李丹

摘 要：為提高高速公路通行效率，在原有收費(fèi)系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出基于“車牌識(shí)別+移動(dòng)支付”的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，無需額外安裝設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)。系統(tǒng)核心技術(shù)為車牌識(shí)別與移動(dòng)支付。車牌識(shí)別采用小波降噪技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行車牌定位，采用垂直投影法進(jìn)行字符分割，采用ORC算法進(jìn)行字符識(shí)別;移動(dòng)支付通過調(diào)用第三方支付平臺(tái)（微信或支付寶）接口方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)車牌圖像進(jìn)行降噪處理后，車牌識(shí)別正確率達(dá)到96%，比未降噪處理提高3%;與ETC收費(fèi)車道相比，從該系統(tǒng)入口車道通行時(shí)間縮短7秒，出口車道縮短8秒，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)提高了高速公路通行效率。

關(guān)鍵詞：車牌識(shí)別;移動(dòng)支付;小波降噪;車牌定位;字符分割

DOI：10. 11907/rjdk. 201359 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0173-05

Abstract： In order to enrich the highway toll collection method and further improve the highway traffic efficiency， this paper proposes the highway toll collection system based on “l(fā)icense plate recognition + mobile payment” on the basis of the original toll collection system， and realize non-stop toll collection without installing additional equipment. License plate recognition and mobile payment is the core technology of the system， the license plate recognition process uses wavelet noise reduction on the image noise reduction processing， adopts mathematical morphological method for license plate positioning and vertical projection method for character segmentation as well as ORC algorithm for character recognition. Mobile payment is realized by calling the third-party company payment platform （WeChat and Alipay） interface. After noise reduction of license plate images， the correct rate of license plate identification reached 96%， which is 3% higher than that without noise reduction. Compared with the ETC toll lane， the travel time of the entrance lane was reduced by 7 seconds and the exit lane was reduced by 8 seconds after using this system; the test results showed that this system improved the efficiency of highway traffic.

Key Words： license plate recognition; mobile payment; wavelet noise reduction; license plate positioning; character segmentation

0 引言

目前高速公路收費(fèi)主要有人工半自動(dòng)收費(fèi)（Manual Toll Collection， MTC）、電子不停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection，ETC）兩種方式[1-2]。MTC由人與計(jì)算機(jī)設(shè)備、電子識(shí)別設(shè)備、信息顯示及交通控制設(shè)備等共同完成，只有某些工作環(huán)節(jié)需要人工完成[3]。ETC通過在車輛上安裝ETC車載器，與ETC車道接收天線進(jìn)行微波通訊，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從該車預(yù)付款賬戶中扣除費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)[4-6]。ETC技術(shù)具有提高高速公路通行效率、無需工作人員操作、減少現(xiàn)金管理成本等優(yōu)勢，但ETC辦理和初始安裝較復(fù)雜，在一定程度上限制了該功能使用[7]。

隨著移動(dòng)支付的普及，使用移動(dòng)支付技術(shù)收繳高速公路過路費(fèi)成為研究熱點(diǎn)，研究重點(diǎn)包括停車移動(dòng)支付和不停車移動(dòng)支付兩種模式[8-9]。目前，停車移動(dòng)支付主要應(yīng)用在MTC車道上，使用第三方支付軟件主動(dòng)或被動(dòng)掃描二維碼付款，減少現(xiàn)金管理、找零等操作，在一定程度上提高高速公路通行效率[10]。為實(shí)現(xiàn)不停車移動(dòng)支付，相關(guān)學(xué)者提出電子車牌+移動(dòng)支付的收費(fèi)方式[11-12]，需在車輛上安裝電子車牌標(biāo)簽，通過無線射頻技術(shù)與高速公路出入口車道進(jìn)行通信并計(jì)算通行費(fèi)用，通過遠(yuǎn)程移動(dòng)支付方式付款。目前，電子車牌+移動(dòng)支付收費(fèi)方式已在無錫、深圳試用，京津冀、湖北地區(qū)已開展可行性分析[13]。

目前，高速公路不停車收費(fèi)方式都需要安裝額外的通訊設(shè)備或標(biāo)簽，導(dǎo)致使用復(fù)雜性增加，用戶數(shù)量受限。本文提出將車牌識(shí)別技術(shù)和移動(dòng)支付技術(shù)應(yīng)用到高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中，用戶無需在車輛上安裝額外的通訊設(shè)備或標(biāo)簽，只需將手機(jī)與車輛信息綁定，就可實(shí)現(xiàn)高速公路不停車收費(fèi)功能，降低通行收費(fèi)復(fù)雜性。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)與相關(guān)技術(shù)

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于車牌識(shí)別+移動(dòng)支付的收費(fèi)系統(tǒng)是現(xiàn)有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的一個(gè)補(bǔ)充，其在現(xiàn)有收費(fèi)站、收費(fèi)中心及收費(fèi)車道基礎(chǔ)上增加一個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊，用戶無需安裝額外的電子設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)。在保留原有車道功能基礎(chǔ)上疊加該功能，車道改動(dòng)較小，可節(jié)約成本。與停車移動(dòng)支付相比，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不停車移動(dòng)支付;與ETC和“電子車牌+移動(dòng)支付”等不停車?yán)U費(fèi)方式相比，該系統(tǒng)無需安裝額外的通訊設(shè)備或電子標(biāo)簽。

車輛通過車牌識(shí)別方式進(jìn)入高速公路并進(jìn)行計(jì)費(fèi)，駛離高速公路出口時(shí)也是通過車牌識(shí)別采用移動(dòng)支付方式支付，用戶無需進(jìn)行任何操作即以一種無感的收費(fèi)方式通行。高速公路改造升級(jí)工作較少，僅需增設(shè)車牌識(shí)別硬件，MTC車道和ETC車道均可使用該功能。

1.2 車牌識(shí)別技術(shù)

系統(tǒng)核心技術(shù)之一是車牌識(shí)別，其識(shí)別精準(zhǔn)度直接影響不停車收費(fèi)成功率。高速公路出入口車牌識(shí)別方式分為兩種：①從抓拍視頻中提取車牌信息;②從攝像機(jī)抓拍的圖像中提取車牌信息[14-15]。兩種方式的核心流程基本一致，如圖1所示。通過高清攝像機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行拍照，圖片質(zhì)量影響車牌識(shí)別準(zhǔn)確率，需對(duì)圖像進(jìn)行降噪、邊緣增強(qiáng)、對(duì)比度調(diào)整等預(yù)處理，然后在圖片中定位出車牌區(qū)域，最后對(duì)車牌區(qū)域字符進(jìn)行分割與識(shí)別。

車牌識(shí)別研究較多。文獻(xiàn)[16]實(shí)現(xiàn)車牌自動(dòng)識(shí)別功能，但未對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理;文獻(xiàn)[17]對(duì)車牌圖像進(jìn)行傾斜校正，提高傾斜車牌識(shí)別正確率;文獻(xiàn)[18]提出一種車牌識(shí)別算法，但未建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，未進(jìn)行仿真分析。相對(duì)于日間車牌識(shí)別，夜間識(shí)別難度較大，如何快速準(zhǔn)確進(jìn)行車牌識(shí)別是當(dāng)前面臨的重要課題。本文以圖像處理技術(shù)為支撐，提出一種車牌去噪方法，在車牌圖像模糊、光照不均情況下提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

1.3 移動(dòng)支付技術(shù)

移動(dòng)支付分現(xiàn)場支付和遠(yuǎn)程支付兩種[19-20]?，F(xiàn)場支付是一種近距離支付技術(shù)，使用近距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn);遠(yuǎn)程支付采取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)支付，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程支付技術(shù)。為降低網(wǎng)絡(luò)支付風(fēng)險(xiǎn)，本系統(tǒng)采用第三方支付平臺(tái)（微信、支付寶等）進(jìn)行支付，用戶無需和銀行進(jìn)行資金清算，使用起來非常方便。第三方支付公司技術(shù)成熟，集成多家銀行，無需開通網(wǎng)銀也可進(jìn)行交易，快捷方便。移動(dòng)支付架構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于車牌識(shí)別的付款方式，用戶需要注冊賬號(hào)并綁定用戶信息、車輛信息（車牌、車型、行駛證等）以及支付信息（微信、支付寶等）;用戶實(shí)體和車輛實(shí)體是一種N對(duì)N關(guān)系，一個(gè)用戶可綁定N輛車，一輛車可以被N個(gè)用戶綁定。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由以下4部分構(gòu)成：①車道端：包括出口車道和入口車道，實(shí)現(xiàn)原有車道功能，與支付網(wǎng)關(guān)和欄桿機(jī)進(jìn)行信息交互;②用戶端：包括用戶信息注冊、綁定車輛信息、支付信息綁定等功能;③移動(dòng)支付網(wǎng)關(guān)：建立數(shù)據(jù)安全交互通道;④移動(dòng)支付運(yùn)營平臺(tái)：包括管理用戶和車輛信息、與第三方支付平臺(tái)接口管理、與高速公路結(jié)算中心清分系統(tǒng)對(duì)賬管理等。

2.2 出、入口流程

用戶駕車駛?cè)敫咚俟肥召M(fèi)站入口時(shí)，根據(jù)車牌識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別車牌和車型，進(jìn)入高速公路入口，系統(tǒng)進(jìn)行信息登記并開始計(jì)費(fèi)，如圖3所示。當(dāng)用戶駕車駛離高速公路出口時(shí)，根據(jù)車牌識(shí)別方式讀取信息，抬桿放行并自動(dòng)扣費(fèi)，流程如圖4所示。

2.3 扣費(fèi)流程

扣費(fèi)是高速公路收費(fèi)系統(tǒng)最核心流程，安全、合理、有效進(jìn)行扣費(fèi)才能保證用戶放心使用。系統(tǒng)首先判斷用戶賬戶余額是否可以支付費(fèi)用，如果余額充足即直接完成扣費(fèi)，如果余額不足再使用綁定的其它付款方式繳費(fèi)，扣費(fèi)流程如圖5所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

車牌識(shí)別和移動(dòng)支付技術(shù)是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，通過車牌識(shí)別技術(shù)完成車輛身份識(shí)別，車牌識(shí)別效率及正確率至關(guān)重要。為提高移動(dòng)支付的安全性和系統(tǒng)開發(fā)效率，本文通過調(diào)用第三方支付方式實(shí)現(xiàn)支付功能，而不是開發(fā)一套新的移動(dòng)支付方式。

3.1 車牌識(shí)別

3.1.1 車牌圖像預(yù)處理

車牌識(shí)別時(shí)如果采集光照強(qiáng)度不足，圖像背景易虛化不清，在此背景條件下，系統(tǒng)識(shí)別的車牌圖像往往出現(xiàn)圖像失真、存在噪聲等問題。為提高車牌圖像清晰度，需要在進(jìn)行圖像像素特征表達(dá)基礎(chǔ)上進(jìn)行降噪處理，以進(jìn)一步美化車牌圖像[21]。

經(jīng)過上述處理實(shí)現(xiàn)車牌圖像降噪，得到清晰美化的車牌圖像。

3.1.2 車牌定位

由于采集的車牌圖像范圍大于車牌范圍，包含車身信息，因此在進(jìn)行識(shí)別前要將車牌區(qū)域從整體圖像中分離出來，即車牌定位。本文采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)該功能，該算法包含腐蝕、膨脹、開運(yùn)算和閉運(yùn)算4種基本運(yùn)算 [22]。通過4種運(yùn)算組合，簡化圖像數(shù)據(jù)，去除不相干結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車牌定位。

3.1.3 車牌分割

車牌分割指將車牌定位后圖像中的字符分割出來，本文采用垂直投影法完成字符分割，方法如下：①對(duì)車牌二值圖像進(jìn)行垂直投影，統(tǒng)計(jì)出每列的值;②確定閾值，如字符長度大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該塊由兩個(gè)字符組成，需要分割。

3.1.4 車牌識(shí)別

車牌識(shí)別采用模板匹配的OCR算法，即圖像文字識(shí)別技術(shù)，將車牌分割后圖像中的文字提取出來，以文本形式展現(xiàn)。

3.2 移動(dòng)支付

本系統(tǒng)移動(dòng)支付方式通過協(xié)調(diào)第三方支付公司（微信和支付寶）完成支付結(jié)算。當(dāng)用戶駛離高速公路后，將高速通行費(fèi)用劃入第三方賬戶并暫為存儲(chǔ)，用戶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未進(jìn)行申訴即視為該支付合法，系統(tǒng)將通行費(fèi)劃入高速公路賬戶。第三方支付公司提供支付應(yīng)用集成包，包括數(shù)據(jù)交互過程、接口調(diào)用方式、參數(shù)說明、簽名機(jī)制等內(nèi)容，根據(jù)其說明進(jìn)行開發(fā)就可完成支付功能。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測試

用戶完成注冊并綁定車輛信息及支付信息，系統(tǒng)審核通過后駕駛該車輛進(jìn)入高速公路入口，入口車道拍攝照片，進(jìn)行車牌識(shí)別，識(shí)別成功后將信息寫入系統(tǒng)，抬桿放行并開始計(jì)費(fèi)。選擇綁定免密支付，如圖6所示，選擇支付寶后在支付寶簽訂相關(guān)協(xié)議方即可開通，車牌識(shí)別結(jié)果見圖7。

車輛駛離高速公路時(shí)在出口進(jìn)行車牌識(shí)別，并在后臺(tái)進(jìn)行計(jì)費(fèi)結(jié)算及扣費(fèi)操作，扣費(fèi)成功系統(tǒng)向用戶發(fā)送短信。

4.2 結(jié)果分析

不同光照背景下采集200張圖片進(jìn)行系統(tǒng)測試，系統(tǒng)性能見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行降噪美化后的車牌識(shí)別準(zhǔn)確率更高，但系統(tǒng)消耗時(shí)間更多。

5 結(jié)語

基于車牌識(shí)別+移動(dòng)支付的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，在用戶無需安裝額外設(shè)備前提下實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，能夠提高高速公路通行效率。但是，車牌識(shí)別速度、準(zhǔn)確性以及車牌污損或遮擋等問題會(huì)影響交易成功率及安全性。另外，車牌識(shí)別無法解決套牌問題，這些將在后續(xù)進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莫麗娜. 高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用前景[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，29（6）：98-100.

[2] 何培舟. 公路收費(fèi)方式淺談[J]. 中國交通信息化，2018，17（2）：26-28.

[3] 卞延鵬. ETC與MTC混合式收費(fèi)車道通行能力分析[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018，17（11）：101-102.

[4] 李堅(jiān)，王秀媛. 高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀研究[J]. 自動(dòng)化與信息工程，2007，16（2）：1-4.

[5] 葉忠杰. 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)與ETC技術(shù)[J]. 山西交通科技，2003，12（1）：12-14.

[6] CHEN C D，F(xiàn)AN Y W，F(xiàn)ARN C K. Predicting electronic toll collection service adoption： an integration of the technology acceptance model and the theory of planned behavior[J]. Transportation Research， 2007， 15C（5）：300-311.

[7] 黃慰忠. 基于牌照識(shí)別與移動(dòng)支付的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)淺析[J]. 中國市政工程，2018，17（3）：27-30，116.

[8] 危炫杰. 基于“電子車牌+移動(dòng)支付”的高速公路收費(fèi)管理[J]. 交通世界，2019，45（29）：16-17.

[9] 麥超武. 移動(dòng)支付在高速公路收費(fèi)中的應(yīng)用分析[J]. 公路，2019，64（7）：234-237.

[10] HUANG J T. Contrastive analysis between mobile phone payment technology and ETC technology in expressway[J]. Guangdong Highway Communications， 2017，24（9）：115-121.

[11] 郭冰. “電子車牌+移動(dòng)支付”在高速公路收費(fèi)中的應(yīng)用[J]. 中國新通信，2018，20（24）：107-109.

[12] 孟姣姣. 高速公路收費(fèi)中“電子車牌+移動(dòng)支付”的應(yīng)用研究[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)雜志，2018，33（12）：53-59.

[13] 朱皖輝. “電子車牌+移動(dòng)支付”在高速公路收費(fèi)中的應(yīng)用[J]. 交通世界，2017，20（26）：10-11，14.

[14] 江志榮. 車牌識(shí)別技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用[J]. 中國交通信息化，2018，17（10）：92-95.

[15] LI D，YANG D，LIU G. Research on key technologies of night detection of license plate recognition system[C]. Proceedings of 2019 2nd International Conference on Mechanical， Electronic and Engineering Technology（MEET 2019），2019：112-116.

[16] 莫玲. 圖像處理技術(shù)在車牌識(shí)別中的研究[J]. 輕工科技，2018，12（8）：88-90.

[17] 張俊峰，尚振宏，劉輝. 基于顏色特征與模板匹配的車牌識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件導(dǎo)刊，2018，17（1）：212-215，220.

[18] 王偉偉，李紹民. 關(guān)于車牌識(shí)別算法的研究[J]. 電子世界，2018，61（15）：53-54.

[19] 韓趙魏. 第三方支付平臺(tái)在手機(jī)支付中的應(yīng)用研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2012.

[20] ZHAO L，SHU H Y. Mobile payment development in china[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 464（55）：416-419.

[21] 劉凱，羅凱耀，姜代紅. 基于VC++的車牌圖像預(yù)處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件導(dǎo)刊，2015，14（6）：189-190.

[22] 周彬彬. 復(fù)雜環(huán)境下車牌識(shí)別系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南昌：南昌航空大學(xué)，2016.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）