基于無感支付的高速公路ETC設計

符方睿

(廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510700)

1 基于無感支付的高速公路ETC構成與功能設計

圖1 高速公路無感支付ETC構成圖

基于無感支付的高速公路ETC主要由入口檢測系統、智能感知平臺、車載OBU、無感支付收費系統、車道處理系統、出口檢測系統、車輛支付系統、車主識別系統、車輛風險等級監測系統等組成(如圖1所示)。其中入口檢測系統和出口檢測系統涵蓋了車檢器、繳費顯示器、自動欄桿機、車道控制系統、聲光警報器以及通訊系統等。高速公路無感支付ETC系統能夠智能感知過往車輛進出的圖像信息和車主信息，在車輛支付系統中將車輛行駛數據與車主用戶信息相匹配，為其形成支付訂單并完成支付。入口、出口檢測系統與車載OBU通過5.8 GHz的短程通信相連接；入口、出口檢測系統通過無線網與車道處理系統和車道控制系統相連接。運用5G感知技術和圖像識別技術精準識別過往車輛的車型與號牌等數據信息，確保車輛以80 km/h以上的速度都可實現不停車過卡口，真正實現高速公路通行繳費無感支付的目的[1]。

2 基于無感支付的高速公路設計思路

高速公路無感支付的ETC收費系統區別于以往的單獨收費通道，而是在ETC通道配備無感支付系統、車主識別系統、車道控制系統、圖像識別系統、信息通信系統等設備，并搭配無感信息匹配平臺、前置處理集群、用戶查詢平臺、卡口信息采集服務器等軟件算法，以此確保無感支付ETC收費通道繳費準確，道路暢通。無感支付ETC車道的入口和出口都需要安裝具有車型、號牌等圖像信息識別的高清攝像頭、紅外檢測器和ETC射頻裝置。在ETC車道裝入無感支付設備或將ETC車道與無感支付車道合并組成同一車道，能夠有效解決ETC用戶賬戶余額不足的情況，可以快速為用戶形成無感支付訂單。基于無感支付的高速公路ETC收費通道依然要設置自動化欄桿，若無法查明車主身份和賬戶信息需要及時攔截車輛，快速切換ETC收費系統完成支付。

3 基于無感支付的高速公路ETC框架設計

高速公路無感支付ETC收費系統的基本框架為應用層、中間層和感知層。

應用層為用戶端口的信用支付信息、行程信息和賬戶體系支撐系統，負責管理用戶注冊和用戶數據，用戶端口要與高速公路無感支付平臺進行匹配與連接。

中間層是指高速公路收費處的卡口手機信息采集系統和車輛、車牌識別處理系統，還配備了信息采集裝置、微波傳感器、車牌識別芯片、人像識別芯片以及服務端，收費系統與車輛信息數據庫和車輛進出記錄數據庫互聯。當車輛進入收費通道后，車輛、車牌識別系統和射頻鏡頭模組會接受到微波傳感器的感知信號并開啟工作，對車輛和車主賬戶信息進行提取和讀寫，并將信息通過射頻卡發送代碼，傳輸到車輛信息數據庫中進行信息對比，將車輛的通行信息、賬戶信息、繳費信息共同存入數據管理中心。根據車牌識別和人像識別判斷司機是否為車主，若司機為該車車主，需按照車主賬戶信息完成繳費；若司機不是該車車主，需按照司機賬戶信息扣除費用[2]。

感知層是指收費系統的智能感知設備，主要包括5G基站，用于感知用戶手機信號，與運營商進行信息驗證以確保手機信息的合法性；高清高速攝像機，用于拍攝過往車輛的高清圖像；5.8 GHz天線設備用于收發車輛信號，可捕捉和感應車輛上車載單元的數據信息，快速完成一次性識別與扣費；圖像處理邊緣計算終端，用于車輛、車型、車牌等信息的識別；信息采集匯集服務器，用于數據處理和信息上傳。

4 高速公路無感支付ETC實際應用案例

4.1 工程概況

汕汾高速公路湖心擴建專項工程項目就運用了無感支付的ETC收費技術。汕汾高速公路是國家規劃建設的主干線中沈海高速公路的組成部分，始于閩粵交界汾水關，終點位于汕頭市龍湖區，途經潮州市、汕頭市，與汕頭海灣大橋及深圳至汕頭汽車專用公路相連，是深圳、汕頭和廈門公路交通的主干線。汕汾高速公路湖心收費站原本為三進四出，經過湖心收費站的車流量逐年遞增，收費站的通行能力和營運能力有待加強，需要將收費站車道的“三進四出”改擴為“三進六出”。

4.2 工程說明

汕汾高速公路湖心收費站擴建后新增了1條收費車道、1條ETC車道，改遷3條收費車道，在入口和出口分別增加1套全計重設備和2條雙軸組件重設備，將MTC出口改為ETC車道，在ETC車道裝入無感支付技術，在收費站車道、廣場模擬監控設施升級為網絡數字監控設施。汕汾高速公路的全線8個收費站點共開通了23條無感支付車道，無感支付車道運用了車輛識別技術和車輛檢測傳感技術，能夠兼容掃碼付和車牌付兩種方式。掃碼付只需要在移動支付車道內打開手機付款碼就可快速繳費通過收費站；車牌付需要運用粵通卡和高速通等軟件提前與支付賬戶相關聯，即可自動完成支付快速通過收費站。

4.3 工程效益

汕汾高速公路湖心收費站ETC無感支付的多種支付模式的開設，大幅提升了通行效率，有效緩解因收費站擁堵引起的通行壓力和安全風險，實現了“3秒秒速通行”，并且在粵通卡app或無感收費的微信小程序中就能查詢訂單號和出具電子發票。汕汾高速公路湖心收費站的擴建對廣東東部沿海地區的經濟發展具有重大意義，便利了周邊城市的經濟產業聯結，真正打造了新一代智慧高速公路，為ETC用戶提供更優質的通行服務。

5 基于無感支付的高速公路ETC關鍵技術

5.1 ETC射頻模塊及微波智能天線裝置

收費系統的關鍵技術之一為ETC射頻模塊技術，能夠支持高速公路無感支付ETC收費通道的短程通信的基帶處理，能夠接收基帶處理模塊5.8 GHz射頻收發模塊的處理信息。基帶處理模塊與5.8 GHz射頻收發模塊共同連接電源控制模塊，能夠為ETC射頻模塊持續輸送電量，通過5.8 GHz的射頻收發模塊還可連接天線單元，實現無線通信鏈路的建立，為高速公路無感支付ETC收費系統提供高頻率、遠距離、傳輸快、抗干擾能力強且信道純凈的遠程通信渠道。ETC射頻模塊及微波智能天線裝置運用了正交頻分復用技術(OFDM)和點對點的組網方式，速率高達54 Mbps，支持多個車主用戶同時性的信息采集和信道部署，為收費系統提供高達432 Mbit/s的共享吞吐量。ETC射頻模塊技術使用ASK的調制方式，發射功率維持在4～15 dBm，發生功率等射頻參數如表1所示[3]。

表1 ETC射頻模塊的射頻參數

5.2 圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術

高速公路無感支付ETC收費系統的應用基礎為車牌號識別，ETC收費系統的車牌號識別運用了邊緣計算技術、深度神經網絡技術、圖像處理技術，滿足了收費系統車牌號信息低時延、高精度的識別需求。圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術主要包括圖像預處理、車牌號粗定位、車牌號細識別、卷積處理、字符識別等模塊。通過高速高清攝像機的視頻接口提取關鍵幀，運用高斯平滑、中值濾波、X向sobel濾鏡等數學運算方式將關鍵幀進行圖像預處理，若車牌號成功完成粗定位，便開展車牌號信息的精細識別和卷積處理，最后進行任務卸載至云服務器；如果車牌號在輪廓查找和面積篩選等方式下依然未完成粗定位，就需要直接卸載、結束識別。此技術為高速公路無感支付ETC收費系統提供了邊緣處理技術支持，并且能夠持續應對到2025年前高速公路智能運行系統對邊緣計算和人工智能的要求。

5.3 高速公路收費通道車輛檢測傳感技術

基于無感支付下的高速公路收費通道從入口到出口都需要裝配檢測樁、識別區和欄桿機，檢測樁內部運用了光幕傳感器，兩個檢測樁分別連接了車牌識別系統和圖像處理系統，收費通道的識別區地面嵌入了地磁傳感器，以此精準識別過往車輛型號和通行信息。車輛檢測傳感技術通過運用光幕傳感器，能夠有效解決跟車現象，將小型汽車、半掛車、全掛車進行分離，確保收費信息與車輛司機的無感支付繳費信息相一致。檢測傳感技術在強光、暴雨、暴雪、濃霧、高溫等惡劣氣候條件下依然能夠正常運作，并且車輛檢測傳感設備的維修與保養便捷，在不封閉車道的條件下就能實現對傳感器的檢查與維護。高速公路無感支付ETC收費通道運用車輛檢測傳感技術可以準確識別車輛的行駛方向、車軸數、底盤高度、側面輪廓、車頭間距和排隊長度等參數，誤檢率低，可精準無誤地檢測車輛車型和車牌等具體信息[3]。

5.4 高速公路收費通道入口誤闖智能報警技術

高速公路無感支付ETC收費系統所應用的入口誤闖智能報警設備裝配在通道一側的安全島。安全島上分別設置了紅外線報警器和地感線圈，報警器與車輛檢測器、欄桿機相連接。當行人、非機動車輛、摩托車、不合規運輸車輛等通過會立即開啟紅外線報警器，以此實現誤闖報警，避免行人和非法運營車輛進入高速公路。高速公路收費通道入口誤闖智能報警系統運用了兩個紅外線報警器，有效避免因一個報警器無法正常開啟報警反應而影響高速公路的車輛運行秩序，使智能報警系統始終處在高效工作狀態，實現更精確的報警。在高速公路封閉的情況下，即使有車輛接觸到地感線圈，欄桿機也會持續保持關閉；當未檢測到異常車輛和特殊情況，欄桿機始終保持敞開狀態，以提高車輛的通行能力和用戶的無感支付體驗[4]。

6 基于無感支付的高速公路ETC測試

6.1 收費系統測試方法

基于無感支付的高速公路ETC收費系統測試需要全方位測試系統的各個工作模塊和運行維度，需要對系統的用戶端、車輛檢測、車輛信息識別、數據傳輸、ETC射頻、視頻采集、現場識別等進行全面測試，準確測試系統各個層面的正常或異常情況，以此確保高速公路無感支付ETC收費系統的高效穩定運作。收費系統為模塊測試和集成測試相統一的測試方法，對各項軟硬件和系統模塊進行粒度測試，以及對系統整體運作情況的集成測試，使測試結果符合系統設計需要。

6.2 收費系統測試結果

通過對高速公路無感支付ETC收費系統的測試，用戶端的注冊登錄、車主信息、車牌號信息綁定等功能正常，用戶信息均可完整傳輸到數據庫中心；用戶端的通行費計算、收費點查詢、出行導航等功能正常，通行費金額計算準確；用戶端的訂單支付模塊的預約支付和現場支付功能正常，可便捷快速的完成訂單的無感支付。高速公路無感支付ETC收費系統的的視頻采集能夠精準抓拍車輛圖像，視頻監控可實時顯示視頻畫面，車牌識別模塊的識別準確率高達99.9%。同時，高速公路無感支付ETC收費系統的信號傳遞、高清高速攝像頭、系統報警、ETC射頻、圖像處理、信息采集、計費顯示器等模塊均可正常運作，收費系統各項程序的故障率也極低，能夠滿足用戶無感支付、快速通行的需求。

6.3 車輛通行能力仿真

對高速公路無感支付ETC收費系統測試完成后，還需要模擬和仿真車輛的通行情況，本系統測試運用MATLAB仿真軟件，通過模擬車輛的通行與收費情況來更全面的檢測收費系統性能。首先需要設定仿真通行參數，得出具體的車輛通行能力的數值。

(1)

式中：γ為車輛的通行能力；ta為車輛的駛入時間；tb為車輛的駛離時間。

通行能力仿真還需要設定收費通道的寬度、收費點的距離、車輛平均長度、車輛安全通行距離以及車輛應急反應時間等參數，模擬車輛在1 h內的通行能力，并與高速公路傳統ETC收費系統作對比。通過車輛通行能力的仿真模擬，能夠明確看出高速公路無感支付ETC收費系統的各項程序和模塊的運行水平和車輛的通行能力均強于傳統ETC收費系統。

7 結 語

高速公路ETC收費系統運用無感支付技術是一項符合智能交通理念的發展路徑，能夠切實提升高速公路的管理水平和智能化服務水平。本項收費系統運用了ETC射頻模塊及微波智能天線裝置、圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術、高速公路收費通道車輛檢測傳感技術和高速公路收費通道入口誤闖智能報警技術，能夠精準識別過往車輛的車牌號和車主信息，及時將信息傳遞數據庫中心，在短時間內為用戶形成繳費訂單，以此不斷提高高速公路收費系統的運轉效率和車輛通行能力。