面向不同拥堵收费模式的收费技术综述分析

徐克宁,杨学晨,王雪雪

(上海电科智能系统股份有限公司,上海 200063)

0 引言

随着经济的快速发展,日益严重的交通拥堵逐渐成为制约经济发展的主要因素之一.据交通部统计数据显示,我国每年因为交通拥堵所造成的经济损失超过2 500亿元,约占城市人口可支配收入总额的20%[1].而我国目前大型城市土地资源紧缺,通过新建道路来提高交通供给很难实现,因此采用交通需求管理政策是值得尝试的.

交通拥堵收费是交通需求管理政策中较为有效的一项,从20世纪70年代开始,这一政策就逐渐在一些国家被用来缓解交通拥堵,并且随着科技的发展,如今的拥堵收费已经可实现不停车不降速的自由流收费,国际上已有多个城市进行了此方面的尝试并取得了较好的效果.

本文总结其成功经验,根据各城市的收费特点分为5种收费模式,分析各模式对收费技术的性能要求.选择了3种收费技术,通过其技术原理和相关经验,总结各技术应用在自由流拥堵收费领域的优势与不足,并对未来收费技术的发展和选择进行探讨.

1 收费模式分类

国内外各城市的实践与研究经验中,虽然各自的命名有所不同,但根据其收费特点大致可归类为(High-Occupancy Toll,HOT)车道收费、通道收费、边界线收费、区域收费和距离收费.

1.1 HOT车道收费

HOT车道收费模式是道路中某1条或多条特殊的车道对单乘员或乘员较少的车辆进行收费,乘员越多费率越低,乘员数达到要求甚至可免费通行[2].HOT车道通常与其他普通车道进行物理隔离,利用经济手段鼓励合乘出行,降低出行车辆数,同时为拥堵车道中的普通车辆提供了1条或多条收费使用的畅通车道.该模式需要感知设备覆盖所有收费车道的出入口,并能精确地识别车辆信息及其所在的车道.

1.2 通道收费

通道收费模式是对某1段关键的道路进行收费,从而降低该道路的车流量,这种模式通常应用在桥梁、隧道、高速公路等收费场景,除了能缓解通道连接的两地的拥堵,还能对目标道路起保护作用,降低损耗,同时还能回笼资金[3].该模式要求感知设备可精准地识别出车辆信息及其所在的道路,布设点位覆盖全部可进出收费道路的断面,如上下匝道与主线的连接处、交叉口等,是1种比较常见且简单的收费模式.

1.3 边界线收费

边界线收费模式需要划定1个或多个封闭的收费区域,对驶入或驶出区域边界的车辆按通过次数进行收费,从而减少车辆进出区域的次数,对出境、入境和过境3种交通流量较大的区域效果较明显[4].该模式要求对每辆进出区域边界的车辆都能检测到,因此需要在区域边界的每个进出口都布设感知设备.

1.4 区域收费

区域收费模式与边界线收费模式较为相似,都需要划定封闭的收费区域,但不同的是,区域收费模式是对出现在区域内的全部车辆进行收费,无论是驶出区域、驶入区域、还是只在区域内部行驶[5],在设定时段内仅收费1次.这种收费模式要求在区域内广泛布设感知设备,并补充流动设备,尽可能检测到区域内的全部车辆,该模式对境内交通流量较大的区域效果较明显.

1.5 距离收费

距离收费模式是根据车辆在收费道路上或收费区域内的行驶里程进行收费,原则上该模式可根据不同道路的拥堵情况动态调整收费费率,同时还可避免车辆在收费区域绕行而不缴费,是1种更为公正合理的收费模式[6].

但在实际应用中,该模式还存在着一些技术难题,它需要记录每辆车的行驶轨迹,并将车辆信息与轨迹信息绑定回传到后台系统,而在稽查取证时,摄像头所拍摄的车辆图像并不能完整地反映出车辆的行驶轨迹,会对执法造成一定的困难.此外,在建筑物密集的市区内,由于建筑物的遮挡与反射,会导致定位系统的偏差,影响车辆定位的精度.所以目前该模式仅在个别国家用于高速公路的收费,尚未实践于拥堵收费政策.

表1对上述5种收费模式的应用场景、车辆定位精度要求、感知设备布设点位选取原则以及典型案例进行了整理.

表1 不同收费模式所需的技术条件及案例

2 收费技术分析

如今科技发达,感知技术多重多样,但市场上可用于自由流拥堵收费的技术手段并不是特别多.总体上,自由流拥堵收费一般要求技术能精准地识别高速行驶的车辆,对识别的精度和速度有着很高的要求.此外,完成拥堵收费的流程还需要根据车辆信息和所在道路信息计算应收费的金额,通知车主,然后车主主动支付或后台自动扣费.整个收费过程需要保存完整的凭证,以便处理识别错误、逾期未支付以及车主对收费有疑问的情况.目前国际上常见的符合自由流拥堵收费要求的技术主要有视频车牌识别、无线射频识别、卫星定位3种.

2.1 视频车牌识别技术

2.1.1 技术原理概述

视频车牌识别(Automatic Number Plate Recognition,ANPR)技术在自由流拥堵收费领域应用的十分广泛,几乎世界上所有的拥堵收费都采用了该技术,只不过有些将其应用于车辆识别,有些将其应用于稽查取证.该技术用于车辆识别时,主要适用于边界线收费模式和区域收费模式.

ANPR技术以图像处理和计算机视觉等原理为基础,通过分析摄像机拍摄的车辆图像,获取车牌号码,完成车辆识别.其中主要包含图像抓拍、车牌定位、字符分割和字符识别等模块.

图1 视频车牌识别技术流程图

实现流程为:当车辆触发视频虚拟线圈(设备调试阶段在摄像画面内设置)时,摄像机抓拍车辆图像,然后车牌定位模块、字符分割模块开始工作,将车牌号码的每个字符分隔开方便字符识别模块处理,最后输出车牌号码[7].

但这种识别方式并不能达到100%识别率,往往需要人工操作进行完善补充.在实际应用中,对于ANPR技术对无法识别的车辆,其图像或视频信息将会被传输到人工识别系统,进行人工核查确认车辆牌照信息.

采用ANPR作为车辆识别技术时,拥堵收费系统的收费方式通常为通过车主预留的银行卡信息自动扣费,或车主定期到指定的缴费点如邮局、加油站等地进行缴费,对于逾期未缴费的,会将收费账单和催缴通知寄送到车主的通信地址,严重的还会处以罚款.

2.1.2 相关经验

伦敦是最早提出拥堵收费政策的城市,在其最拥堵的中心城区内,除了进出中心城区的车辆以外,区域内本身的车辆就已经为道路交通造成了较大的负担,经过多年的研究与论证,伦敦选择了区域收费模式并选用了ANPR技术,对除了部分免除通行费的车种以外的全部车辆进行收费.

伦敦政府在区域边界和内部的每个摄像点都装有2种摄像头:1种黑白摄像头,记录所有经过车辆的前车牌图像,用于自动车牌号码识别以及后台扣费;另1种彩色摄像头,用于拍摄背景图片,补充车牌图像,当车牌号码难以自动识别时,这些图片可用来人工识别车牌号码,如果有车主对缴费产生异议,这些图片还可作为通行证据;此外还设有移动检测装置在区域内流动摄像作为补充.这样的设备布设可大大减少走小路躲避摄像头的行为,还能降低外界环境及天气因素对识别率的影响.

伦敦拥堵收费政策在2002—2008年期间取得了相当显著的效果,区域内可收费车辆数降低了约30%,公交出行的人数增加了约25%,自行车出行的人数增加了约49%[8].

2.1.3 技术优势与不足

ANPR技术作为自由流收费系统的主要技术,优势是无需安装车载设备,且稽查取证方便,设备成本较低.但它的缺点也相对明显,由于ANPR技术只能用于识别车辆信息,无法进行实时通信,所以只能事前或事后收费,无法实时收费.而且,该技术是基于计算机视觉等原理,对图像清晰度要求较高,环境适应能力不强.

根据厂家调研显示,在天气良好光线充足的条件下,900万像素的摄像头可完成160 km/h车速下的车辆识别,且识别完整率和准确率都≥98%,但在夜间光线不足的情况下仅可达到约90%,在大雾、暴雨、台风等恶劣天气完整率与准确率都会受到更加严重的影响.故该技术单独应用于拥堵收费时,应采用多组设备相互补充的点位布设方法,提高识别的完整率和准确率.

2.2 无线射频识别技术

2.2.1 技术原理概述

无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术在自由流收费领域主要应用于边界线收费模式和车道、通道收费模式.

该技术根据有无电源可分为有源RFID和无源RFID;根据无线频率又可分为低频、高频、超高频、微波4种[9].RFID技术目前在智能交通领域有2个分支:1998年我国交通部ITS中心将5.8 GHz的有源微波RFID技术作为高速公路收费的主要技术,即专用短程通信(Dedicated Short Range Communications,DSRC)技术[10];2018年国家公安部牵头推广基于920～925 MHz的无源超高频RFID技术的汽车电子标识(Electronic Registration Identification of the Motor Vehicle,ERI)技术用于城市交通管理[11],2种技术的实现原理都与RFID技术一致,区别仅在于有无电源和无线频率.

RFID包含3个部分:车载标签、解读器、天线.车载标签本身既可作为独立的数据载体—单片式电子标签,储存如车牌号、车型等信息,也可通过附加1个IC卡读写接口,扩展数据处理、访问控制等功能,作为双片式电子标签.

解读器通过天线发送射频信号形成射频场,当车载标签进入射频场后产生感应电流,激活内置天线,发送包含自身信息的无线信号,信号被天线接收传送到解读器进行解读[12],整个过程通过无线信号进行信息传输.

采用该技术时,需要在路侧建有杆体或龙门架用来安装解读器和天线,与车载标签进行通信,读取车辆ID和时间等信息,并通过后台程序计算需缴金额,直接从车载标签绑定的银行卡或其他智能支付卡进行实时扣费.

2.2.2 相关经验

新加坡是最早建设自由流拥堵收费系统的城市,其收费目的很明确——缓解城市交通拥堵.新加坡在中心CBD区采用了边界线收费模式,在几条高速公路上采用了通道收费模式,都选用了DSRC技术对车辆进行按次数收费,降低非必要出行的车辆数.

新加坡在每个收费点位架设了如图2所示的龙门架,当车辆经过时,龙门架上的路侧设备(Road Said Unit-RSU)与如图3所示车载设备(On Board Unit-OBU)通过DSRC技术进行信息通信完成车辆识别,系统快速计算费用并由RSU向OBU发送扣费指令,成功后车载装置会发出1个短暂的哔哔声,并且会在屏幕上显示现金卡内扣费后的余额,而交易记录被RSU发送到控制中心并储存.

图2 龙门架和路侧设备

图3 智能储值卡和车载设备

如果由于未插入智能储值卡或卡内余额不足而导致扣费失败,或没有安装OBU,龙门架上的执法摄像机会拍摄车辆的照片,发送至后台控制中心,人工通过照片上的信息在车辆管理信息库中匹配车主信息,向车主发出催缴通知单并加收管理费,逾期不缴者更会处以罚款[13].

2.2.3 技术优势与不足

RFID技术的优缺点几乎与ANPR技术相反,它由无线通信完成身份识别与数据传输,具有双向性、实时性、高速性等特点,可进行实时扣费.而且RFID技术的车辆识别完整率和准确率极高,根据厂家调研显示,该技术在速度≤120 km/h的情况下,车辆身份识别准确率高达100%,完整率高达99.95%,且几乎不受天气及光线的影响,可满足24 h全天候自由流收费.

该技术的缺点是需要安装车载设备,并且无法用于稽查取证,所以通常在采用该技术用于车辆身份识别时,同时采用ANPR技术作为稽查取证的补充.

2.3 卫星定位技术

2.3.1 技术原理概述

卫星定位技术虽然暂未实践于拥堵收费政策,但其技术特性比较适用于距离收费模式,部分国家已将其用于高速公路上基于行驶距离对卡车进行收费.

该技术通过卫星导航系统与车载卫星信号接收单元之间的通信对车辆进行实时定位,获取实时点位坐标信息,后台系统根据坐标信息绘制车辆行驶路径,计算行驶里程,从而实现基于行驶里程的费用计算.

但由于卫星定位技术本身不具备与后台系统通信的功能,所以目前的应用中大多采用蜂窝通信网络进行信息传输,并通过事前缴费或事后缴费的方式进行支付,也可通过安装OBU,采用RFID技术进行分段实时付费.

2.3.2 相关经验

德国在2005年采用卫星定位/蜂窝通信系统建立了基于距离的高速公路卡车收费系统,由安装在卡车上的车载单元实现卫星信号的接收,车载设备会存储车辆的相关信息,包括车身质量、排放等级和车轴的数量等.

通过蜂窝通信系统将车辆信息与卫星定位信息发送给服务中心,由中心计算车辆行驶里程并通过银行进行费用结算[14].对于未安装车载设备的车辆也可选择缴费机和网上预缴费2种方式,提前将车辆信息,如车轴数、质量、起终点、通行时间等信息输入系统,进行预缴费,缴费成功后,车主将得到1张含有车辆信息、预行驶路线、预缴费用等内容的收据,以备过路检查.

2.3.3 技术优势与不足

卫星定位技术的优点是能提供全天候实时高精度的空间坐标,可绘制车辆轨迹路线,支持按里程收费的合理收费方案.特别是对于“环环相邻、环中有环”的路网布局,使用卫星定位技术进行基于距离的收费能更好地解决多义性路径问题.

但卫星定位技术目前只能用于车辆定位,无法进行车辆身份识别以及与后台系统的通信,不能独立完成收费流程,需要与其他通信技术组合使用.而且市区内高楼、立交桥等建筑遮挡卫星信号,定位精度会受到影响,目前国际上已有的经验都是在高速路段的场景.

3 总结与展望

3.1 不同技术对比

根据对技术的分析与概述,各技术都有着各自的优缺点和特性,例如ANPR技术所需的设备成本较低,但其环境适应能力和检测精度都不如RFID技术;RFID技术可支持实时收费,但无法用来稽查取证;卫星定位技术能支持行驶轨迹与距离的计算,但无法单独完成车辆信息的识别.表2对前文所述的技术特性进行了整理.

表2 技术特性对比

3.2 面向不同收费模式的技术备选集

结合各收费模式的原则以及各收费技术的特性,本文对面向不同收费模式的技术备选集做出了如下总结:

1) 当选择车道、通道、边界线收费模式时,有2种技术备选集:

①RFID技术与ANPR技术结合

②ANPR技术(多组设备互补使用)

2个备选集均可满足收费要求,备选集①完整率准确率更高,环境适应能力更高,同时成本也更高;备选集②成本较低,但各性能也相对较差.

2) 当选择区域收费模式时,有1种技术备选集:

①ANPR技术(多组设备互补使用)

若要满足区域收费模式的要求,需在区域内大部分交叉口设置检测点,尽可能检测到区域内的全部车辆,ANPR技术可依托于城市电子警察系统,建设成本较低且便于维护,而RFID技术虽然也可满足技术要求,但是现实条件下大范围建设收费龙门架很难实现,因此在区域收费模式下不考虑该技术.

3) 当选择距离收费模式时,有2种技术备选集:

①卫星定位技术与RFID技术结合

②卫星定位技术与ANPR技术以及其他通信技术结合

距离收费模式的关键在与测量车辆行驶里程,备选集①与②的区别仅在于如何实现车辆信息与定位信息的关联,以及收费的执行方式.

就我国城市交通发展现状和道路建设情况来看,城市内部小路、胡同等无法安装感知设备的地点较多,更适合选择边界线收费或通道收费2种模式.根据前瞻网的数据,截止到2020年底,我国电子收费系统(ETC)已有2.25亿用户,汽车覆盖率约85%,选用RFID技术与ANPR技术相结合这一技术集的后续设备成本已被大大降低,更适合我国大型城市实施拥堵收费政策.

3.3 技术展望

随着物联网时代和数字化时代的到来,车辆感知技术越来越多种多样,可感知的信息越来越丰富,但各技术仍由独立的设备个体实现,城市大型交叉口处常见到1根杆体上安装十几二十几台检测设备,既影响城市容貌又消耗较高的电力资源.未来的交通感知技术应该将多种功能集于一身,如射频与视频一体化设备[15]便是沿着这一方向发展的产物之一,只不过目前还处于硬件结合的层面,将射频识别与视频识别集成到了同一个设备中.

未来的交通感知技术会将更多技术有机结合起来,形成新的独立的技术,在满足丰富的信息感知的同时还能减少设备的安装,既节能又美观.此外,卫星定位技术也将克服建筑物遮挡以及通信等问题,提高市区内车辆的定位精度,实现基于距离的拥堵收费模式.