淺談取消高速公路省界收費站新形勢下福泉高速公路車輛通行智能監測與質量分析思路

蔡可祥

（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350001）

1 概論

全國取消高速公路省界收費站后， 原有以省為界的高速公路運營模式轉變為全國高速公路全網統一運行，收費方式由封閉走向開放， 車輛在高速公路可以直接快速通過，大幅提高通行效率，改善人民群眾出行體驗，降本增效。與之相對應的，ETC 門架、CPC 復合通行卡、貨車按車型收費、 分段區間即時收費等成為新的收費業務管理技術核心，無論是通行方式、監測手段、管理模式，還是通行車輛的數據稽核都與以往有很大的區別。

2018 年5 月16 日,國務院常務會議明確提出“推動取消高速公路省界收費站”，進一步提升高速公路服務能力和水平，促進物流降本增效，更好地服務經濟社會發展和人民群眾安全便捷出行。

2019 年3 月5 日，十三屆全國人大二次會議政府工作報告明確：“兩年內基本取消全國高速公路省界收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵、便利群眾。 ”

2019 年3 月15 日， 十三屆全國人大二次會議閉幕后的總理答記者問中，再次提及了取消省界收費站工作：“政府工作報告提出，兩年內要基本取消省界高速公路收費站，大家都很贊成。 這樣做有利于解決擁堵問題，也有利于相關產業發展。這個目標我們要確保完成，同時我們要求有關部門力爭提前實現。 ”

2019 年5 月5 日， 國務院常務會議明確政策舉措：力爭2019 年年底前基本取消全國高速公路省界收費站。將《政府工作報告》提出的兩年內基本取消全國高速公路省界收費站的任務提前至力爭2019 年年底實現。

2019 年5 月至6 月間，交通運輸部分別下發《取消高速公路省界收費站總體技術方案》（下稱：技術方案）與《收費公路聯網收費運營和服務規則（2019）》（下稱：運營和服務規則）。 并另附有《取消高速公路省界收費站工程建設方案》（下稱：建設方案）等多項技術、工程等規范文件。

《技術方案》（4.5.1）指出，高速公路實現不停車快捷收費，ETC 將成為高速公路主要的收費方式，ETC 車輛的交易成功率和通行信息的準確獲取， 關系到通行費能否正常收取。

《運營和服務規則》（5.6） 對各項收費業務做出具體的量化評估要求：ETC 門架系統交易成功率（5.6.1）、車道車牌識別準確率 （5.6.10）、ETC 門架系統車牌準確率（5.6.11）等等。

《建設方案》（6.4）對門架系統提出具體的監測要求：主要包括但不限于系統程序版本號、門架相關系統參數、車道控制器CPU、內存、硬盤占用率，關鍵設備(RSU、高清車牌圖像識別設備) 在線狀態及工作狀態(如RSU 發射、接收工作 狀態)，機柜溫度、濕度、防盜，供電和通信網絡工作狀態。

1.1 配套收費設施

（1）入口車道（《建設方案》5.2.1.2），包括ETC 專用道、ETC/MTC 混合道。由車道控制器、RSU、高清車牌圖像識別設備、自動欄桿、報警設備、信息顯示屏、雨棚信號燈、車道信號燈、車輛檢測器、車道攝像機、收費員終端(顯示器、鍵盤)、非接觸式IC 卡讀寫器、車型識別設備（可選）等組成。

(2)出口車道（《建設方案》5.2.2.2），包括ETC 專用道、ETC/MTC 混合道。 由車道控制器、RSU、高清車牌圖像識別設備、自動欄桿、報警設備、信息顯示屏、雨棚信號燈、車道信號燈、車輛檢測器、車道攝像機、車型識別設備（可選）、收費員終端(顯示器、鍵盤)、非接觸式IC 卡讀寫器、自動收卡機 （ETC/MTC 混合道）、 票據或發票打印機（ETC/MTC 混合道）、移動支付掃碼終端（ETC/MTC 混合道）、語音報價器（ETC/MTC 混合道）等組成。

(3)ETC 門架系統（《建設方案》6.3），主要由以下設備和設施組成：車道控制器、RSU、高清車牌圖像識別設備（含補光設備）、高清攝像機、門架服務器、防雷接地設施、通信設備、供電設備、車輛檢測器（可選）、氣象檢測設備（可選）、溫控設備（可選）、斷面稱重檢測設備（可選）、網絡安全設備等，應采用IP55 等級機柜，具備條件的可采用一體化系統。

1.2 主要技術指標摘選

《運營和服務規則》（5.4.2.2） 指出：MTC/ETC 混合入口車道，其入口收費數據車輛車牌準確率應達到100%，車型準確率應達到100%。

《建設方案》（5.4.6） 要求：ETC 門架系統車牌圖像識別準確率：在車速為0～220km/h 的條件下，≥95%（分子為正確識別車牌的數量，分母為實際通行車輛總數，車牌缺失、污損、遮擋等人眼不能準確識別除外）。

《建設方案》（5.4.8） 車道攝像機:…（2）視頻相關指標： 視頻分辨率與幀率：分辨率≥720P，幀率≥30 幀/秒…。

《建設方案》(5.4.9) 北斗定位與授時設備:…PPS 授時精度：≤1us。 …NTP 授時精度：1～10ms…。

《建設方案》(6.5):…（2）CPC 卡計費成功率≥99.9%。… （4）單片式OBU:交易成功率≥99.9%，車輛信息獲取成功 率≥99.99%。 （5） 雙片式OBU: 交易成功率≥98.0%，車輛信息獲取成功 率≥99.5%。

2 福泉高速公路通行車輛智能監測與質量分析思路

福泉高速公路是國家高速公路主干道沈海線的組成部分，從1999 年9 月26 日起正式開通運營，北起福州長樂市營前，與羅長高速公路相接，南至泉州市西福，與泉廈高速公路相連， 全長165.91 公里 （含連接線11.49 公里）。 2011 年1 月18 日經過擴建后，福泉高速公路由雙向4 車道拓寬為雙向8 車道。 根據取消省界收費站工程建設統一部署， 福泉高速沿線共建設48 個門架、208 套RSU 天線、292 套高清車牌識別設備； 沿線共有12 個收費所，入口車道79 條，出口收費車道118 條。

在開放式高速公路收費模式 （保留入/出口收費站）下，車輛分段計費、ETC 分段（CPC 出口）收費的關鍵在ETC 門架及出入口車道。 構成車道及門架系統的眾多設備中，RSU（Road Side Unit）路側單元及高清車牌圖像識別設備是計費的關鍵設備， 高清攝像機是重要的輔助設備。RSU、車牌識別設備及監控攝像機的運行狀態直接關系到高速公路運營質量，因此應當建立一套科學的、自動的通行車輛智能監測與質量分析系統， 實現設備實時運行狀況監控、周期性能評估，確保車輛通行狀態及通行情況能夠實時、不間斷的監測，提高高速公路管理智能化水平。系統通過數據采集、業務建模、引擎分析、異常數據推送、可視化報表等環節，實現收費機電設施的運行監測與質量評估。

智能監測與質量分析系統內容包括：RSU 信號強度（采集、檢測、異動警示、質量評估、趨勢分析）；車牌識別設備（車牌識別率統計、分析、異動警示、質量評估）；監控攝像機（畫面質量評估、黑屏警示、OSD 字符疊加監測）；硬盤錄像機（設備時鐘檢測、自動校時、硬盤空間不足預警）。

3 智能監測與質量分析系統主要功能介紹

3.1 車牌抓拍設備識別率監測

受設備、天氣、環境及過車等不同因素影響，車牌抓拍識別率總是會發生變動。 常規的抓拍設備養護以故障申告、設備巡檢為主要手段，鑒于以往高速公路設備日常運行維護情況，會產生修復周期長、消耗大量的人力和物力等不足。為有效應對新收費模式下運維管理需求，基于統計學基本原理， 考慮通過對出入口流水的海量數據統計與分析，結合道口監控錄像等媒體信息，實現車牌識別設備的自動巡檢與異動警示。

(1)異動預警

以蘭圃所2019 年三月的數據分析為例，各出口道的車牌識別率：

從數據分布圖中，我們可以得出如下基本結論：

①各道抓拍識別率基本維持在90%～95%的水準上；

②在某些時候，會發生識別率驟減的情況，特別是八道和六道；

③六道的識別率在幾天的時間內， 維持在20%左右的低水準；

因此，通過對識別率數據的實時追蹤，運用統計學原理的科學計算， 在設定的預警線上， 對設備異動發起預警，防止設備故障的持續與蔓延。

（2）設備性能評估

同樣的， 以蘭圃所2019 年三月的頻率分布直方圖為例：

在這些參數中，“平均值” 體現設備的整體水平；“離散系數”體現設備的穩定性。從圖中可見：蘭圃所28 道的識別率最高，8 道設備最穩定。

在蘭圃所這一同樣地理環境、同樣設備類型條件下，這些差異性可能是由于過車類型不同、清潔程度不同、設備朝向方位不同造成的。如果對不同收費站、不同類型設備進行橫向比較，就可能對設備類型性能、設備老化程度進行評估，從而為設備更新，招標采購提供科學的、量化的數據依據。

（3）遠程媒體研判

數據分析是在一個宏觀的層面上展現事物發展的趨勢，凸顯存在的問題。抓拍識別率的變化涉及到多種多樣的因素，具體的設備需要具體的分析。建議通過對遠程出入口抓拍的具體圖片、 道口監控錄像回放等功能進行分析，相關人員在收到故障預警后，可以先調閱這些資料，研判問題根源所在， 對于一些簡單的如設備鏡頭清潔等問題，可通過站所自行處理，從而提高抓拍識別率，確保數據正常。

3.2 8G/13.56M 雙頻信號強度分析

在新的收費模式下，ETC 技術成為高速公路收費的支撐手段，車道ETC、路面ETC 門架的RSU（Road Side Unit）路側單元與OBU（On board Unit）車載單元，及RSU與CPC（5.8G+13.56M）復合卡的DSRC（Dedicated Short Range Communication）微波通訊成為核心技術，其通信質量直接關系到道口車輛通行率及收費運營效果。

當車輛高速通過ETC 道口及路面ETC 門架時，DSRC 通訊質量會受OBU 安裝角、RSU 安裝距離、車輛擋風玻璃等多種因素的影響。 考慮對海量RSU 與OBU（CPC）的通訊信號強度進行綜合統計、評估，以輔助高速公路機電維護部門、ETC 設備廠商進行設備維護，確保設備處于良好運行狀態。 具體步驟包括：

（1）采集ETC（道口/門架）服務器的每次通訊信號強度。

（2）以小時為單位，計算平均通訊信號強度。

（3）以統計學方法，實時檢測數據變化趨勢、是否異動（標準差門閥）。

（4）采用時間同比、設備同比的方法，對RSU 運行性能及質量做出評估。

3.3 監控視頻質量評價

監控視頻對于高速公路后期稽核工作十分重要。由于視頻設備廣泛分布于各道口、門架、匝道、互通等處，設備的運行及維護單獨依靠人工巡檢難以實現。 建議借助“計算機視覺CV”技術，實現多路視頻畫面自動巡檢，發現異常，通過系統告警等方式通知技術人員維護，將極大提高運維效率，降低人工成本。

(1)黑屏、遮擋檢測

遮擋檢測一般是攝像頭被異物遮擋， 呈現出整個場景或某一部分場景看不到的情況。 被遮擋住的部分一般都呈偏黑色。

①把彩色圖像二值化，偏黑的部分為前景，其他部分為背景。

②對前景進行連通區域檢測， 求得最大連通區域面積。

③該面積整幅圖像面積的比較即為遮擋率。

(2)亮度異常、偏色檢測

亮度異常檢測一般包括偏暗檢測和偏亮檢測， 也有稱過暗過亮檢測。這算法簡單，只需要一幀圖像的亮度值作為判斷就行：

①把彩色圖像轉化為灰度圖像。

②求圖像的平均灰度值G（整幅或ROI 區域），該值就是圖像的亮度值。

③定義閾值A，B。 當G∈[0,A]認為圖像偏暗，當G∈[B,255]認為圖像偏亮。

3.4 硬盤錄像機參數監測與自修復

在高速復雜的條件下硬盤錄像機經常會因為硬盤損壞、丟失、狀態異常等各種原因導致無法審片，因此經常需要人為的巡檢維護。 除此之外錄像時間偏差矯正也是今后日常維護的重點。

(1)硬盤狀態預警

以目前高速使用率最大的某品牌為例， 廠商提供了物理磁盤狀態監測接口。 根據該接口可隨時了解硬盤錄像機的硬盤狀態,如：硬盤數量、是否正常、是否已刪除、磁盤丟失、下線、次正常、異常、SMART 狀態異常、休眠、不存在等狀態信息。隨時了解硬盤使用情況，方便實現系統自巡查，為維護人員提供最新硬盤狀態信息。

(2)自動時鐘校正

時間偏差隨時影響審片效率，是未來維護重點。建議搭建北斗時鐘授時服務器，為網絡設備提供精確、標準、安全、可靠和多功能的時間服務，能提供精確的同步時鐘信號，支持標準的NTP 和SNTP 網絡對時協議，用戶終端同步授時精度：0.5～2ms（局域網典型值），能極大的準確收費核心基準時間，方便其他設備校時。

4 結語

取消高速省界收費站，無疑會提高通行效率，降低物流成本，進而改善民生，促進經濟發展。但與此相對應的，高速公路管理部門也需要根據新的管理模式， 不斷提升運營和管理水平。 探索建立的福泉高速公路車輛通行智能監測與質量分析系統，具有日常設備維護流程規范化、管理智能化、監控自動化的特點，通過圖示化直觀呈現，降低設備運行維護成本、提高維護效率，能夠對設備運行進行實時監測，保障相關收費政策安全高效落地，高速公路車輛通行有序。