基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路自助繳費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐文娟，蒙敏剛，周宜儐

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，全國(guó)ETC用戶總數(shù)達(dá)到2.04億，廣西八桂行ETC累計(jì)用戶已超過(guò)600萬(wàn)，ETC用戶交易份額大幅度提升。但是出于各種原因，仍有不少車輛依然未安裝ETC。此外，ETC用戶未正常通行ETC車道時(shí)，也需要采用人工收費(fèi)模式。目前，廣西高速公路收費(fèi)模式以ETC(不停車)自主收費(fèi)系統(tǒng)為主，MTC(停車)半人工收費(fèi)為輔。眾所周知，普通車使用MTC車道需要停車?yán)U費(fèi)，現(xiàn)金支付的方式在找零、核對(duì)現(xiàn)金真?zhèn)蔚倪^(guò)程中耗費(fèi)大量時(shí)間，尤其在大車流量情景下，增加了擁堵的風(fēng)險(xiǎn)，使高速公路運(yùn)營(yíng)通行效率得不到有效提升；ETC(不停車)收費(fèi)系統(tǒng)也存在諸如手續(xù)繁瑣、需要在指定地點(diǎn)依賴專業(yè)人員安裝等問(wèn)題[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的拓展和延伸，是新時(shí)期全面實(shí)現(xiàn)多終端互相連接的智能型網(wǎng)絡(luò)[3]。建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路自助繳費(fèi)系統(tǒng)，無(wú)須收費(fèi)站人員值守，也不必安裝指定的ETC，司乘人員可以直接采用移動(dòng)支付或刷卡等非現(xiàn)金方式進(jìn)行自助繳費(fèi)，在惡劣環(huán)境下同樣適用，還能在一定程度上緩解偏遠(yuǎn)收費(fèi)站招聘難的局面，最終實(shí)現(xiàn)高速公路基于物聯(lián)網(wǎng)的快捷支付，滿足人們多種便捷支付的需求，從而加快信息技術(shù)與交通行業(yè)的深度融合，實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

1 系統(tǒng)概述

自助繳費(fèi)系統(tǒng)集成了ETC車道和MTC收費(fèi)車道的功能，應(yīng)用在高速公路收費(fèi)站出口，主要技術(shù)方案為“物聯(lián)網(wǎng)+移動(dòng)支付+車輛特征智能識(shí)別”模式，通過(guò)集成各種外設(shè)設(shè)備、連接多種服務(wù)和外部系統(tǒng)，利用4G/5G無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信，將車牌識(shí)別裝置和車型識(shí)別裝置提取車輛特征信息、通行卡或所刷的CPC卡內(nèi)記錄的車輛特性信息、OBU黑名單、卡黑名單、車輛黑名單等信息，統(tǒng)一匯聚到聯(lián)網(wǎng)中心平臺(tái)，由后臺(tái)統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分析處理，完成車輛信息自動(dòng)獲取、自主完成計(jì)費(fèi)以及處理大部分常遇到的特情，如入口無(wú)效、入口時(shí)間無(wú)效、入口狀態(tài)無(wú)效、無(wú)通行介質(zhì)、ETC余額不足、OBU拆卸、OBU未啟用、ETC卡未啟用、全國(guó)黑名單、OBU黑名單、ETC卡黑名單、區(qū)域黑名單、綠通車輛等，實(shí)現(xiàn)司乘人員完成出口車道自助繳費(fèi)和通行的目的。系統(tǒng)設(shè)備連接如下頁(yè)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備連接示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自助繳費(fèi)系統(tǒng)覆蓋外圍設(shè)備控制、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、自主計(jì)費(fèi)、移動(dòng)支付等收費(fèi)管理內(nèi)容，形成數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同共享、智慧便捷的收費(fèi)管理信息化體系，實(shí)現(xiàn)司乘人員自助完成繳費(fèi)。系統(tǒng)包括自助繳費(fèi)一體機(jī)系統(tǒng)、車型車牌信息識(shí)別兩大子系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下頁(yè)圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 自助繳費(fèi)一體機(jī)系統(tǒng)

自助繳費(fèi)一體機(jī)系統(tǒng)是自助繳費(fèi)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于取消省界站業(yè)務(wù)而開(kāi)發(fā)，支持跨省車輛通行和繳費(fèi)，主要依托自助繳費(fèi)一體機(jī)，含有機(jī)箱、讀寫(xiě)、控制、移動(dòng)支付、打印等裝置，可以根據(jù)車型及業(yè)務(wù)辦理情況，自動(dòng)控制上下層卡務(wù)收縮或伸長(zhǎng)，具備基于物聯(lián)網(wǎng)的自助繳費(fèi)功能。整個(gè)子系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互模塊、計(jì)費(fèi)模塊、外設(shè)控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、收卡模塊、流程控制模塊、車輛信息模塊、移動(dòng)支付模塊、票據(jù)打印模塊。

2.1.1 人機(jī)交互模塊

車輛通行自助繳費(fèi)車道時(shí)，需要自主完成繳費(fèi)操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持司乘人員完成常規(guī)操作；卡機(jī)有收卡功能，遇到讀卡失敗或異常情況時(shí)可以完成退卡；系統(tǒng)配備了用戶屏幕，用于顯示相關(guān)提示信息，如車輛信息、通行信息、計(jì)費(fèi)信息、下一步操作等，同時(shí)配合語(yǔ)音提示器，司乘人員可輕易地完成整個(gè)自助繳費(fèi)過(guò)程。

2.1.2 計(jì)費(fèi)模塊

為保證計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)沿用混合車道的計(jì)費(fèi)邏輯，支持卡內(nèi)計(jì)費(fèi)、在線計(jì)費(fèi)、兜底計(jì)費(fèi)等計(jì)費(fèi)方式。三種計(jì)費(fèi)方式按照先后順序使用，確保計(jì)費(fèi)完成。其中兜底計(jì)費(fèi)即全網(wǎng)最小費(fèi)額計(jì)費(fèi)，使用該計(jì)費(fèi)方式時(shí)需要班長(zhǎng)授權(quán)通過(guò)。為了應(yīng)對(duì)由于復(fù)雜的路網(wǎng)情況產(chǎn)生的U轉(zhuǎn)通行收費(fèi)站計(jì)費(fèi)，極大提高了系統(tǒng)計(jì)費(fèi)的靈活性，保證了司機(jī)和收費(fèi)站的權(quán)益，減少由于計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的糾紛和不良社會(huì)影響。

2.1.3 外設(shè)控制模塊

自助繳費(fèi)一體機(jī)系統(tǒng)含有混合車道的外設(shè)，包括讀寫(xiě)器天線、打印機(jī)、掃碼設(shè)備、線圈、報(bào)警燈、欄桿機(jī)、費(fèi)顯、雨棚燈、收費(fèi)員操作接口等。系統(tǒng)集成上述外設(shè)以完成車輛信息的獲取以及收費(fèi)業(yè)務(wù)的交互，同時(shí)整合自助繳費(fèi)系統(tǒng)特有的外設(shè)卡機(jī)、用戶屏幕、語(yǔ)音提示器等，以完成自助繳費(fèi)的功能。

2.1.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸包含兩部分：(1)交易數(shù)據(jù)、牌識(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等按要求及時(shí)上報(bào)給路段中心、省中心以及部中心，以支持監(jiān)控、在線計(jì)費(fèi)以及清分等后臺(tái)業(yè)務(wù)；(2)自助繳費(fèi)車道需要定時(shí)接收省中心的各類數(shù)據(jù)，以支撐系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理，這其中包含OBU黑名單、卡黑名單、車輛黑名單、車型庫(kù)、費(fèi)率版本、最小費(fèi)額版本等數(shù)據(jù)模塊的同步。另外，自助計(jì)費(fèi)系統(tǒng)需要向省中心定時(shí)檢查軟件版本，如有新版本則自動(dòng)下載，并提示收費(fèi)員升級(jí)。

2.1.5 收卡模塊

支持薄卡、厚卡的回收，能夠區(qū)分異常卡和正常卡片，能夠?qū)惓？ㄈ鐗目ā⒉荒茏R(shí)別卡片、電量低卡片等區(qū)分至異常卡盒，將異常卡與正常卡片分開(kāi)。司乘人員將卡片推送至卡片回收入口后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別卡片，區(qū)分篩選回收到各自卡片回收箱，非法卡片不執(zhí)行回收操作。

2.1.6 流程控制模塊

流程控制是整個(gè)自助繳費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其通過(guò)搜集外界事件觸發(fā)不同的操作，完成自助繳費(fèi)過(guò)程。如車輛到達(dá)時(shí)，伸出面板并提示司乘人員插卡；檢測(cè)到插卡完成后，開(kāi)始讀卡內(nèi)信息，進(jìn)行車輛信息判斷；計(jì)費(fèi)成功后提示用戶開(kāi)始繳費(fèi)；獲取二維碼后向后臺(tái)發(fā)起扣款，最終完成整個(gè)自助繳費(fèi)過(guò)程。流程控制同時(shí)包含各種異常情況的處理，如系統(tǒng)判定車輛信息不一致時(shí)，發(fā)出報(bào)警，由人工介入處理。

2.1.7 移動(dòng)支付模塊

系統(tǒng)支持多種支付方式，確保司機(jī)能正常完成繳費(fèi)。支付方式包括刷卡支付、銀聯(lián)QUICK PASS、APPLE PAY、NFC及二維碼移動(dòng)支付等。刷卡支付支持ETC卡、八桂行卡、儲(chǔ)值卡、記賬卡等銀行卡進(jìn)行刷卡支付。司機(jī)向收費(fèi)站提供銀行卡進(jìn)行消費(fèi)時(shí)，消費(fèi)核算后，即可向消費(fèi)者發(fā)出支付請(qǐng)求，完成支付密碼后，銀行會(huì)對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行扣款，進(jìn)而完成支付。而選擇ETC卡進(jìn)行支付時(shí)，消費(fèi)者無(wú)須輸入密碼，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)扣除收費(fèi)。使用移動(dòng)支付支持微信付款和支付寶付款時(shí)，司機(jī)只需要打開(kāi)微信或者支付寶APP，將手機(jī)對(duì)準(zhǔn)支付區(qū)域，掃描付款碼即可完成支付。系統(tǒng)同時(shí)支持MTC車輛采用ETC電子錢包支付，以及ETC車輛余額不足時(shí)，轉(zhuǎn)移動(dòng)支付的場(chǎng)景。

2.1.8 車輛信息管理模塊

該模塊充分利用車牌識(shí)別設(shè)備與車型識(shí)別器識(shí)別的車輛信息、OBU內(nèi)車輛信息以及車型庫(kù)信息，通過(guò)比對(duì)、判斷車輛信息的一致性，以保證計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性。

2.1.9 票據(jù)打印模塊

打印輸出模塊采用定制TM80型號(hào)專用打印機(jī)，兼容新方案的發(fā)票打印，支持金融交易憑條、票據(jù)輸出的打印輸出，同時(shí)具備票據(jù)自動(dòng)回收功能，票據(jù)伸出狀態(tài)下超時(shí)則自動(dòng)回收票據(jù)。

2.2 車型車牌識(shí)別系統(tǒng)

車型識(shí)別是計(jì)費(fèi)的關(guān)鍵，直接影響到收費(fèi)的準(zhǔn)確性。車牌識(shí)別的結(jié)果也影響發(fā)票的正常開(kāi)具，若信息不準(zhǔn)確，出現(xiàn)收費(fèi)員干預(yù)的過(guò)程勢(shì)必延長(zhǎng)收費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，極易導(dǎo)致?lián)矶律踔烈l(fā)糾紛。因此，需要對(duì)車型、車牌等信息進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。

2.2.1 車型識(shí)別

現(xiàn)有的車型識(shí)別方法包括線圈感應(yīng)識(shí)別、視頻圖像檢測(cè)[4]等，由于受天氣、外界因素的干擾，這兩種方法的識(shí)別準(zhǔn)確率均不高。為提高車型識(shí)別準(zhǔn)確率，本系統(tǒng)采用三個(gè)激光雷達(dá)對(duì)駛?cè)雲(yún)^(qū)域的車輛進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。其中，激光檢測(cè)器A1、A2用于測(cè)量車輛的寬度和高度，激光檢測(cè)器B用于測(cè)量車輛的長(zhǎng)度并提供車側(cè)圖。激光雷達(dá)返回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)外輪廓軟件進(jìn)行分析，對(duì)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤和結(jié)果匹配后，運(yùn)算輸出測(cè)量結(jié)果。此外，系統(tǒng)加入車輛側(cè)圖并利用多個(gè)車型來(lái)源進(jìn)行綜合判定，以確保車型識(shí)別的準(zhǔn)確率。車輛的車型來(lái)源有車型識(shí)別器的結(jié)果、車型庫(kù)的車型結(jié)果、通行介質(zhì)內(nèi)的車型結(jié)果，綜合以上信息，同時(shí)根據(jù)各個(gè)來(lái)源的置信度，得出準(zhǔn)確率最高的車型。

圖3 車型檢測(cè)示意圖

2.2.2 車牌識(shí)別

車牌識(shí)別算法已較為成熟，在單一簡(jiǎn)單背景下，識(shí)別準(zhǔn)確率能夠達(dá)到98%以上。然而，在實(shí)際高速公路復(fù)雜場(chǎng)景下，受車輛車牌自身污垢、車輛遮擋、光線等因素影響，車牌識(shí)別準(zhǔn)確率大打折扣，尤其是在收費(fèi)出口，存在車牌識(shí)別不準(zhǔn)導(dǎo)致扣費(fèi)不正常、發(fā)票信息有誤等一系列問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，本系統(tǒng)車牌識(shí)別系統(tǒng)先快速定位到車牌位置，接著采用外接矩陣結(jié)合提取輪廓的方法對(duì)車牌字符進(jìn)行分割，最后通過(guò)AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)字符進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)增量學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整模型參數(shù)。該方法抗干擾能力強(qiáng)，識(shí)別快速、準(zhǔn)確。此外，系統(tǒng)將識(shí)別結(jié)果與卡內(nèi)入口車牌信息進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比，再次保證車牌識(shí)別的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用情況

招商公路廣西桂林分公司作為高速公路管理運(yùn)營(yíng)單位，于2021年6月在靈川西收費(fèi)站使用“基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路自助繳費(fèi)系統(tǒng)”，經(jīng)過(guò)調(diào)試，系統(tǒng)于2021年8月初開(kāi)始試運(yùn)行。本文截取2021年8～11月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)車輛正常交易通過(guò)率、車牌、車型識(shí)別準(zhǔn)確率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。車輛收費(fèi)交易情況如表1所示。

表1 車輛收費(fèi)交易情況一覽表

從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算分析得出：使用“基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路自助繳費(fèi)系統(tǒng)”，從試運(yùn)行起的連續(xù)4個(gè)月內(nèi)，一共通行17 701輛車，交易失敗169輛車，主要原因是移動(dòng)支付網(wǎng)絡(luò)異常導(dǎo)致支付異常，因車輛車牌識(shí)別和車型識(shí)別異常需人工介入的車輛為147輛，其中因車牌和車型異常的車輛數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)入車輛識(shí)別異常，經(jīng)過(guò)人工確認(rèn)均能交易成功，自助繳費(fèi)一體機(jī)的總體交易成功率維持在99%以上，使用三激光雷達(dá)進(jìn)行車型檢測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò)99.5%，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的自助繳費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該套系統(tǒng)作為一種新型高速公路收費(fèi)產(chǎn)品，融合了物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)支付、人工智能、激光雷達(dá)等新技術(shù)，適用于MTC和ETC車道，其不僅滿足了人們出行便捷的需求，同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)單位人力成本，提質(zhì)增效，符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，可以促進(jìn)廣西現(xiàn)代交通行業(yè)智能化發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)站無(wú)人值守的重要手段。