融合ETC 及无感支付技术的高速公路收费系统设计

王 丰，班伟杰，戴泽华

（1.中国人民大学，北京 100872；2.张家口市高等级公路资产管理中心，河北 张家口 075000）

0 引 言

收费系统是高速公路管理体系的核心组成部分之一[1]。随着我国汽车保有量的持续攀升，高速公路收费管理效率面临严峻挑战，建立智能化、一体化、高效便捷的高速公路收费系统已经迫在眉睫。将无线射频技术[2]、无线通信技术[3]和各类电子设备、监控设备应用于高速公路收费管理系统，可以提高收费管理的自动化程度，降低人力成本和收费差错率[4-5]。从高速公路现有电子收费和支付手段的应用情况分析，ETC（不停车电子收费系统）电子支付方式已经开始在全国范围内推广使用。与传统的人工收费方式相比，ETC 具有高效、便捷、安全等诸多优点。但ETC 的OBU（车载单元）系统安装过程较为繁琐，需要支付一定的OBU 系统安装费，且需要将车辆信息与银行卡绑定，由于无法实时监控银行卡余额，因此容易出现预付款余额不足及车辆银行信息不对应等问题，导致普及率不高。近几年移动互联网发展迅速，微信、支付宝等移动APP 支付手段呈现出多样化的发展趋势。在移动网络支付的基础上，融入人工智能和图像识别技术，形成一种无感支付系统，与现有ETC系统互为补充。为此，本文设计一种融合ETC 和无感支付的高速公路收费管理系统，可以适用于更多的场景，提升高速公路收费管理效率[6-7]。

1 系统整体框架设计

融合ETC 无线射频技术和无感支付技术的高速公路收费管理系统是一种组合式收费系统，在单通道设计上不再像传统收费系统一样区分ETC 通道和其他类型通道，即在原有ETC 通道基础上，加装用于无感支付的高清摄像头、信号传感器、图像识别装置等系统硬件，并辅以相应的软件算法，保证无感识别的准确性，组合收费系统的整体布局和框架设计[8]，如图1 所示。

图1 组合高速收费系统整体框架设计

在隔离带安装用于通过车辆车牌扫描和图像信息提取的高清摄像头、车辆红外检测器和ETC 射频装置。为了提高车辆的通过效率，将两种检测方式集成于一个模组，不再区分ETC 车道和无感检测车道，对于具备ETC 功能的车辆优先使用ETC 功能，如车辆的系统出现故障或绑卡余额不足，则切换到无感检测功能。现阶段在停车缴费系统中仍需要设置自动栏杆，缴费成功后栏杆自动抬起，车辆顺利通行[9-10]。高速公路组合收费系统的总体工作流程如图2 所示。

图2 系统总体工作流程

当有车辆进入收费系统通信区后，微波传感器感知信号并激活射频镜头模组，系统进入工作状态，射频标签开始响应系统的信息读写需求。读写器提取信息后向射频卡发送代码，同时查询车辆信息数据库中是否存有通过车辆。如果车辆信息数据库系统中保留有通过车辆的信息，则可以直接调取车辆信息；如果系统中没有通过车辆的详细信息，还需要进行信息比对并将车辆信息存入记录数据库和后台管理中心[11]。管理中心主要负责对上传数据的统计管理和存储，并将车辆的相关信息传递给银行及第三方的支付软件平台，以便支付平台形成最终的缴费账单[12]。

2 融合ETC 与无感支付的收费系统接口与通信设计

复合收费系统在硬件设计上融合了ETC 与无感支付的双重功能，适用于更多的车辆类型和场景，收费系统的主控制中心设置了多个接口，主要控制接口与高清摄像机、字符数据叠加器、天线控制器、费用金额显示器、车辆检测器、分离器等模块连接，系统接口设计如图3 所示。

图3 收费系统接口连接图

融合ETC 和无感支付的收费系统接口包括I/O 接口和串行接口两类。其中，I/O 接口主要用于系统主控中心的逻辑控制，包括车辆检测、信号指示、车辆分离和系统报警，与I/O 接口连接的设备全部为开关控制量设备，负责调控车辆的通行与否；串行接口主要为异步通信接口与字符叠加器、天线控制器、计费显示器和称重显示器相连[13]。异步通信接口的数据传输帧格式有严格的要求，选用通信性能更好的RS 485 总线连接。收费系统的主控制中心融合了通信技术、控制技术、计算机科学技术和数据库技术，是高速公路收费系统的大脑。与I/O 接口连接的设备中，车辆检测器是最关键的设备，起到唤醒系统的功能，本文设计选用四线圈高灵敏度的车辆检测器[14]，可以与RS 485 总线、ETC 模块、无感高清摄像头兼容，如图4 所示。

图4 四线圈车辆检测器

车辆检测器与地感线圈连接，当有车辆通过地感线圈后，车辆检测器内部电路频率发生变化，进而识别出车辆的吨位和型号。车辆分离器利用红外线扫描采集通过车辆的相关信息，响应速度快且更加稳定。用于无感支付的摄像头选择DS2CD4032FWD 型的高清夜视摄像头，响应速度快、无延迟，能够准确捕捉通过车辆的车牌信息，如图5 所示。

图5 无感支付高清夜视摄像头

字符叠加器与高清摄像头连接，主要用于原始图像信息的预处理和图像降噪，并将图像和视频文件加入时间信息和特定的叠加字符串信息传输至摄像头信息存储系统中[15-16]。通信模块是高速公路收费系统的关键构成部分，通信模块由天线控制器和RSU 天线构成，天线控制器负责控制天线的开启和关闭，当控制器接收到系统主控制中心的通信信号和通信请求时，将按照与之适应的通信协议将通信信号封装成数据帧，反馈给收费站系统的控制中心。RSU 天线将天线控制器中的信号调制后，放大功率，再辐射到临近互联网基站。收费站管理系统与支付宝、微信等第三方APP 建立联系，并完成一次自动缴费过程。一般情况下移动通信系统在高速公路设有专用的通信网络，采用GSMR 网络的二级结构，具体包括移动汇接网TMSC 和移动本地网络MSC ，结构如图6 所示。

在高速公路移动通信GSMR 网络设计中，一个移动交换中心匹配半径内的多个区域。对于车流量较大的公路网络可多设置一些MSC 节点，而对于业务量较少的公路区域，为了降低成本可以不单独设置MSC 节点，GSMR 网络在通信距离上可以满足要求。

图6 高速公路移动网络结构

3 系统主控程序设计与关键技术

融合ETC 和无感支付的高速公路收费系统，全程采用可视化的数据管理模式，将车辆、车道、站点等相关信息全部纳入到系统当中，实施全过程、动态化的管理和控制，提高车辆收费通行的效率，复合高速公路自动化收费系统主控工作程序设计如图7 所示。

图7 复合式自动收费系统主控程序

融合了ETC 技术和无感支付技术的高速公路收费系统，具有自动采集车辆信息和综合分析与评估的能力，数据融合与图像识别技术是系统最核心的技术，也是组建智能交通系统的关键。无感支付过程中，以准确采集和识别通过车辆的车牌信息，作为完成支付的关键步骤。由于在短时间内通过的车辆较多，为提高车辆的通过效率，本文利用图像压缩、编码技术及小波变换算法，缩短图像的识别时间，利用小波函数对原始的图像信号做高分辨率分析。设无感支付的原始图像为g( x )：

式中：τmn为小波函数系数；φm,n为小波变换函数；m,n 为图像的行、列数。小波变换函数φm,n可以表示为：

正交性是小波函数的关键特征之一，小波函数系数τmn能够基于正交分解的方法处理：

车辆图像数据信号经压缩和正交分解后，识别效率可得到明显提高，压缩的过程具体分为两步：

1）对分解后的量化系数分解和编码，获得更为清晰、像素压缩比更高的视频或图像；

2）按照人眼视觉机制调整图形的分辨率，多个小波系数之间彼此独立，且图像的关键信息都集中在图像的低频分量当中，小波分解层数越高，图像的清晰度越高，但也要兼顾图像压缩和分解处理时长。

将小波变换后的图像编码流输入MSC 通信信道中，与车主的手机终端建立支付关联完成公路收费支付。数据融合技术具有低成本、高可靠性的优点，从收费系统前端采集到的数据可能会包含一些冗余、错误和不完整的图像信息，对于不完整的数据采用时刻梯度数据加权方式预估处理，并调用收费站系统历史数据库进一步比对和修复，过程如下：

式中：ω 为加权系数，取值范围在[ 0,1 ]之间；ςk( t )为第k 天、第t 时刻的数据，加权处理可以有效修复图像由于时刻偏差所产生的不准确情况。在图像数据融合过程中，为了更好地融合ETC技术和无感支付技术，本文还采用像素矩阵分解卡尔曼滤波算法，扩大状态空间向量算法模型的使用范围，减少自动通行收费中发生错误的概率。

4 系统测试

4.1 测试目标与方法设计

1）测试目标

系统测试工作是保证高速公路收费系统稳定运行的重要手段之一，通过对各层次、各维度、各模块工作运行状况的检验，能够识别出系统运行中潜在的故障点，更好地满足车辆高效、快速通行的基本需求。

2）测试方法设计

根据融合ETC 及无感支付技术的收费系统特点，基于不同的测试粒度，采用单元测试与集成测试相结合的测试方法。单元测试检测各硬件模块的主要功能能否满足实际场景的需要。本系统将与I/O 接口和串行接口相连接的模块，作为单独的单元独立测试，避免由于单独某一个模块存在故障而导致系统无法运行；集成测试是一种更为高级、全面的系统测试，具体包括硬件测试和软件测试，即将整个系统作为一个整体多角度地进行测试，重点检测系统主控程序及子程序是否能够正常运行。

4.2 系统功能测试

系统功能测试主要检测各硬件模块的功能是否完备，及主控程序、模块子程序的运行情况，系统功能测试分为单元测试和集成测试，测试结果如表1 和表2 所示。

表1 模块单元功能测试结果

表2 软件程序功能测试结果

系统功能测试结果显示，软件程序的稳定性较高无异常情况出现，系统通信模块功能趋于稳定。其他模块的功能测试处于低故障率水平，也能满足实际使用的需求。融合ETC 模块和无感支付技术后，高速收费系统的功能性得到增强，复合双检测系统的加入减少了车辆通行时车道切换所带来的不便，能够提升高速公路的通行效率。

4.3 通行能力仿真

借助Matlab 仿真软件，模拟车辆的收费通行情况，并验证融合两项技术的高速公路收费系统的性能，先设定一组仿真通行参数如表3 所示。

设车辆在单位时间（1 h）内的基本通行能力为γ，表示为：

式中：ta为车辆进入时间；tb为车辆驶离时间。

本文仿真了单位时间内，不同车速条件下车辆通行能力，如表4 所示（通过车型按照真实比例随机选择，参与对比的对象为传统ETC 收费方式）。

表3 仿真参数设定

表4 单位时间内不同车速下车辆收费通行能力对比 辆

从表4 结果能够看出，融合ETC 和无感支付的收费系统通行能力更接近理想状态下的通行能力，在单位时间内的通行能力优于传统ETC 收费系统。为了从更多角度进行对比分析，将通行车辆的车速限定为8 km/h，从一天24 h 内选择5 个通行时段进行纵向对比（8：00—9：00，12：00—13：00，15：00—16：00，17：00—18：00，20：00—21：00），仿真结果如图8 所示。

图8 跨时段车辆通行能力对比

图8 所示的结果变化呈现出了一个明显趋势，即在非高峰时段，融合ETC 和无感支付的收费系统和ETC 收费系统的通行能力均与理想状态接近，这主要是由于车辆较少，甚至人工收费系统都可以满足需求；但在高峰时段本文系统的优势更为明显，采用无感支付技术与ETC 方式相融合，解决了高峰时段高速公路缴费通行拥堵问题，提高了高速公路收费管理的通行效率。

5 结 语

当前我国高速公路总里程和汽车保有量都在持续增长，而高速公路收费系统运转效率低下，逐渐成为制约高速公路通行效率的主要因素之一。现阶段高速公路ETC 系统的适用性和普及程度仍有待提高，为此本文在原有ETC 系统模式基础上融入了无感支付技术，利用移动互联网的优势和移动APP 支付的便捷性，拓展了自动化收费的应用场景，也显著提高了高速公路收费系统的整体工作效率和适用性。