ETC分段式自由流收费系统研究

孙艳雨

摘要：在概述我国2020年撤站后高速公路收费系统分段式计费运行现状的基础上，提出门架拟合代收及出口在线计费等功能所存在的局限，进而对高速公路ETC分段式自由流精准收费系统方案的设计思路、系统构成进行分析，并对包括激光雷达检测技术、相机和激光雷达混合触发技术、信息融合匹配及AI识别技术等在内的关键技术展开探索。最后比较分析了ETC分段式自由流收费系统的优势及运行效益，以期为ETC分段式收费系统的高效运行提供借鉴参考。

关键词：ETC分段式；自由流；路径还原；在线计费

1   ETC分段式计费现状

2019年我国高速公路省界收费站全面取消，487个省界收费站被拆除，同时新建起24588个ETC门架，自2020年开始，我国高速公路收费系统进入一张网时代。基于撤站背景，高速公路收费系统基本实现分段式计费，并依靠门架拟合代收及出口在線计费等功能，旨在解决车载介质所记录收费路径和实际路面发生偏差而引发计费错误的问题[1]。

门架拟合代收指的是车辆在通过ETC门架时，会由门架查验车载介质中所记录的前序次门架信息，如果存在冲突，则由临时门架拟合代收通行费，对前序遗漏门架做出一定程度的补充。出口在线计费指的是车辆在驶离收费站时，展开车载记录总收费额查验，如遇异常，则向云端发发出在线计费指令，由在线计费平台重新计费，并将计费结果返回收费站出口，确保收费准确。

以上收费模式大大减少了高速公路通行费漏收问题，但在实际运行过程中，出口在线计费功能只在车载介质所载通行费额异常时才启动，而这一异常意味着省部级在线计费平台从ETC门架端所获取的交易流水同样存在问题。

以上计费模式的运行离不开牌识数据帮助，但牌识结果也不能保证100%的准确性。此外，路网内存在大量相似车牌号，为实现“ETC+牌识”信息流云端路径的拟合，涉及到时间、空间等维度的运作以及复杂算法的实现，还要求大量真实数据对算法有效性展开验证[2]。

现状视频技术因受到客观环境的影响和制约，无法为ETC提供有效补充。例如，夜间门架补光条件有限，视频系统抓拍存在一定差异；货车等车辆牌号污损，抓拍效率很难保证；高亮牌、遮挡牌等特殊车辆使牌识无法展开。

2   精准收费系统方案

2.1   设计思路

结合当前高速公路收费系统运行现状，为实现精准收费，必须保证ETC门架对运行车辆具备精准的感知能力，并有效提升系统抓拍率，对抓拍图像其余信息展开充分利用。此外，还必须提升门架前端数据质量，以降低云端路径拟合负担，增强ETC数据和牌识数据的前端匹配性。

基于以上思路，为实现门架前端ETC数据和牌识数据的精确匹配，本文提出依托既有ETC门架的ETC分段式自由流收费系统升级方案，并借助图像ReID技术还原车辆真实路径、实现云端信息交互。

该系统包括路侧智能门架感知系统和云端路径还原系统两个组成部分。前者由RSU天线子系统、车辆激光检测系统、牌识抓拍系统、门架工控机及数据处理配套软件系统组成。其中，车辆的OBU/CPC、图片及车牌信息通过智能门架获取后自动生成结构化信息。该信息由数个智能门架构成的门架群通过以太网向路中心、省中心传输，并流向路径还原系统。后者则包括路径还原服务器集群和软件等模块，用于接收、匹配、实时处理及应用所接收的底层门架数据。

2.2   系统构成

2.2.1   智能门架感知系统

该系统对内主要采用星形网络结构连接，通过所配置的专用网络汇聚设备连接各子系统，并搭配安全防护，为系统稳定通畅提供保证。对外则采取端口隔离设置，即仅对ETC门架开放使用端口，通过交互网络节点的减少，将数据串扰风险降至最低。智能门架感知系统布局如图1所示。

其中，天线子系统也就是ETC交易系统，由定位RSU天线和专用控制器构成，且各车道均配置1台RSU定位天线，用于实现行车断面的满覆盖和多目标定位。待RSU定位天线和车载介质间的无线通讯完成后，相关的位置信息和交易信息便随即上传门架工控机。

门架数据处理系统由工控机、温度感知系统、网络交换设备等构成，各子系统位置、时间、车牌等数据的接收及多维度匹配均通过工控机、网络交换设备实现。门架侧图片与ETC交易流水的精确匹配实现后，ETC交易信息和图像特征信息数据融合也随之实现，进而生成车辆特征信息，上传云端服务器。

2.2.2   云端路径还原系统

该系统包括路径还原服务器集群、软件等，主要作用在于还原车辆路径。通过服务器集群中的AI“车辆ReID”技术，对门架所上传的车辆特征信息展开聚类处理，结合ETC交易信息、牌识信息与不同门架车辆信息展开匹配，达到还原车辆路径的目的。

3   关键技术

3.1   激光雷达检测技术

通过应用当前较为先进的激光扫描检测技术，可提升车辆检测的准确率。此类设备安装过程简便，对路面无破坏，可全天候准确统计断面车辆，对环境遮挡、不同应用场景等均适应。与ETC路侧天线、毫米波雷达、相机、压电传感器、地感线圈等常规检测器相比，其施工难度小，养护成本低，运行可靠稳定，可扩展性优良。

3.2   相机和激光雷达混合触发技术

常见的触发技术包括相机视频软触发、外部传感器硬触发两类。激光雷达硬触发技术优势明显，鉴于其高定位精度，使激光雷达硬触发的触发率、准确率均显著提升。此外，定制软件中触发协议，可充分利用激光雷达高精度定位成果，快速锁定车牌像素位置。将信息实时传输至相机，相机便可快速提取到车牌信息，得出精准的牌识效果。

3.3   信息融合匹配技术

ETC分段式自由流收费系统在线计费功能的有效性，离不开牌识数据，为此必须对两者进行匹配绑定。在通用牌识匹配技术下，用抓拍图像牌识信息匹配ETC记录内的车牌信息时，因为无牌、脏牌、遮挡牌、高亮牌等偶然存在，相机牌识准确率有限，ETC车载介质内存储的牌识与物理牌识不符等原因，匹配率较为有限。

而应用多维度信息融合匹配技术，借助激光雷达展开对车辆的高精度定位，并结合定位天线数据，可实现时间和空间等维度的精确匹配，综合匹配率将提高至99%[3]。这一匹配过程在门架前端业已实现，有助于提升云数据质量，使数据处理负担大大降低。

3.4   AI识别技术

將边缘机布设在站级机房或ETC门架处，在提取到抓拍图像中的车辆外观、牌识等特征信息后实时上传云端，并借助ReID算法在还原系统中完成图像信息聚类，从而有效实现牌识效果不良车辆的路径还原。

3.5   系统扩展技术

结合建设规划、项目预算，ETC分段式自由流收费系统必须分阶段扩展实施，以符合业务需求。使将激光雷达安装在现状ETC门架，可对车辆展开全天候精准检测。激光雷达还能向门架牌识系统提供触发信号，确保其相机抓拍、牌识功能较好发挥。

智能门架型系统主要用于收费系统自动稽核偷逃通行费方面，在将计数型门架升级成智能型系统后，ETC信息、激光信息、牌识信息便能在门架侧精准匹配。基于智能门架基础引入路径还原和AI识别计数后的路径还原型系统，可通过ETC+REID技术还原出行车的真实路径，保证系统实收费额准确。

4   系统优势及效益对比

4.1   系统优势

ETC分段式自由流收费系统在ETC门架前端，即可精准匹配交易流水信息和相机牌识信息，在云端路径拟合算法的配合下，可实现门架信息在时间和空间两个维度的串联。在此基础上依托AI图像重识技术，对车辆图像特征进行串联，保证了车辆真实路径还原的准确性，也为出口在线计费提供了可靠信息。

该收费系统还引入激光雷达，通过激光雷达和相机的混合触发，使视频抓拍性能显著提升，也使断面过车信息捕获零缺漏得以实现。再加上时空多维度信息的精准匹配与数据的去重处理，保证了断面车流量计数结果的高准确度。

常规单ETC门架升级为智能门架系统后，各项指标取值与升级前的比较详见表1。通过对系统升级前后运行效率的比较看出，ETC分段式自由流收费系统应用后，车辆图片捕获率、车辆计数准确率均提高，特别是ETC图像匹配率直接从0%提升至99.0%，运行效果十分良好。

4.2   效益对比

ETC收费系统升级后，综合高速公路收费系统运行现状，通过构建K-P数学模型以评价系统运行效益。K-P数学模型如图2所示。

K-P数学模型主要依托车辆信息ETC系统捕获率、交易成功率、牌识准确率，以及在线计费统计数据、省级收费系统统计数据而构建，模型中K表示ETC交易失败的随机程度，其取值越高，表示随机程度越高；P表示所在路网可达道路的复杂程度，取值越高，路网越复杂。将高速公路实际通行数据代入模型中，便可测算出公路ETC收费系统升级后所带来的经济效益。

该收费系统目前已经在我国数个省市得到实施应用，依托2021年全年ETC分段式自由流收费系统典型工况下的数据记录样本，所统计出的系统运行效率如下：车辆计数准确率在99.58%～99.87%之间，OBU和CPC匹配率分别在99.03%～99.60%和93.66%～96.22%之间，车辆牌识捕获率则位于99.69%～99.84%之间。

5   结束语

综上所述，全国高速公路省界站项目的取消，对于我国高速公路运行效率的提升、道路拥堵情况的缓解意义重大，为碳排放量的减少、全球气候问题的改善做出了一定贡献，同时也助推了ETC收费业务向智能化、无人化、精准化方向迈进。

本文依托ETC门架网络，针对目前所存在的通行费漏收等问题所提出的ETC分段式自由流收费系统，具备门架精确感知及云端精确路径还原功能，能实现精确路径计费，必将大力提升我国高速公路收费系统运营效率。

参考文献

[1] 沈峰，朱胜超，吕剑.ETC分段式计费系统精准收费升级方

案[J].中国交通信息化，2021， 258（06）：106-108+112.

[2] 周兰孙，郑豆豆.基于高速公路ETC门架收费设施的车路

协同系统探讨[J].中国交通信息化，2020，250（11）：99-101.

[3] 柯翔，孙楠，刘晓娜.高速公路ETC门架主机监控系统研

究[J].微型电脑应用，2022，38（3）：37-40+51.