ETC分段式计费系统精准收费升级方案

沈 峰, 朱胜超, 吕 剑

(北京万集科技股份有限公司， 北京 100193)

1 现状分析

2019年由国务院提出、交通部统筹实施的高速公路取消省界站工程圆满完成，全国共拆除省界收费站487个，新建ETC门架24588个，全网ETC用户超2亿，从2020年1月1日起，中国的高速公路收费系统正式进入“一张网”时代。撤站后的高速公路收费系统依靠遍布整个路网的ETC门架实现了“分段式计费”，并加入了“门架拟合代收”以及“出口在线计费”功能，以解决由于车载介质中记录的收费路径与实际路径存在偏差而导致的计费错误问题。“门架拟合代收”、“出口在线计费”等功能的使用大幅减少了通行费漏收情况，向实现全路网精准收费的目标迈出了坚实一步。但还有以下方面存在不足，值得继续探索。

1.1 完善出口在线计费功能

由于出口在线计费功能是在车载介质中记录的通行费额出现异常时才启用，而介质内费额异常大概率意味着省部级在线计费平台获得的门架端ETC交易流水也同样存在问题，因此有效的在线计费功能需要“牌识数据”辅助，需要“ETC+牌识”两路信息流来共同实现。由于牌识结果并非100%准确，同时考虑到路网内相似车牌号大量存在，要实现两路独立信息流的云端路径拟合，需要综合考虑时间、空间两个维度，并使用较为复杂的算法实现，还需要大量的实际数据测试验证算法的有效性。

1.2 提升视频抓拍系统的性能

目前的技术路线为ETC和牌识双重验证，互为支撑和补充。但由于现有视频技术受到自然环境条件限制，很难成为ETC的有效补充，比如在高速公路门架场景下，夜间补光条件有限，视频系统在夜间的抓拍率与白天相比差异较大；此外高速公路上有大量货车通行，且部分货车车牌污损比较严重，导致基于车牌识别原理的视频抓拍系统难以保证抓拍效率；还有其他特殊情况，如无牌、高亮牌、遮挡牌等都对现有牌识系统提出了巨大挑战。

1.3 增强断面车流量计数能力

目前ETC门架统计的断面车流量数据主要来源于门架RSU的交易流水数据或者视频相机的抓拍数据，两类数据独立统计且具有一定误差。独立的ETC门架无法获得该门架断面精准的车流感知信息，因此很难精确计算出收费系统应该收取的通行费额，进而难以实现对路段通行费的准确拆分。

2 系统方案

根据目前高速公路收费系统的现状分析，为了彻底实现精准收费，以下列几个方向为设计要点，给出ETC分段式计费系统精准收费升级方案：①确保门架对于通行车辆的精准感知能力；②有效提升抓拍系统的抓拍率，并充分利用抓拍图像的其他信息；③提升门架前端数据质量，减轻云端路径拟合负担，实现ETC信息与牌识信息的门架前端匹配；④确保系统的灵活可扩展性，以符合不同等级的建设规划需求。

2.1 系统总体框架

ETC分段式计费系统精准收费升级方案，是在现有的ETC门架系统基础上，提出一个基于精确匹配的分段式自由流收费系统。该系统是一套能够实现门架前端ETC信息与牌识信息的精准匹配，云端借助图像ReID技术实现车辆真实路径还原的信息交互系统。系统应用架构如图1所示：

图1 基于精确匹配的分段式自由流收费系统整体布局

2.2 系统构成及功能

系统主要由2大部分组成，即路侧智能门架感知系统和云端路径还原系统。

2.2.1智能门架感知系统

智能门架感知系统主要包括天线子系统(RSU)、车辆检测子系统(激光)、车辆抓拍子系统(牌识)、门架数据处理子系统(门架工控机及配套软件)，智能门架能够获取车辆OBU/CPC信息、图片及车牌信息并生成结构化数据，多个智能门架组成的门架群将各自的结构化数据通过收费以太网向路/省中心传输，数据流向路径还原系统。

智能门架系统整体布局见图2,对内采用星型网络连接结构，系统配置一台专用网络汇聚设备，与各子系统均采用网络连接，并在子系统内部搭配安全防护措施，确保系统稳定通畅；对外在网络设备上配置必要的端口隔离策略，对ETC门架仅开放使用端口，最大程度减少交互的网络节点，降低数据串扰风险。

图2 智能门架感知系统整体布局

2.2.1.1 天线子系统

天线子系统即ETC交易系统，主要包含带定位功能的RSU天线和天线专用控制器，每车道配置一台RSU天线，行车断面满覆盖，对多目标准确定位。当RSU与车载介质完成无线通信之后，将该交易信息和位置信息上传给门架工控机。

2.2.1.2 车辆检测子系统

车辆检测子系统包含多台激光传感器和专用控制器，多台激光器形成多个扫描面。当车辆进入系统场景时，激光器对车辆进行实时跟踪定位，记录多个位置信息，并触发抓拍子系统抓拍，同时提供车辆位置信息上传给门架工控机。

2.2.1.3 车辆抓拍子系统

系统包含抓拍摄像机及补光装置，每条车道配置一套，用于抓拍经过车辆的正面图片，系统还包含视频图片特征提取边缘机，用于对抓拍的图片或原始视频流提取车辆特征信息，并将车辆图片信息、特征信息上传给门架工控机。

2.2.1.4 门架数据处理子系统

数据处理子系统主要是门架工控机、网络交换设备及温度感知报警系统。工控机和网络交换设备用于接收各子系统数据进行逻辑匹配，实现时间、位置、车牌等多维度的匹配：采用ETC定位技术、激光定位技术、车牌识别技术，结合多维度匹配算法完成门架侧图片和ETC交易流水的精确匹配进而完成图像特征信息和ETC交易信息的数据融合，生成结构化的广义车辆特征信息，并上传云端服务器。同时，综合ETC信息、牌识信息、激光触发信息，实现门架过车数量的精准统计。温度感知报警系统主要用于感知周围环境、监控系统运行情况，对存在异常的模块报警提醒。

2.2.2云端路径还原系统

云端路径还原系统主要是由路径还原服务器集群及相应软件平台组成，包括数据接收、聚类计算、数据存储、负载均衡、冗余配置等相关设施，可以实现所有底层门架数据的接收、匹配、处理及应用。

该系统由路径还原服务器集群及相应软件平台组成，用于实现车辆路径还原。在服务器集群中借助AI“车辆ReID”技术，对门架边缘侧上传的结构化的车辆图像特征信息进行特征聚类，并结合牌识信息及ETC交易信息实现不同门架同一车辆的信息匹配，进而实现车辆路径还原。同时，利用ETC信息对车辆ReID结果进行校验，完成AI系统的自动训练升级。

3 关键技术

3.1 高精度的激光雷达检测技术

系统使用的激光雷达采用当前先进的激光扫描检测技术，实现了较高的车辆检测准确率，且设备安装简单，无须破坏路面，能够实现对断面车辆的全天候准确计数，较好地适应不同应用场景、环境遮挡等因素影响。

3.2 相机与激光雷达“软硬混合触发”技术

系统采用激光雷达“软硬混合触发”相机技术。得益于其极高的定位精度，激光雷达在硬触发技术上具有天然的优势；同时，在软件上实现精准触发，提升牌识效率与准确度。

3.3 多维度信息融合匹配技术

系统采用多维度信息融合匹配技术，包括牌识匹配和位置匹配，通过引入激光雷达对车辆的高精度定位数据，配合定位天线对车载介质的定位数据，从空间和时间两个维度，实现精确匹配，使得系统综合匹配率接近99%。

3.4 AI车辆重识别技术

系统引入AI车辆重识别技术，在云端路径还原系统中，通过ReID算法实现图像特征信息聚类。

3.5 系统高扩展性

系统具有灵活可扩展的优势，可以根据客户需求、项目预算、建设规划等差异化条件，提供不同的解决方案。

1)门架计数型：在现有门架上安装激光雷达系统，通过激光雷达系统，能够精准地获取全天经过该路段的车流量，同时激光雷达还可以为门架已有的牌识系统提供触发信号，提升相机的抓拍和牌识能力。

2)智能门架型：为了实现收费系统对偷逃通行费车辆的自动稽核，可以将计数型系统升级为智能门架型，实现系统ETC信息、牌识信息、激光信息在门架侧的精准匹配，为收费、稽核提供优质数据和依据。

3)路径还原型：在智能门架型的基础上引入AI技术和路径还原系统，在门架形成基于ETC、牌识、激光、AI等技术的结构化数据，在中心通过ETC+REID技术还原车辆真实路径，降低应急计费比例，提升系统实收费额，挽回路方通行费的损失。

四 系统优势

4.1 有助于完善出口在线计费功能

该系统在门架前端即实现ETC交易流水数据与相机牌识数据的精准匹配，配合云端路径拟合算法，综合考虑时间、空间两个维度对车辆不同门架信息进行串联，同时借助AI图像重识别技术，基于更丰富的车辆图像特征，在云端实现车辆图片的串联，进一步提升了车辆真实路径的还原度，为出口在线计费提供精确度更高的车辆行驶路径信息。

4.2 可以提升视频抓拍系统的性能

该系统方案通过激光雷达的引入，实现相机与激光雷达“软硬混合触发”，有效提升了视频抓拍系统的性能。

4.3 增强断面车流量计数能力

该系统通过门架侧的RSU天线、抓拍相机、扫描激光等设备对断面过车进行全面捕获，实现零缺漏，并利用时空多维度信息精准匹配技术，实现数据的去重，综合给出一个高准确度的断面车流量计数结果。

4.4 辅助云端稽核及通行费信息比对

该系统的智能门架端，通过多维度感知、匹配，可以提前发现多种类型的问题车辆信息，辅助云端稽核业务的开展。并通过云端高准确度的路径还原及门架端的车型识别结果，给出车辆实际通行路径及实际通行费，完成车辆通行费信息比对。

4.5 系统效益对比

常规单门架升级智能门架型布设前后，系统各项指标的变化见表1：

表1 常规单门架升级智能门架型布设前后指标表 %项目ETC交易成功率车辆图片捕获率车辆计数准确率ETC-图像匹配率升级前98～99.895～9898～990升级后98～99.899～99.999.5～99.999

升级路径还原型布设后，综合效益可以通过建模来测算。结合高速公路收费系统现状，建立[K-P]数学模型(见图3)，模型依赖的基础数据包括但不限于：ETC系统捕获率、ETC系统交易成功率、相机抓拍率、牌识准确率、省级收费系统统计数据、在线计费相关统计数据等。模型中，K表征ETC交易失败的随机程度，随机程度越高，K值越高；P表征全路网的可达道路复杂程度，复杂程度越高，P值越高。

图3 模型参数示意图

使用该模型，并结合该省的高速公路实际通行数据，即可测算文中所述系统对于该省高速公路收费系统的经济效益。

5 应用案例

门架计数型系统现已在北京大规模实施落地，智能门架型系统目前已经在陕西、浙江、广东、北京等多个ETC门架现场实施应用(见图4)。

a) 连霍高速陕西段

以2020年9月份上述门架典型工况下的数据记录为样本，统计系统运行效率：车辆计数准确率：99.58%～99.87%；OBU总体匹配率：99.03%～99.60%；CPC总体匹配率：93.66%～96.22%；车辆图片捕获率：99.69%～99.84%。

6 结语

全国高速公路取消省界站项目意义重大，“一张网”时代后，高速路网通行效率得到了大幅提升，道路拥堵情况得到了极大改善，相应减少了大量的碳排放，为解决全球气候问题做出贡献，对于ETC收费业务本身，也向着无人化、智能化迈出了坚实的一步。本文介绍的ETC分段式计费系统，立足于已经全面建成的庞大ETC门架网络，针对行业存在的通行费漏收问题，提出了一个具备门架精确感知、云端精确路径还原的收费系统，能够实现精确的路径计费，对提升高速公路收费系统运营水平有重要意义。