ETC分段式自由流收費系統研究

孫艷雨

摘要：在概述我國2020年撤站后高速公路收費系統分段式計費運行現狀的基礎上，提出門架擬合代收及出口在線計費等功能所存在的局限，進而對高速公路ETC分段式自由流精準收費系統方案的設計思路、系統構成進行分析，并對包括激光雷達檢測技術、相機和激光雷達混合觸發技術、信息融合匹配及AI識別技術等在內的關鍵技術展開探索。最后比較分析了ETC分段式自由流收費系統的優勢及運行效益，以期為ETC分段式收費系統的高效運行提供借鑒參考。

關鍵詞：ETC分段式；自由流；路徑還原；在線計費

1? ?ETC分段式計費現狀

2019年我國高速公路省界收費站全面取消，487個省界收費站被拆除，同時新建起24588個ETC門架，自2020年開始，我國高速公路收費系統進入一張網時代?；诔氛颈尘?，高速公路收費系統基本實現分段式計費，并依靠門架擬合代收及出口在線計費等功能，旨在解決車載介質所記錄收費路徑和實際路面發生偏差而引發計費錯誤的問題[1]。

門架擬合代收指的是車輛在通過ETC門架時，會由門架查驗車載介質中所記錄的前序次門架信息，如果存在沖突，則由臨時門架擬合代收通行費，對前序遺漏門架做出一定程度的補充。出口在線計費指的是車輛在駛離收費站時，展開車載記錄總收費額查驗，如遇異常，則向云端發發出在線計費指令，由在線計費平臺重新計費，并將計費結果返回收費站出口，確保收費準確。

以上收費模式大大減少了高速公路通行費漏收問題，但在實際運行過程中，出口在線計費功能只在車載介質所載通行費額異常時才啟動，而這一異常意味著省部級在線計費平臺從ETC門架端所獲取的交易流水同樣存在問題。

以上計費模式的運行離不開牌識數據幫助，但牌識結果也不能保證100%的準確性。此外，路網內存在大量相似車牌號，為實現“ETC+牌識”信息流云端路徑的擬合，涉及到時間、空間等維度的運作以及復雜算法的實現，還要求大量真實數據對算法有效性展開驗證[2]。

現狀視頻技術因受到客觀環境的影響和制約，無法為ETC提供有效補充。例如，夜間門架補光條件有限，視頻系統抓拍存在一定差異；貨車等車輛牌號污損，抓拍效率很難保證；高亮牌、遮擋牌等特殊車輛使牌識無法展開。

2? ?精準收費系統方案

2.1? ?設計思路

結合當前高速公路收費系統運行現狀，為實現精準收費，必須保證ETC門架對運行車輛具備精準的感知能力，并有效提升系統抓拍率，對抓拍圖像其余信息展開充分利用。此外，還必須提升門架前端數據質量，以降低云端路徑擬合負擔，增強ETC數據和牌識數據的前端匹配性。

基于以上思路，為實現門架前端ETC數據和牌識數據的精確匹配，本文提出依托既有ETC門架的ETC分段式自由流收費系統升級方案，并借助圖像ReID技術還原車輛真實路徑、實現云端信息交互。

該系統包括路側智能門架感知系統和云端路徑還原系統兩個組成部分。前者由RSU天線子系統、車輛激光檢測系統、牌識抓拍系統、門架工控機及數據處理配套軟件系統組成。其中，車輛的OBU/CPC、圖片及車牌信息通過智能門架獲取后自動生成結構化信息。該信息由數個智能門架構成的門架群通過以太網向路中心、省中心傳輸，并流向路徑還原系統。后者則包括路徑還原服務器集群和軟件等模塊，用于接收、匹配、實時處理及應用所接收的底層門架數據。

2.2? ?系統構成

2.2.1? ?智能門架感知系統

該系統對內主要采用星形網絡結構連接，通過所配置的專用網絡匯聚設備連接各子系統，并搭配安全防護，為系統穩定通暢提供保證。對外則采取端口隔離設置，即僅對ETC門架開放使用端口，通過交互網絡節點的減少，將數據串擾風險降至最低。智能門架感知系統布局如圖1所示。

其中，天線子系統也就是ETC交易系統，由定位RSU天線和專用控制器構成，且各車道均配置1臺RSU定位天線，用于實現行車斷面的滿覆蓋和多目標定位。待RSU定位天線和車載介質間的無線通訊完成后，相關的位置信息和交易信息便隨即上傳門架工控機。

門架數據處理系統由工控機、溫度感知系統、網絡交換設備等構成，各子系統位置、時間、車牌等數據的接收及多維度匹配均通過工控機、網絡交換設備實現。門架側圖片與ETC交易流水的精確匹配實現后，ETC交易信息和圖像特征信息數據融合也隨之實現，進而生成車輛特征信息，上傳云端服務器。

2.2.2? ?云端路徑還原系統

該系統包括路徑還原服務器集群、軟件等，主要作用在于還原車輛路徑。通過服務器集群中的AI“車輛ReID”技術，對門架所上傳的車輛特征信息展開聚類處理，結合ETC交易信息、牌識信息與不同門架車輛信息展開匹配，達到還原車輛路徑的目的。

3? ?關鍵技術

3.1? ?激光雷達檢測技術

通過應用當前較為先進的激光掃描檢測技術，可提升車輛檢測的準確率。此類設備安裝過程簡便，對路面無破壞，可全天候準確統計斷面車輛，對環境遮擋、不同應用場景等均適應。與ETC路側天線、毫米波雷達、相機、壓電傳感器、地感線圈等常規檢測器相比，其施工難度小，養護成本低，運行可靠穩定，可擴展性優良。

3.2? ?相機和激光雷達混合觸發技術

常見的觸發技術包括相機視頻軟觸發、外部傳感器硬觸發兩類。激光雷達硬觸發技術優勢明顯，鑒于其高定位精度，使激光雷達硬觸發的觸發率、準確率均顯著提升。此外，定制軟件中觸發協議，可充分利用激光雷達高精度定位成果，快速鎖定車牌像素位置。將信息實時傳輸至相機，相機便可快速提取到車牌信息，得出精準的牌識效果。

3.3? ?信息融合匹配技術

ETC分段式自由流收費系統在線計費功能的有效性，離不開牌識數據，為此必須對兩者進行匹配綁定。在通用牌識匹配技術下，用抓拍圖像牌識信息匹配ETC記錄內的車牌信息時，因為無牌、臟牌、遮擋牌、高亮牌等偶然存在，相機牌識準確率有限，ETC車載介質內存儲的牌識與物理牌識不符等原因，匹配率較為有限。

而應用多維度信息融合匹配技術，借助激光雷達展開對車輛的高精度定位，并結合定位天線數據，可實現時間和空間等維度的精確匹配，綜合匹配率將提高至99%[3]。這一匹配過程在門架前端業已實現，有助于提升云數據質量，使數據處理負擔大大降低。

3.4? ?AI識別技術

將邊緣機布設在站級機房或ETC門架處，在提取到抓拍圖像中的車輛外觀、牌識等特征信息后實時上傳云端，并借助ReID算法在還原系統中完成圖像信息聚類，從而有效實現牌識效果不良車輛的路徑還原。

3.5? ?系統擴展技術

結合建設規劃、項目預算，ETC分段式自由流收費系統必須分階段擴展實施，以符合業務需求。使將激光雷達安裝在現狀ETC門架，可對車輛展開全天候精準檢測。激光雷達還能向門架牌識系統提供觸發信號，確保其相機抓拍、牌識功能較好發揮。

智能門架型系統主要用于收費系統自動稽核偷逃通行費方面，在將計數型門架升級成智能型系統后，ETC信息、激光信息、牌識信息便能在門架側精準匹配?；谥悄荛T架基礎引入路徑還原和AI識別計數后的路徑還原型系統，可通過ETC+REID技術還原出行車的真實路徑，保證系統實收費額準確。

4? ?系統優勢及效益對比

4.1? ?系統優勢

ETC分段式自由流收費系統在ETC門架前端，即可精準匹配交易流水信息和相機牌識信息，在云端路徑擬合算法的配合下，可實現門架信息在時間和空間兩個維度的串聯。在此基礎上依托AI圖像重識技術，對車輛圖像特征進行串聯，保證了車輛真實路徑還原的準確性，也為出口在線計費提供了可靠信息。

該收費系統還引入激光雷達，通過激光雷達和相機的混合觸發，使視頻抓拍性能顯著提升，也使斷面過車信息捕獲零缺漏得以實現。再加上時空多維度信息的精準匹配與數據的去重處理，保證了斷面車流量計數結果的高準確度。

常規單ETC門架升級為智能門架系統后，各項指標取值與升級前的比較詳見表1。通過對系統升級前后運行效率的比較看出，ETC分段式自由流收費系統應用后，車輛圖片捕獲率、車輛計數準確率均提高，特別是ETC圖像匹配率直接從0%提升至99.0%，運行效果十分良好。

4.2? ?效益對比

ETC收費系統升級后，綜合高速公路收費系統運行現狀，通過構建K-P數學模型以評價系統運行效益。K-P數學模型如圖2所示。

K-P數學模型主要依托車輛信息ETC系統捕獲率、交易成功率、牌識準確率，以及在線計費統計數據、省級收費系統統計數據而構建，模型中K表示ETC交易失敗的隨機程度，其取值越高，表示隨機程度越高；P表示所在路網可達道路的復雜程度，取值越高，路網越復雜。將高速公路實際通行數據代入模型中，便可測算出公路ETC收費系統升級后所帶來的經濟效益。

該收費系統目前已經在我國數個省市得到實施應用，依托2021年全年ETC分段式自由流收費系統典型工況下的數據記錄樣本，所統計出的系統運行效率如下：車輛計數準確率在99.58%～99.87%之間，OBU和CPC匹配率分別在99.03%～99.60%和93.66%～96.22%之間，車輛牌識捕獲率則位于99.69%～99.84%之間。

5? ?結束語

綜上所述，全國高速公路省界站項目的取消，對于我國高速公路運行效率的提升、道路擁堵情況的緩解意義重大，為碳排放量的減少、全球氣候問題的改善做出了一定貢獻，同時也助推了ETC收費業務向智能化、無人化、精準化方向邁進。

本文依托ETC門架網絡，針對目前所存在的通行費漏收等問題所提出的ETC分段式自由流收費系統，具備門架精確感知及云端精確路徑還原功能，能實現精確路徑計費，必將大力提升我國高速公路收費系統運營效率。

參考文獻

[1] 沈峰，朱勝超，呂劍.ETC分段式計費系統精準收費升級方

案[J].中國交通信息化，2021， 258（06）：106-108+112.

[2] 周蘭孫，鄭豆豆.基于高速公路ETC門架收費設施的車路

協同系統探討[J].中國交通信息化，2020，250（11）：99-101.

[3] 柯翔，孫楠，劉曉娜.高速公路ETC門架主機監控系統研

究[J].微型電腦應用，2022，38（3）：37-40+51.