基于機動車電子標識的高速公路自由流收費系統研究

高 潮 楊劍凌 李 陽

江蘇長天智遠交通科技有限公司 江蘇南京 210036

國家發改委、交通運輸部于2019年6月聯合印發的《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》中提出，年底高速公路不停車快捷收費率達到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站工程全網并網切換，全網系統采用分段式計費方式，通過對入口車道系統、ETC門架系統、出口車道系統、全網清分結算系統及其他相關系統進行升級完善，實現“一次通行、一次扣費、一次告知和點亮出口費顯”。經過5個月左右的系統磨合，2020年5月全網恢復通行費收取，高速公路收費系統正逐步邁向穩定、實用的新階段。

1 現有高速公路收費系統現狀

據實時門架和收費站的數據統計分析，目前ETC設備的使用率不足70%，仍有超過30%的車輛采用CPC卡的方式通行，離《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應用服務實施方案》中要求的90%以上的ETC使用率有一定的距離；ETC應用中圖像車牌識別的成功率約為98%，但在CPC應用、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，不能區分車道及車輛行駛速度，與圖像識別不能很好地關聯以形成完整的證據鏈和追繳依據；大量使用CPC卡的情形下對CPC卡的壽命要求較高，且卡片的調撥和儲運帶來較高的運營管理成本。

ETC使用過程中的一些不足之處，除通過改善使用環境，強化管理措施等手段外，還可以通過電子識別新技術進行驗證、補充。機動車電子標識具有的唯一性、防篡改、防復用的特性，在高速行駛中可以進行分車道機動車及其車速識別；利用機動車電子標識能夠有效地進行高速道路收費管理，為高速道路的人車感知提供新的手段，為智慧高速的建設提供新的措施和方法。

自由流對高速公路收費系統提出了更高的要求，其關鍵技術可以概括為以下兩點：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，盡量減少路側單元與車載單元之間的數據交互，優化各模塊的處理速度和模塊間數據傳輸時間，使單個車載完成交易的時間控制在20～30ms。另一方面，多天線同步協調，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，將多個天線進行同步，由一個控制中心來協調各天線的開關時隙，消除鄰道干擾。

2013年起，公安部交通管理科學研究所牽頭，聯合國內有關領軍科研機構、產品測試機構及企業，共同起草制定汽車電子標識系列國家標準，目前已有《機動車電子標識通用規范第1部分：汽車》(GB/T 35789.1-2017)等6項國家推薦性標準于2017年12月29日由國家標準化管理委員會正式發布，并于2018年7月1日實施。上述國家標準分別針對機動車電子標識和電子標識讀寫設備，從產品設計、生產、試驗到安裝、使用的全流程，明確了詳細技術要求、安全技術要求和使用規范。機動車電子標識系列國家標準的起草和發布，引領我國超高頻RFID技術涉車應用，使得各地電子標識試點應用具有可遵循的技術依據和產品標準。

縱觀基于超高頻RFID技術的電子車牌，具有可存儲數據(車輛標識、車輛特征、車主信息等)，遠距離讀取識別標簽、可靠性高(讀取成功率高達99.99%以上)，可同時識別大量標簽(最大每秒200個以上)，精準識別高速運動中的標簽(移動識別速度可達100km/h以上)等優點，加之公安部牽頭制定的國家標準在安全性、唯一性、防篡改等方面的優勢，將逐步替代傳統車牌的識別方式，若能順利通過立法，將成為涉車領域中一項重要的技術性變革。

2 系統總體設計

很多人把2019年稱作邊緣計算的元年，終端設備產生的大量數據若都上傳到云端進行處理，會對云端造成巨大的壓力負擔。邊緣計算節點通過負責自己范圍內的數據計算、存儲工作以分擔中心云節點的壓力。同時，大多數的數據并不是一次性數據，那些經過處理的數據仍需要從邊緣節點匯聚集中到中心云，云計算通過大數據分析挖掘、數據共享，同時對算法模型不斷訓練優化，將優化后的算法推送到前端進行設備更新和升級，完成自主學習閉環。同時，這些數據應進行備份，當邊緣計算過程中出現意外情況，存儲在云端的數據也不會丟失。

2.1 系統架構

邊緣計算與云計算技術相互結合應用到高速公路收費場景，邊緣服務器端負責車輛的識別、路徑擬合、費率計算以及數據的存儲，而把收費計算的結果上傳到云端服務器，云端服務器負責相應的清分和結算。其系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

2.2 系統流程

基于車牌識別的邊云協同收費系統是現有高速公路收費系統的一個補充，其系統數據流程如下：

(1)車輛進入入口車道，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送一條收費信息，為車輛可能途經點做數據準備。同時，門架邊緣終端向云端服務器發送一條途經點信息；

(2)車輛經過任意一個路徑點門架，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信息進行對比，生成車輛到目前路徑點的完整收費信息，并繼續向臨近的門架發送一條收費信息，為車輛可能途經點做數據準備；

(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信息，形成一條該車輛的完整高速公路收費信息，對該車輛進行計費并通過適當的方式如費顯或手機短信等方式通知車主，同時傳送到云端服務器進行清分和結算；

(4)結算完成后，云端服務器向所有可能的途經點的邊緣終端發送一條交易完成信息，各邊緣終端根據車輛實際經過情況對未實際經過的門架記錄進行邏輯清理。

圖2 系統數據流圖

2.3 系統特點

相比較傳統的ETC/MTC(不停車收費系統)，基于車牌識別的邊云協同收費系統具有以下特點。

(1)傳統的ETC/MTC收費系統采用ETC/MTC卡片存儲通行數據的方式，收費交易必須在有效的識別范圍內完成，當通行數據過大時，對交易數據的完整性產生較大的影響進而造成較多的特情。而基于車牌識別的邊云協同收費系統，數據存儲在邊緣終端上，減少了空口數據傳輸量，縮短了交易距離，從而保證了交易數據的完整性；

(2)當車輛途經任何門架(出口、入口、途經點)時，傳統的ETC/MTC收費系統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同收費系統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據作為參考，相當于在有限的閉集中識別，識別率將大大提高；

(3)由于邊云協同收費系統中各門架會主動向下一個可能的途經點發送收費信息。對于出口門架而言，當車輛經過前序門架時，完整的收費信息已經生成并已傳送到出口門架，當車輛經過出口門架時，只需查找到相應的收費記錄就能完成收費交易，大大降低了出口門架邊緣終端的處理時間。

3 系統測試與結果分析

為驗證系統的可行性，根據系統設計架構開發了基于車牌識別的邊云協同高速公路收費原型系統，并在智能網聯汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)進行了系統功能測試。智能網聯汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)如圖3所示。

圖3 智能網聯汽車自動駕駛封閉場地測試基地(泰興)

系統原型由路段中心系統、車道系統和門架系統組成，測試路徑規劃示意圖如圖4所示。

圖4 測試路徑規劃示意圖

通過對原型系統的交易時間、計費準確性、路徑擬合、數據的合規性進行測試，觀察系統的功能和性能表現，具體的測試結果如下。

3.1 交易時間

通過測試經過不同數量門架系統和天線設備數據交互完整過程的消耗時間，車道系統軟件與天線完成數據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，測試結果如表1所示。

表1 交易時間測試結果

3.2 計費準確性

驗證不同車型的車輛在測試場測試路徑下交易處理和計費是否正確，測試結果如表2所示。

表2 計費準確性測試結果 單位：元

3.3 路徑擬合

針對電子車牌識別過程中存在漏標的情況，收費系統能夠通過擬合路徑正確計費，測試結果如表3所示。

表3 路徑擬合測試結果

注：√：電子車牌被天線正確識別；×：電子車牌未被天線識別。

3.4 數據合規性

通過檢查之前各項測試所產生的所有交易流水記錄，核對本地數據庫的交易數據格式是否正確，字段內容是否合規。交易數據上傳至站級服務器數據庫中后，測試數據是否能通過數據合規性校驗，測試結果如表4所示。

表4 數據合規性測試結果

3.5 測試結論

在系統測試期間，從原型系統的功能來看，系統運行基本正常。在測試數據范圍內，車道和門架系統的入口、出口流程、路徑擬合、優惠和特情處理等系統功能基本可以滿足使用要求。在數據方面，收費數據、收費金額統計、數據傳輸、數據審計等功能基本正常，可以滿足使用要求，從報表中反映出的數據與實際測試的數據吻合。

圖5 部分測試數據

結語

本文根據現有高速公路收費系統遇到的問題，利用車牌識別的唯一性、防篡改、防復用的特性，設計并實現了基于邊云協同的高速公路自由流收費系統，并模擬高速公路收費場景對系統功能和性能進行測試。實驗表明，系統在交易處理時間、車輛識別準確率等方面較傳統的ETC/MTC有明顯改善，并且電子車牌在識別準確率、識別距離、目標運行速度等方面達到高速公路自由流收費的要求，完全滿足高速公路自由流收費場景的應用，為今后的高速公路運營管理提供了一種新的方法。隨著車牌識別立法進程的加速，此類應用將有望投入實際使用并提高高速公路運營管理的水平。