梅瀟　皮婉素

摘 要 自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是解決交通阻塞的最重要的手段之一，自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是利用車輛自動(dòng)識(shí)別（簡稱AVI）技術(shù)完成車輛與收費(fèi)站之間的數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)行車輛自動(dòng)識(shí)別和有關(guān)收費(fèi)數(shù)據(jù)的交換。車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，本文針對(duì)車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的專利申請(qǐng)和專利申請(qǐng)產(chǎn)出國進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并重點(diǎn)針對(duì)車輛識(shí)別系統(tǒng)中組具有代表性的四大技術(shù)分支：條形碼AVI系統(tǒng)，視頻圖像處理AVI系統(tǒng)，射頻識(shí)別AVI系統(tǒng)以及衛(wèi)星定位AVI系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 不停車 收費(fèi) 識(shí)別 條形碼 圖像 射頻 衛(wèi)星

中圖分類號(hào)：C18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)概述

自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)主要是利用車輛自動(dòng)識(shí)別（AVI）技術(shù)，通過信息的通信和信息交換，以達(dá)到對(duì)車輛的自動(dòng)識(shí)別，并自動(dòng)從該車輛的帳戶中扣除通行費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)收費(fèi)。

車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（AVI）是自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的核心技術(shù)，是區(qū)別不同的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是指利用現(xiàn)有的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)和手段，將通過特定地點(diǎn)的行駛車輛身份自動(dòng)的識(shí)別出來以備交通管理應(yīng)用。

車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（AVI） 經(jīng)歷了聲表面技術(shù)、光學(xué)和紅外技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)、無線電射頻和微波通信技術(shù)等過程，最后得到認(rèn)可的有改進(jìn)的條形碼技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)、無線電射頻和微波通信技術(shù)。到20 世紀(jì)末，已基本確立了采用無線電射頻和微波通信技術(shù)作為自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的主流地位。近年來，采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的車輛定位系統(tǒng)（VPS）也進(jìn)人了AVI 的應(yīng)用。并被歐盟建議為歐洲各國收費(fèi)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

2專利技術(shù)的整體分析

2.1 全球?qū)＠暾?qǐng)量趨勢(shì)

經(jīng)過檢索，截止到2015年6月30日，在ven數(shù)據(jù)庫中供檢索到1600余項(xiàng)自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的專利申請(qǐng)，最早的專利申請(qǐng)出現(xiàn)在1971年，但是1971年至1989年每年的專利申請(qǐng)量都很小。因此，選擇1991年至今的全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

圖2.1：1991年至今的全球?qū)＠暾?qǐng)總量隨年份變化的趨勢(shì)圖

圖2.1所示為1990年至今的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)歲年份變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，1992年以前，專利申請(qǐng)量較小。從1993年開始到1999年，申請(qǐng)量開始有一個(gè)小幅的上升，隨后經(jīng)過一個(gè)小幅的回落，從2002年開始專利申請(qǐng)量開始逐步攀升，盡管在2008年至2010年有所下降，但專利申請(qǐng)量總體還是一個(gè)逐步上升的趨勢(shì)并在2012年達(dá)到高峰。并且由于專利申請(qǐng)公開的時(shí)延性，導(dǎo)致近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不完整。

根據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)出現(xiàn)較早，這主要還是由于在發(fā)達(dá)國家的汽車數(shù)量較多，交通的嚴(yán)重阻塞情況亟需解決所導(dǎo)致的。

2.2 專利申請(qǐng)產(chǎn)出國分布

通過對(duì)檢索到的專利文獻(xiàn)產(chǎn)出國進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如下圖2.2所示），日本29.83%的專利申請(qǐng)比例占據(jù)第一，美國以17.05%的專利申請(qǐng)比例占據(jù)第二，中國以9.69%的專利申請(qǐng)比例占據(jù)第二，同時(shí)也從側(cè)面反映出中國在自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但后期發(fā)展比較迅速，專利申請(qǐng)總量也比較多，當(dāng)然和日本、美國的等國家還具有一定差距。

圖2.2：全球?qū)＠暾?qǐng)產(chǎn)出國分析

2.3 在華專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

如圖2.3所示為自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)在華申請(qǐng)歲年份變化的趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，我國從1992年開始已有電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)的專利申請(qǐng)，然而申請(qǐng)量一直較低；直至2000年，我國國家經(jīng)貿(mào)委和交通部主持了“高等級(jí)公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，隨后，針對(duì)自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)的專利申請(qǐng)量開始逐步攀升，由于專利申請(qǐng)公開的滯后性，2013年以及2014年的專利申請(qǐng)量并不完整。經(jīng)過與之前全球?qū)＠暾?qǐng)總量隨年份變化的趨勢(shì)圖比較可以得出，我國自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛識(shí)別技術(shù)在華專利申請(qǐng)發(fā)展迅速。這與自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)在中國各省市大量運(yùn)行實(shí)踐，逐步成為主流收費(fèi)方式的發(fā)展趨勢(shì)也是一致的。

圖2.3：在華專利申請(qǐng)總量隨年份變化的趨勢(shì)

3主要技術(shù)分支的專利申請(qǐng)分析

3.1光學(xué)和紅外AVI系統(tǒng)

基于光學(xué)和紅外AVI系統(tǒng)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備、室外設(shè)備以及車輛上的標(biāo)識(shí)部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3.1 所示. 當(dāng)車輛進(jìn)入安裝地面檢測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)車道時(shí)， 微機(jī)通過接口電路啟動(dòng)相應(yīng)的掃描器開始工作。掃描器發(fā)出脈沖形式的光波， 并接收經(jīng)車輛反射的光信號(hào)， 由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 經(jīng)過整形放大后送到譯碼器， 由譯碼器解譯后通過接口電路箱入到計(jì)算機(jī). 當(dāng)車輛出清該車道時(shí)， 微機(jī)通過接口電路停止相應(yīng)激光掃描器的工作。

圖3.1：車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

20世紀(jì)70年代末，在紐約和新澤西試行了借助于自動(dòng)車輛識(shí)別的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，采用光學(xué)和紅外的技術(shù)原型對(duì)AVI系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估；美國圖像識(shí)別公司提出專利申請(qǐng)（US4958064A），記載了可在車輛的停車場(chǎng)或收費(fèi)公路安裝相機(jī)，相機(jī)中裝配條碼閱讀器，通過讀取車輛上條碼信息來判斷車輛是否有權(quán)進(jìn)入停車場(chǎng)或者在收費(fèi)道路自動(dòng)生成車輛的通行費(fèi)賬單；通過增加條形碼的光源以及調(diào)整相機(jī)的焦距，提高了相機(jī)的分辨率，使得在混亂的背景中準(zhǔn)確的識(shí)別出條碼的信息。然而，由于車輛的移動(dòng)速度以及長期暴露于外部環(huán)境，在惡劣天氣、環(huán)境污染或污物覆蓋的情況下，系統(tǒng)很難達(dá)到較高的識(shí)別精度。

3.2視頻圖像處理 AVI 系統(tǒng)

視頻圖像處理 AVI 系統(tǒng)由視頻攝像機(jī)、圖像采集設(shè)備及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成。在車輛電子收費(fèi)技術(shù)領(lǐng)域，視頻圖像處理系統(tǒng)的研究主要集中在車牌識(shí)別系統(tǒng)，其識(shí)別流程如圖3.2所示：

視頻采集：由攝像鏡頭和圖像采集卡組成。圖像采集卡將攝像鏡頭拍攝到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)。對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行關(guān)鍵幀提取。車牌定位：從一幅包含車牌的圖像中將車牌找出來，車牌定位是整個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)中最重要的部分。字符分割：對(duì)獲得的牌照分離出每個(gè)字符。字符識(shí)別：將分割后的字符采用一定的方法將其識(shí)別出來。

1995年美國IND公司提出，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行車輛的車牌識(shí)別（US5425108A），通過照相機(jī)獲取車輛的車牌圖像，然后尋找到圖像中車牌的位置并進(jìn)行分離。然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別出被分離的字符。與傳統(tǒng)的模板匹配方式相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)勢(shì)更為明顯。盡管，國外汽車牌照識(shí)別系統(tǒng)研究工作已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是并不盡合我國國情，主要是因?yàn)槲覈鴺?biāo)準(zhǔn)汽車牌照是由漢字、英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，漢字的識(shí)別與字母和數(shù)字的識(shí)別有很大的不同。2010年，復(fù)旦大學(xué)提出一種可用于收費(fèi)道路的車牌識(shí)別，使用分類器，預(yù)先對(duì)數(shù)字、字符和漢字建立二值模板，車牌識(shí)別時(shí)，首先進(jìn)行車牌定位，得到一組車牌候選區(qū)；將字符塊與模板對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，對(duì)每組字符塊進(jìn)行識(shí)別，排除錯(cuò)誤候選區(qū)，生成識(shí)別出的車牌號(hào)碼，車牌顏色以及車牌區(qū)域坐標(biāo)。

3.3射頻識(shí)別 AVI 系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過識(shí)別裝置自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，射頻識(shí)別技術(shù)的閱讀距離遠(yuǎn)，讀卡速度快；可穿過玻璃、塑料等非金屬介質(zhì)，也可在惡劣環(huán)境下工作；具有全球唯一的ID 號(hào)。

具有射頻識(shí)別系統(tǒng)的ETC原理圖如圖3.3所示：

圖3.3收費(fèi)站ETC車道工作原理圖

當(dāng)有車輛通過時(shí)，車輛檢測(cè)裝置會(huì)發(fā)射驗(yàn)證信號(hào)，檢測(cè)待通過車輛是否安裝了電子標(biāo)簽，如果檢測(cè)到該車輛未安裝電子標(biāo)簽，則禁止通行； 如果檢測(cè)到該車輛安裝了電子標(biāo)簽，則閱讀器會(huì)對(duì)該車輛電子標(biāo)簽卡片內(nèi)信息進(jìn)行讀取核對(duì)，從該卡片內(nèi)扣除本次通行費(fèi)用，放行該車輛。

德州儀器公司首次提出了一種可用于收費(fèi)道路或收費(fèi)停車場(chǎng)的車輛識(shí)別通信系統(tǒng)（US5552789A），車身裝載有具有唯一識(shí)別ID的發(fā)射應(yīng)答器，地面上安裝有車輛識(shí)別系統(tǒng)AVI，通過車輛識(shí)別系統(tǒng)AVI的環(huán)形天線與車身的發(fā)射應(yīng)答器進(jìn)行通信，進(jìn)而識(shí)別出車輛的身份ID。當(dāng)車輛通過收費(fèi)站時(shí)，車身的發(fā)射應(yīng)答器與AVI系統(tǒng)進(jìn)行通信并發(fā)送ID信息以及信用卡信息。車輛識(shí)別系統(tǒng)AVI的環(huán)形天線通過RF信號(hào)與車身的發(fā)射應(yīng)答器進(jìn)行通信。隨著車輛的逐漸增多、車道的逐漸增加，RF識(shí)別AVI系統(tǒng)的問題也逐漸暴露，針對(duì)跟車干擾問題，2013年，北京速通科技提出了一種基于多波束天線的電子不行車收費(fèi)ETC的防干擾方法，多波束天線對(duì)所在車道天線通信區(qū)域內(nèi)的車載電子標(biāo)簽進(jìn)行信號(hào)和位置檢測(cè)；多波束天線檢測(cè)到多個(gè)車載電子標(biāo)簽在所述通信區(qū)域內(nèi)時(shí)，向每個(gè)車載電子標(biāo)簽發(fā)射定向下行波束，各下行波束分別形成一個(gè)相互獨(dú)立相對(duì)較小的通信子區(qū)域，以空分復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)與所述多個(gè)車載電子標(biāo)簽的并發(fā)通信?？梢哉{(diào)整ETC交易的有效通信區(qū)域，實(shí)時(shí)檢測(cè)ETC車道的OBU精確位置，并依據(jù)電子標(biāo)簽的位置調(diào)整定向下行波束，以空分復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)與多個(gè)車載電子標(biāo)簽的并發(fā)通信，從而提高車道通行速度，同時(shí)避免ETC車道車輛跟車干擾。

3.4衛(wèi)星定位（GPS）AVI系統(tǒng)

衛(wèi)星收費(fèi)系統(tǒng)工作原理是車輛在行駛時(shí)通過安裝在車上的車載終端GPS不斷獲取車輛當(dāng)前的位置信息，同時(shí)將所在位置和車載地圖上的收費(fèi)路段相匹配進(jìn)行路段識(shí)別，如果確定車輛進(jìn)入收費(fèi)路段，系統(tǒng)開始計(jì)算車輛行駛軌跡和路程，并進(jìn)行通行費(fèi)用計(jì)算。衛(wèi)星定位不停車系統(tǒng)組成示意圖見圖3.4：

車載終端子系統(tǒng)。存儲(chǔ)有車載收費(fèi)地圖，可完成定位信息的接收、收費(fèi)路段匹配、通行費(fèi)用計(jì)算和收費(fèi)信息傳遞等任務(wù)。

路側(cè)稽查子系統(tǒng)。通過微波通信的方式與收費(fèi)道路上過往的車輛進(jìn)行通信，確認(rèn)車載設(shè)備的工作狀態(tài)；將車載設(shè)備信息傳送給后臺(tái)管理中心子系統(tǒng)。

后臺(tái)管理中心子系統(tǒng)。主要接收和存儲(chǔ)車載設(shè)備發(fā)送的路徑、通行費(fèi)用信息和稽查設(shè)備發(fā)送的稽查信息。

圖3.4：衛(wèi)星收費(fèi)系統(tǒng)組成示意圖

基于衛(wèi)星定位和無線接入技術(shù)的不停車收費(fèi)技術(shù)是世界上最先進(jìn)的路橋收費(fèi)技術(shù)之一，1994年，德國快捷達(dá)公司提出了一種基于GPS的道路收費(fèi)系統(tǒng)（GB2295476A），車身裝載有接收單元用于從GPS接收位置信息，根據(jù)位置信息來產(chǎn)生相應(yīng)的過路費(fèi)賬單信息。日本三菱公司針對(duì)基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)造價(jià)較高的問題，提出了一種有效利用現(xiàn)有設(shè)備的同時(shí)能夠以低成本擴(kuò)充收費(fèi)對(duì)象區(qū)域的收費(fèi)系統(tǒng)，其包括設(shè)置在收費(fèi)對(duì)象區(qū)域（A）中的收費(fèi)裝置，和安裝在車輛中并且在與收費(fèi)裝置之間交換有關(guān)收費(fèi)的信息的車載器的收費(fèi)系統(tǒng)中，車載器基于由GPS接收機(jī)取得的位置信息檢測(cè)是否進(jìn)入到擴(kuò)充收費(fèi)對(duì)象區(qū)域，在進(jìn)入收費(fèi)對(duì)象區(qū)域（A）時(shí)，對(duì)于在收費(fèi)對(duì)象區(qū)域（A）的收費(fèi)站中設(shè)置的收費(fèi)裝置，發(fā)送表示是否進(jìn)入到擴(kuò)充收費(fèi)對(duì)象區(qū)域（B）的進(jìn)入標(biāo)志的狀態(tài)，從而將是否進(jìn)入到擴(kuò)充收費(fèi)對(duì)象區(qū)域（B）的情況通知給收費(fèi)裝置。

4結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和車輛的不斷增多，自動(dòng)收費(fèi)技術(shù)將會(huì)得到更大發(fā)展。盡管目前的自動(dòng)收費(fèi)技術(shù)已經(jīng)逐漸普及。但是識(shí)別速度慢、跟車干擾、鄰近車道干擾等問題依然存在，自動(dòng)收費(fèi)技術(shù)還需要更進(jìn)一步的研究和完善。

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