ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)研究

孫艷雨

摘要：在概述我國2020年撤站后高速公路收費(fèi)系統(tǒng)分段式計(jì)費(fèi)運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出門架擬合代收及出口在線計(jì)費(fèi)等功能所存在的局限，進(jìn)而對(duì)高速公路ETC分段式自由流精準(zhǔn)收費(fèi)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析，并對(duì)包括激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)、相機(jī)和激光雷達(dá)混合觸發(fā)技術(shù)、信息融合匹配及AI識(shí)別技術(shù)等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)展開探索。最后比較分析了ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及運(yùn)行效益，以期為ETC分段式收費(fèi)系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：ETC分段式；自由流；路徑還原；在線計(jì)費(fèi)

1? ?ETC分段式計(jì)費(fèi)現(xiàn)狀

2019年我國高速公路省界收費(fèi)站全面取消，487個(gè)省界收費(fèi)站被拆除，同時(shí)新建起24588個(gè)ETC門架，自2020年開始，我國高速公路收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)入一張網(wǎng)時(shí)代。基于撤站背景，高速公路收費(fèi)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)分段式計(jì)費(fèi)，并依靠門架擬合代收及出口在線計(jì)費(fèi)等功能，旨在解決車載介質(zhì)所記錄收費(fèi)路徑和實(shí)際路面發(fā)生偏差而引發(fā)計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤的問題[1]。

門架擬合代收指的是車輛在通過ETC門架時(shí)，會(huì)由門架查驗(yàn)車載介質(zhì)中所記錄的前序次門架信息，如果存在沖突，則由臨時(shí)門架擬合代收通行費(fèi)，對(duì)前序遺漏門架做出一定程度的補(bǔ)充。出口在線計(jì)費(fèi)指的是車輛在駛離收費(fèi)站時(shí)，展開車載記錄總收費(fèi)額查驗(yàn)，如遇異常，則向云端發(fā)發(fā)出在線計(jì)費(fèi)指令，由在線計(jì)費(fèi)平臺(tái)重新計(jì)費(fèi)，并將計(jì)費(fèi)結(jié)果返回收費(fèi)站出口，確保收費(fèi)準(zhǔn)確。

以上收費(fèi)模式大大減少了高速公路通行費(fèi)漏收問題，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，出口在線計(jì)費(fèi)功能只在車載介質(zhì)所載通行費(fèi)額異常時(shí)才啟動(dòng)，而這一異常意味著省部級(jí)在線計(jì)費(fèi)平臺(tái)從ETC門架端所獲取的交易流水同樣存在問題。

以上計(jì)費(fèi)模式的運(yùn)行離不開牌識(shí)數(shù)據(jù)幫助，但牌識(shí)結(jié)果也不能保證100%的準(zhǔn)確性。此外，路網(wǎng)內(nèi)存在大量相似車牌號(hào)，為實(shí)現(xiàn)“ETC+牌識(shí)”信息流云端路徑的擬合，涉及到時(shí)間、空間等維度的運(yùn)作以及復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，還要求大量真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)算法有效性展開驗(yàn)證[2]。

現(xiàn)狀視頻技術(shù)因受到客觀環(huán)境的影響和制約，無法為ETC提供有效補(bǔ)充。例如，夜間門架補(bǔ)光條件有限，視頻系統(tǒng)抓拍存在一定差異；貨車等車輛牌號(hào)污損，抓拍效率很難保證；高亮牌、遮擋牌等特殊車輛使牌識(shí)無法展開。

2? ?精準(zhǔn)收費(fèi)系統(tǒng)方案

2.1? ?設(shè)計(jì)思路

結(jié)合當(dāng)前高速公路收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收費(fèi)，必須保證ETC門架對(duì)運(yùn)行車輛具備精準(zhǔn)的感知能力，并有效提升系統(tǒng)抓拍率，對(duì)抓拍圖像其余信息展開充分利用。此外，還必須提升門架前端數(shù)據(jù)質(zhì)量，以降低云端路徑擬合負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)ETC數(shù)據(jù)和牌識(shí)數(shù)據(jù)的前端匹配性。

基于以上思路，為實(shí)現(xiàn)門架前端ETC數(shù)據(jù)和牌識(shí)數(shù)據(jù)的精確匹配，本文提出依托既有ETC門架的ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)升級(jí)方案，并借助圖像ReID技術(shù)還原車輛真實(shí)路徑、實(shí)現(xiàn)云端信息交互。

該系統(tǒng)包括路側(cè)智能門架感知系統(tǒng)和云端路徑還原系統(tǒng)兩個(gè)組成部分。前者由RSU天線子系統(tǒng)、車輛激光檢測(cè)系統(tǒng)、牌識(shí)抓拍系統(tǒng)、門架工控機(jī)及數(shù)據(jù)處理配套軟件系統(tǒng)組成。其中，車輛的OBU/CPC、圖片及車牌信息通過智能門架獲取后自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化信息。該信息由數(shù)個(gè)智能門架構(gòu)成的門架群通過以太網(wǎng)向路中心、省中心傳輸，并流向路徑還原系統(tǒng)。后者則包括路徑還原服務(wù)器集群和軟件等模塊，用于接收、匹配、實(shí)時(shí)處理及應(yīng)用所接收的底層門架數(shù)據(jù)。

2.2? ?系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1? ?智能門架感知系統(tǒng)

該系統(tǒng)對(duì)內(nèi)主要采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接，通過所配置的專用網(wǎng)絡(luò)匯聚設(shè)備連接各子系統(tǒng)，并搭配安全防護(hù)，為系統(tǒng)穩(wěn)定通暢提供保證。對(duì)外則采取端口隔離設(shè)置，即僅對(duì)ETC門架開放使用端口，通過交互網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的減少，將數(shù)據(jù)串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)降至最低。智能門架感知系統(tǒng)布局如圖1所示。

其中，天線子系統(tǒng)也就是ETC交易系統(tǒng)，由定位RSU天線和專用控制器構(gòu)成，且各車道均配置1臺(tái)RSU定位天線，用于實(shí)現(xiàn)行車斷面的滿覆蓋和多目標(biāo)定位。待RSU定位天線和車載介質(zhì)間的無線通訊完成后，相關(guān)的位置信息和交易信息便隨即上傳門架工控機(jī)。

門架數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由工控機(jī)、溫度感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等構(gòu)成，各子系統(tǒng)位置、時(shí)間、車牌等數(shù)據(jù)的接收及多維度匹配均通過工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備實(shí)現(xiàn)。門架側(cè)圖片與ETC交易流水的精確匹配實(shí)現(xiàn)后，ETC交易信息和圖像特征信息數(shù)據(jù)融合也隨之實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而生成車輛特征信息，上傳云端服務(wù)器。

2.2.2? ?云端路徑還原系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括路徑還原服務(wù)器集群、軟件等，主要作用在于還原車輛路徑。通過服務(wù)器集群中的AI“車輛ReID”技術(shù)，對(duì)門架所上傳的車輛特征信息展開聚類處理，結(jié)合ETC交易信息、牌識(shí)信息與不同門架車輛信息展開匹配，達(dá)到還原車輛路徑的目的。

3? ?關(guān)鍵技術(shù)

3.1? ?激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

通過應(yīng)用當(dāng)前較為先進(jìn)的激光掃描檢測(cè)技術(shù)，可提升車輛檢測(cè)的準(zhǔn)確率。此類設(shè)備安裝過程簡便，對(duì)路面無破壞，可全天候準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)斷面車輛，對(duì)環(huán)境遮擋、不同應(yīng)用場(chǎng)景等均適應(yīng)。與ETC路側(cè)天線、毫米波雷達(dá)、相機(jī)、壓電傳感器、地感線圈等常規(guī)檢測(cè)器相比，其施工難度小，養(yǎng)護(hù)成本低，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，可擴(kuò)展性優(yōu)良。

3.2? ?相機(jī)和激光雷達(dá)混合觸發(fā)技術(shù)

常見的觸發(fā)技術(shù)包括相機(jī)視頻軟觸發(fā)、外部傳感器硬觸發(fā)兩類。激光雷達(dá)硬觸發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，鑒于其高定位精度，使激光雷達(dá)硬觸發(fā)的觸發(fā)率、準(zhǔn)確率均顯著提升。此外，定制軟件中觸發(fā)協(xié)議，可充分利用激光雷達(dá)高精度定位成果，快速鎖定車牌像素位置。將信息實(shí)時(shí)傳輸至相機(jī)，相機(jī)便可快速提取到車牌信息，得出精準(zhǔn)的牌識(shí)效果。

3.3? ?信息融合匹配技術(shù)

ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)在線計(jì)費(fèi)功能的有效性，離不開牌識(shí)數(shù)據(jù)，為此必須對(duì)兩者進(jìn)行匹配綁定。在通用牌識(shí)匹配技術(shù)下，用抓拍圖像牌識(shí)信息匹配ETC記錄內(nèi)的車牌信息時(shí)，因?yàn)闊o牌、臟牌、遮擋牌、高亮牌等偶然存在，相機(jī)牌識(shí)準(zhǔn)確率有限，ETC車載介質(zhì)內(nèi)存儲(chǔ)的牌識(shí)與物理牌識(shí)不符等原因，匹配率較為有限。

而應(yīng)用多維度信息融合匹配技術(shù)，借助激光雷達(dá)展開對(duì)車輛的高精度定位，并結(jié)合定位天線數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間等維度的精確匹配，綜合匹配率將提高至99%[3]。這一匹配過程在門架前端業(yè)已實(shí)現(xiàn)，有助于提升云數(shù)據(jù)質(zhì)量，使數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)大大降低。

3.4? ?AI識(shí)別技術(shù)

將邊緣機(jī)布設(shè)在站級(jí)機(jī)房或ETC門架處，在提取到抓拍圖像中的車輛外觀、牌識(shí)等特征信息后實(shí)時(shí)上傳云端，并借助ReID算法在還原系統(tǒng)中完成圖像信息聚類，從而有效實(shí)現(xiàn)牌識(shí)效果不良車輛的路徑還原。

3.5? ?系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)

結(jié)合建設(shè)規(guī)劃、項(xiàng)目預(yù)算，ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)必須分階段擴(kuò)展實(shí)施，以符合業(yè)務(wù)需求。使將激光雷達(dá)安裝在現(xiàn)狀ETC門架，可對(duì)車輛展開全天候精準(zhǔn)檢測(cè)。激光雷達(dá)還能向門架牌識(shí)系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)，確保其相機(jī)抓拍、牌識(shí)功能較好發(fā)揮。

智能門架型系統(tǒng)主要用于收費(fèi)系統(tǒng)自動(dòng)稽核偷逃通行費(fèi)方面，在將計(jì)數(shù)型門架升級(jí)成智能型系統(tǒng)后，ETC信息、激光信息、牌識(shí)信息便能在門架側(cè)精準(zhǔn)匹配。基于智能門架基礎(chǔ)引入路徑還原和AI識(shí)別計(jì)數(shù)后的路徑還原型系統(tǒng)，可通過ETC+REID技術(shù)還原出行車的真實(shí)路徑，保證系統(tǒng)實(shí)收費(fèi)額準(zhǔn)確。

4? ?系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及效益對(duì)比

4.1? ?系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)在ETC門架前端，即可精準(zhǔn)匹配交易流水信息和相機(jī)牌識(shí)信息，在云端路徑擬合算法的配合下，可實(shí)現(xiàn)門架信息在時(shí)間和空間兩個(gè)維度的串聯(lián)。在此基礎(chǔ)上依托AI圖像重識(shí)技術(shù)，對(duì)車輛圖像特征進(jìn)行串聯(lián)，保證了車輛真實(shí)路徑還原的準(zhǔn)確性，也為出口在線計(jì)費(fèi)提供了可靠信息。

該收費(fèi)系統(tǒng)還引入激光雷達(dá)，通過激光雷達(dá)和相機(jī)的混合觸發(fā)，使視頻抓拍性能顯著提升，也使斷面過車信息捕獲零缺漏得以實(shí)現(xiàn)。再加上時(shí)空多維度信息的精準(zhǔn)匹配與數(shù)據(jù)的去重處理，保證了斷面車流量計(jì)數(shù)結(jié)果的高準(zhǔn)確度。

常規(guī)單ETC門架升級(jí)為智能門架系統(tǒng)后，各項(xiàng)指標(biāo)取值與升級(jí)前的比較詳見表1。通過對(duì)系統(tǒng)升級(jí)前后運(yùn)行效率的比較看出，ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用后，車輛圖片捕獲率、車輛計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率均提高，特別是ETC圖像匹配率直接從0%提升至99.0%，運(yùn)行效果十分良好。

4.2? ?效益對(duì)比

ETC收費(fèi)系統(tǒng)升級(jí)后，綜合高速公路收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，通過構(gòu)建K-P數(shù)學(xué)模型以評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行效益。K-P數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

K-P數(shù)學(xué)模型主要依托車輛信息ETC系統(tǒng)捕獲率、交易成功率、牌識(shí)準(zhǔn)確率，以及在線計(jì)費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、省級(jí)收費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而構(gòu)建，模型中K表示ETC交易失敗的隨機(jī)程度，其取值越高，表示隨機(jī)程度越高；P表示所在路網(wǎng)可達(dá)道路的復(fù)雜程度，取值越高，路網(wǎng)越復(fù)雜。將高速公路實(shí)際通行數(shù)據(jù)代入模型中，便可測(cè)算出公路ETC收費(fèi)系統(tǒng)升級(jí)后所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

該收費(fèi)系統(tǒng)目前已經(jīng)在我國數(shù)個(gè)省市得到實(shí)施應(yīng)用，依托2021年全年ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)典型工況下的數(shù)據(jù)記錄樣本，所統(tǒng)計(jì)出的系統(tǒng)運(yùn)行效率如下：車輛計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率在99.58%～99.87%之間，OBU和CPC匹配率分別在99.03%～99.60%和93.66%～96.22%之間，車輛牌識(shí)捕獲率則位于99.69%～99.84%之間。

5? ?結(jié)束語

綜上所述，全國高速公路省界站項(xiàng)目的取消，對(duì)于我國高速公路運(yùn)行效率的提升、道路擁堵情況的緩解意義重大，為碳排放量的減少、全球氣候問題的改善做出了一定貢獻(xiàn)，同時(shí)也助推了ETC收費(fèi)業(yè)務(wù)向智能化、無人化、精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。

本文依托ETC門架網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)目前所存在的通行費(fèi)漏收等問題所提出的ETC分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)，具備門架精確感知及云端精確路徑還原功能，能實(shí)現(xiàn)精確路徑計(jì)費(fèi)，必將大力提升我國高速公路收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)營效率。

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