基于北斗技术的高速公路自由流省级云收费应用研究

李 旭，蒙敏刚

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着2020年全国高速公路取消省界收费站工程顺利完成，全国高速公路实现“一张网”收费。由于采用各省门架独立计费，出口统一收费的模式，单次收费金额增大，计费异常导致漏收少收的风险也在增大。例如，车辆在某些互通立交或收费站掉头导致收费金额异常、硬件故障或改扩建施工导致门架停用产生二义性路径等。与此同时，高速公路收费技术也在不断发展，由“ETC+MTC半自动收费(人工处理MTC车辆)”向“ETC+自助收费终端(人工仅处理特情)”演进，最终逐渐过渡到自由流收费的模式，自动化程度不断提高[1]。其中，“北斗技术+4G/5G+ETC”是未来自由流收费的主要技术方向。

已有相关研究[2-5]是基于高速公路取消省界收费站前的收费模式开展的，各省独立计费收费，不适用于取消省界收费站后全国“一张网”的收费环境。此外，还存在如下不足：(1)需要将高清地图下载到OBU中实现精确定位，而地图数据量大、数据更新困难；(2)没有考虑与现有收费模式的切换过渡问题；(3)没有考虑车辆在车道中的通行顺序控制、跟车控制等特情。本文结合取消高速公路省界收费站之后的收费环境，提出兼容现有收费模式、实现系统平稳过渡的北斗自由流省级收费方案。

1 北斗自由流云收费

1.1 北斗自由流云收费原理

与传统收费控制不同，云收费的业务处理部署在站级边缘云的收费车道系统集群，通过网络与出入口车道设施远程交互实现车辆通行控制。北斗自由流云收费通行原理如下：

如图1所示，当安装北斗自由流车载终端的车辆驶入入口车道，车道设备识别车辆并将车辆数据上传至站级边缘云；为了实现系统兼容过渡，站级边缘云的收费车道系统集群控制入口RSU天线将ETC入口信息写入车载终端的ETC模块中并控制入口栏杆机起杆放行；车载设备ETC模块记录ETC入口信息后，打开北斗定位功能，开始记录行驶定位数据。

车辆在高速公路行驶过程中，车载终端通过北斗定位模块获取定位信息，通过4G/5G通信模块定时上传定位数据至省级云平台；省级云平台根据定位数据进行路径还原，映射到收费单元，完成通行费计算，实时同步计费结果到车辆通行方向最近收费站的站级边缘云。

车辆行驶至出口车道，车道设备识别车辆并将车辆数据上传至站级边缘云；收费车道系统集群检索从省级云平台同步北斗计费数据，若该车辆的北斗计费数据正常，则生成出口流水并控制车道起杆放行车辆，省级云平台接收到出口流水后，从绑定的账户自动扣费并推送扣费信息给用户；若查不到北斗计费数据或数据异常，则控制出口RSU天线进行ETC出口交易，生成出口流水并控制车道起杆放行。出口交易完成后，车载终端关闭北斗定位功能。

1.2 兼容现有收费模式

2020年取消全国高速公路省界收费站之后，收费模式变成“全国一张网”，即ETC门架计费、出口收费站收取全程通行费、交通运输部路网中心统一拆分给各省。因此，各省只能确定本省的通行费，对于多省通行的车辆必须通过全国“一张网”统一计费、统一拆分。在全国“一张网”的模式下，北斗自由流最终需要交通运输部路网中心统一技术方案实施，才能实现全网通行。

因此，北斗自由流云收费的探索只能在省级路网范围内实施，安装北斗自由流车载终端的车辆在省内通行时，可基于北斗定位信息在云端进行路径拟合完成收费。同时，北斗自由流的车载终端还需要兼容现有的ETC交易业务，保障车辆在多省通行时能正常收费。

1.3 系统建设方案(图2)

图2 北斗自由流省级云收费总体架构图

1.3.1 车载终端

(1)北斗模块：与北斗系统通信，实时获取定位信息。

(2)4G/5G模块：通过VPN将车辆实时定位数据、状态数据、ETC数据回传至省中心平台。

(3)ETC模块：实现ETC功能，兼容现有收费模式。

1.3.2 高速公路收费站改造

(1)土建车道不再部署车道收费工控机及系统。ETC天线、车牌识别仪、车道摄像机、分流屏等设备通过TCP/IP以太网连接到部署在站级边缘云的收费车道系统集群；使用IO及RS232连接的设备先汇聚到外设接入层设备，经过协议转换后，通过物联网协议连接到站级边缘云。

(2)通过云收费系统控制车道设备。部署在站级边缘云的收费车道系统集群实现收费业务处理并实时远程控制车道设备，降低运维成本。

(3)手持收费终端通过4G VPN连接到省级云平台，远程控制车道设备，处理收费现场特情。

1.3.3 站级边缘云收费系统

(1)收费车道系统集群：实现收费业务处理并实时远程控制车道设备，减少车道系统与站级系统的数据交互，提高系统的运维效率。

(2)省中心-收费站数据传输：实时同步车辆北斗自由流计费结果到收费站，实现收费参数同步、收费数据上传、运行监控、手持收费终端远程控制等功能。

(3)部中心-收费站数据传输：满足部中心数据传输业务要求，实现收费业务和收费设备的实时监测。

(4)密钥授权：实现密钥授权与监控。

1.3.4 省级云平台

(1)行驶路径拟合模块：接收车载终端实时回传的北斗定位数据，根据路网收费单元基础数据还原收费路径，并将拟合后的路径提供给通行费计算模块输出车辆通行费金额。

(2)通行费计算模块：根据路径拟合结果，计算车辆通行费金额；实时同步通行费计算结果到车辆行驶最近收费站，作为车辆通行识别与费用展示的数据支撑。

(3)清分结算模块：根据车辆通行信息、绑定账户信息自动结算通行费用，支持ETC账户与移动支付账户，完成通行费清分。

(4)收费稽查模块：车辆通行费用稽查。

2 面临的挑战

2.1 技术难点

(1)通行费计算能力要求高。取消省界收费站之后，大部分通行费计算功能由途经ETC门架及出口收费站完成，少部分无法正常计费的，通过在线计费系统完成计费。采用北斗自由流收费方式，由省级云平台处理车辆的北斗定位数据还原路径并计算通行费，对省级的通行费计算能力要求较高，需提高并发计算处理能力。

(2)收费模式兼容性。目前主流收费模式是“ETC+MTC”封闭式收费，收费模式的变化是一个渐进的过程，因此在推行北斗自由流时需要考虑新旧多种收费模式共存的情况，车道前端收费系统以及后台相关系统都要考虑收费模式的兼容性，实现平稳过渡。尤其是车道前端收费系统，需要考虑不同收费模式车辆混合通行的情况，减少跟车或偷逃通行费情况的发生。

2.2 设备成本

使用北斗自由流收费的车辆需安装具备北斗定位、移动通信模块的专用车载终端，而目前大量使用的车载终端是ETC，所以这些ETC用户需更换升级车载终端才能使用北斗自由流收费服务。由此，设备更换成本也是一个值得考虑的问题。

2.3 个人隐私

北斗自由流车载终端与车辆绑定，并且带有全球定位功能，定位数据及行驶路线可以实时获取，个人隐私存在风险。若个人隐私问题得不到解决，那么北斗自由流收费模式的推广也会受到极大的限制，因此要从多个层面探索解决：在法律层面，加强交通数据隐私保护的立法与执法；在技术层面，对定位数据进行加密保护，车载终端在驶离高速公路后主动关闭北斗定位功能；在运营层面，首先在货运、客运、危化品运输、特种车辆等具有公共属性的车辆上推广安装，以积累运营管理经验。

3 结语

本研究基于北斗技术的高速公路自由流省级云收费应用具有如下优点：

(1)将北斗实时定位、云收费架构与高速公路收费相结合，实现通行车辆路径的精确还原与实时准确计费，同时提高高速公路收费系统的建设、运维效率。

(2)兼容取消省界收费站收费模式，不影响现有通行车辆的收费业务，业务模式可以平稳切换。后续将逐步开展试点探索，为产业化落地提供依据。

未来随着高速公路朝无人化、自由流不断演进，还有许多方面值得关注。在技术方面，北斗自由流与车路协同、自动驾驶相结合，有广大的发展空间；在政策法规层面应制定与技术发展相符合的行业规范和标准法规，保障高速公路各参与者的合法权利与利益；在用户体验方面，不断加强与车路协同、智慧高速的业务融合，提高司乘人员的通行体验；在经济效益方面，促进高速公路自由流收费技术的推广应用，对于自由流收费的车载设备、路侧设备、稽查设备等都有希望形成新的制造产业。