自動收費系統中的車輛自動識別技術專利分析

梅瀟　皮婉素

摘 要 自動收費系統是解決交通阻塞的最重要的手段之一，自動收費系統是利用車輛自動識別（簡稱AVI）技術完成車輛與收費站之間的數據通訊，進行車輛自動識別和有關收費數據的交換。車輛自動識別技術是自動收費系統的核心技術之一，本文針對車輛自動識別技術的專利申請和專利申請產出國進行了統計分析，并重點針對車輛識別系統中組具有代表性的四大技術分支：條形碼AVI系統，視頻圖像處理AVI系統，射頻識別AVI系統以及衛星定位AVI系統進行了分析。

關鍵詞 不停車 收費 識別 條形碼 圖像 射頻 衛星

中圖分類號：C18 文獻標識碼：A

1自動收費系統中的車輛自動識別技術概述

自動收費系統主要是利用車輛自動識別（AVI）技術，通過信息的通信和信息交換，以達到對車輛的自動識別，并自動從該車輛的帳戶中扣除通行費，從而實現車輛的自動收費。

車輛自動識別技術（AVI）是自動收費系統的核心技術，是區別不同的自動收費系統的主要標志。車輛自動識別技術是指利用現有的自動化檢測技術和手段，將通過特定地點的行駛車輛身份自動的識別出來以備交通管理應用。

車輛自動識別技術（AVI） 經歷了聲表面技術、光學和紅外技術、視頻圖像處理技術、無線電射頻和微波通信技術等過程，最后得到認可的有改進的條形碼技術、視頻圖像處理技術、無線電射頻和微波通信技術。到20 世紀末，已基本確立了采用無線電射頻和微波通信技術作為自動收費系統的車輛自動識別技術的主流地位。近年來，采用全球衛星定位系統（GPS）技術的車輛定位系統（VPS）也進人了AVI 的應用。并被歐盟建議為歐洲各國收費技術的發展目標。

2專利技術的整體分析

2.1 全球專利申請量趨勢

經過檢索，截止到2015年6月30日，在ven數據庫中供檢索到1600余項自動收費系統中的車輛自動識別技術的專利申請，最早的專利申請出現在1971年，但是1971年至1989年每年的專利申請量都很小。因此，選擇1991年至今的全球專利申請數據進行分析：

圖2.1：1991年至今的全球專利申請總量隨年份變化的趨勢圖

圖2.1所示為1990年至今的自動收費系統中的車輛自動識別技術全球專利申請歲年份變化的趨勢圖。從圖中可以看出，1992年以前，專利申請量較小。從1993年開始到1999年，申請量開始有一個小幅的上升，隨后經過一個小幅的回落，從2002年開始專利申請量開始逐步攀升，盡管在2008年至2010年有所下降，但專利申請量總體還是一個逐步上升的趨勢并在2012年達到高峰。并且由于專利申請公開的時延性，導致近幾年的統計數據并不完整。

根據分析可以發現，自動收費系統的車輛識別技術出現較早，這主要還是由于在發達國家的汽車數量較多，交通的嚴重阻塞情況亟需解決所導致的。

2.2 專利申請產出國分布

通過對檢索到的專利文獻產出國進行統計分析（如下圖2.2所示），日本29.83%的專利申請比例占據第一，美國以17.05%的專利申請比例占據第二，中國以9.69%的專利申請比例占據第二，同時也從側面反映出中國在自動收費系統的車輛識別技術領域起步較晚，但后期發展比較迅速，專利申請總量也比較多，當然和日本、美國的等國家還具有一定差距。

圖2.2：全球專利申請產出國分析

2.3 在華專利申請量趨勢

如圖2.3所示為自動收費系統的車輛識別技術在華申請歲年份變化的趨勢圖，從圖中可以看出，我國從1992年開始已有電子不停車收費系統的車輛識別技術的專利申請，然而申請量一直較低；直至2000年，我國國家經貿委和交通部主持了“高等級公路自動收費系統技術開發和產業化”項目，隨后，針對自動收費系統的車輛識別技術的專利申請量開始逐步攀升，由于專利申請公開的滯后性，2013年以及2014年的專利申請量并不完整。經過與之前全球專利申請總量隨年份變化的趨勢圖比較可以得出，我國自動收費系統的車輛識別技術在華專利申請發展迅速。這與自動收費系統在中國各省市大量運行實踐，逐步成為主流收費方式的發展趨勢也是一致的。

圖2.3：在華專利申請總量隨年份變化的趨勢

3主要技術分支的專利申請分析

3.1光學和紅外AVI系統

基于光學和紅外AVI系統的不停車收費系統由室內設備、室外設備以及車輛上的標識部分組成。基本結構如圖3.1 所示. 當車輛進入安裝地面檢測點的相應車道時， 微機通過接口電路啟動相應的掃描器開始工作。掃描器發出脈沖形式的光波， 并接收經車輛反射的光信號， 由光電轉換器轉換成電信號， 經過整形放大后送到譯碼器， 由譯碼器解譯后通過接口電路箱入到計算機. 當車輛出清該車道時， 微機通過接口電路停止相應激光掃描器的工作。

圖3.1：車輛自動識別系統基本結構圖

20世紀70年代末，在紐約和新澤西試行了借助于自動車輛識別的不停車收費系統的實驗，采用光學和紅外的技術原型對AVI系統進行了評估；美國圖像識別公司提出專利申請（US4958064A），記載了可在車輛的停車場或收費公路安裝相機，相機中裝配條碼閱讀器，通過讀取車輛上條碼信息來判斷車輛是否有權進入停車場或者在收費道路自動生成車輛的通行費賬單；通過增加條形碼的光源以及調整相機的焦距，提高了相機的分辨率，使得在混亂的背景中準確的識別出條碼的信息。然而，由于車輛的移動速度以及長期暴露于外部環境，在惡劣天氣、環境污染或污物覆蓋的情況下，系統很難達到較高的識別精度。

3.2視頻圖像處理 AVI 系統

視頻圖像處理 AVI 系統由視頻攝像機、圖像采集設備及計算機處理系統組成。在車輛電子收費技術領域，視頻圖像處理系統的研究主要集中在車牌識別系統，其識別流程如圖3.2所示：

視頻采集：由攝像鏡頭和圖像采集卡組成。圖像采集卡將攝像鏡頭拍攝到的模擬電信號轉換為數字信號，送入計算機。對視頻信號進行關鍵幀提取。車牌定位：從一幅包含車牌的圖像中將車牌找出來，車牌定位是整個車牌識別系統中最重要的部分。字符分割：對獲得的牌照分離出每個字符。字符識別：將分割后的字符采用一定的方法將其識別出來。

1995年美國IND公司提出，使用神經網絡算法進行車輛的車牌識別（US5425108A），通過照相機獲取車輛的車牌圖像，然后尋找到圖像中車牌的位置并進行分離。然后通過神經網絡算法識別出被分離的字符。與傳統的模板匹配方式相比，神經網絡算法優勢更為明顯。盡管，國外汽車牌照識別系統研究工作已經有了一定的進展，但是并不盡合我國國情，主要是因為我國標準汽車牌照是由漢字、英文字母和阿拉伯數字組成，漢字的識別與字母和數字的識別有很大的不同。2010年，復旦大學提出一種可用于收費道路的車牌識別，使用分類器，預先對數字、字符和漢字建立二值模板，車牌識別時，首先進行車牌定位，得到一組車牌候選區；將字符塊與模板對比，根據對比結果，對每組字符塊進行識別，排除錯誤候選區，生成識別出的車牌號碼，車牌顏色以及車牌區域坐標。

3.3射頻識別 AVI 系統

該系統利用無線射頻技術實現數據無線傳輸。射頻識別技術（RFID）是一種非接觸式自動識別技術，它通過識別裝置自動識別目標對象并獲取相關數據，可識別高速運動物體，射頻識別技術的閱讀距離遠，讀卡速度快；可穿過玻璃、塑料等非金屬介質，也可在惡劣環境下工作；具有全球唯一的ID 號。

具有射頻識別系統的ETC原理圖如圖3.3所示：

圖3.3收費站ETC車道工作原理圖

當有車輛通過時，車輛檢測裝置會發射驗證信號，檢測待通過車輛是否安裝了電子標簽，如果檢測到該車輛未安裝電子標簽，則禁止通行； 如果檢測到該車輛安裝了電子標簽，則閱讀器會對該車輛電子標簽卡片內信息進行讀取核對，從該卡片內扣除本次通行費用，放行該車輛。

德州儀器公司首次提出了一種可用于收費道路或收費停車場的車輛識別通信系統（US5552789A），車身裝載有具有唯一識別ID的發射應答器，地面上安裝有車輛識別系統AVI，通過車輛識別系統AVI的環形天線與車身的發射應答器進行通信，進而識別出車輛的身份ID。當車輛通過收費站時，車身的發射應答器與AVI系統進行通信并發送ID信息以及信用卡信息。車輛識別系統AVI的環形天線通過RF信號與車身的發射應答器進行通信。隨著車輛的逐漸增多、車道的逐漸增加，RF識別AVI系統的問題也逐漸暴露，針對跟車干擾問題，2013年，北京速通科技提出了一種基于多波束天線的電子不行車收費ETC的防干擾方法，多波束天線對所在車道天線通信區域內的車載電子標簽進行信號和位置檢測；多波束天線檢測到多個車載電子標簽在所述通信區域內時，向每個車載電子標簽發射定向下行波束，各下行波束分別形成一個相互獨立相對較小的通信子區域，以空分復用的方式實現與所述多個車載電子標簽的并發通信。可以調整ETC交易的有效通信區域，實時檢測ETC車道的OBU精確位置，并依據電子標簽的位置調整定向下行波束，以空分復用的方式實現與多個車載電子標簽的并發通信，從而提高車道通行速度，同時避免ETC車道車輛跟車干擾。

3.4衛星定位（GPS）AVI系統

衛星收費系統工作原理是車輛在行駛時通過安裝在車上的車載終端GPS不斷獲取車輛當前的位置信息，同時將所在位置和車載地圖上的收費路段相匹配進行路段識別，如果確定車輛進入收費路段，系統開始計算車輛行駛軌跡和路程，并進行通行費用計算。衛星定位不停車系統組成示意圖見圖3.4：

車載終端子系統。存儲有車載收費地圖，可完成定位信息的接收、收費路段匹配、通行費用計算和收費信息傳遞等任務。

路側稽查子系統。通過微波通信的方式與收費道路上過往的車輛進行通信，確認車載設備的工作狀態；將車載設備信息傳送給后臺管理中心子系統。

后臺管理中心子系統。主要接收和存儲車載設備發送的路徑、通行費用信息和稽查設備發送的稽查信息。

圖3.4：衛星收費系統組成示意圖

基于衛星定位和無線接入技術的不停車收費技術是世界上最先進的路橋收費技術之一，1994年，德國快捷達公司提出了一種基于GPS的道路收費系統（GB2295476A），車身裝載有接收單元用于從GPS接收位置信息，根據位置信息來產生相應的過路費賬單信息。日本三菱公司針對基于GPS的不停車收費系統造價較高的問題，提出了一種有效利用現有設備的同時能夠以低成本擴充收費對象區域的收費系統，其包括設置在收費對象區域（A）中的收費裝置，和安裝在車輛中并且在與收費裝置之間交換有關收費的信息的車載器的收費系統中，車載器基于由GPS接收機取得的位置信息檢測是否進入到擴充收費對象區域，在進入收費對象區域（A）時，對于在收費對象區域（A）的收費站中設置的收費裝置，發送表示是否進入到擴充收費對象區域（B）的進入標志的狀態，從而將是否進入到擴充收費對象區域（B）的情況通知給收費裝置。

4結語

隨著我國經濟的發展和車輛的不斷增多，自動收費技術將會得到更大發展。盡管目前的自動收費技術已經逐漸普及。但是識別速度慢、跟車干擾、鄰近車道干擾等問題依然存在，自動收費技術還需要更進一步的研究和完善。

參考文獻

[1] 周曉宇.ETC關鍵技術在山東高速公路的實施[J].山東交通科技，2004（3）.

[2] 譚詩樵.我國高速公路收費存在的主要問題及其思考[J].公路運輸文摘，2002（l1）.

[3] 林立峰，李延.高速公路不停車收費系統“堵”在何處[N].計算機世界報，2003（48）.

[4] 王笑京，蔡華，張北海等.聯網收費新形勢下的組合式電子收費技術方案[R].北京：交通部公路科學研究所，2000.

[5] 廉飛宇，張元，呂運朋.公路不停車自動收費系統的研制及實現[J].鄭州大學學報（自然科學版），2000，32（4）.

[6] 魏武，黃心漢，張起森.高速公路自動收費系統ETC及其應用前景[J].中南公路工程，1999，24（4）.

[7] 游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術（RFID）理論和應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[8] 李元忠.射頻識別技術及其在交通領域的應用[]J.電訊技術，2002（5）.

[9] Rao，K.VS.Anoveoiewofbackscatteerdrdaiorfeuqencyidentifications ystem（RFID）[J].MicrowVaeConefrence，1999Asiapacific，Volume：1999，3（3）.