基于无感支付的高速公路ETC 设计方法

梁穗军

（广东利通科技投资有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

根据对既有电子收费系统和传统ETC 系统支付方式的应用情况来看，ETC 已经在全国范围内得到了迅速的推广和使用，其与人工收费相比，无感支付的ETC系统具有高效、便利以及安全等的众多优势。但是，由于ETC 不停车电子收费系统安装过程烦琐，需要绑定车辆信息和银行卡，很容易出现卡内余额不足、信息不符等问题。近些年来，随着我国互联网、物联网等技术的发展，微信、花呗等移动APP 支付方式逐渐呈现多元化模式，与既有ETC 形成补充，可应用多个场景，切实提升高速公路管理水平。

1 案例概况

广深高速公路北起于广州市黄村立交，与广州环城高速公路北段相接，南止于深圳市皇岗口岸附近，与深圳皇岗路相接，双向六线行车，全线设有路灯照明，全长122.8km，宽33.1m，双向6 车道、全封闭、全立交，限速为120km/h；2004 年12 月7 日纳入联网收费。

2 无感支付的高速公路ETC 系统

无感支付的高速公路ETC 系统组成如图1 所示。

图1 无感支付的高速公路ETC 系统组成

通过图1 可以看出，无感支付的高速公路ETC 系统由入口检测系统、出口检测系统、智能感知平台、车载OBU、车道处理、支付、识别系统以及风险监测系统组成。其中，入口监测系统和出口检测系统又分别由车检器、自动栏杆机、缴费显示器、车道控制系统、声光报警器以及通信等的系统组成。无感支付高速公路ETC可以自动切快速检测过往高速公路收费站车辆的基本信息，保证过往车辆在80km/h 的行驶速度下实现不停车过收费口的目的[1]。

3 无感支付的ETC 设计方法

3.1 整体设计思路

无感支付的ETC 收费系统与传统的ETC 收费系统截然不同，该系统指的是借助无感信息匹配平台、用户查询平台、信息采集服务器等软件算法，确保过往车辆畅通无阻。基于无感支付的高速公路ETC 收费站的出口和入口都需要安装可以快速识别车辆吨位、号牌的高清摄像头、红外线检测器以及ETC 系统的射频装置。在ETC 车道安装无感支付设备，快速帮助用户形成无感支付订单，车辆快速通过。此外，基于无感支付的ETC 收费系统还需要设置自动栏杆，如果无法准确判断车主与账户余额信息，自动栏杆可及时拦截过往车辆，并快速且准确地切换至人工收费系统完成支付[2]。

3.2 框架设计

（1）应用层。应用层指的是用来体现车辆基本信息、行程信息以及账户信息的支撑系统，主要负责管理用户基本信息，应用层需要与无感支付高速公路ETC收费系统连接，才能保证正常运行。

（2）中间层。中间层指的是ETC 高速公路收费口采集车辆信息的系统，该系统配备了信息采集装置、车辆识别芯片以及服务端，车辆进入和出入高速公路收费站都需要与ETC 收费系统实现互联。也就是说，当车辆进入ETC 收费通道之后，车辆与车牌识别系统和高清摄像头等的模块就会自动接收到微波传感器传来的感知信号，并开始运行。如果司机正是该车的车主，可按照车主账户信息自动完成缴费，并通过收费通道；如果司机不是该车的车主，也可以根据司机信息扣除相应费用[3]。

（3）感知层。感知层中设置的高清摄像机主要用来拍摄过往高速路口收费车道的高清图像，5.8GHz 天线设备主要用来接收和发送车辆信息，并捕捉车辆的车载单元信息，快速完成识别一次扣费，自动栏杆机抬起，车辆快速通过。

3.3 收费系统接口与通信设计

无感支付的高速公路ETC 收费系统在硬件上集合了ETC 额无感支付的众多优势，可应用到更多的场景。该系统的接口与通信环节的设计，需要再既有收费系统的基础上重新设置多个端口，并将主控制中心与高清摄像机、天线控制器、费用显示器等的多个模块进行连接，如图2 所示。

图2 无感支付的ETC 高速收费系统接口连接

无感支付的ETC 高速收费系统主要用来调控过往高速路口车辆的正常通行。串行接口需要根据实际情况与异步接口、字符叠加器以及称重显示器进行连接，异步通信接口对于数据的产生和传输方式有着极其严格的要求，需要与通信能力良好的RS485 进行连接，无感支付的ETC 收费系统分别融合了计算机技术、通信技术和数据库技术等等，好比基于无感支付的ETC 高速收费系统的“大脑”。

（1）在本设计方案中，需要根据四线圈中高灵敏度的特点检测车辆的通过情况，并同时与RS485 总线、ETC 系统以及无感高清摄像头实现兼容，将车辆检测器与地感检测器连接，当检测到车辆过往高速路口时，其内部电频率发生变化，识别测量吨位、型号以及车主信息等。

（2）测量分离器采用红外线技术扫描过往车辆，具有响应速度快、安全和稳定等的特点。

（3）无感高清摄像头采用某摄像头生产厂家生产的DS2CD4032FWD 型的高清夜视摄像头，该摄像头不仅响应速度快、不会出现延迟且能够快速且准确地检测到车辆到达收费站光前的车牌信息，还可以用作处理和降噪原始图像，并在已经生成的图像和视屏中介入叠加字符串，传送至高清摄像头信息存储中心。

（4）通信模块是基于无感支付高速公路ETC 系统的重要组成部分，按照通信协议将所有数据信息归纳为数据帧，统一反馈至ETC 收费系统控制中心。

（5）待RUS 在接收到天线控制器中传来的车辆信息后，通过放大功率将车辆信息快速传送至高速路收费站附近的互联网基站，ETC 收费系统就可以与用户的支付宝、微信或者花呗等的APP 连接，快速完成自动扣费。

通常情况下，移动、电信和联通三大运营商都会在高速公路设有专门的通信网络，该通信网络采用GSMR二级结构，分别涉及移动汇接网TMSC 与本地移动网络MSG。其中，在GSMR 的网络设计环节，一个移动交换中心可匹配附近多个区域，对于车流较大的高速公路路口，比如本设计方案中的广深高速公路可根据实际情况设置与之相对应数量的MSC 节点，对于车流较少的高速公路收费站，为降低建设成本，无须另外设置MSC 节点，只需GSMR 在通信网络稳定的情况下满足车辆快速通过高速路口即可。

3.4 系统主程序设计

无感支付ETC 收费系统，整个系统采用的是可视化的管理模式，该系统可以将传统ETC 收费系统无法跟踪的车辆信息、车道布置情量等的问题进行统一分析后，对经过高速公路收费站的车辆进行动态管理，提升车辆收费和通信效率[4]。

基于无感支付的高速公路ETC 收费系统，还具备自动采集、综合分析、评估车辆、数据融合以及图像识别等的能力。其中，数据融合与车辆识别技术是该系统的核心，也是构成该系统的关键所在。无感支付过程中，以准确采集和识别过往车辆信息，作为完成无感支付的主要步骤。随着春节、五一和国庆等节假日车辆免费通过高速路口政策的出台，因短时间内过往收费通道的车辆增加，为提高车辆的通信效率，文章分别利用图像压缩、编码技术以及小波变换算法，缩短车辆识别时间，并利用小波函数对原始数据信息进行高分辨率分析，设无感支付原始图像为g（x），如式（1）所示。

式中：τmn——小波函数系数；φm，n——小波变换函数；m，n——图像的行，列。

其中，小波变换函数还可以通过式（2）表示。

小波函数系数可借助针脚分解方法进行处理，如式（3）所示。

车辆数据信息经过压缩和正交分解后，识别效率大大提升，压缩和正交分解要通过以下两个步骤完成。

（1）对经过分解后的车辆数据信息进行再分解和编码，以此获得更加亲戚视频或者图像。

（2）将经过变换后的小波信息输入MSC 中，与车主手机建立联系，完成高速公路收费支付。

系统主程序设计过程中，需要及时调整ETC 收费系统的历史数据，与新的数据信息进行比对和完善如式（4）所示。

式中：ω——加权系数，取值范围在0～1；ζk（t）——第k天和第t 时刻采集到的车辆数据信息。

通过时刻梯度数据加权处理方式可及时修复图片或视频由于时间排查而引起的信息不准确问题，以此减少和降低车辆通过收费车道时出现错误的概率。

4 无感支付的高速公路ETC 系统测试

4.1 测试目的

无感支付的高速公路ETC 系统测试的目的是保证高速公路收费系统正常与稳定运行的重要手段，通过对不同维度、模块以及层次运行状态的测试，可准确识别出无感支付的高速公路ETC 系统中存在的故障，满足车辆高效、快速地通过ETC 收费车道。

4.2 测试方法

根据无感支付的高速公路ETC 系统自身的特点优势，可实现对整个ETC 系统进行多角度测试，重点监测系统是否能够正常运行。

4.3 系统功能测试

系统功能测试主要用来检测ETC 系统各个硬件模块、主控程序和子程序是否正常。通过对ETC 系统功能的测试得出：①软件程序运行正常，无故障情况。②系统通信模块正常，各项指标趋于稳定。③其他模块运行正常，无异常情况，可满足实际使用需求。

4.4 车辆通信能力仿真

本文借助Matlab 仿真软件，模拟车辆通过车道收费口通行情况，并用来验证无感支付高速公路ETC 收费系统的使用性能，设置车辆在1h 内的通行能力为通过式（5）表示。

式中：ta——车辆进入ETC 车道的时间；tb——车辆驶离ETC 车道的时间。

本文主要仿真了单位时间内（1h），车辆在不同行驶速度下通行的能力。通过仿真可以得出：基于无感支付的收费系统额ETC 收费系统全部与理想状态接近，究其原因主要是由于该高速路口收费车道车辆较少。但是，在高峰时段，无感支付的高速公路ETC 收费系统的优势和作用更加明显，无感支付的高速公路ETC 收费系统有效解决了高速公路车辆通行拥堵、卡内余额不足、信息不对等问题，提高了车辆的通信效率。

5 无感支付系统安全性探讨

无感支付系统安全主要包括数据交易安全和网络安全，安全手段是多层次和全方位的，在无感支付系统的服务器端、客户端和数据传输各个环节通过采取不同的安全措施，可有效保证系统的安全性，进而为用户提供安全的网上支付服务。①服务器端安全。主要包括银行系统、第三方支付系统安全，通过以上安全措施可控制非法用户侵入、避免恶意攻击，实现对服务器端的安全保护。②客户端安全。主要由银行和第三方支付服务提供商为用户提供，包括图形验证、短信验证以及信息验证等。③数据传输安全。银行端与商户端通过专线或VPN 方式连接，利用HTTPS 协议进行交易或信息加密处理，保证数据传输的安全性。

6 结语

综上所述，当前随着我国人民物质生活水平的提升，高速公路总里程和汽车保有量与日俱增，而高速公路传统的收费系统由于运行效率低下，逐渐成了高速公路车辆快速通过的一个重要因素，ETC 收费系统的适用性和普及性待提升。为此，本文在既有ETC 的基础上融入无感支付技术，通过利用移动互联技术的优APP 手机APP 支付的便捷性，拓宽了自动化缴费应用场景，显著提升了高速公路ETC 收费系统整体的工作效率和水平。