基于物聯網的高速公路自助繳費系統設計與應用

唐文娟，蒙敏剛，周宜儐

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

據統計[1]，全國ETC用戶總數達到2.04億，廣西八桂行ETC累計用戶已超過600萬，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，也需要采用人工收費模式。目前，廣西高速公路收費模式以ETC(不停車)自主收費系統為主，MTC(停車)半人工收費為輔。眾所周知，普通車使用MTC車道需要停車繳費，現金支付的方式在找零、核對現金真偽的過程中耗費大量時間，尤其在大車流量情景下，增加了擁堵的風險，使高速公路運營通行效率得不到有效提升；ETC(不停車)收費系統也存在諸如手續繁瑣、需要在指定地點依賴專業人員安裝等問題[2]。

物聯網技術是互聯網的拓展和延伸，是新時期全面實現多終端互相連接的智能型網絡[3]。建設基于物聯網的高速公路自助繳費系統，無須收費站人員值守，也不必安裝指定的ETC，司乘人員可以直接采用移動支付或刷卡等非現金方式進行自助繳費，在惡劣環境下同樣適用，還能在一定程度上緩解偏遠收費站招聘難的局面，最終實現高速公路基于物聯網的快捷支付，滿足人們多種便捷支付的需求，從而加快信息技術與交通行業的深度融合，實現高速公路收費過程的自動化和智能化。

1 系統概述

自助繳費系統集成了ETC車道和MTC收費車道的功能，應用在高速公路收費站出口，主要技術方案為“物聯網+移動支付+車輛特征智能識別”模式，通過集成各種外設設備、連接多種服務和外部系統，利用4G/5G無線通信技術進行物聯網通信，將車牌識別裝置和車型識別裝置提取車輛特征信息、通行卡或所刷的CPC卡內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，統一匯聚到聯網中心平臺，由后臺統一對數據進行梳理分析處理，完成車輛信息自動獲取、自主完成計費以及處理大部分常遇到的特情，如入口無效、入口時間無效、入口狀態無效、無通行介質、ETC余額不足、OBU拆卸、OBU未啟用、ETC卡未啟用、全國黑名單、OBU黑名單、ETC卡黑名單、區域黑名單、綠通車輛等，實現司乘人員完成出口車道自助繳費和通行的目的。系統設備連接如下頁圖1所示。

圖1 系統設備連接示意圖

2 系統設計

自助繳費系統覆蓋外圍設備控制、業務數據聯動、自主計費、移動支付等收費管理內容，形成數據互聯互通、業務協同共享、智慧便捷的收費管理信息化體系，實現司乘人員自助完成繳費。系統包括自助繳費一體機系統、車型車牌信息識別兩大子系統。系統架構圖如下頁圖2所示。

圖2 系統架構圖

2.1 自助繳費一體機系統

自助繳費一體機系統是自助繳費系統的核心子系統，該系統基于取消省界站業務而開發，支持跨省車輛通行和繳費，主要依托自助繳費一體機，含有機箱、讀寫、控制、移動支付、打印等裝置，可以根據車型及業務辦理情況，自動控制上下層卡務收縮或伸長，具備基于物聯網的自助繳費功能。整個子系統主要包括人機交互模塊、計費模塊、外設控制模塊、數據傳輸模塊、收卡模塊、流程控制模塊、車輛信息模塊、移動支付模塊、票據打印模塊。

2.1.1 人機交互模塊

車輛通行自助繳費車道時，需要自主完成繳費操作，系統設計支持司乘人員完成常規操作；卡機有收卡功能，遇到讀卡失敗或異常情況時可以完成退卡；系統配備了用戶屏幕，用于顯示相關提示信息，如車輛信息、通行信息、計費信息、下一步操作等，同時配合語音提示器，司乘人員可輕易地完成整個自助繳費過程。

2.1.2 計費模塊

為保證計費的準確性，系統沿用混合車道的計費邏輯，支持卡內計費、在線計費、兜底計費等計費方式。三種計費方式按照先后順序使用，確保計費完成。其中兜底計費即全網最小費額計費，使用該計費方式時需要班長授權通過。為了應對由于復雜的路網情況產生的U轉通行收費站計費，極大提高了系統計費的靈活性，保證了司機和收費站的權益，減少由于計費不準確而產生的糾紛和不良社會影響。

2.1.3 外設控制模塊

自助繳費一體機系統含有混合車道的外設，包括讀寫器天線、打印機、掃碼設備、線圈、報警燈、欄桿機、費顯、雨棚燈、收費員操作接口等。系統集成上述外設以完成車輛信息的獲取以及收費業務的交互，同時整合自助繳費系統特有的外設卡機、用戶屏幕、語音提示器等，以完成自助繳費的功能。

2.1.4 數據傳輸模塊

數據傳輸包含兩部分：(1)交易數據、牌識數據、監控數據、設備狀態數據等按要求及時上報給路段中心、省中心以及部中心，以支持監控、在線計費以及清分等后臺業務；(2)自助繳費車道需要定時接收省中心的各類數據，以支撐系統的業務處理，這其中包含OBU黑名單、卡黑名單、車輛黑名單、車型庫、費率版本、最小費額版本等數據模塊的同步。另外，自助計費系統需要向省中心定時檢查軟件版本，如有新版本則自動下載，并提示收費員升級。

2.1.5 收卡模塊

支持薄卡、厚卡的回收，能夠區分異常卡和正常卡片，能夠將異常卡如壞卡、不能識別卡片、電量低卡片等區分至異常卡盒，將異常卡與正常卡片分開。司乘人員將卡片推送至卡片回收入口后，系統自動識別卡片，區分篩選回收到各自卡片回收箱，非法卡片不執行回收操作。

2.1.6 流程控制模塊

流程控制是整個自助繳費系統的關鍵模塊，其通過搜集外界事件觸發不同的操作，完成自助繳費過程。如車輛到達時，伸出面板并提示司乘人員插卡；檢測到插卡完成后，開始讀卡內信息，進行車輛信息判斷；計費成功后提示用戶開始繳費；獲取二維碼后向后臺發起扣款，最終完成整個自助繳費過程。流程控制同時包含各種異常情況的處理，如系統判定車輛信息不一致時，發出報警，由人工介入處理。

2.1.7 移動支付模塊

系統支持多種支付方式，確保司機能正常完成繳費。支付方式包括刷卡支付、銀聯QUICK PASS、APPLE PAY、NFC及二維碼移動支付等。刷卡支付支持ETC卡、八桂行卡、儲值卡、記賬卡等銀行卡進行刷卡支付。司機向收費站提供銀行卡進行消費時，消費核算后，即可向消費者發出支付請求，完成支付密碼后，銀行會對消費者進行扣款，進而完成支付。而選擇ETC卡進行支付時，消費者無須輸入密碼，系統會自動扣除收費。使用移動支付支持微信付款和支付寶付款時，司機只需要打開微信或者支付寶APP，將手機對準支付區域，掃描付款碼即可完成支付。系統同時支持MTC車輛采用ETC電子錢包支付，以及ETC車輛余額不足時，轉移動支付的場景。

2.1.8 車輛信息管理模塊

該模塊充分利用車牌識別設備與車型識別器識別的車輛信息、OBU內車輛信息以及車型庫信息，通過比對、判斷車輛信息的一致性，以保證計費的準確性。

2.1.9 票據打印模塊

打印輸出模塊采用定制TM80型號專用打印機，兼容新方案的發票打印，支持金融交易憑條、票據輸出的打印輸出，同時具備票據自動回收功能，票據伸出狀態下超時則自動回收票據。

2.2 車型車牌識別系統

車型識別是計費的關鍵，直接影響到收費的準確性。車牌識別的結果也影響發票的正常開具，若信息不準確，出現收費員干預的過程勢必延長收費時長，極易導致擁堵甚至引發糾紛。因此，需要對車型、車牌等信息進行精準識別。

2.2.1 車型識別

現有的車型識別方法包括線圈感應識別、視頻圖像檢測[4]等，由于受天氣、外界因素的干擾，這兩種方法的識別準確率均不高。為提高車型識別準確率，本系統采用三個激光雷達對駛入區域的車輛進行檢測，如圖3所示。其中，激光檢測器A1、A2用于測量車輛的寬度和高度，激光檢測器B用于測量車輛的長度并提供車側圖。激光雷達返回的點云數據，經過外輪廓軟件進行分析，對目標識別、跟蹤和結果匹配后，運算輸出測量結果。此外，系統加入車輛側圖并利用多個車型來源進行綜合判定，以確保車型識別的準確率。車輛的車型來源有車型識別器的結果、車型庫的車型結果、通行介質內的車型結果，綜合以上信息，同時根據各個來源的置信度，得出準確率最高的車型。

圖3 車型檢測示意圖

2.2.2 車牌識別

車牌識別算法已較為成熟，在單一簡單背景下，識別準確率能夠達到98%以上。然而，在實際高速公路復雜場景下，受車輛車牌自身污垢、車輛遮擋、光線等因素影響，車牌識別準確率大打折扣，尤其是在收費出口，存在車牌識別不準導致扣費不正常、發票信息有誤等一系列問題。

針對上述情況，本系統車牌識別系統先快速定位到車牌位置，接著采用外接矩陣結合提取輪廓的方法對車牌字符進行分割，最后通過AI神經網絡模型對字符進行識別，通過增量學習，不斷調整模型參數。該方法抗干擾能力強，識別快速、準確。此外，系統將識別結果與卡內入口車牌信息進行對比，通過對比，再次保證車牌識別的準確性。

3 系統試點應用情況

招商公路廣西桂林分公司作為高速公路管理運營單位，于2021年6月在靈川西收費站使用“基于物聯網的高速公路自助繳費系統”，經過調試，系統于2021年8月初開始試運行。本文截取2021年8～11月的運行數據，重點對車輛正常交易通過率、車牌、車型識別準確率等關鍵指標進行統計分析。車輛收費交易情況如表1所示。

表1 車輛收費交易情況一覽表

從表1統計數據及相關計算分析得出：使用“基于物聯網的高速公路自助繳費系統”，從試運行起的連續4個月內，一共通行17 701輛車，交易失敗169輛車，主要原因是移動支付網絡異常導致支付異常，因車輛車牌識別和車型識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統計計入車輛識別異常，經過人工確認均能交易成功，自助繳費一體機的總體交易成功率維持在99%以上，使用三激光雷達進行車型檢測識別準確率超過99.5%，達到預期效果。

4 結語

本文探討了基于物聯網的自助繳費系統的設計與應用，該套系統作為一種新型高速公路收費產品，融合了物聯網、移動支付、人工智能、激光雷達等新技術，適用于MTC和ETC車道，其不僅滿足了人們出行便捷的需求，同時降低了運營單位人力成本，提質增效，符合未來發展趨勢，可以促進廣西現代交通行業智能化發展，是實現高速公路收費站無人值守的重要手段。