浅谈取消高速公路省界收费站新形势下福泉高速公路车辆通行智能监测与质量分析思路

蔡可祥

（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350001）

1 概论

全国取消高速公路省界收费站后， 原有以省为界的高速公路运营模式转变为全国高速公路全网统一运行，收费方式由封闭走向开放， 车辆在高速公路可以直接快速通过，大幅提高通行效率，改善人民群众出行体验，降本增效。与之相对应的，ETC 门架、CPC 复合通行卡、货车按车型收费、 分段区间即时收费等成为新的收费业务管理技术核心，无论是通行方式、监测手段、管理模式，还是通行车辆的数据稽核都与以往有很大的区别。

2018 年5 月16 日,国务院常务会议明确提出“推动取消高速公路省界收费站”，进一步提升高速公路服务能力和水平，促进物流降本增效，更好地服务经济社会发展和人民群众安全便捷出行。

2019 年3 月5 日，十三届全国人大二次会议政府工作报告明确：“两年内基本取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵、便利群众。 ”

2019 年3 月15 日， 十三届全国人大二次会议闭幕后的总理答记者问中，再次提及了取消省界收费站工作：“政府工作报告提出，两年内要基本取消省界高速公路收费站，大家都很赞成。 这样做有利于解决拥堵问题，也有利于相关产业发展。这个目标我们要确保完成，同时我们要求有关部门力争提前实现。 ”

2019 年5 月5 日， 国务院常务会议明确政策举措：力争2019 年年底前基本取消全国高速公路省界收费站。将《政府工作报告》提出的两年内基本取消全国高速公路省界收费站的任务提前至力争2019 年年底实现。

2019 年5 月至6 月间，交通运输部分别下发《取消高速公路省界收费站总体技术方案》（下称：技术方案）与《收费公路联网收费运营和服务规则（2019）》（下称：运营和服务规则）。 并另附有《取消高速公路省界收费站工程建设方案》（下称：建设方案）等多项技术、工程等规范文件。

《技术方案》（4.5.1）指出，高速公路实现不停车快捷收费，ETC 将成为高速公路主要的收费方式，ETC 车辆的交易成功率和通行信息的准确获取， 关系到通行费能否正常收取。

《运营和服务规则》（5.6） 对各项收费业务做出具体的量化评估要求：ETC 门架系统交易成功率（5.6.1）、车道车牌识别准确率 （5.6.10）、ETC 门架系统车牌准确率（5.6.11）等等。

《建设方案》（6.4）对门架系统提出具体的监测要求：主要包括但不限于系统程序版本号、门架相关系统参数、车道控制器CPU、内存、硬盘占用率，关键设备(RSU、高清车牌图像识别设备) 在线状态及工作状态(如RSU 发射、接收工作 状态)，机柜温度、湿度、防盗，供电和通信网络工作状态。

1.1 配套收费设施

（1）入口车道（《建设方案》5.2.1.2），包括ETC 专用道、ETC/MTC 混合道。由车道控制器、RSU、高清车牌图像识别设备、自动栏杆、报警设备、信息显示屏、雨棚信号灯、车道信号灯、车辆检测器、车道摄像机、收费员终端(显示器、键盘)、非接触式IC 卡读写器、车型识别设备（可选）等组成。

(2)出口车道（《建设方案》5.2.2.2），包括ETC 专用道、ETC/MTC 混合道。 由车道控制器、RSU、高清车牌图像识别设备、自动栏杆、报警设备、信息显示屏、雨棚信号灯、车道信号灯、车辆检测器、车道摄像机、车型识别设备（可选）、收费员终端(显示器、键盘)、非接触式IC 卡读写器、自动收卡机 （ETC/MTC 混合道）、 票据或发票打印机（ETC/MTC 混合道）、移动支付扫码终端（ETC/MTC 混合道）、语音报价器（ETC/MTC 混合道）等组成。

(3)ETC 门架系统（《建设方案》6.3），主要由以下设备和设施组成：车道控制器、RSU、高清车牌图像识别设备（含补光设备）、高清摄像机、门架服务器、防雷接地设施、通信设备、供电设备、车辆检测器（可选）、气象检测设备（可选）、温控设备（可选）、断面称重检测设备（可选）、网络安全设备等，应采用IP55 等级机柜，具备条件的可采用一体化系统。

1.2 主要技术指标摘选

《运营和服务规则》（5.4.2.2） 指出：MTC/ETC 混合入口车道，其入口收费数据车辆车牌准确率应达到100%，车型准确率应达到100%。

《建设方案》（5.4.6） 要求：ETC 门架系统车牌图像识别准确率：在车速为0～220km/h 的条件下，≥95%（分子为正确识别车牌的数量，分母为实际通行车辆总数，车牌缺失、污损、遮挡等人眼不能准确识别除外）。

《建设方案》（5.4.8） 车道摄像机:…（2）视频相关指标： 视频分辨率与帧率：分辨率≥720P，帧率≥30 帧/秒…。

《建设方案》(5.4.9) 北斗定位与授时设备:…PPS 授时精度：≤1us。 …NTP 授时精度：1～10ms…。

《建设方案》(6.5):…（2）CPC 卡计费成功率≥99.9%。… （4）单片式OBU:交易成功率≥99.9%，车辆信息获取成功 率≥99.99%。 （5） 双片式OBU: 交易成功率≥98.0%，车辆信息获取成功 率≥99.5%。

2 福泉高速公路通行车辆智能监测与质量分析思路

福泉高速公路是国家高速公路主干道沈海线的组成部分，从1999 年9 月26 日起正式开通运营，北起福州长乐市营前，与罗长高速公路相接，南至泉州市西福，与泉厦高速公路相连， 全长165.91 公里 （含连接线11.49 公里）。 2011 年1 月18 日经过扩建后，福泉高速公路由双向4 车道拓宽为双向8 车道。 根据取消省界收费站工程建设统一部署， 福泉高速沿线共建设48 个门架、208 套RSU 天线、292 套高清车牌识别设备； 沿线共有12 个收费所，入口车道79 条，出口收费车道118 条。

在开放式高速公路收费模式 （保留入/出口收费站）下，车辆分段计费、ETC 分段（CPC 出口）收费的关键在ETC 门架及出入口车道。 构成车道及门架系统的众多设备中，RSU（Road Side Unit）路侧单元及高清车牌图像识别设备是计费的关键设备， 高清摄像机是重要的辅助设备。RSU、车牌识别设备及监控摄像机的运行状态直接关系到高速公路运营质量，因此应当建立一套科学的、自动的通行车辆智能监测与质量分析系统， 实现设备实时运行状况监控、周期性能评估，确保车辆通行状态及通行情况能够实时、不间断的监测，提高高速公路管理智能化水平。系统通过数据采集、业务建模、引擎分析、异常数据推送、可视化报表等环节，实现收费机电设施的运行监测与质量评估。

智能监测与质量分析系统内容包括：RSU 信号强度（采集、检测、异动警示、质量评估、趋势分析）；车牌识别设备（车牌识别率统计、分析、异动警示、质量评估）；监控摄像机（画面质量评估、黑屏警示、OSD 字符叠加监测）；硬盘录像机（设备时钟检测、自动校时、硬盘空间不足预警）。

3 智能监测与质量分析系统主要功能介绍

3.1 车牌抓拍设备识别率监测

受设备、天气、环境及过车等不同因素影响，车牌抓拍识别率总是会发生变动。 常规的抓拍设备养护以故障申告、设备巡检为主要手段，鉴于以往高速公路设备日常运行维护情况，会产生修复周期长、消耗大量的人力和物力等不足。为有效应对新收费模式下运维管理需求，基于统计学基本原理， 考虑通过对出入口流水的海量数据统计与分析，结合道口监控录像等媒体信息，实现车牌识别设备的自动巡检与异动警示。

(1)异动预警

以兰圃所2019 年三月的数据分析为例，各出口道的车牌识别率：

从数据分布图中，我们可以得出如下基本结论：

①各道抓拍识别率基本维持在90%～95%的水准上；

②在某些时候，会发生识别率骤减的情况，特别是八道和六道；

③六道的识别率在几天的时间内， 维持在20%左右的低水准；

因此，通过对识别率数据的实时追踪，运用统计学原理的科学计算， 在设定的预警线上， 对设备异动发起预警，防止设备故障的持续与蔓延。

（2）设备性能评估

同样的， 以兰圃所2019 年三月的频率分布直方图为例：

在这些参数中，“平均值” 体现设备的整体水平；“离散系数”体现设备的稳定性。从图中可见：兰圃所28 道的识别率最高，8 道设备最稳定。

在兰圃所这一同样地理环境、同样设备类型条件下，这些差异性可能是由于过车类型不同、清洁程度不同、设备朝向方位不同造成的。如果对不同收费站、不同类型设备进行横向比较，就可能对设备类型性能、设备老化程度进行评估，从而为设备更新，招标采购提供科学的、量化的数据依据。

（3）远程媒体研判

数据分析是在一个宏观的层面上展现事物发展的趋势，凸显存在的问题。抓拍识别率的变化涉及到多种多样的因素，具体的设备需要具体的分析。建议通过对远程出入口抓拍的具体图片、 道口监控录像回放等功能进行分析，相关人员在收到故障预警后，可以先调阅这些资料，研判问题根源所在， 对于一些简单的如设备镜头清洁等问题，可通过站所自行处理，从而提高抓拍识别率，确保数据正常。

3.2 8G/13.56M 双频信号强度分析

在新的收费模式下，ETC 技术成为高速公路收费的支撑手段，车道ETC、路面ETC 门架的RSU（Road Side Unit）路侧单元与OBU（On board Unit）车载单元，及RSU与CPC（5.8G+13.56M）复合卡的DSRC（Dedicated Short Range Communication）微波通讯成为核心技术，其通信质量直接关系到道口车辆通行率及收费运营效果。

当车辆高速通过ETC 道口及路面ETC 门架时，DSRC 通讯质量会受OBU 安装角、RSU 安装距离、车辆挡风玻璃等多种因素的影响。 考虑对海量RSU 与OBU（CPC）的通讯信号强度进行综合统计、评估，以辅助高速公路机电维护部门、ETC 设备厂商进行设备维护，确保设备处于良好运行状态。 具体步骤包括：

（1）采集ETC（道口/门架）服务器的每次通讯信号强度。

（2）以小时为单位，计算平均通讯信号强度。

（3）以统计学方法，实时检测数据变化趋势、是否异动（标准差门阀）。

（4）采用时间同比、设备同比的方法，对RSU 运行性能及质量做出评估。

3.3 监控视频质量评价

监控视频对于高速公路后期稽核工作十分重要。由于视频设备广泛分布于各道口、门架、匝道、互通等处，设备的运行及维护单独依靠人工巡检难以实现。 建议借助“计算机视觉CV”技术，实现多路视频画面自动巡检，发现异常，通过系统告警等方式通知技术人员维护，将极大提高运维效率，降低人工成本。

(1)黑屏、遮挡检测

遮挡检测一般是摄像头被异物遮挡， 呈现出整个场景或某一部分场景看不到的情况。 被遮挡住的部分一般都呈偏黑色。

①把彩色图像二值化，偏黑的部分为前景，其他部分为背景。

②对前景进行连通区域检测， 求得最大连通区域面积。

③该面积整幅图像面积的比较即为遮挡率。

(2)亮度异常、偏色检测

亮度异常检测一般包括偏暗检测和偏亮检测， 也有称过暗过亮检测。这算法简单，只需要一帧图像的亮度值作为判断就行：

①把彩色图像转化为灰度图像。

②求图像的平均灰度值G（整幅或ROI 区域），该值就是图像的亮度值。

③定义阈值A，B。 当G∈[0,A]认为图像偏暗，当G∈[B,255]认为图像偏亮。

3.4 硬盘录像机参数监测与自修复

在高速复杂的条件下硬盘录像机经常会因为硬盘损坏、丢失、状态异常等各种原因导致无法审片，因此经常需要人为的巡检维护。 除此之外录像时间偏差矫正也是今后日常维护的重点。

(1)硬盘状态预警

以目前高速使用率最大的某品牌为例， 厂商提供了物理磁盘状态监测接口。 根据该接口可随时了解硬盘录像机的硬盘状态,如：硬盘数量、是否正常、是否已删除、磁盘丢失、下线、次正常、异常、SMART 状态异常、休眠、不存在等状态信息。随时了解硬盘使用情况，方便实现系统自巡查，为维护人员提供最新硬盘状态信息。

(2)自动时钟校正

时间偏差随时影响审片效率，是未来维护重点。建议搭建北斗时钟授时服务器，为网络设备提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，能提供精确的同步时钟信号，支持标准的NTP 和SNTP 网络对时协议，用户终端同步授时精度：0.5～2ms（局域网典型值），能极大的准确收费核心基准时间，方便其他设备校时。

4 结语

取消高速省界收费站，无疑会提高通行效率，降低物流成本，进而改善民生，促进经济发展。但与此相对应的，高速公路管理部门也需要根据新的管理模式， 不断提升运营和管理水平。 探索建立的福泉高速公路车辆通行智能监测与质量分析系统，具有日常设备维护流程规范化、管理智能化、监控自动化的特点，通过图示化直观呈现，降低设备运行维护成本、提高维护效率，能够对设备运行进行实时监测，保障相关收费政策安全高效落地，高速公路车辆通行有序。