狀、梯度特征，通過運算加強車牌區域的信息梯度，然后對加強后的圖像進行二值化處理，再對圖像執行膨脹、腐蝕、開關運算，得到車牌的矩形區域。為了識別出車牌區域的字符，本系統首先采用直線擬合的方法定位出各個字符的區域（如圖2 所示），然后基于主成分分析PCA（Princi?ple Components Analysis）原理，識別出各個字符。采用以上介紹的圖像高速識別技術，平均每秒識別25幀以上，每車牌識別用時小于600ms，識別率在90%以上[4]。

圖2 車牌字符分割示意圖

2.2 大容量數據同步技術

本系統采用Microsoft SQL Server 復制方案進行數據同步，Microsoft SQL Server 的復制是在數據庫之間對數據和數據庫對象進行復制和分發并進行同步以確保其一致性的一組技術，可以將數據分發到不同位置，通過局域網、撥號連接、Internet分發給遠程或移動用戶，還能夠提高應用程序性能，根據數據的使用方式物理分隔數據。采用本技術后，可在多個站點保存相同數據的復本，保證多個站點擁有相同的數據；也可實現各個站的數據共享和數據同步，每個站的修改能及時傳輸到其他站，實現黑名單、白名單、年票及次票車輛信息的實時更新。另外，站級服務器的數據也能通過復制及時匯總到中心級服務器，而各個收費站也可以在連接斷開的情況下繼續使用數據的復本，并在連接恢復時將對數據庫所做的更改傳播到其他各站的數據庫；本系統還根據不同級別（中心級、站級等）和同一級別中不同的單位的需求對數據進行分區，減少因多個用戶進行數據修改和查詢而引起的沖突。本系統采用快速數據庫查詢技術，30萬條記錄查詢時間小于0.5s[5]。

本系統的數據同步采用了“事務復制”和“合并復制”，不同年票購置點之間及年票購置點和中心服務器之間的數據采用合并復制以確保有相同的數據副本，年票購置點、中心服務器和年票收費站之間的數據采用事務復制以保證數據單向復制。由于采用了如圖3 所示的分布式拓撲結構，服務器之間數據交換被降到了最低，在100萬條記錄下，所有站同步時間不超過5min。

圖3 服務器拓撲結構圖

2.3 IC卡防偽技術

為了防止年票標志造假，對無法進行車牌識別的摩托車年票憑證，本系統用非接觸式IC 卡替代紙質年票憑證，IC 卡采用Mifire I 型非接觸式IC卡，IC 卡讀寫器采用交通運輸部推薦的內置SAM卡的航天金卡讀寫器，IC 卡采用“一卡一密”的動態密鑰機制及3DES加密算法。為了防止IC卡密碼泄露，讀寫IC 卡所需要的基準密鑰存儲在讀寫器的SAM 卡中，讀寫器和IC 卡交換數據時不傳輸實際密碼，讀寫器用密鑰對一隨機數加密，產生MAC碼，并將隨機數和MAC碼傳輸給IC卡，IC卡用密鑰對該隨機數加密，同樣產生MAC 碼，然后核對兩組MAC碼是否相同。

3 系統特色

（1）將車牌自動識別技術和數據同步技術用于年票車輛的自動管理，通過實時比對車輛信息，能有效解決年票標志造假及欠繳年費現象，同時可提高攔截造假車輛和沖關車輛的反應速度，保證攔截人員的人身安全。

（2）利用基于視頻流的車牌識別技術在關鍵路口監控過往車輛，可跟蹤并解決長期滯留本地的外地車和欠繳年費但長期不通過年票站的本地車的逃費現象。

（3）利用數據庫和網絡技術實現年票信息的同步共享，可提高已購年票外地車通過收費站時的通行效率。

（4）利用基于網絡的遠程監控技術實現關鍵路口的無人監控，大幅度提高年票監控的覆蓋范圍。

（5）利用IC 卡技術提高摩托車年、月票標簽的防偽性。

4 結語

從我國城市年票監管實際情況出發，本文提出一種基于車牌識別的城市年票自動管理系統，可較好地解決車輛惡意逃費所致的通行費流失。本系統已在廣東省中山市投入使用，客戶反應良好。隨著機動車保有量的持續增加，城市道路交通建設力度加大，勢必有更多的城市啟用“年票制”，這將為本系統應用提供更廣闊的前景。

[1] 王芳.珠三角實行區域年票制的時機分析[J].交通標準化，2013（1）：137-138.

[2] 賴雄周，徐曉帆，王德浩.基于RFID 的城市年票車輛自動管理系統[J].機電信息，2011（12）：173-175.

[3] 喻勇.廣東省地方公路年票自動識別系統方案[J].中國公路，2011（23）：122-123.

[4] 張斌，付江成，胡松利，等.基于車牌識別技術的IC卡及通行費防流失對策研究[J]. 交通標準化，2007（8）：56-58.

[5] 胡松利，張斌，付江成，等.具有車票車型自動識別功能的路橋收費系統研究[J]. 交通與計算機，2006，24（3）：34-35.