基于车牌识别的城市年票自动管理系统

何炳林，张 斌

（广东省电子技术研究所，广东 广州510630）

实施年票制是撤并路桥收费站，提高公路通行效率的较为行之有效的办法[1]，为了缓解顺畅交通和“贷款修路、收费还贷”之间的矛盾，越来越多的城市开始实施“年票制”。但由于年票征管部门缺乏有效的监管措施，全国每年漏收、欠收的年票费高达数十亿元，加之人工拦截冲关车时往往导致征管人员受伤，以新的技术手段改造年票监管系统已成为当务之急，也引起各个城市年票征费部门的极大兴趣。本文提出一种基于车牌识别的城市年票自动管理系统，可有效防止车辆逃费的现象。

1 系统技术方案

本系统由年票收费中心、若干个年票收费站及若干个年票售票点组成，各个部分通过专用/租用的网络交换数据[2]，其中每个收费站包括若干个收费车道。本系统用车牌识别技术和数据库技术防止通行费的流失：对于应交纳年票但未交纳或年票已过期的本地车，车辆通过监控点时系统自动识别并记录到后台数据库，后台数据库定期生成年票催缴通知单，年票监管部门可根据通知单提醒车主按时交纳年费；对于应购买次票的外地车，位于市内的无人值守监控点识别出车牌后自动计算车辆的滞留时间，若滞留时间超过允许的逗留时间，系统将该车加入灰名单；若同一车辆连续三次进入灰名单，车辆被自动加入黑名单，此后当该车辆通过年票收费站时，自动栏杆不抬杆，报警灯自动报警以提醒征稽人员拦截并处罚。本系统包括年票收费站管理子系统以及委托站次票监管子系统，分别介绍如下。

1.1 年票收费站管理子系统

年票收费站管理子系统的工作流程如图1 所示，其工作原理为：车辆到达车道时，车牌识别设备自动识别车辆牌照号码及颜色并自动通知车道软件，车道软件首先判断该车是否为免费车，若该车辆为免费车，免费放行；若非免费车，进一步判定车辆是否为本地车，若是本地车，再查询该车是否欠缴年票，若欠缴年票，提示欠年票并记录该车欠年票，但仍允许免费通过；若不欠年票，允许免费通过。若车辆并非本地车，再自动查询该车是否已购买了本地的年票，若有购买年票，允许车辆免费通过，否则必须购买次票后才能通过。车辆通过收费站后车道软件产生车辆过站信息并上传到收费站，收费站汇总收费信息后可产生各种营运所需的报表，并可自动将信息上传到收费中心。收费中心软件同步、汇总各个收费站的收费信息，并提供数据导入/导出接口，利用数据导入接口可导入来自交警部门的新上牌、报停、注销等车辆的信息，也可手工或自动导入市政收费处各个年票售票点的年票信息。上述信息均可自动下发到各个收费站和收费车道。

1.2 委托站次票监管子系统

委托站次票监管子系统由两部分组成：

（1）兼容于原高速公路收费的“一票两费”系统，该系统可同时征收高速公路通行费和次票通行费，并具备通行费拆分功能；

（2）核查系统，可自动统计经过各个代收费车道的年、次票车辆，便于市政收费处核对代收站拆分的次票金额。

图1 年票收费站管理子系统工作流程图

1.2.1 “一票两费”系统的工作原理

车辆到达车道时，车牌识别设备自动识别车辆牌照及颜色并自动通知车道软件，车道软件同时读取司机所持的IC 卡信息，然后判断该车是否为免费车，若该车为免费车，免费放行；若为非免费车，进一步判断该车是否为本地车。若是本地车，只征收高速公路通行费；若不是本地车，再判断该车是否已购买年票。若未购买年票，同时征收高速公路通行费和次票通行费，否则只征收高速公路通行费。高速公路通行费和次票通行费的拆分在收费站软件中自动完成，对于使用粤通卡缴费的次票车辆，通行费的拆分由高速公路结算中心完成。

1.2.2 核查系统的工作原理

车辆到达车道时，车牌识别设备自动识别车辆牌照及颜色并自动通知车道核查子系统，收费员在“一票两费”软件中输入车型后，“一票两费”软件也自动通知车道核查子系统车辆的车型，车道核查子系统首先判别该车是否为免费车，若该车辆为免费车，记录该车可免费通过；若不是免费车，进一步判断是否为本地车。若是本地车，再查询该车是否欠缴年票，若欠缴年票，记录该车欠缴年票；若车辆并非本地车，自动查询该车是否已购买了本地年票，若有购买年票，允许车辆免费通过，否则根据车型计算并记录该车应购买的次票金额。

2 系统关键技术

2.1 车牌识别技术

车牌识别技术以计算技术、图像处理技术、模糊识别为基础，建立车辆的特征模型，识别车辆特征，如号牌、车型、颜色等[3]。车牌识别技术主要分为静态图像图片识别以及动态视频流实时识别。

本系统使用自主研发的基于视频流触发的车牌识别器进行车牌的识别，其工作原理：如果摄像机位置保持不变，在一个很短的时间内，所拍摄到的背景图像保持不变，而运动车辆的图像会出现变化，采用统计模型对背景建模后，可利用相临帧的差值，获得变化的车辆运动图像。准确定位出运动车辆位置后，根据车牌的大小、形状、梯度特征，通过运算加强车牌区域的信息梯度，然后对加强后的图像进行二值化处理，再对图像执行膨胀、腐蚀、开关运算，得到车牌的矩形区域。为了识别出车牌区域的字符，本系统首先采用直线拟合的方法定位出各个字符的区域（如图2 所示），然后基于主成分分析PCA（Princi⁃ple Components Analysis）原理，识别出各个字符。采用以上介绍的图像高速识别技术，平均每秒识别25帧以上，每车牌识别用时小于600ms，识别率在90%以上[4]。

图2 车牌字符分割示意图

2.2 大容量数据同步技术

本系统采用Microsoft SQL Server 复制方案进行数据同步，Microsoft SQL Server 的复制是在数据库之间对数据和数据库对象进行复制和分发并进行同步以确保其一致性的一组技术，可以将数据分发到不同位置，通过局域网、拨号连接、Internet分发给远程或移动用户，还能够提高应用程序性能，根据数据的使用方式物理分隔数据。采用本技术后，可在多个站点保存相同数据的复本，保证多个站点拥有相同的数据；也可实现各个站的数据共享和数据同步，每个站的修改能及时传输到其他站，实现黑名单、白名单、年票及次票车辆信息的实时更新。另外，站级服务器的数据也能通过复制及时汇总到中心级服务器，而各个收费站也可以在连接断开的情况下继续使用数据的复本，并在连接恢复时将对数据库所做的更改传播到其他各站的数据库；本系统还根据不同级别（中心级、站级等）和同一级别中不同的单位的需求对数据进行分区，减少因多个用户进行数据修改和查询而引起的冲突。本系统采用快速数据库查询技术，30万条记录查询时间小于0.5s[5]。

本系统的数据同步采用了“事务复制”和“合并复制”，不同年票购置点之间及年票购置点和中心服务器之间的数据采用合并复制以确保有相同的数据副本，年票购置点、中心服务器和年票收费站之间的数据采用事务复制以保证数据单向复制。由于采用了如图3 所示的分布式拓扑结构，服务器之间数据交换被降到了最低，在100万条记录下，所有站同步时间不超过5min。

图3 服务器拓扑结构图

2.3 IC卡防伪技术

为了防止年票标志造假，对无法进行车牌识别的摩托车年票凭证，本系统用非接触式IC 卡替代纸质年票凭证，IC 卡采用Mifire I 型非接触式IC卡，IC 卡读写器采用交通运输部推荐的内置SAM卡的航天金卡读写器，IC 卡采用“一卡一密”的动态密钥机制及3DES加密算法。为了防止IC卡密码泄露，读写IC 卡所需要的基准密钥存储在读写器的SAM 卡中，读写器和IC 卡交换数据时不传输实际密码，读写器用密钥对一随机数加密，产生MAC码，并将随机数和MAC码传输给IC卡，IC卡用密钥对该随机数加密，同样产生MAC 码，然后核对两组MAC码是否相同。

3 系统特色

（1）将车牌自动识别技术和数据同步技术用于年票车辆的自动管理，通过实时比对车辆信息，能有效解决年票标志造假及欠缴年费现象，同时可提高拦截造假车辆和冲关车辆的反应速度，保证拦截人员的人身安全。

（2）利用基于视频流的车牌识别技术在关键路口监控过往车辆，可跟踪并解决长期滞留本地的外地车和欠缴年费但长期不通过年票站的本地车的逃费现象。

（3）利用数据库和网络技术实现年票信息的同步共享，可提高已购年票外地车通过收费站时的通行效率。

（4）利用基于网络的远程监控技术实现关键路口的无人监控，大幅度提高年票监控的覆盖范围。

（5）利用IC 卡技术提高摩托车年、月票标签的防伪性。

4 结语

从我国城市年票监管实际情况出发，本文提出一种基于车牌识别的城市年票自动管理系统，可较好地解决车辆恶意逃费所致的通行费流失。本系统已在广东省中山市投入使用，客户反应良好。随着机动车保有量的持续增加，城市道路交通建设力度加大，势必有更多的城市启用“年票制”，这将为本系统应用提供更广阔的前景。

[1] 王芳.珠三角实行区域年票制的时机分析[J].交通标准化，2013（1）：137-138.

[2] 赖雄周，徐晓帆，王德浩.基于RFID 的城市年票车辆自动管理系统[J].机电信息，2011（12）：173-175.

[3] 喻勇.广东省地方公路年票自动识别系统方案[J].中国公路，2011（23）：122-123.

[4] 张斌，付江成，胡松利，等.基于车牌识别技术的IC卡及通行费防流失对策研究[J]. 交通标准化，2007（8）：56-58.

[5] 胡松利，张斌，付江成，等.具有车票车型自动识别功能的路桥收费系统研究[J]. 交通与计算机，2006，24（3）：34-35.