基于北斗技術的高速公路自由流省級云收費應用研究

李 旭，蒙敏剛

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著2020年全國高速公路取消省界收費站工程順利完成，全國高速公路實現“一張網”收費。由于采用各省門架獨立計費，出口統一收費的模式，單次收費金額增大，計費異常導致漏收少收的風險也在增大。例如，車輛在某些互通立交或收費站掉頭導致收費金額異常、硬件故障或改擴建施工導致門架停用產生二義性路徑等。與此同時，高速公路收費技術也在不斷發展，由“ETC+MTC半自動收費(人工處理MTC車輛)”向“ETC+自助收費終端(人工僅處理特情)”演進，最終逐漸過渡到自由流收費的模式，自動化程度不斷提高[1]。其中，“北斗技術+4G/5G+ETC”是未來自由流收費的主要技術方向。

已有相關研究[2-5]是基于高速公路取消省界收費站前的收費模式開展的，各省獨立計費收費，不適用于取消省界收費站后全國“一張網”的收費環境。此外，還存在如下不足：(1)需要將高清地圖下載到OBU中實現精確定位，而地圖數據量大、數據更新困難；(2)沒有考慮與現有收費模式的切換過渡問題；(3)沒有考慮車輛在車道中的通行順序控制、跟車控制等特情。本文結合取消高速公路省界收費站之后的收費環境，提出兼容現有收費模式、實現系統平穩過渡的北斗自由流省級收費方案。

1 北斗自由流云收費

1.1 北斗自由流云收費原理

與傳統收費控制不同，云收費的業務處理部署在站級邊緣云的收費車道系統集群，通過網絡與出入口車道設施遠程交互實現車輛通行控制。北斗自由流云收費通行原理如下：

如圖1所示，當安裝北斗自由流車載終端的車輛駛入入口車道，車道設備識別車輛并將車輛數據上傳至站級邊緣云；為了實現系統兼容過渡，站級邊緣云的收費車道系統集群控制入口RSU天線將ETC入口信息寫入車載終端的ETC模塊中并控制入口欄桿機起桿放行；車載設備ETC模塊記錄ETC入口信息后，打開北斗定位功能，開始記錄行駛定位數據。

車輛在高速公路行駛過程中，車載終端通過北斗定位模塊獲取定位信息，通過4G/5G通信模塊定時上傳定位數據至省級云平臺；省級云平臺根據定位數據進行路徑還原，映射到收費單元，完成通行費計算，實時同步計費結果到車輛通行方向最近收費站的站級邊緣云。

車輛行駛至出口車道，車道設備識別車輛并將車輛數據上傳至站級邊緣云；收費車道系統集群檢索從省級云平臺同步北斗計費數據，若該車輛的北斗計費數據正常，則生成出口流水并控制車道起桿放行車輛，省級云平臺接收到出口流水后，從綁定的賬戶自動扣費并推送扣費信息給用戶；若查不到北斗計費數據或數據異常，則控制出口RSU天線進行ETC出口交易，生成出口流水并控制車道起桿放行。出口交易完成后，車載終端關閉北斗定位功能。

1.2 兼容現有收費模式

2020年取消全國高速公路省界收費站之后，收費模式變成“全國一張網”，即ETC門架計費、出口收費站收取全程通行費、交通運輸部路網中心統一拆分給各省。因此，各省只能確定本省的通行費，對于多省通行的車輛必須通過全國“一張網”統一計費、統一拆分。在全國“一張網”的模式下，北斗自由流最終需要交通運輸部路網中心統一技術方案實施，才能實現全網通行。

因此，北斗自由流云收費的探索只能在省級路網范圍內實施，安裝北斗自由流車載終端的車輛在省內通行時，可基于北斗定位信息在云端進行路徑擬合完成收費。同時，北斗自由流的車載終端還需要兼容現有的ETC交易業務，保障車輛在多省通行時能正常收費。

1.3 系統建設方案(圖2)

圖2 北斗自由流省級云收費總體架構圖

1.3.1 車載終端

(1)北斗模塊：與北斗系統通信，實時獲取定位信息。

(2)4G/5G模塊：通過VPN將車輛實時定位數據、狀態數據、ETC數據回傳至省中心平臺。

(3)ETC模塊：實現ETC功能，兼容現有收費模式。

1.3.2 高速公路收費站改造

(1)土建車道不再部署車道收費工控機及系統。ETC天線、車牌識別儀、車道攝像機、分流屏等設備通過TCP/IP以太網連接到部署在站級邊緣云的收費車道系統集群；使用IO及RS232連接的設備先匯聚到外設接入層設備，經過協議轉換后，通過物聯網協議連接到站級邊緣云。

(2)通過云收費系統控制車道設備。部署在站級邊緣云的收費車道系統集群實現收費業務處理并實時遠程控制車道設備，降低運維成本。

(3)手持收費終端通過4G VPN連接到省級云平臺，遠程控制車道設備，處理收費現場特情。

1.3.3 站級邊緣云收費系統

(1)收費車道系統集群：實現收費業務處理并實時遠程控制車道設備，減少車道系統與站級系統的數據交互，提高系統的運維效率。

(2)省中心-收費站數據傳輸：實時同步車輛北斗自由流計費結果到收費站，實現收費參數同步、收費數據上傳、運行監控、手持收費終端遠程控制等功能。

(3)部中心-收費站數據傳輸：滿足部中心數據傳輸業務要求，實現收費業務和收費設備的實時監測。

(4)密鑰授權：實現密鑰授權與監控。

1.3.4 省級云平臺

(1)行駛路徑擬合模塊：接收車載終端實時回傳的北斗定位數據，根據路網收費單元基礎數據還原收費路徑，并將擬合后的路徑提供給通行費計算模塊輸出車輛通行費金額。

(2)通行費計算模塊：根據路徑擬合結果，計算車輛通行費金額；實時同步通行費計算結果到車輛行駛最近收費站，作為車輛通行識別與費用展示的數據支撐。

(3)清分結算模塊：根據車輛通行信息、綁定賬戶信息自動結算通行費用，支持ETC賬戶與移動支付賬戶，完成通行費清分。

(4)收費稽查模塊：車輛通行費用稽查。

2 面臨的挑戰

2.1 技術難點

(1)通行費計算能力要求高。取消省界收費站之后，大部分通行費計算功能由途經ETC門架及出口收費站完成，少部分無法正常計費的，通過在線計費系統完成計費。采用北斗自由流收費方式，由省級云平臺處理車輛的北斗定位數據還原路徑并計算通行費，對省級的通行費計算能力要求較高，需提高并發計算處理能力。

(2)收費模式兼容性。目前主流收費模式是“ETC+MTC”封閉式收費，收費模式的變化是一個漸進的過程，因此在推行北斗自由流時需要考慮新舊多種收費模式共存的情況，車道前端收費系統以及后臺相關系統都要考慮收費模式的兼容性，實現平穩過渡。尤其是車道前端收費系統，需要考慮不同收費模式車輛混合通行的情況，減少跟車或偷逃通行費情況的發生。

2.2 設備成本

使用北斗自由流收費的車輛需安裝具備北斗定位、移動通信模塊的專用車載終端，而目前大量使用的車載終端是ETC，所以這些ETC用戶需更換升級車載終端才能使用北斗自由流收費服務。由此，設備更換成本也是一個值得考慮的問題。

2.3 個人隱私

北斗自由流車載終端與車輛綁定，并且帶有全球定位功能，定位數據及行駛路線可以實時獲取，個人隱私存在風險。若個人隱私問題得不到解決，那么北斗自由流收費模式的推廣也會受到極大的限制，因此要從多個層面探索解決：在法律層面，加強交通數據隱私保護的立法與執法；在技術層面，對定位數據進行加密保護，車載終端在駛離高速公路后主動關閉北斗定位功能；在運營層面，首先在貨運、客運、危化品運輸、特種車輛等具有公共屬性的車輛上推廣安裝，以積累運營管理經驗。

3 結語

本研究基于北斗技術的高速公路自由流省級云收費應用具有如下優點：

(1)將北斗實時定位、云收費架構與高速公路收費相結合，實現通行車輛路徑的精確還原與實時準確計費，同時提高高速公路收費系統的建設、運維效率。

(2)兼容取消省界收費站收費模式，不影響現有通行車輛的收費業務，業務模式可以平穩切換。后續將逐步開展試點探索，為產業化落地提供依據。

未來隨著高速公路朝無人化、自由流不斷演進，還有許多方面值得關注。在技術方面，北斗自由流與車路協同、自動駕駛相結合，有廣大的發展空間；在政策法規層面應制定與技術發展相符合的行業規范和標準法規，保障高速公路各參與者的合法權利與利益；在用戶體驗方面，不斷加強與車路協同、智慧高速的業務融合，提高司乘人員的通行體驗；在經濟效益方面，促進高速公路自由流收費技術的推廣應用，對于自由流收費的車載設備、路側設備、稽查設備等都有希望形成新的制造產業。