基于無感支付的高速公路ETC 設計方法

梁穗軍

（廣東利通科技投資有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

根據對既有電子收費系統和傳統ETC 系統支付方式的應用情況來看，ETC 已經在全國范圍內得到了迅速的推廣和使用，其與人工收費相比，無感支付的ETC系統具有高效、便利以及安全等的眾多優勢。但是，由于ETC 不停車電子收費系統安裝過程煩瑣，需要綁定車輛信息和銀行卡，很容易出現卡內余額不足、信息不符等問題。近些年來，隨著我國互聯網、物聯網等技術的發展，微信、花唄等移動APP 支付方式逐漸呈現多元化模式，與既有ETC 形成補充，可應用多個場景，切實提升高速公路管理水平。

1 案例概況

廣深高速公路北起于廣州市黃村立交，與廣州環城高速公路北段相接，南止于深圳市皇崗口岸附近，與深圳皇崗路相接，雙向六線行車，全線設有路燈照明，全長122.8km，寬33.1m，雙向6 車道、全封閉、全立交，限速為120km/h；2004 年12 月7 日納入聯網收費。

2 無感支付的高速公路ETC 系統

無感支付的高速公路ETC 系統組成如圖1 所示。

圖1 無感支付的高速公路ETC 系統組成

通過圖1 可以看出，無感支付的高速公路ETC 系統由入口檢測系統、出口檢測系統、智能感知平臺、車載OBU、車道處理、支付、識別系統以及風險監測系統組成。其中，入口監測系統和出口檢測系統又分別由車檢器、自動欄桿機、繳費顯示器、車道控制系統、聲光報警器以及通信等的系統組成。無感支付高速公路ETC可以自動切快速檢測過往高速公路收費站車輛的基本信息，保證過往車輛在80km/h 的行駛速度下實現不停車過收費口的目的[1]。

3 無感支付的ETC 設計方法

3.1 整體設計思路

無感支付的ETC 收費系統與傳統的ETC 收費系統截然不同，該系統指的是借助無感信息匹配平臺、用戶查詢平臺、信息采集服務器等軟件算法，確保過往車輛暢通無阻。基于無感支付的高速公路ETC 收費站的出口和入口都需要安裝可以快速識別車輛噸位、號牌的高清攝像頭、紅外線檢測器以及ETC 系統的射頻裝置。在ETC 車道安裝無感支付設備，快速幫助用戶形成無感支付訂單，車輛快速通過。此外，基于無感支付的ETC 收費系統還需要設置自動欄桿，如果無法準確判斷車主與賬戶余額信息，自動欄桿可及時攔截過往車輛，并快速且準確地切換至人工收費系統完成支付[2]。

3.2 框架設計

（1）應用層。應用層指的是用來體現車輛基本信息、行程信息以及賬戶信息的支撐系統，主要負責管理用戶基本信息，應用層需要與無感支付高速公路ETC收費系統連接，才能保證正常運行。

（2）中間層。中間層指的是ETC 高速公路收費口采集車輛信息的系統，該系統配備了信息采集裝置、車輛識別芯片以及服務端，車輛進入和出入高速公路收費站都需要與ETC 收費系統實現互聯。也就是說，當車輛進入ETC 收費通道之后，車輛與車牌識別系統和高清攝像頭等的模塊就會自動接收到微波傳感器傳來的感知信號，并開始運行。如果司機正是該車的車主，可按照車主賬戶信息自動完成繳費，并通過收費通道；如果司機不是該車的車主，也可以根據司機信息扣除相應費用[3]。

（3）感知層。感知層中設置的高清攝像機主要用來拍攝過往高速路口收費車道的高清圖像，5.8GHz 天線設備主要用來接收和發送車輛信息，并捕捉車輛的車載單元信息，快速完成識別一次扣費，自動欄桿機抬起，車輛快速通過。

3.3 收費系統接口與通信設計

無感支付的高速公路ETC 收費系統在硬件上集合了ETC 額無感支付的眾多優勢，可應用到更多的場景。該系統的接口與通信環節的設計，需要再既有收費系統的基礎上重新設置多個端口，并將主控制中心與高清攝像機、天線控制器、費用顯示器等的多個模塊進行連接，如圖2 所示。

圖2 無感支付的ETC 高速收費系統接口連接

無感支付的ETC 高速收費系統主要用來調控過往高速路口車輛的正常通行。串行接口需要根據實際情況與異步接口、字符疊加器以及稱重顯示器進行連接，異步通信接口對于數據的產生和傳輸方式有著極其嚴格的要求，需要與通信能力良好的RS485 進行連接，無感支付的ETC 收費系統分別融合了計算機技術、通信技術和數據庫技術等等，好比基于無感支付的ETC 高速收費系統的“大腦”。

（1）在本設計方案中，需要根據四線圈中高靈敏度的特點檢測車輛的通過情況，并同時與RS485 總線、ETC 系統以及無感高清攝像頭實現兼容，將車輛檢測器與地感檢測器連接，當檢測到車輛過往高速路口時，其內部電頻率發生變化，識別測量噸位、型號以及車主信息等。

（2）測量分離器采用紅外線技術掃描過往車輛，具有響應速度快、安全和穩定等的特點。

（3）無感高清攝像頭采用某攝像頭生產廠家生產的DS2CD4032FWD 型的高清夜視攝像頭，該攝像頭不僅響應速度快、不會出現延遲且能夠快速且準確地檢測到車輛到達收費站光前的車牌信息，還可以用作處理和降噪原始圖像，并在已經生成的圖像和視屏中介入疊加字符串，傳送至高清攝像頭信息存儲中心。

（4）通信模塊是基于無感支付高速公路ETC 系統的重要組成部分，按照通信協議將所有數據信息歸納為數據幀，統一反饋至ETC 收費系統控制中心。

（5）待RUS 在接收到天線控制器中傳來的車輛信息后，通過放大功率將車輛信息快速傳送至高速路收費站附近的互聯網基站，ETC 收費系統就可以與用戶的支付寶、微信或者花唄等的APP 連接，快速完成自動扣費。

通常情況下，移動、電信和聯通三大運營商都會在高速公路設有專門的通信網絡，該通信網絡采用GSMR二級結構，分別涉及移動匯接網TMSC 與本地移動網絡MSG。其中，在GSMR 的網絡設計環節，一個移動交換中心可匹配附近多個區域，對于車流較大的高速公路路口，比如本設計方案中的廣深高速公路可根據實際情況設置與之相對應數量的MSC 節點，對于車流較少的高速公路收費站，為降低建設成本，無須另外設置MSC 節點，只需GSMR 在通信網絡穩定的情況下滿足車輛快速通過高速路口即可。

3.4 系統主程序設計

無感支付ETC 收費系統，整個系統采用的是可視化的管理模式，該系統可以將傳統ETC 收費系統無法跟蹤的車輛信息、車道布置情量等的問題進行統一分析后，對經過高速公路收費站的車輛進行動態管理，提升車輛收費和通信效率[4]。

基于無感支付的高速公路ETC 收費系統，還具備自動采集、綜合分析、評估車輛、數據融合以及圖像識別等的能力。其中，數據融合與車輛識別技術是該系統的核心，也是構成該系統的關鍵所在。無感支付過程中，以準確采集和識別過往車輛信息，作為完成無感支付的主要步驟。隨著春節、五一和國慶等節假日車輛免費通過高速路口政策的出臺，因短時間內過往收費通道的車輛增加，為提高車輛的通信效率，文章分別利用圖像壓縮、編碼技術以及小波變換算法，縮短車輛識別時間，并利用小波函數對原始數據信息進行高分辨率分析，設無感支付原始圖像為g（x），如式（1）所示。

式中：τmn——小波函數系數；φm，n——小波變換函數；m，n——圖像的行，列。

其中，小波變換函數還可以通過式（2）表示。

小波函數系數可借助針腳分解方法進行處理，如式（3）所示。

車輛數據信息經過壓縮和正交分解后，識別效率大大提升，壓縮和正交分解要通過以下兩個步驟完成。

（1）對經過分解后的車輛數據信息進行再分解和編碼，以此獲得更加親戚視頻或者圖像。

（2）將經過變換后的小波信息輸入MSC 中，與車主手機建立聯系，完成高速公路收費支付。

系統主程序設計過程中，需要及時調整ETC 收費系統的歷史數據，與新的數據信息進行比對和完善如式（4）所示。

式中：ω——加權系數，取值范圍在0～1；ζk（t）——第k天和第t 時刻采集到的車輛數據信息。

通過時刻梯度數據加權處理方式可及時修復圖片或視頻由于時間排查而引起的信息不準確問題，以此減少和降低車輛通過收費車道時出現錯誤的概率。

4 無感支付的高速公路ETC 系統測試

4.1 測試目的

無感支付的高速公路ETC 系統測試的目的是保證高速公路收費系統正常與穩定運行的重要手段，通過對不同維度、模塊以及層次運行狀態的測試，可準確識別出無感支付的高速公路ETC 系統中存在的故障，滿足車輛高效、快速地通過ETC 收費車道。

4.2 測試方法

根據無感支付的高速公路ETC 系統自身的特點優勢，可實現對整個ETC 系統進行多角度測試，重點監測系統是否能夠正常運行。

4.3 系統功能測試

系統功能測試主要用來檢測ETC 系統各個硬件模塊、主控程序和子程序是否正常。通過對ETC 系統功能的測試得出：①軟件程序運行正常，無故障情況。②系統通信模塊正常，各項指標趨于穩定。③其他模塊運行正常，無異常情況，可滿足實際使用需求。

4.4 車輛通信能力仿真

本文借助Matlab 仿真軟件，模擬車輛通過車道收費口通行情況，并用來驗證無感支付高速公路ETC 收費系統的使用性能，設置車輛在1h 內的通行能力為通過式（5）表示。

式中：ta——車輛進入ETC 車道的時間；tb——車輛駛離ETC 車道的時間。

本文主要仿真了單位時間內（1h），車輛在不同行駛速度下通行的能力。通過仿真可以得出：基于無感支付的收費系統額ETC 收費系統全部與理想狀態接近，究其原因主要是由于該高速路口收費車道車輛較少。但是，在高峰時段，無感支付的高速公路ETC 收費系統的優勢和作用更加明顯，無感支付的高速公路ETC 收費系統有效解決了高速公路車輛通行擁堵、卡內余額不足、信息不對等問題，提高了車輛的通信效率。

5 無感支付系統安全性探討

無感支付系統安全主要包括數據交易安全和網絡安全，安全手段是多層次和全方位的，在無感支付系統的服務器端、客戶端和數據傳輸各個環節通過采取不同的安全措施，可有效保證系統的安全性，進而為用戶提供安全的網上支付服務。①服務器端安全。主要包括銀行系統、第三方支付系統安全，通過以上安全措施可控制非法用戶侵入、避免惡意攻擊，實現對服務器端的安全保護。②客戶端安全。主要由銀行和第三方支付服務提供商為用戶提供，包括圖形驗證、短信驗證以及信息驗證等。③數據傳輸安全。銀行端與商戶端通過專線或VPN 方式連接，利用HTTPS 協議進行交易或信息加密處理，保證數據傳輸的安全性。

6 結語

綜上所述，當前隨著我國人民物質生活水平的提升，高速公路總里程和汽車保有量與日俱增，而高速公路傳統的收費系統由于運行效率低下，逐漸成了高速公路車輛快速通過的一個重要因素，ETC 收費系統的適用性和普及性待提升。為此，本文在既有ETC 的基礎上融入無感支付技術，通過利用移動互聯技術的優APP 手機APP 支付的便捷性，拓寬了自動化繳費應用場景，顯著提升了高速公路ETC 收費系統整體的工作效率和水平。