基于機(jī)動車電子標(biāo)識的高速公路自由流收費(fèi)系統(tǒng)研究

高 潮 楊劍凌 李 陽

江蘇長天智遠(yuǎn)交通科技有限公司 江蘇南京 210036

國家發(fā)改委、交通運(yùn)輸部于2019年6月聯(lián)合印發(fā)的《加快推進(jìn)高速公路電子不停車快捷收費(fèi)應(yīng)用服務(wù)實(shí)施方案》中提出，年底高速公路不停車快捷收費(fèi)率達(dá)到90%。2020年1月1日0時我國高速公路完成取消高速公路省界收費(fèi)站工程全網(wǎng)并網(wǎng)切換，全網(wǎng)系統(tǒng)采用分段式計(jì)費(fèi)方式，通過對入口車道系統(tǒng)、ETC門架系統(tǒng)、出口車道系統(tǒng)、全網(wǎng)清分結(jié)算系統(tǒng)及其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行升級完善，實(shí)現(xiàn)“一次通行、一次扣費(fèi)、一次告知和點(diǎn)亮出口費(fèi)顯”。經(jīng)過5個月左右的系統(tǒng)磨合，2020年5月全網(wǎng)恢復(fù)通行費(fèi)收取，高速公路收費(fèi)系統(tǒng)正逐步邁向穩(wěn)定、實(shí)用的新階段。

1 現(xiàn)有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)現(xiàn)狀

據(jù)實(shí)時門架和收費(fèi)站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，目前ETC設(shè)備的使用率不足70%，仍有超過30%的車輛采用CPC卡的方式通行，離《加快推進(jìn)高速公路電子不停車快捷收費(fèi)應(yīng)用服務(wù)實(shí)施方案》中要求的90%以上的ETC使用率有一定的距離；ETC應(yīng)用中圖像車牌識別的成功率約為98%，但在CPC應(yīng)用、極端惡劣天氣及黑夜場景下圖像識別成功率較低；RSU天線捕獲OBU信號時，不能區(qū)分車道及車輛行駛速度，與圖像識別不能很好地關(guān)聯(lián)以形成完整的證據(jù)鏈和追繳依據(jù)；大量使用CPC卡的情形下對CPC卡的壽命要求較高，且卡片的調(diào)撥和儲運(yùn)帶來較高的運(yùn)營管理成本。

ETC使用過程中的一些不足之處，除通過改善使用環(huán)境，強(qiáng)化管理措施等手段外，還可以通過電子識別新技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證、補(bǔ)充。機(jī)動車電子標(biāo)識具有的唯一性、防篡改、防復(fù)用的特性，在高速行駛中可以進(jìn)行分車道機(jī)動車及其車速識別；利用機(jī)動車電子標(biāo)識能夠有效地進(jìn)行高速道路收費(fèi)管理，為高速道路的人車感知提供新的手段，為智慧高速的建設(shè)提供新的措施和方法。

自由流對高速公路收費(fèi)系統(tǒng)提出了更高的要求，其關(guān)鍵技術(shù)可以概括為以下兩點(diǎn)：一方面，快速流程交易，在滿足交易安全可靠的情況下對交易流程簡化，盡量減少路側(cè)單元與車載單元之間的數(shù)據(jù)交互，優(yōu)化各模塊的處理速度和模塊間數(shù)據(jù)傳輸時間，使單個車載完成交易的時間控制在20～30ms。另一方面，多天線同步協(xié)調(diào)，由于多天線覆蓋多條車道，為避免相鄰天線間信號互相干擾，將多個天線進(jìn)行同步，由一個控制中心來協(xié)調(diào)各天線的開關(guān)時隙，消除鄰道干擾。

2013年起，公安部交通管理科學(xué)研究所牽頭，聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)領(lǐng)軍科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品測試機(jī)構(gòu)及企業(yè)，共同起草制定汽車電子標(biāo)識系列國家標(biāo)準(zhǔn)，目前已有《機(jī)動車電子標(biāo)識通用規(guī)范第1部分：汽車》(GB/T 35789.1-2017)等6項(xiàng)國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)于2017年12月29日由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會正式發(fā)布，并于2018年7月1日實(shí)施。上述國家標(biāo)準(zhǔn)分別針對機(jī)動車電子標(biāo)識和電子標(biāo)識讀寫設(shè)備，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)到安裝、使用的全流程，明確了詳細(xì)技術(shù)要求、安全技術(shù)要求和使用規(guī)范。機(jī)動車電子標(biāo)識系列國家標(biāo)準(zhǔn)的起草和發(fā)布，引領(lǐng)我國超高頻RFID技術(shù)涉車應(yīng)用，使得各地電子標(biāo)識試點(diǎn)應(yīng)用具有可遵循的技術(shù)依據(jù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

縱觀基于超高頻RFID技術(shù)的電子車牌，具有可存儲數(shù)據(jù)(車輛標(biāo)識、車輛特征、車主信息等)，遠(yuǎn)距離讀取識別標(biāo)簽、可靠性高(讀取成功率高達(dá)99.99%以上)，可同時識別大量標(biāo)簽(最大每秒200個以上)，精準(zhǔn)識別高速運(yùn)動中的標(biāo)簽(移動識別速度可達(dá)100km/h以上)等優(yōu)點(diǎn)，加之公安部牽頭制定的國家標(biāo)準(zhǔn)在安全性、唯一性、防篡改等方面的優(yōu)勢，將逐步替代傳統(tǒng)車牌的識別方式，若能順利通過立法，將成為涉車領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的技術(shù)性變革。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

很多人把2019年稱作邊緣計(jì)算的元年，終端設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)若都上傳到云端進(jìn)行處理，會對云端造成巨大的壓力負(fù)擔(dān)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過負(fù)責(zé)自己范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲工作以分擔(dān)中心云節(jié)點(diǎn)的壓力。同時，大多數(shù)的數(shù)據(jù)并不是一次性數(shù)據(jù)，那些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)仍需要從邊緣節(jié)點(diǎn)匯聚集中到中心云，云計(jì)算通過大數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)共享，同時對算法模型不斷訓(xùn)練優(yōu)化，將優(yōu)化后的算法推送到前端進(jìn)行設(shè)備更新和升級，完成自主學(xué)習(xí)閉環(huán)。同時，這些數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行備份，當(dāng)邊緣計(jì)算過程中出現(xiàn)意外情況，存儲在云端的數(shù)據(jù)也不會丟失。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣計(jì)算與云計(jì)算技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用到高速公路收費(fèi)場景，邊緣服務(wù)器端負(fù)責(zé)車輛的識別、路徑擬合、費(fèi)率計(jì)算以及數(shù)據(jù)的存儲，而把收費(fèi)計(jì)算的結(jié)果上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器負(fù)責(zé)相應(yīng)的清分和結(jié)算。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)流程

基于車牌識別的邊云協(xié)同收費(fèi)系統(tǒng)是現(xiàn)有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的一個補(bǔ)充，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如下：

(1)車輛進(jìn)入入口車道，車道門架邊緣終端記錄車牌識別所識別的車輛信息，生成高速入口記錄并向臨近的門架發(fā)送一條收費(fèi)信息，為車輛可能途經(jīng)點(diǎn)做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。同時，門架邊緣終端向云端服務(wù)器發(fā)送一條途經(jīng)點(diǎn)信息；

(2)車輛經(jīng)過任意一個路徑點(diǎn)門架，門架邊緣終端記錄車牌識別所識別的車輛信息，與前一個門架傳送過來的收費(fèi)信息進(jìn)行對比，生成車輛到目前路徑點(diǎn)的完整收費(fèi)信息，并繼續(xù)向臨近的門架發(fā)送一條收費(fèi)信息，為車輛可能途經(jīng)點(diǎn)做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；

(3)車輛駛出出口車道時，車道門架邊緣終端獲取車牌識別所識別的車輛信息，查找出前一個門架傳送過來的收費(fèi)信息，形成一條該車輛的完整高速公路收費(fèi)信息，對該車輛進(jìn)行計(jì)費(fèi)并通過適當(dāng)?shù)姆绞饺缳M(fèi)顯或手機(jī)短信等方式通知車主，同時傳送到云端服務(wù)器進(jìn)行清分和結(jié)算；

(4)結(jié)算完成后，云端服務(wù)器向所有可能的途經(jīng)點(diǎn)的邊緣終端發(fā)送一條交易完成信息，各邊緣終端根據(jù)車輛實(shí)際經(jīng)過情況對未實(shí)際經(jīng)過的門架記錄進(jìn)行邏輯清理。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

相比較傳統(tǒng)的ETC/MTC(不停車收費(fèi)系統(tǒng))，基于車牌識別的邊云協(xié)同收費(fèi)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

(1)傳統(tǒng)的ETC/MTC收費(fèi)系統(tǒng)采用ETC/MTC卡片存儲通行數(shù)據(jù)的方式，收費(fèi)交易必須在有效的識別范圍內(nèi)完成，當(dāng)通行數(shù)據(jù)過大時，對交易數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生較大的影響進(jìn)而造成較多的特情。而基于車牌識別的邊云協(xié)同收費(fèi)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲在邊緣終端上，減少了空口數(shù)據(jù)傳輸量，縮短了交易距離，從而保證了交易數(shù)據(jù)的完整性；

(2)當(dāng)車輛途經(jīng)任何門架(出口、入口、途經(jīng)點(diǎn))時，傳統(tǒng)的ETC/MTC收費(fèi)系統(tǒng)對車輛的識別都采用開集識別的方式，在此種情況下識別率得不到有效保證。而基于車牌識別的邊云協(xié)同收費(fèi)系統(tǒng)除入口門架是開集識別外，后面的所有門架都將使用前序門架的數(shù)據(jù)作為參考，相當(dāng)于在有限的閉集中識別，識別率將大大提高；

(3)由于邊云協(xié)同收費(fèi)系統(tǒng)中各門架會主動向下一個可能的途經(jīng)點(diǎn)發(fā)送收費(fèi)信息。對于出口門架而言，當(dāng)車輛經(jīng)過前序門架時，完整的收費(fèi)信息已經(jīng)生成并已傳送到出口門架，當(dāng)車輛經(jīng)過出口門架時，只需查找到相應(yīng)的收費(fèi)記錄就能完成收費(fèi)交易，大大降低了出口門架邊緣終端的處理時間。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)開發(fā)了基于車牌識別的邊云協(xié)同高速公路收費(fèi)原型系統(tǒng)，并在智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)進(jìn)行了系統(tǒng)功能測試。智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)

系統(tǒng)原型由路段中心系統(tǒng)、車道系統(tǒng)和門架系統(tǒng)組成，測試路徑規(guī)劃示意圖如圖4所示。

圖4 測試路徑規(guī)劃示意圖

通過對原型系統(tǒng)的交易時間、計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性、路徑擬合、數(shù)據(jù)的合規(guī)性進(jìn)行測試，觀察系統(tǒng)的功能和性能表現(xiàn)，具體的測試結(jié)果如下。

3.1 交易時間

通過測試經(jīng)過不同數(shù)量門架系統(tǒng)和天線設(shè)備數(shù)據(jù)交互完整過程的消耗時間，車道系統(tǒng)軟件與天線完成數(shù)據(jù)交互后直接打印輸出時間值，測試用例包括入口、出口及路徑中間門架信息。每組5個電子車牌，共測試3組，測試結(jié)果如表1所示。

表1 交易時間測試結(jié)果

3.2 計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性

驗(yàn)證不同車型的車輛在測試場測試路徑下交易處理和計(jì)費(fèi)是否正確，測試結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性測試結(jié)果 單位：元

3.3 路徑擬合

針對電子車牌識別過程中存在漏標(biāo)的情況，收費(fèi)系統(tǒng)能夠通過擬合路徑正確計(jì)費(fèi)，測試結(jié)果如表3所示。

表3 路徑擬合測試結(jié)果

注：√：電子車牌被天線正確識別；×：電子車牌未被天線識別。

3.4 數(shù)據(jù)合規(guī)性

通過檢查之前各項(xiàng)測試所產(chǎn)生的所有交易流水記錄，核對本地數(shù)據(jù)庫的交易數(shù)據(jù)格式是否正確，字段內(nèi)容是否合規(guī)。交易數(shù)據(jù)上傳至站級服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中后，測試數(shù)據(jù)是否能通過數(shù)據(jù)合規(guī)性校驗(yàn)，測試結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)合規(guī)性測試結(jié)果

3.5 測試結(jié)論

在系統(tǒng)測試期間，從原型系統(tǒng)的功能來看，系統(tǒng)運(yùn)行基本正常。在測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，車道和門架系統(tǒng)的入口、出口流程、路徑擬合、優(yōu)惠和特情處理等系統(tǒng)功能基本可以滿足使用要求。在數(shù)據(jù)方面，收費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)金額統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)審計(jì)等功能基本正常，可以滿足使用要求，從報表中反映出的數(shù)據(jù)與實(shí)際測試的數(shù)據(jù)吻合。

圖5 部分測試數(shù)據(jù)

結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)遇到的問題，利用車牌識別的唯一性、防篡改、防復(fù)用的特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于邊云協(xié)同的高速公路自由流收費(fèi)系統(tǒng)，并模擬高速公路收費(fèi)場景對系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在交易處理時間、車輛識別準(zhǔn)確率等方面較傳統(tǒng)的ETC/MTC有明顯改善，并且電子車牌在識別準(zhǔn)確率、識別距離、目標(biāo)運(yùn)行速度等方面達(dá)到高速公路自由流收費(fèi)的要求，完全滿足高速公路自由流收費(fèi)場景的應(yīng)用，為今后的高速公路運(yùn)營管理提供了一種新的方法。隨著車牌識別立法進(jìn)程的加速，此類應(yīng)用將有望投入實(shí)際使用并提高高速公路運(yùn)營管理的水平。