自动收费系统中的车辆自动识别技术专利分析

梅潇　皮婉素

摘 要 自动收费系统是解决交通阻塞的最重要的手段之一，自动收费系统是利用车辆自动识别（简称AVI）技术完成车辆与收费站之间的数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换。车辆自动识别技术是自动收费系统的核心技术之一，本文针对车辆自动识别技术的专利申请和专利申请产出国进行了统计分析，并重点针对车辆识别系统中组具有代表性的四大技术分支：条形码AVI系统，视频图像处理AVI系统，射频识别AVI系统以及卫星定位AVI系统进行了分析。

关键词 不停车 收费 识别 条形码 图像 射频 卫星

中图分类号：C18 文献标识码：A

1自动收费系统中的车辆自动识别技术概述

自动收费系统主要是利用车辆自动识别（AVI）技术，通过信息的通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该车辆的帐户中扣除通行费，从而实现车辆的自动收费。

车辆自动识别技术（AVI）是自动收费系统的核心技术，是区别不同的自动收费系统的主要标志。车辆自动识别技术是指利用现有的自动化检测技术和手段，将通过特定地点的行驶车辆身份自动的识别出来以备交通管理应用。

车辆自动识别技术（AVI） 经历了声表面技术、光学和红外技术、视频图像处理技术、无线电射频和微波通信技术等过程，最后得到认可的有改进的条形码技术、视频图像处理技术、无线电射频和微波通信技术。到20 世纪末，已基本确立了采用无线电射频和微波通信技术作为自动收费系统的车辆自动识别技术的主流地位。近年来，采用全球卫星定位系统（GPS）技術的车辆定位系统（VPS）也进人了AVI 的应用。并被欧盟建议为欧洲各国收费技术的发展目标。

2专利技术的整体分析

2.1 全球专利申请量趋势

经过检索，截止到2015年6月30日，在ven数据库中供检索到1600余项自动收费系统中的车辆自动识别技术的专利申请，最早的专利申请出现在1971年，但是1971年至1989年每年的专利申请量都很小。因此，选择1991年至今的全球专利申请数据进行分析：

图2.1：1991年至今的全球专利申请总量随年份变化的趋势图

图2.1所示为1990年至今的自动收费系统中的车辆自动识别技术全球专利申请岁年份变化的趋势图。从图中可以看出，1992年以前，专利申请量较小。从1993年开始到1999年，申请量开始有一个小幅的上升，随后经过一个小幅的回落，从2002年开始专利申请量开始逐步攀升，尽管在2008年至2010年有所下降，但专利申请量总体还是一个逐步上升的趋势并在2012年达到高峰。并且由于专利申请公开的时延性，导致近几年的统计数据并不完整。

根据分析可以发现，自动收费系统的车辆识别技术出现较早，这主要还是由于在发达国家的汽车数量较多，交通的严重阻塞情况亟需解决所导致的。

2.2 专利申请产出国分布

通过对检索到的专利文献产出国进行统计分析（如下图2.2所示），日本29.83%的专利申请比例占据第一，美国以17.05%的专利申请比例占据第二，中国以9.69%的专利申请比例占据第二，同时也从侧面反映出中国在自动收费系统的车辆识别技术领域起步较晚，但后期发展比较迅速，专利申请总量也比较多，当然和日本、美国的等国家还具有一定差距。

图2.2：全球专利申请产出国分析

2.3 在华专利申请量趋势

如图2.3所示为自动收费系统的车辆识别技术在华申请岁年份变化的趋势图，从图中可以看出，我国从1992年开始已有电子不停车收费系统的车辆识别技术的专利申请，然而申请量一直较低；直至2000年，我国国家经贸委和交通部主持了“高等级公路自动收费系统技术开发和产业化”项目，随后，针对自动收费系统的车辆识别技术的专利申请量开始逐步攀升，由于专利申请公开的滞后性，2013年以及2014年的专利申请量并不完整。经过与之前全球专利申请总量随年份变化的趋势图比较可以得出，我国自动收费系统的车辆识别技术在华专利申请发展迅速。这与自动收费系统在中国各省市大量运行实践，逐步成为主流收费方式的发展趋势也是一致的。

图2.3：在华专利申请总量随年份变化的趋势

3主要技术分支的专利申请分析

3.1光学和红外AVI系统

基于光学和红外AVI系统的不停车收费系统由室内设备、室外设备以及车辆上的标识部分组成。基本结构如图3.1 所示. 当车辆进入安装地面检测点的相应车道时， 微机通过接口电路启动相应的扫描器开始工作。扫描器发出脉冲形式的光波， 并接收经车辆反射的光信号， 由光电转换器转换成电信号， 经过整形放大后送到译码器， 由译码器解译后通过接口电路箱入到计算机. 当车辆出清该车道时， 微机通过接口电路停止相应激光扫描器的工作。

图3.1：车辆自动识别系统基本结构图

20世纪70年代末，在纽约和新泽西试行了借助于自动车辆识别的不停车收费系统的实验，采用光学和红外的技术原型对AVI系统进行了评估；美国图像识别公司提出专利申请（US4958064A），记载了可在车辆的停车场或收费公路安装相机，相机中装配条码阅读器，通过读取车辆上条码信息来判断车辆是否有权进入停车场或者在收费道路自动生成车辆的通行费账单；通过增加条形码的光源以及调整相机的焦距，提高了相机的分辨率，使得在混乱的背景中准确的识别出条码的信息。然而，由于车辆的移动速度以及长期暴露于外部环境，在恶劣天气、环境污染或污物覆盖的情况下，系统很难达到较高的识别精度。

3.2视频图像处理 AVI 系统

视频图像处理 AVI 系统由视频摄像机、图像采集设备及计算机处理系统组成。在车辆电子收费技术领域，视频图像处理系统的研究主要集中在车牌识别系统，其识别流程如图3.2所示：

视频采集：由摄像镜头和图像采集卡组成。图像采集卡将摄像镜头拍摄到的模拟电信号转换为数字信号，送入计算机。对视频信号进行关键帧提取。车牌定位：从一幅包含车牌的图像中将车牌找出来，车牌定位是整个车牌识别系统中最重要的部分。字符分割：对获得的牌照分离出每个字符。字符识别：将分割后的字符采用一定的方法将其识别出来。

1995年美国IND公司提出，使用神经网络算法进行车辆的车牌识别（US5425108A），通过照相机获取车辆的车牌图像，然后寻找到图像中车牌的位置并进行分离。然后通过神经网络算法识别出被分离的字符。与传统的模板匹配方式相比，神经网络算法优势更为明显。尽管，国外汽车牌照识别系统研究工作已经有了一定的进展，但是并不尽合我国国情，主要是因为我国标准汽车牌照是由汉字、英文字母和阿拉伯数字组成，汉字的识别与字母和数字的识别有很大的不同。2010年，复旦大学提出一种可用于收费道路的车牌识别，使用分类器，预先对数字、字符和汉字建立二值模板，车牌识别时，首先进行车牌定位，得到一组车牌候选区；将字符块与模板对比，根据对比结果，对每组字符块进行识别，排除错误候选区，生成识别出的车牌号码，车牌颜色以及车牌区域坐标。

3.3射频识别 AVI 系统

该系统利用无线射频技术实现数据无线传输。射频识别技术（RFID）是一种非接触式自动识别技术，它通过识别装置自动识别目标对象并获取相关数据，可识别高速运动物体，射频识别技术的阅读距离远，读卡速度快；可穿过玻璃、塑料等非金属介质，也可在恶劣环境下工作；具有全球唯一的ID 号。

具有射频识别系统的ETC原理图如图3.3所示：

图3.3收费站ETC车道工作原理图

当有车辆通过时，车辆检测装置会发射验证信号，检测待通过车辆是否安装了电子标签，如果检测到该车辆未安装电子标签，则禁止通行； 如果检测到该车辆安装了电子标签，则阅读器会对该车辆电子标签卡片内信息进行读取核对，从该卡片内扣除本次通行费用，放行该车辆。

德州仪器公司首次提出了一种可用于收费道路或收费停车场的车辆识别通信系统（US5552789A），车身装载有具有唯一识别ID的发射应答器，地面上安装有车辆识别系统AVI，通过车辆识别系统AVI的环形天线与车身的发射应答器进行通信，进而识别出车辆的身份ID。当车辆通过收费站时，车身的发射应答器与AVI系统进行通信并发送ID信息以及信用卡信息。车辆识别系统AVI的环形天线通过RF信号与车身的发射应答器进行通信。随着车辆的逐渐增多、车道的逐渐增加，RF识别AVI系统的问题也逐渐暴露，针对跟车干扰问题，2013年，北京速通科技提出了一种基于多波束天线的电子不行车收费ETC的防干扰方法，多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测；多波束天线检测到多个车载电子标签在所述通信区域内时，向每个车载电子标签发射定向下行波束，各下行波束分别形成一个相互独立相对较小的通信子区域，以空分復用的方式实现与所述多个车载电子标签的并发通信。可以调整ETC交易的有效通信区域，实时检测ETC车道的OBU精确位置，并依据电子标签的位置调整定向下行波束，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信，从而提高车道通行速度，同时避免ETC车道车辆跟车干扰。

3.4卫星定位（GPS）AVI系统

卫星收费系统工作原理是车辆在行驶时通过安装在车上的车载终端GPS不断获取车辆当前的位置信息，同时将所在位置和车载地图上的收费路段相匹配进行路段识别，如果确定车辆进入收费路段，系统开始计算车辆行驶轨迹和路程，并进行通行费用计算。卫星定位不停车系统组成示意图见图3.4：

车载终端子系统。存储有车载收费地图，可完成定位信息的接收、收费路段匹配、通行费用计算和收费信息传递等任务。

路侧稽查子系统。通过微波通信的方式与收费道路上过往的车辆进行通信，确认车载设备的工作状态；将车载设备信息传送给后台管理中心子系统。

后台管理中心子系统。主要接收和存储车载设备发送的路径、通行费用信息和稽查设备发送的稽查信息。

图3.4：卫星收费系统组成示意图

基于卫星定位和无线接入技术的不停车收费技术是世界上最先进的路桥收费技术之一，1994年，德国快捷达公司提出了一种基于GPS的道路收费系统（GB2295476A），车身装载有接收单元用于从GPS接收位置信息，根据位置信息来产生相应的过路费账单信息。日本三菱公司针对基于GPS的不停车收费系统造价较高的问题，提出了一种有效利用现有设备的同时能够以低成本扩充收费对象区域的收费系统，其包括设置在收费对象区域（A）中的收费装置，和安装在车辆中并且在与收费装置之间交换有关收费的信息的车载器的收费系统中，车载器基于由GPS接收机取得的位置信息检测是否进入到扩充收费对象区域，在进入收费对象区域（A）时，对于在收费对象区域（A）的收费站中设置的收费装置，发送表示是否进入到扩充收费对象区域（B）的进入标志的状态，从而将是否进入到扩充收费对象区域（B）的情况通知给收费装置。

4结语

随着我国经济的发展和车辆的不断增多，自动收费技术将会得到更大发展。尽管目前的自动收费技术已经逐渐普及。但是识别速度慢、跟车干扰、邻近车道干扰等问题依然存在，自动收费技术还需要更进一步的研究和完善。

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