基于无感支付的高速公路ETC设计

符方睿

(广东新粤交通投资有限公司，广东 广州 510700)

1 基于无感支付的高速公路ETC构成与功能设计

图1 高速公路无感支付ETC构成图

基于无感支付的高速公路ETC主要由入口检测系统、智能感知平台、车载OBU、无感支付收费系统、车道处理系统、出口检测系统、车辆支付系统、车主识别系统、车辆风险等级监测系统等组成(如图1所示)。其中入口检测系统和出口检测系统涵盖了车检器、缴费显示器、自动栏杆机、车道控制系统、声光警报器以及通讯系统等。高速公路无感支付ETC系统能够智能感知过往车辆进出的图像信息和车主信息，在车辆支付系统中将车辆行驶数据与车主用户信息相匹配，为其形成支付订单并完成支付。入口、出口检测系统与车载OBU通过5.8 GHz的短程通信相连接；入口、出口检测系统通过无线网与车道处理系统和车道控制系统相连接。运用5G感知技术和图像识别技术精准识别过往车辆的车型与号牌等数据信息，确保车辆以80 km/h以上的速度都可实现不停车过卡口，真正实现高速公路通行缴费无感支付的目的[1]。

2 基于无感支付的高速公路设计思路

高速公路无感支付的ETC收费系统区别于以往的单独收费通道，而是在ETC通道配备无感支付系统、车主识别系统、车道控制系统、图像识别系统、信息通信系统等设备，并搭配无感信息匹配平台、前置处理集群、用户查询平台、卡口信息采集服务器等软件算法，以此确保无感支付ETC收费通道缴费准确，道路畅通。无感支付ETC车道的入口和出口都需要安装具有车型、号牌等图像信息识别的高清摄像头、红外检测器和ETC射频装置。在ETC车道装入无感支付设备或将ETC车道与无感支付车道合并组成同一车道，能够有效解决ETC用户账户余额不足的情况，可以快速为用户形成无感支付订单。基于无感支付的高速公路ETC收费通道依然要设置自动化栏杆，若无法查明车主身份和账户信息需要及时拦截车辆，快速切换ETC收费系统完成支付。

3 基于无感支付的高速公路ETC框架设计

高速公路无感支付ETC收费系统的基本框架为应用层、中间层和感知层。

应用层为用户端口的信用支付信息、行程信息和账户体系支撑系统，负责管理用户注册和用户数据，用户端口要与高速公路无感支付平台进行匹配与连接。

中间层是指高速公路收费处的卡口手机信息采集系统和车辆、车牌识别处理系统，还配备了信息采集装置、微波传感器、车牌识别芯片、人像识别芯片以及服务端，收费系统与车辆信息数据库和车辆进出记录数据库互联。当车辆进入收费通道后，车辆、车牌识别系统和射频镜头模组会接受到微波传感器的感知信号并开启工作，对车辆和车主账户信息进行提取和读写，并将信息通过射频卡发送代码，传输到车辆信息数据库中进行信息对比，将车辆的通行信息、账户信息、缴费信息共同存入数据管理中心。根据车牌识别和人像识别判断司机是否为车主，若司机为该车车主，需按照车主账户信息完成缴费；若司机不是该车车主，需按照司机账户信息扣除费用[2]。

感知层是指收费系统的智能感知设备，主要包括5G基站，用于感知用户手机信号，与运营商进行信息验证以确保手机信息的合法性；高清高速摄像机，用于拍摄过往车辆的高清图像；5.8 GHz天线设备用于收发车辆信号，可捕捉和感应车辆上车载单元的数据信息，快速完成一次性识别与扣费；图像处理边缘计算终端，用于车辆、车型、车牌等信息的识别；信息采集汇集服务器，用于数据处理和信息上传。

4 高速公路无感支付ETC实际应用案例

4.1 工程概况

汕汾高速公路湖心扩建专项工程项目就运用了无感支付的ETC收费技术。汕汾高速公路是国家规划建设的主干线中沈海高速公路的组成部分，始于闽粤交界汾水关，终点位于汕头市龙湖区，途经潮州市、汕头市，与汕头海湾大桥及深圳至汕头汽车专用公路相连，是深圳、汕头和厦门公路交通的主干线。汕汾高速公路湖心收费站原本为三进四出，经过湖心收费站的车流量逐年递增，收费站的通行能力和营运能力有待加强，需要将收费站车道的“三进四出”改扩为“三进六出”。

4.2 工程说明

汕汾高速公路湖心收费站扩建后新增了1条收费车道、1条ETC车道，改迁3条收费车道，在入口和出口分别增加1套全计重设备和2条双轴组件重设备，将MTC出口改为ETC车道，在ETC车道装入无感支付技术，在收费站车道、广场模拟监控设施升级为网络数字监控设施。汕汾高速公路的全线8个收费站点共开通了23条无感支付车道，无感支付车道运用了车辆识别技术和车辆检测传感技术，能够兼容扫码付和车牌付两种方式。扫码付只需要在移动支付车道内打开手机付款码就可快速缴费通过收费站；车牌付需要运用粤通卡和高速通等软件提前与支付账户相关联，即可自动完成支付快速通过收费站。

4.3 工程效益

汕汾高速公路湖心收费站ETC无感支付的多种支付模式的开设，大幅提升了通行效率，有效缓解因收费站拥堵引起的通行压力和安全风险，实现了“3秒秒速通行”，并且在粤通卡app或无感收费的微信小程序中就能查询订单号和出具电子发票。汕汾高速公路湖心收费站的扩建对广东东部沿海地区的经济发展具有重大意义，便利了周边城市的经济产业联结，真正打造了新一代智慧高速公路，为ETC用户提供更优质的通行服务。

5 基于无感支付的高速公路ETC关键技术

5.1 ETC射频模块及微波智能天线装置

收费系统的关键技术之一为ETC射频模块技术，能够支持高速公路无感支付ETC收费通道的短程通信的基带处理，能够接收基带处理模块5.8 GHz射频收发模块的处理信息。基带处理模块与5.8 GHz射频收发模块共同连接电源控制模块，能够为ETC射频模块持续输送电量，通过5.8 GHz的射频收发模块还可连接天线单元，实现无线通信链路的建立，为高速公路无感支付ETC收费系统提供高频率、远距离、传输快、抗干扰能力强且信道纯净的远程通信渠道。ETC射频模块及微波智能天线装置运用了正交频分复用技术(OFDM)和点对点的组网方式，速率高达54 Mbps，支持多个车主用户同时性的信息采集和信道部署，为收费系统提供高达432 Mbit/s的共享吞吐量。ETC射频模块技术使用ASK的调制方式，发射功率维持在4～15 dBm，发生功率等射频参数如表1所示[3]。

表1 ETC射频模块的射频参数

5.2 图像处理边缘计算的车牌号码识别技术

高速公路无感支付ETC收费系统的应用基础为车牌号识别，ETC收费系统的车牌号识别运用了边缘计算技术、深度神经网络技术、图像处理技术，满足了收费系统车牌号信息低时延、高精度的识别需求。图像处理边缘计算的车牌号码识别技术主要包括图像预处理、车牌号粗定位、车牌号细识别、卷积处理、字符识别等模块。通过高速高清摄像机的视频接口提取关键帧，运用高斯平滑、中值滤波、X向sobel滤镜等数学运算方式将关键帧进行图像预处理，若车牌号成功完成粗定位，便开展车牌号信息的精细识别和卷积处理，最后进行任务卸载至云服务器；如果车牌号在轮廓查找和面积筛选等方式下依然未完成粗定位，就需要直接卸载、结束识别。此技术为高速公路无感支付ETC收费系统提供了边缘处理技术支持，并且能够持续应对到2025年前高速公路智能运行系统对边缘计算和人工智能的要求。

5.3 高速公路收费通道车辆检测传感技术

基于无感支付下的高速公路收费通道从入口到出口都需要装配检测桩、识别区和栏杆机，检测桩内部运用了光幕传感器，两个检测桩分别连接了车牌识别系统和图像处理系统，收费通道的识别区地面嵌入了地磁传感器，以此精准识别过往车辆型号和通行信息。车辆检测传感技术通过运用光幕传感器，能够有效解决跟车现象，将小型汽车、半挂车、全挂车进行分离，确保收费信息与车辆司机的无感支付缴费信息相一致。检测传感技术在强光、暴雨、暴雪、浓雾、高温等恶劣气候条件下依然能够正常运作，并且车辆检测传感设备的维修与保养便捷，在不封闭车道的条件下就能实现对传感器的检查与维护。高速公路无感支付ETC收费通道运用车辆检测传感技术可以准确识别车辆的行驶方向、车轴数、底盘高度、侧面轮廓、车头间距和排队长度等参数，误检率低，可精准无误地检测车辆车型和车牌等具体信息[3]。

5.4 高速公路收费通道入口误闯智能报警技术

高速公路无感支付ETC收费系统所应用的入口误闯智能报警设备装配在通道一侧的安全岛。安全岛上分别设置了红外线报警器和地感线圈，报警器与车辆检测器、栏杆机相连接。当行人、非机动车辆、摩托车、不合规运输车辆等通过会立即开启红外线报警器，以此实现误闯报警，避免行人和非法运营车辆进入高速公路。高速公路收费通道入口误闯智能报警系统运用了两个红外线报警器，有效避免因一个报警器无法正常开启报警反应而影响高速公路的车辆运行秩序，使智能报警系统始终处在高效工作状态，实现更精确的报警。在高速公路封闭的情况下，即使有车辆接触到地感线圈，栏杆机也会持续保持关闭；当未检测到异常车辆和特殊情况，栏杆机始终保持敞开状态，以提高车辆的通行能力和用户的无感支付体验[4]。

6 基于无感支付的高速公路ETC测试

6.1 收费系统测试方法

基于无感支付的高速公路ETC收费系统测试需要全方位测试系统的各个工作模块和运行维度，需要对系统的用户端、车辆检测、车辆信息识别、数据传输、ETC射频、视频采集、现场识别等进行全面测试，准确测试系统各个层面的正常或异常情况，以此确保高速公路无感支付ETC收费系统的高效稳定运作。收费系统为模块测试和集成测试相统一的测试方法，对各项软硬件和系统模块进行粒度测试，以及对系统整体运作情况的集成测试，使测试结果符合系统设计需要。

6.2 收费系统测试结果

通过对高速公路无感支付ETC收费系统的测试，用户端的注册登录、车主信息、车牌号信息绑定等功能正常，用户信息均可完整传输到数据库中心；用户端的通行费计算、收费点查询、出行导航等功能正常，通行费金额计算准确；用户端的订单支付模块的预约支付和现场支付功能正常，可便捷快速的完成订单的无感支付。高速公路无感支付ETC收费系统的的视频采集能够精准抓拍车辆图像，视频监控可实时显示视频画面，车牌识别模块的识别准确率高达99.9%。同时，高速公路无感支付ETC收费系统的信号传递、高清高速摄像头、系统报警、ETC射频、图像处理、信息采集、计费显示器等模块均可正常运作，收费系统各项程序的故障率也极低，能够满足用户无感支付、快速通行的需求。

6.3 车辆通行能力仿真

对高速公路无感支付ETC收费系统测试完成后，还需要模拟和仿真车辆的通行情况，本系统测试运用MATLAB仿真软件，通过模拟车辆的通行与收费情况来更全面的检测收费系统性能。首先需要设定仿真通行参数，得出具体的车辆通行能力的数值。

(1)

式中：γ为车辆的通行能力；ta为车辆的驶入时间；tb为车辆的驶离时间。

通行能力仿真还需要设定收费通道的宽度、收费点的距离、车辆平均长度、车辆安全通行距离以及车辆应急反应时间等参数，模拟车辆在1 h内的通行能力，并与高速公路传统ETC收费系统作对比。通过车辆通行能力的仿真模拟，能够明确看出高速公路无感支付ETC收费系统的各项程序和模块的运行水平和车辆的通行能力均强于传统ETC收费系统。

7 结 语

高速公路ETC收费系统运用无感支付技术是一项符合智能交通理念的发展路径，能够切实提升高速公路的管理水平和智能化服务水平。本项收费系统运用了ETC射频模块及微波智能天线装置、图像处理边缘计算的车牌号码识别技术、高速公路收费通道车辆检测传感技术和高速公路收费通道入口误闯智能报警技术，能够精准识别过往车辆的车牌号和车主信息，及时将信息传递数据库中心，在短时间内为用户形成缴费订单，以此不断提高高速公路收费系统的运转效率和车辆通行能力。