沈 峰, 朱勝超, 呂 劍

(北京萬(wàn)集科技股份有限公司， 北京 100193)

1 現(xiàn)狀分析

2019年由國(guó)務(wù)院提出、交通部統(tǒng)籌實(shí)施的高速公路取消省界站工程圓滿(mǎn)完成，全國(guó)共拆除省界收費(fèi)站487個(gè)，新建ETC門(mén)架24588個(gè)，全網(wǎng)ETC用戶(hù)超2億，從2020年1月1日起，中國(guó)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)正式進(jìn)入“一張網(wǎng)”時(shí)代。撤站后的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)依靠遍布整個(gè)路網(wǎng)的ETC門(mén)架實(shí)現(xiàn)了“分段式計(jì)費(fèi)”，并加入了“門(mén)架擬合代收”以及“出口在線計(jì)費(fèi)”功能，以解決由于車(chē)載介質(zhì)中記錄的收費(fèi)路徑與實(shí)際路徑存在偏差而導(dǎo)致的計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤問(wèn)題?！伴T(mén)架擬合代收”、“出口在線計(jì)費(fèi)”等功能的使用大幅減少了通行費(fèi)漏收情況，向?qū)崿F(xiàn)全路網(wǎng)精準(zhǔn)收費(fèi)的目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)一步。但還有以下方面存在不足，值得繼續(xù)探索。

1.1 完善出口在線計(jì)費(fèi)功能

由于出口在線計(jì)費(fèi)功能是在車(chē)載介質(zhì)中記錄的通行費(fèi)額出現(xiàn)異常時(shí)才啟用，而介質(zhì)內(nèi)費(fèi)額異常大概率意味著省部級(jí)在線計(jì)費(fèi)平臺(tái)獲得的門(mén)架端ETC交易流水也同樣存在問(wèn)題，因此有效的在線計(jì)費(fèi)功能需要“牌識(shí)數(shù)據(jù)”輔助，需要“ETC+牌識(shí)”兩路信息流來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。由于牌識(shí)結(jié)果并非100%準(zhǔn)確，同時(shí)考慮到路網(wǎng)內(nèi)相似車(chē)牌號(hào)大量存在，要實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立信息流的云端路徑擬合，需要綜合考慮時(shí)間、空間兩個(gè)維度，并使用較為復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)，還需要大量的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證算法的有效性。

1.2 提升視頻抓拍系統(tǒng)的性能

目前的技術(shù)路線為ETC和牌識(shí)雙重驗(yàn)證，互為支撐和補(bǔ)充。但由于現(xiàn)有視頻技術(shù)受到自然環(huán)境條件限制，很難成為ETC的有效補(bǔ)充，比如在高速公路門(mén)架場(chǎng)景下，夜間補(bǔ)光條件有限，視頻系統(tǒng)在夜間的抓拍率與白天相比差異較大；此外高速公路上有大量貨車(chē)通行，且部分貨車(chē)車(chē)牌污損比較嚴(yán)重，導(dǎo)致基于車(chē)牌識(shí)別原理的視頻抓拍系統(tǒng)難以保證抓拍效率；還有其他特殊情況，如無(wú)牌、高亮牌、遮擋牌等都對(duì)現(xiàn)有牌識(shí)系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

1.3 增強(qiáng)斷面車(chē)流量計(jì)數(shù)能力

目前ETC門(mén)架統(tǒng)計(jì)的斷面車(chē)流量數(shù)據(jù)主要來(lái)源于門(mén)架RSU的交易流水?dāng)?shù)據(jù)或者視頻相機(jī)的抓拍數(shù)據(jù)，兩類(lèi)數(shù)據(jù)獨(dú)立統(tǒng)計(jì)且具有一定誤差。獨(dú)立的ETC門(mén)架無(wú)法獲得該門(mén)架斷面精準(zhǔn)的車(chē)流感知信息，因此很難精確計(jì)算出收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)該收取的通行費(fèi)額，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)路段通行費(fèi)的準(zhǔn)確拆分。

2 系統(tǒng)方案

根據(jù)目前高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，為了徹底實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收費(fèi)，以下列幾個(gè)方向?yàn)樵O(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出ETC分段式計(jì)費(fèi)系統(tǒng)精準(zhǔn)收費(fèi)升級(jí)方案：①確保門(mén)架對(duì)于通行車(chē)輛的精準(zhǔn)感知能力；②有效提升抓拍系統(tǒng)的抓拍率，并充分利用抓拍圖像的其他信息；③提升門(mén)架前端數(shù)據(jù)質(zhì)量，減輕云端路徑擬合負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)ETC信息與牌識(shí)信息的門(mén)架前端匹配；④確保系統(tǒng)的靈活可擴(kuò)展性，以符合不同等級(jí)的建設(shè)規(guī)劃需求。

2.1 系統(tǒng)總體框架

ETC分段式計(jì)費(fèi)系統(tǒng)精準(zhǔn)收費(fèi)升級(jí)方案，是在現(xiàn)有的ETC門(mén)架系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一個(gè)基于精確匹配的分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套能夠?qū)崿F(xiàn)門(mén)架前端ETC信息與牌識(shí)信息的精準(zhǔn)匹配，云端借助圖像ReID技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛真實(shí)路徑還原的信息交互系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示：

圖1 基于精確匹配的分段式自由流收費(fèi)系統(tǒng)整體布局

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

系統(tǒng)主要由2大部分組成，即路側(cè)智能門(mén)架感知系統(tǒng)和云端路徑還原系統(tǒng)。

2.2.1智能門(mén)架感知系統(tǒng)

智能門(mén)架感知系統(tǒng)主要包括天線子系統(tǒng)(RSU)、車(chē)輛檢測(cè)子系統(tǒng)(激光)、車(chē)輛抓拍子系統(tǒng)(牌識(shí))、門(mén)架數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(門(mén)架工控機(jī)及配套軟件)，智能門(mén)架能夠獲取車(chē)輛OBU/CPC信息、圖片及車(chē)牌信息并生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，多個(gè)智能門(mén)架組成的門(mén)架群將各自的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過(guò)收費(fèi)以太網(wǎng)向路/省中心傳輸，數(shù)據(jù)流向路徑還原系統(tǒng)。

智能門(mén)架系統(tǒng)整體布局見(jiàn)圖2,對(duì)內(nèi)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置一臺(tái)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)匯聚設(shè)備，與各子系統(tǒng)均采用網(wǎng)絡(luò)連接，并在子系統(tǒng)內(nèi)部搭配安全防護(hù)措施，確保系統(tǒng)穩(wěn)定通暢；對(duì)外在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上配置必要的端口隔離策略，對(duì)ETC門(mén)架僅開(kāi)放使用端口，最大程度減少交互的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，降低數(shù)據(jù)串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 智能門(mén)架感知系統(tǒng)整體布局

2.2.1.1 天線子系統(tǒng)

天線子系統(tǒng)即ETC交易系統(tǒng)，主要包含帶定位功能的RSU天線和天線專(zhuān)用控制器，每車(chē)道配置一臺(tái)RSU天線，行車(chē)斷面滿(mǎn)覆蓋，對(duì)多目標(biāo)準(zhǔn)確定位。當(dāng)RSU與車(chē)載介質(zhì)完成無(wú)線通信之后，將該交易信息和位置信息上傳給門(mén)架工控機(jī)。

2.2.1.2 車(chē)輛檢測(cè)子系統(tǒng)

車(chē)輛檢測(cè)子系統(tǒng)包含多臺(tái)激光傳感器和專(zhuān)用控制器，多臺(tái)激光器形成多個(gè)掃描面。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入系統(tǒng)場(chǎng)景時(shí)，激光器對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，記錄多個(gè)位置信息，并觸發(fā)抓拍子系統(tǒng)抓拍，同時(shí)提供車(chē)輛位置信息上傳給門(mén)架工控機(jī)。

2.2.1.3 車(chē)輛抓拍子系統(tǒng)

系統(tǒng)包含抓拍攝像機(jī)及補(bǔ)光裝置，每條車(chē)道配置一套，用于抓拍經(jīng)過(guò)車(chē)輛的正面圖片，系統(tǒng)還包含視頻圖片特征提取邊緣機(jī)，用于對(duì)抓拍的圖片或原始視頻流提取車(chē)輛特征信息，并將車(chē)輛圖片信息、特征信息上傳給門(mén)架工控機(jī)。

2.2.1.4 門(mén)架數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要是門(mén)架工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備及溫度感知報(bào)警系統(tǒng)。工控機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備用于接收各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯匹配，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、位置、車(chē)牌等多維度的匹配：采用ETC定位技術(shù)、激光定位技術(shù)、車(chē)牌識(shí)別技術(shù)，結(jié)合多維度匹配算法完成門(mén)架側(cè)圖片和ETC交易流水的精確匹配進(jìn)而完成圖像特征信息和ETC交易信息的數(shù)據(jù)融合，生成結(jié)構(gòu)化的廣義車(chē)輛特征信息，并上傳云端服務(wù)器。同時(shí)，綜合ETC信息、牌識(shí)信息、激光觸發(fā)信息，實(shí)現(xiàn)門(mén)架過(guò)車(chē)數(shù)量的精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)。溫度感知報(bào)警系統(tǒng)主要用于感知周?chē)h(huán)境、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)存在異常的模塊報(bào)警提醒。

2.2.2云端路徑還原系統(tǒng)

云端路徑還原系統(tǒng)主要是由路徑還原服務(wù)器集群及相應(yīng)軟件平臺(tái)組成，包括數(shù)據(jù)接收、聚類(lèi)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、負(fù)載均衡、冗余配置等相關(guān)設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)所有底層門(mén)架數(shù)據(jù)的接收、匹配、處理及應(yīng)用。

該系統(tǒng)由路徑還原服務(wù)器集群及相應(yīng)軟件平臺(tái)組成，用于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛路徑還原。在服務(wù)器集群中借助AI“車(chē)輛ReID”技術(shù)，對(duì)門(mén)架邊緣側(cè)上傳的結(jié)構(gòu)化的車(chē)輛圖像特征信息進(jìn)行特征聚類(lèi)，并結(jié)合牌識(shí)信息及ETC交易信息實(shí)現(xiàn)不同門(mén)架同一車(chē)輛的信息匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛路徑還原。同時(shí)，利用ETC信息對(duì)車(chē)輛ReID結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，完成AI系統(tǒng)的自動(dòng)訓(xùn)練升級(jí)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高精度的激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)使用的激光雷達(dá)采用當(dāng)前先進(jìn)的激光掃描檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高的車(chē)輛檢測(cè)準(zhǔn)確率，且設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，無(wú)須破壞路面，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷面車(chē)輛的全天候準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，較好地適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景、環(huán)境遮擋等因素影響。

3.2 相機(jī)與激光雷達(dá)“軟硬混合觸發(fā)”技術(shù)

系統(tǒng)采用激光雷達(dá)“軟硬混合觸發(fā)”相機(jī)技術(shù)。得益于其極高的定位精度，激光雷達(dá)在硬觸發(fā)技術(shù)上具有天然的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，在軟件上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)觸發(fā)，提升牌識(shí)效率與準(zhǔn)確度。

3.3 多維度信息融合匹配技術(shù)

系統(tǒng)采用多維度信息融合匹配技術(shù)，包括牌識(shí)匹配和位置匹配，通過(guò)引入激光雷達(dá)對(duì)車(chē)輛的高精度定位數(shù)據(jù)，配合定位天線對(duì)車(chē)載介質(zhì)的定位數(shù)據(jù)，從空間和時(shí)間兩個(gè)維度，實(shí)現(xiàn)精確匹配，使得系統(tǒng)綜合匹配率接近99%。

3.4 AI車(chē)輛重識(shí)別技術(shù)

系統(tǒng)引入AI車(chē)輛重識(shí)別技術(shù)，在云端路徑還原系統(tǒng)中，通過(guò)ReID算法實(shí)現(xiàn)圖像特征信息聚類(lèi)。

3.5 系統(tǒng)高擴(kuò)展性

系統(tǒng)具有靈活可擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)客戶(hù)需求、項(xiàng)目預(yù)算、建設(shè)規(guī)劃等差異化條件，提供不同的解決方案。

1)門(mén)架計(jì)數(shù)型：在現(xiàn)有門(mén)架上安裝激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)地獲取全天經(jīng)過(guò)該路段的車(chē)流量，同時(shí)激光雷達(dá)還可以為門(mén)架已有的牌識(shí)系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)，提升相機(jī)的抓拍和牌識(shí)能力。

2)智能門(mén)架型：為了實(shí)現(xiàn)收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)偷逃通行費(fèi)車(chē)輛的自動(dòng)稽核，可以將計(jì)數(shù)型系統(tǒng)升級(jí)為智能門(mén)架型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)ETC信息、牌識(shí)信息、激光信息在門(mén)架側(cè)的精準(zhǔn)匹配，為收費(fèi)、稽核提供優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

3)路徑還原型：在智能門(mén)架型的基礎(chǔ)上引入AI技術(shù)和路徑還原系統(tǒng)，在門(mén)架形成基于ETC、牌識(shí)、激光、AI等技術(shù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，在中心通過(guò)ETC+REID技術(shù)還原車(chē)輛真實(shí)路徑，降低應(yīng)急計(jì)費(fèi)比例，提升系統(tǒng)實(shí)收費(fèi)額，挽回路方通行費(fèi)的損失。

四 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1 有助于完善出口在線計(jì)費(fèi)功能

該系統(tǒng)在門(mén)架前端即實(shí)現(xiàn)ETC交易流水?dāng)?shù)據(jù)與相機(jī)牌識(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配，配合云端路徑擬合算法，綜合考慮時(shí)間、空間兩個(gè)維度對(duì)車(chē)輛不同門(mén)架信息進(jìn)行串聯(lián)，同時(shí)借助AI圖像重識(shí)別技術(shù)，基于更豐富的車(chē)輛圖像特征，在云端實(shí)現(xiàn)車(chē)輛圖片的串聯(lián)，進(jìn)一步提升了車(chē)輛真實(shí)路徑的還原度，為出口在線計(jì)費(fèi)提供精確度更高的車(chē)輛行駛路徑信息。

4.2 可以提升視頻抓拍系統(tǒng)的性能

該系統(tǒng)方案通過(guò)激光雷達(dá)的引入，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與激光雷達(dá)“軟硬混合觸發(fā)”，有效提升了視頻抓拍系統(tǒng)的性能。

4.3 增強(qiáng)斷面車(chē)流量計(jì)數(shù)能力

該系統(tǒng)通過(guò)門(mén)架側(cè)的RSU天線、抓拍相機(jī)、掃描激光等設(shè)備對(duì)斷面過(guò)車(chē)進(jìn)行全面捕獲，實(shí)現(xiàn)零缺漏，并利用時(shí)空多維度信息精準(zhǔn)匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的去重，綜合給出一個(gè)高準(zhǔn)確度的斷面車(chē)流量計(jì)數(shù)結(jié)果。

4.4 輔助云端稽核及通行費(fèi)信息比對(duì)

該系統(tǒng)的智能門(mén)架端，通過(guò)多維度感知、匹配，可以提前發(fā)現(xiàn)多種類(lèi)型的問(wèn)題車(chē)輛信息，輔助云端稽核業(yè)務(wù)的開(kāi)展。并通過(guò)云端高準(zhǔn)確度的路徑還原及門(mén)架端的車(chē)型識(shí)別結(jié)果，給出車(chē)輛實(shí)際通行路徑及實(shí)際通行費(fèi)，完成車(chē)輛通行費(fèi)信息比對(duì)。

4.5 系統(tǒng)效益對(duì)比

常規(guī)單門(mén)架升級(jí)智能門(mén)架型布設(shè)前后，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的變化見(jiàn)表1：

表1 常規(guī)單門(mén)架升級(jí)智能門(mén)架型布設(shè)前后指標(biāo)表 %項(xiàng)目ETC交易成功率車(chē)輛圖片捕獲率車(chē)輛計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率ETC-圖像匹配率升級(jí)前98～99.895～9898～990升級(jí)后98～99.899～99.999.5～99.999

升級(jí)路徑還原型布設(shè)后，綜合效益可以通過(guò)建模來(lái)測(cè)算。結(jié)合高速公路收費(fèi)系統(tǒng)現(xiàn)狀，建立[K-P]數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)圖3)，模型依賴(lài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括但不限于：ETC系統(tǒng)捕獲率、ETC系統(tǒng)交易成功率、相機(jī)抓拍率、牌識(shí)準(zhǔn)確率、省級(jí)收費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、在線計(jì)費(fèi)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。模型中，K表征ETC交易失敗的隨機(jī)程度，隨機(jī)程度越高，K值越高；P表征全路網(wǎng)的可達(dá)道路復(fù)雜程度，復(fù)雜程度越高，P值越高。

圖3 模型參數(shù)示意圖

使用該模型，并結(jié)合該省的高速公路實(shí)際通行數(shù)據(jù)，即可測(cè)算文中所述系統(tǒng)對(duì)于該省高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 應(yīng)用案例

門(mén)架計(jì)數(shù)型系統(tǒng)現(xiàn)已在北京大規(guī)模實(shí)施落地，智能門(mén)架型系統(tǒng)目前已經(jīng)在陜西、浙江、廣東、北京等多個(gè)ETC門(mén)架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用(見(jiàn)圖4)。

a) 連霍高速陜西段

以2020年9月份上述門(mén)架典型工況下的數(shù)據(jù)記錄為樣本，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行效率：車(chē)輛計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率：99.58%～99.87%；OBU總體匹配率：99.03%～99.60%；CPC總體匹配率：93.66%～96.22%；車(chē)輛圖片捕獲率：99.69%～99.84%。

6 結(jié)語(yǔ)

全國(guó)高速公路取消省界站項(xiàng)目意義重大，“一張網(wǎng)”時(shí)代后，高速路網(wǎng)通行效率得到了大幅提升，道路擁堵情況得到了極大改善，相應(yīng)減少了大量的碳排放，為解決全球氣候問(wèn)題做出貢獻(xiàn)，對(duì)于ETC收費(fèi)業(yè)務(wù)本身，也向著無(wú)人化、智能化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。本文介紹的ETC分段式計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，立足于已經(jīng)全面建成的龐大ETC門(mén)架網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)行業(yè)存在的通行費(fèi)漏收問(wèn)題，提出了一個(gè)具備門(mén)架精確感知、云端精確路徑還原的收費(fèi)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的路徑計(jì)費(fèi)，對(duì)提升高速公路收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)水平有重要意義。