基于物联网的高速公路自助缴费系统设计与应用

唐文娟，蒙敏刚，周宜傧

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

据统计[1]，全国ETC用户总数达到2.04亿，广西八桂行ETC累计用户已超过600万，ETC用户交易份额大幅度提升。但是出于各种原因，仍有不少车辆依然未安装ETC。此外，ETC用户未正常通行ETC车道时，也需要采用人工收费模式。目前，广西高速公路收费模式以ETC(不停车)自主收费系统为主，MTC(停车)半人工收费为辅。众所周知，普通车使用MTC车道需要停车缴费，现金支付的方式在找零、核对现金真伪的过程中耗费大量时间，尤其在大车流量情景下，增加了拥堵的风险，使高速公路运营通行效率得不到有效提升；ETC(不停车)收费系统也存在诸如手续繁琐、需要在指定地点依赖专业人员安装等问题[2]。

物联网技术是互联网的拓展和延伸，是新时期全面实现多终端互相连接的智能型网络[3]。建设基于物联网的高速公路自助缴费系统，无须收费站人员值守，也不必安装指定的ETC，司乘人员可以直接采用移动支付或刷卡等非现金方式进行自助缴费，在恶劣环境下同样适用，还能在一定程度上缓解偏远收费站招聘难的局面，最终实现高速公路基于物联网的快捷支付，满足人们多种便捷支付的需求，从而加快信息技术与交通行业的深度融合，实现高速公路收费过程的自动化和智能化。

1 系统概述

自助缴费系统集成了ETC车道和MTC收费车道的功能，应用在高速公路收费站出口，主要技术方案为“物联网+移动支付+车辆特征智能识别”模式，通过集成各种外设设备、连接多种服务和外部系统，利用4G/5G无线通信技术进行物联网通信，将车牌识别装置和车型识别装置提取车辆特征信息、通行卡或所刷的CPC卡内记录的车辆特性信息、OBU黑名单、卡黑名单、车辆黑名单等信息，统一汇聚到联网中心平台，由后台统一对数据进行梳理分析处理，完成车辆信息自动获取、自主完成计费以及处理大部分常遇到的特情，如入口无效、入口时间无效、入口状态无效、无通行介质、ETC余额不足、OBU拆卸、OBU未启用、ETC卡未启用、全国黑名单、OBU黑名单、ETC卡黑名单、区域黑名单、绿通车辆等，实现司乘人员完成出口车道自助缴费和通行的目的。系统设备连接如下页图1所示。

图1 系统设备连接示意图

2 系统设计

自助缴费系统覆盖外围设备控制、业务数据联动、自主计费、移动支付等收费管理内容，形成数据互联互通、业务协同共享、智慧便捷的收费管理信息化体系，实现司乘人员自助完成缴费。系统包括自助缴费一体机系统、车型车牌信息识别两大子系统。系统架构图如下页图2所示。

图2 系统架构图

2.1 自助缴费一体机系统

自助缴费一体机系统是自助缴费系统的核心子系统，该系统基于取消省界站业务而开发，支持跨省车辆通行和缴费，主要依托自助缴费一体机，含有机箱、读写、控制、移动支付、打印等装置，可以根据车型及业务办理情况，自动控制上下层卡务收缩或伸长，具备基于物联网的自助缴费功能。整个子系统主要包括人机交互模块、计费模块、外设控制模块、数据传输模块、收卡模块、流程控制模块、车辆信息模块、移动支付模块、票据打印模块。

2.1.1 人机交互模块

车辆通行自助缴费车道时，需要自主完成缴费操作，系统设计支持司乘人员完成常规操作；卡机有收卡功能，遇到读卡失败或异常情况时可以完成退卡；系统配备了用户屏幕，用于显示相关提示信息，如车辆信息、通行信息、计费信息、下一步操作等，同时配合语音提示器，司乘人员可轻易地完成整个自助缴费过程。

2.1.2 计费模块

为保证计费的准确性，系统沿用混合车道的计费逻辑，支持卡内计费、在线计费、兜底计费等计费方式。三种计费方式按照先后顺序使用，确保计费完成。其中兜底计费即全网最小费额计费，使用该计费方式时需要班长授权通过。为了应对由于复杂的路网情况产生的U转通行收费站计费，极大提高了系统计费的灵活性，保证了司机和收费站的权益，减少由于计费不准确而产生的纠纷和不良社会影响。

2.1.3 外设控制模块

自助缴费一体机系统含有混合车道的外设，包括读写器天线、打印机、扫码设备、线圈、报警灯、栏杆机、费显、雨棚灯、收费员操作接口等。系统集成上述外设以完成车辆信息的获取以及收费业务的交互，同时整合自助缴费系统特有的外设卡机、用户屏幕、语音提示器等，以完成自助缴费的功能。

2.1.4 数据传输模块

数据传输包含两部分：(1)交易数据、牌识数据、监控数据、设备状态数据等按要求及时上报给路段中心、省中心以及部中心，以支持监控、在线计费以及清分等后台业务；(2)自助缴费车道需要定时接收省中心的各类数据，以支撑系统的业务处理，这其中包含OBU黑名单、卡黑名单、车辆黑名单、车型库、费率版本、最小费额版本等数据模块的同步。另外，自助计费系统需要向省中心定时检查软件版本，如有新版本则自动下载，并提示收费员升级。

2.1.5 收卡模块

支持薄卡、厚卡的回收，能够区分异常卡和正常卡片，能够将异常卡如坏卡、不能识别卡片、电量低卡片等区分至异常卡盒，将异常卡与正常卡片分开。司乘人员将卡片推送至卡片回收入口后，系统自动识别卡片，区分筛选回收到各自卡片回收箱，非法卡片不执行回收操作。

2.1.6 流程控制模块

流程控制是整个自助缴费系统的关键模块，其通过搜集外界事件触发不同的操作，完成自助缴费过程。如车辆到达时，伸出面板并提示司乘人员插卡；检测到插卡完成后，开始读卡内信息，进行车辆信息判断；计费成功后提示用户开始缴费；获取二维码后向后台发起扣款，最终完成整个自助缴费过程。流程控制同时包含各种异常情况的处理，如系统判定车辆信息不一致时，发出报警，由人工介入处理。

2.1.7 移动支付模块

系统支持多种支付方式，确保司机能正常完成缴费。支付方式包括刷卡支付、银联QUICK PASS、APPLE PAY、NFC及二维码移动支付等。刷卡支付支持ETC卡、八桂行卡、储值卡、记账卡等银行卡进行刷卡支付。司机向收费站提供银行卡进行消费时，消费核算后，即可向消费者发出支付请求，完成支付密码后，银行会对消费者进行扣款，进而完成支付。而选择ETC卡进行支付时，消费者无须输入密码，系统会自动扣除收费。使用移动支付支持微信付款和支付宝付款时，司机只需要打开微信或者支付宝APP，将手机对准支付区域，扫描付款码即可完成支付。系统同时支持MTC车辆采用ETC电子钱包支付，以及ETC车辆余额不足时，转移动支付的场景。

2.1.8 车辆信息管理模块

该模块充分利用车牌识别设备与车型识别器识别的车辆信息、OBU内车辆信息以及车型库信息，通过比对、判断车辆信息的一致性，以保证计费的准确性。

2.1.9 票据打印模块

打印输出模块采用定制TM80型号专用打印机，兼容新方案的发票打印，支持金融交易凭条、票据输出的打印输出，同时具备票据自动回收功能，票据伸出状态下超时则自动回收票据。

2.2 车型车牌识别系统

车型识别是计费的关键，直接影响到收费的准确性。车牌识别的结果也影响发票的正常开具，若信息不准确，出现收费员干预的过程势必延长收费时长，极易导致拥堵甚至引发纠纷。因此，需要对车型、车牌等信息进行精准识别。

2.2.1 车型识别

现有的车型识别方法包括线圈感应识别、视频图像检测[4]等，由于受天气、外界因素的干扰，这两种方法的识别准确率均不高。为提高车型识别准确率，本系统采用三个激光雷达对驶入区域的车辆进行检测，如图3所示。其中，激光检测器A1、A2用于测量车辆的宽度和高度，激光检测器B用于测量车辆的长度并提供车侧图。激光雷达返回的点云数据，经过外轮廓软件进行分析，对目标识别、跟踪和结果匹配后，运算输出测量结果。此外，系统加入车辆侧图并利用多个车型来源进行综合判定，以确保车型识别的准确率。车辆的车型来源有车型识别器的结果、车型库的车型结果、通行介质内的车型结果，综合以上信息，同时根据各个来源的置信度，得出准确率最高的车型。

图3 车型检测示意图

2.2.2 车牌识别

车牌识别算法已较为成熟，在单一简单背景下，识别准确率能够达到98%以上。然而，在实际高速公路复杂场景下，受车辆车牌自身污垢、车辆遮挡、光线等因素影响，车牌识别准确率大打折扣，尤其是在收费出口，存在车牌识别不准导致扣费不正常、发票信息有误等一系列问题。

针对上述情况，本系统车牌识别系统先快速定位到车牌位置，接着采用外接矩阵结合提取轮廓的方法对车牌字符进行分割，最后通过AI神经网络模型对字符进行识别，通过增量学习，不断调整模型参数。该方法抗干扰能力强，识别快速、准确。此外，系统将识别结果与卡内入口车牌信息进行对比，通过对比，再次保证车牌识别的准确性。

3 系统试点应用情况

招商公路广西桂林分公司作为高速公路管理运营单位，于2021年6月在灵川西收费站使用“基于物联网的高速公路自助缴费系统”，经过调试，系统于2021年8月初开始试运行。本文截取2021年8～11月的运行数据，重点对车辆正常交易通过率、车牌、车型识别准确率等关键指标进行统计分析。车辆收费交易情况如表1所示。

表1 车辆收费交易情况一览表

从表1统计数据及相关计算分析得出：使用“基于物联网的高速公路自助缴费系统”，从试运行起的连续4个月内，一共通行17 701辆车，交易失败169辆车，主要原因是移动支付网络异常导致支付异常，因车辆车牌识别和车型识别异常需人工介入的车辆为147辆，其中因车牌和车型异常的车辆数统计计入车辆识别异常，经过人工确认均能交易成功，自助缴费一体机的总体交易成功率维持在99%以上，使用三激光雷达进行车型检测识别准确率超过99.5%，达到预期效果。

4 结语

本文探讨了基于物联网的自助缴费系统的设计与应用，该套系统作为一种新型高速公路收费产品，融合了物联网、移动支付、人工智能、激光雷达等新技术，适用于MTC和ETC车道，其不仅满足了人们出行便捷的需求，同时降低了运营单位人力成本，提质增效，符合未来发展趋势，可以促进广西现代交通行业智能化发展，是实现高速公路收费站无人值守的重要手段。