基于北斗的高速公路自由流收費應用探究

文 | 蔣玉龍 王洵 王寧 孫林芳中國交通通信信息中心

當前，我國高速公路收費方式主要以人工收費、人工半自動收費（MTC）和電子不停車收費（ETC）為主。人工收費方式用戶體驗差、通行效率低、易造成大面積擁堵。ETC收費與人工收費方式相比通行效率得到了明顯的提升，利用專用短程通信（DSRC）技術，實現了車輛電子不停車收費，但受限于技術特性，同時從安全方面考量，目前ETC收費方式也需要車輛在通過時進行減速，在一定程度上影響了通行效率[1]。基于全球導航衛星系統（GNSS）等技術的公路自由流收費是一種通行效率更高的收費方式，該方式在國內尚處于試驗論證階段。本文分析了基于北斗的高速公路自由流收費的技術原理，介紹了中國交通通信信息中心前期與江西高速集團開展的技術論證工作以及當前開展的基于北斗的輔助收費相關工作。

一、ETC通行原理

電子不停車收費（ETC）主要是通過在車輛上安裝車載單元（OBU），利用DSRC及射頻識別技術（RFID），與車道龍門架上安裝的路側單元（RSU）實現數據傳輸，達到車輛識別的效果。車輛在進出高速時候，通過以上技術實現車輛識別，判斷車輛進出高速的出入口，計算出車輛高速行駛的費用，并通過后臺系統完成清分結算工作[2]。

通過ETC系統，擺脫了以往通過人工在高速公路出入口發卡、收卡的收費方式。車輛可以不停車通過收費門架，極大地提高了高速進出口的通行效率。但出于安全考慮及RFID屬于短距離通信技術，在通過ETC門架的時候，需要車輛將速度降到40km/h以下，以確保能夠順利完成電子設備的識別，這在一定程度上影響了通行效率最大化。

二、基于北斗的自由流收費應用實驗

1.自由流收費原理

目前，在德國、奧地利等歐洲國家，采用了一種利用全球導航衛星系統實現高速公路收費的方式。這種收費方式被稱為自由流收費，主要是通過衛星導航系統，實現對車輛高速公路行駛全過程定位，以此計算高速公路通行費用，再通過互聯網絡完成資費收取的一種方式。自由流收費方式可以完全擺脫收費站的影響，實現完全自由流通行，可以說是目前已知的通行效率最高的高速公路收費方式。自由流收費原理見圖1。

圖1 自由流收費原理圖

（1）衛星導航系統

衛星導航系統主要為車輛提供位置服務，通過衛星導航系統，可以繪制出車輛在高速公路的行駛路徑。

（2）車載終端功能

· 用戶信息：終端綁定了車輛信息；

· 導航定位：可以為車輛提供導航定位服務，確定車輛高速公路行駛路徑；

· 數據回傳：終端具備通信功能，可通過互聯網將車輛信息、行駛路徑等回傳到自由流收費平臺；

· 費用支付：完成車輛高速公路費用支付。

（3）收費平臺功能

· 用戶管理：所有車輛信息的加密管理；

· 信用管理：記錄車輛用戶的信用情況；

· 費用收取：計算并收取高速公路通行費；

· 清分結算：完成通行費用的清算。

（4）收費稽查

車輛信用稽查。

2.北斗自由流收費實驗

北斗衛星導航系統是我國自主研發、獨立運行的衛星導航系統，是我國重要的空間戰略資源，可為用戶提供精準的導航、定位、授時及短報文服務。同時，結合國內地基增強網絡，可為用戶提供高精度服務。未來，高精度定位服務將是交通運輸行業重要的技術基礎[3]。

通過北斗系統提供的導航定位服務，可以實時定位車輛位置信息。2011年，交通運輸部啟動了我國首個北斗民用應用示范工程“重點運輸過程監控管理服務示范系統工程”建設，率先在道路運輸領域推動了北斗系統的應用。全國目前已在近700萬輛重點營運車輛上安裝北斗車載終端，有效提升了道路運輸監管能力。

基于道路運輸領域取得的北斗應用經驗，2018年，中國交通通信信息中心與江西高速集團開展合作，在江西開展了基于北斗的自由流收費實驗工作。

（1）整體情況

實驗工作自2018年5月開始論證，總共完成了3個收費站、6條北斗實驗車道的改造工作，安裝了3個地基增強站，研發了可實現自由流收費的高精度車載終端，完成了北斗自由流下60km/h有桿、無桿通行實驗，取得了良好的實驗效果。

（2）高速收費站的改造

為了能夠在確保安全的前提下，對北斗自由流收費技術進行測試，在江西高速集團所轄的九龍湖、塔城、南昌3個收費站，共選取了6條收費車道進行改造。增加了“北斗實驗車道”標識牌，在車道門架增設了車牌抓牌器，提高對通行車輛的識別能力（圖2）。

圖2 九龍湖北斗實驗車道

（3）高速自由流收費云平臺開發

為了能夠驗證自由流收費的可靠性，開發了自由流收費云平臺系統（圖3），平臺采用“云服務+終端”的架構，實現端平臺對車道收費設備的控制、車輛出入口及路徑信息的采集、車輛信息的報送和接收云服務平臺計算分析的結果，云服務平臺接收車輛信息進行車輛通行規則分析、通行費計算、基礎參數管理、會員注冊、支付綁定、信息服務等功能。北斗自由流通過北斗車載終端結合收費云平臺實現征收高速公路通行費業務，從而實現高速公路車道的北斗自由流業務。

圖3 北斗自由流收費云平臺展示界面

（4）北斗地基增強系統及高精度地圖

為了能達到車道級定位精度，判斷車輛行駛的具體車道，在南昌西、楊家湖、塔城建設了3個北斗地基增強基準站，播發高精度差分信息。同時，采集了實驗點區域的收費站高精度地圖，實現了分米級的定位精度，可實現車道級導航定位。

（5）研制了北斗高精度車載智能終端

為了能實現實驗車輛的高精度定位，研發了北斗高精度的車載智能終端，終端定位精度達到0.5m（靜態0.01m），內置高精度地圖，可確定收費車道的位置，可訪問收費云平臺接口，裝有車載終端的車輛可不停車通過收費站。經過虛擬路徑識別點，自動將位置信息上傳云平臺。

3.實驗流程

為了能夠直觀地看到實驗效果，實驗組采用了保留收費站欄桿的設定。具體實驗流程如下。

當車輛距離高速入口收費站200m時，收費云平臺就通過定位車輛位置，結合收費站及車牌號等信息，進行車輛準入驗證。若驗證通過，車輛進入收費站入口標記點，完成車輛識別、抬桿等動作；若驗證不通過，云平臺將向APP下發告警信息，禁止通過收費站。車輛進入高速公路50m，進行“已進入”確認。車輛進入識別點后，會將車輛信息上傳到收費云平臺。

當車輛距離高速出口200m時，收費云平臺將根據入口情況，判斷車輛準出情況，并完成費用計算。車輛進入出口識別點，完成車輛識別、抬桿等動作。車輛駛出高速50m，進行“已駛出”確認。

通過高速入口、出口完成的一些列動作，形成了完整的高速公路收費流程。通過提前進行準入準出識別和費用計算，保障車輛可以不減速直接通過收費站。通過識別點識別車輛，保證了定位的準確性，解決了多路徑的問題[1]。基于北斗的自由流實驗流程見圖4。

圖4 基于北斗的自由流實驗流程

三、實驗結果

1.終端研制及安裝

實驗選擇的是別克GL8七座商務車，安裝了國內廠家研制生產的北斗高精度車載終端。終端可錄入綁定車牌號、車輛信息等，具備高精度定位和4G通信功能，可以定位車輛位置，經過測試，高精度終端定位精度可達動態0.5m。同時，可以將車輛信息及位置信息通過4G網絡回傳到自由流收費平臺。

2.北斗自由流收費管理平臺

實驗開發了自由流收費平臺，平臺可以定位車輛位置，可以與收費站軟件系統相連，通過車輛位置完成車輛信息錄入、抬桿、計費等一些列動作。

自由流收費平臺可以記錄注冊用戶數量、在線用戶數，可以實時定位車輛所在位置、車輛高速公路繳費情況，方便對所有用戶高速公路通行費進行有效的管理。同時，平臺可以根據每一輛車的行駛里程，來計算高速公路通行費，判斷駛入、駛出高速的收費站、時間等信息，并計算出準確的高速公路費率。

平臺具備清分結算功能，可以根據車輛駛入的收費路段，確定管轄的業主單位，在費用收取后由平臺完成金額的清算工作。同時可以記錄業主單位所管轄路段車輛的通行情況、通行車輛的信息、該路段總體收費情況等，為業主單位提供精準的數據支撐。

3.自由流收費APP

針對本次實驗，開發了北斗自由流的手機APP，主要用于測試車輛繳費情況，以及進入收費站情況。

4.測試結果

在測試過程中，為了確定終端定位-平臺準入-車輛標記-抬桿-駛入/駛出高速-駛入/駛出確認這一完整的測試環境，實驗組人員進行了反復的測試、實驗、調整，逐步達到了穩定的狀態，在九龍湖收費站、南昌西收費站、塔城收費站之間，很好地實現了二義性識別的問題，且多車60km/h通過收費站，均可完成正常的準入、抬桿、計費扣費流程，演示效果良好。

四、結語

此次實驗從技術上證明了自由流的可行性，但如果從江西三個收費站拓展至全國普遍應用，技術的可靠性尚未得到充分驗證。同時，因相關的政策、標準、法律法規尚不完善，收費稽查手段尚不成熟，在我國想一步跨越實現全國自由流收費，尚不實際，仍需要從技術、行政等方面進一步開展相關專題的研究，逐步完善。

雖然利用北斗系統實現自由流收費各方面因素尚不成熟，但此次實驗也為后續開展相關工作奠定了一定的技術基礎。利用北斗系統可以定位車輛行駛軌跡，可以為高速公路收費提供一種良好的輔助手段，助力我國高速公路收費方式的發展。