文 | 蔣玉龍 王洵 王寧 孫林芳中國(guó)交通通信信息中心

當(dāng)前，我國(guó)高速公路收費(fèi)方式主要以人工收費(fèi)、人工半自動(dòng)收費(fèi)（MTC）和電子不停車收費(fèi)（ETC）為主。人工收費(fèi)方式用戶體驗(yàn)差、通行效率低、易造成大面積擁堵。ETC收費(fèi)與人工收費(fèi)方式相比通行效率得到了明顯的提升，利用專用短程通信（DSRC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車輛電子不停車收費(fèi)，但受限于技術(shù)特性，同時(shí)從安全方面考量，目前ETC收費(fèi)方式也需要車輛在通過(guò)時(shí)進(jìn)行減速，在一定程度上影響了通行效率[1]?；谌?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）等技術(shù)的公路自由流收費(fèi)是一種通行效率更高的收費(fèi)方式，該方式在國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)論證階段。本文分析了基于北斗的高速公路自由流收費(fèi)的技術(shù)原理，介紹了中國(guó)交通通信信息中心前期與江西高速集團(tuán)開(kāi)展的技術(shù)論證工作以及當(dāng)前開(kāi)展的基于北斗的輔助收費(fèi)相關(guān)工作。

一、ETC通行原理

電子不停車收費(fèi)（ETC）主要是通過(guò)在車輛上安裝車載單元（OBU），利用DSRC及射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），與車道龍門架上安裝的路側(cè)單元（RSU）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到車輛識(shí)別的效果。車輛在進(jìn)出高速時(shí)候，通過(guò)以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別，判斷車輛進(jìn)出高速的出入口，計(jì)算出車輛高速行駛的費(fèi)用，并通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)完成清分結(jié)算工作[2]。

通過(guò)ETC系統(tǒng)，擺脫了以往通過(guò)人工在高速公路出入口發(fā)卡、收卡的收費(fèi)方式。車輛可以不停車通過(guò)收費(fèi)門架，極大地提高了高速進(jìn)出口的通行效率。但出于安全考慮及RFID屬于短距離通信技術(shù)，在通過(guò)ETC門架的時(shí)候，需要車輛將速度降到40km/h以下，以確保能夠順利完成電子設(shè)備的識(shí)別，這在一定程度上影響了通行效率最大化。

二、基于北斗的自由流收費(fèi)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

1.自由流收費(fèi)原理

目前，在德國(guó)、奧地利等歐洲國(guó)家，采用了一種利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)的方式。這種收費(fèi)方式被稱為自由流收費(fèi)，主要是通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛高速公路行駛?cè)^(guò)程定位，以此計(jì)算高速公路通行費(fèi)用，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完成資費(fèi)收取的一種方式。自由流收費(fèi)方式可以完全擺脫收費(fèi)站的影響，實(shí)現(xiàn)完全自由流通行，可以說(shuō)是目前已知的通行效率最高的高速公路收費(fèi)方式。自由流收費(fèi)原理見(jiàn)圖1。

圖1 自由流收費(fèi)原理圖

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要為車輛提供位置服務(wù)，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以繪制出車輛在高速公路的行駛路徑。

（2）車載終端功能

· 用戶信息：終端綁定了車輛信息；

· 導(dǎo)航定位：可以為車輛提供導(dǎo)航定位服務(wù)，確定車輛高速公路行駛路徑；

· 數(shù)據(jù)回傳：終端具備通信功能，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將車輛信息、行駛路徑等回傳到自由流收費(fèi)平臺(tái)；

· 費(fèi)用支付：完成車輛高速公路費(fèi)用支付。

（3）收費(fèi)平臺(tái)功能

· 用戶管理：所有車輛信息的加密管理；

· 信用管理：記錄車輛用戶的信用情況；

· 費(fèi)用收?。河?jì)算并收取高速公路通行費(fèi)；

· 清分結(jié)算：完成通行費(fèi)用的清算。

（4）收費(fèi)稽查

車輛信用稽查。

2.北斗自由流收費(fèi)實(shí)驗(yàn)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)重要的空間戰(zhàn)略資源，可為用戶提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)及短報(bào)文服務(wù)。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，可為用戶提供高精度服務(wù)。未來(lái)，高精度定位服務(wù)將是交通運(yùn)輸行業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

通過(guò)北斗系統(tǒng)提供的導(dǎo)航定位服務(wù)，可以實(shí)時(shí)定位車輛位置信息。2011年，交通運(yùn)輸部啟動(dòng)了我國(guó)首個(gè)北斗民用應(yīng)用示范工程“重點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)工程”建設(shè)，率先在道路運(yùn)輸領(lǐng)域推動(dòng)了北斗系統(tǒng)的應(yīng)用。全國(guó)目前已在近700萬(wàn)輛重點(diǎn)營(yíng)運(yùn)車輛上安裝北斗車載終端，有效提升了道路運(yùn)輸監(jiān)管能力。

基于道路運(yùn)輸領(lǐng)域取得的北斗應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，2018年，中國(guó)交通通信信息中心與江西高速集團(tuán)開(kāi)展合作，在江西開(kāi)展了基于北斗的自由流收費(fèi)實(shí)驗(yàn)工作。

（1）整體情況

實(shí)驗(yàn)工作自2018年5月開(kāi)始論證，總共完成了3個(gè)收費(fèi)站、6條北斗實(shí)驗(yàn)車道的改造工作，安裝了3個(gè)地基增強(qiáng)站，研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)自由流收費(fèi)的高精度車載終端，完成了北斗自由流下60km/h有桿、無(wú)桿通行實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

（2）高速收費(fèi)站的改造

為了能夠在確保安全的前提下，對(duì)北斗自由流收費(fèi)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，在江西高速集團(tuán)所轄的九龍湖、塔城、南昌3個(gè)收費(fèi)站，共選取了6條收費(fèi)車道進(jìn)行改造。增加了“北斗實(shí)驗(yàn)車道”標(biāo)識(shí)牌，在車道門架增設(shè)了車牌抓牌器，提高對(duì)通行車輛的識(shí)別能力（圖2）。

圖2 九龍湖北斗實(shí)驗(yàn)車道

（3）高速自由流收費(fèi)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)

為了能夠驗(yàn)證自由流收費(fèi)的可靠性，開(kāi)發(fā)了自由流收費(fèi)云平臺(tái)系統(tǒng)（圖3），平臺(tái)采用“云服務(wù)+終端”的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)端平臺(tái)對(duì)車道收費(fèi)設(shè)備的控制、車輛出入口及路徑信息的采集、車輛信息的報(bào)送和接收云服務(wù)平臺(tái)計(jì)算分析的結(jié)果，云服務(wù)平臺(tái)接收車輛信息進(jìn)行車輛通行規(guī)則分析、通行費(fèi)計(jì)算、基礎(chǔ)參數(shù)管理、會(huì)員注冊(cè)、支付綁定、信息服務(wù)等功能。北斗自由流通過(guò)北斗車載終端結(jié)合收費(fèi)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)征收高速公路通行費(fèi)業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)高速公路車道的北斗自由流業(yè)務(wù)。

圖3 北斗自由流收費(fèi)云平臺(tái)展示界面

（4）北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及高精度地圖

為了能達(dá)到車道級(jí)定位精度，判斷車輛行駛的具體車道，在南昌西、楊家湖、塔城建設(shè)了3個(gè)北斗地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站，播發(fā)高精度差分信息。同時(shí)，采集了實(shí)驗(yàn)點(diǎn)區(qū)域的收費(fèi)站高精度地圖，實(shí)現(xiàn)了分米級(jí)的定位精度，可實(shí)現(xiàn)車道級(jí)導(dǎo)航定位。

（5）研制了北斗高精度車載智能終端

為了能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)車輛的高精度定位，研發(fā)了北斗高精度的車載智能終端，終端定位精度達(dá)到0.5m（靜態(tài)0.01m），內(nèi)置高精度地圖，可確定收費(fèi)車道的位置，可訪問(wèn)收費(fèi)云平臺(tái)接口，裝有車載終端的車輛可不停車通過(guò)收費(fèi)站。經(jīng)過(guò)虛擬路徑識(shí)別點(diǎn)，自動(dòng)將位置信息上傳云平臺(tái)。

3.實(shí)驗(yàn)流程

為了能夠直觀地看到實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)組采用了保留收費(fèi)站欄桿的設(shè)定。具體實(shí)驗(yàn)流程如下。

當(dāng)車輛距離高速入口收費(fèi)站200m時(shí)，收費(fèi)云平臺(tái)就通過(guò)定位車輛位置，結(jié)合收費(fèi)站及車牌號(hào)等信息，進(jìn)行車輛準(zhǔn)入驗(yàn)證。若驗(yàn)證通過(guò)，車輛進(jìn)入收費(fèi)站入口標(biāo)記點(diǎn)，完成車輛識(shí)別、抬桿等動(dòng)作；若驗(yàn)證不通過(guò)，云平臺(tái)將向APP下發(fā)告警信息，禁止通過(guò)收費(fèi)站。車輛進(jìn)入高速公路50m，進(jìn)行“已進(jìn)入”確認(rèn)。車輛進(jìn)入識(shí)別點(diǎn)后，會(huì)將車輛信息上傳到收費(fèi)云平臺(tái)。

當(dāng)車輛距離高速出口200m時(shí)，收費(fèi)云平臺(tái)將根據(jù)入口情況，判斷車輛準(zhǔn)出情況，并完成費(fèi)用計(jì)算。車輛進(jìn)入出口識(shí)別點(diǎn)，完成車輛識(shí)別、抬桿等動(dòng)作。車輛駛出高速50m，進(jìn)行“已駛出”確認(rèn)。

通過(guò)高速入口、出口完成的一些列動(dòng)作，形成了完整的高速公路收費(fèi)流程。通過(guò)提前進(jìn)行準(zhǔn)入準(zhǔn)出識(shí)別和費(fèi)用計(jì)算，保障車輛可以不減速直接通過(guò)收費(fèi)站。通過(guò)識(shí)別點(diǎn)識(shí)別車輛，保證了定位的準(zhǔn)確性，解決了多路徑的問(wèn)題[1]?；诒倍返淖杂闪鲗?shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖4。

圖4 基于北斗的自由流實(shí)驗(yàn)流程

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.終端研制及安裝

實(shí)驗(yàn)選擇的是別克GL8七座商務(wù)車，安裝了國(guó)內(nèi)廠家研制生產(chǎn)的北斗高精度車載終端。終端可錄入綁定車牌號(hào)、車輛信息等，具備高精度定位和4G通信功能，可以定位車輛位置，經(jīng)過(guò)測(cè)試，高精度終端定位精度可達(dá)動(dòng)態(tài)0.5m。同時(shí)，可以將車輛信息及位置信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)回傳到自由流收費(fèi)平臺(tái)。

2.北斗自由流收費(fèi)管理平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了自由流收費(fèi)平臺(tái)，平臺(tái)可以定位車輛位置，可以與收費(fèi)站軟件系統(tǒng)相連，通過(guò)車輛位置完成車輛信息錄入、抬桿、計(jì)費(fèi)等一些列動(dòng)作。

自由流收費(fèi)平臺(tái)可以記錄注冊(cè)用戶數(shù)量、在線用戶數(shù)，可以實(shí)時(shí)定位車輛所在位置、車輛高速公路繳費(fèi)情況，方便對(duì)所有用戶高速公路通行費(fèi)進(jìn)行有效的管理。同時(shí)，平臺(tái)可以根據(jù)每一輛車的行駛里程，來(lái)計(jì)算高速公路通行費(fèi)，判斷駛?cè)?、駛出高速的收費(fèi)站、時(shí)間等信息，并計(jì)算出準(zhǔn)確的高速公路費(fèi)率。

平臺(tái)具備清分結(jié)算功能，可以根據(jù)車輛駛?cè)氲氖召M(fèi)路段，確定管轄的業(yè)主單位，在費(fèi)用收取后由平臺(tái)完成金額的清算工作。同時(shí)可以記錄業(yè)主單位所管轄路段車輛的通行情況、通行車輛的信息、該路段總體收費(fèi)情況等，為業(yè)主單位提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

3.自由流收費(fèi)APP

針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了北斗自由流的手機(jī)APP，主要用于測(cè)試車輛繳費(fèi)情況，以及進(jìn)入收費(fèi)站情況。

4.測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試過(guò)程中，為了確定終端定位-平臺(tái)準(zhǔn)入-車輛標(biāo)記-抬桿-駛?cè)?駛出高速-駛?cè)?駛出確認(rèn)這一完整的測(cè)試環(huán)境，實(shí)驗(yàn)組人員進(jìn)行了反復(fù)的測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、調(diào)整，逐步達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，在九龍湖收費(fèi)站、南昌西收費(fèi)站、塔城收費(fèi)站之間，很好地實(shí)現(xiàn)了二義性識(shí)別的問(wèn)題，且多車60km/h通過(guò)收費(fèi)站，均可完成正常的準(zhǔn)入、抬桿、計(jì)費(fèi)扣費(fèi)流程，演示效果良好。

四、結(jié)語(yǔ)

此次實(shí)驗(yàn)從技術(shù)上證明了自由流的可行性，但如果從江西三個(gè)收費(fèi)站拓展至全國(guó)普遍應(yīng)用，技術(shù)的可靠性尚未得到充分驗(yàn)證。同時(shí)，因相關(guān)的政策、標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)尚不完善，收費(fèi)稽查手段尚不成熟，在我國(guó)想一步跨越實(shí)現(xiàn)全國(guó)自由流收費(fèi)，尚不實(shí)際，仍需要從技術(shù)、行政等方面進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)專題的研究，逐步完善。

雖然利用北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由流收費(fèi)各方面因素尚不成熟，但此次實(shí)驗(yàn)也為后續(xù)開(kāi)展相關(guān)工作奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。利用北斗系統(tǒng)可以定位車輛行駛軌跡，可以為高速公路收費(fèi)提供一種良好的輔助手段，助力我國(guó)高速公路收費(fèi)方式的發(fā)展。