中科院自动化所
国家文字识别工程中心 童剑军
——发于《中国交通信息产业》2004年10月刊
摘 要 随着高速公路联网收费逐渐成为一种趋势，在提高通行速度，减少营运成本的同时，也带来了如何公平合理地在各不同经营权(或所有权)业主间进行通行费的拆分结算的问题，其中路径二义性问题是一个重点和难点。本文提出了一种基于车牌识别技术的解决方案，可较好地解决这一难题。同时也充分考虑到了设备、数据的复用和系统成本的控制。但本文仅是一种方案设计，虽以作者丰富的工程经验为基础，但并没有根据此方案所构建的实际系统得到应用，因此仅作为期望解决路径二义性问题的业主、使用方或对此有兴趣的技术人员、研究人员的一个参考。
关键词 高速公路 联网收费 浙江 路径二义性 解决方案
1 概述
随着我国高速公路的不断发展，目前我国已形成了密布的高速公路交通网。为了降低高速公路运营成本，各省高速公路业主要求进行大范围的联网收费的呼声越来越高，目前，浙江、广东等高速公路建设较为完善的省份已基本实现了高速公路收费全省联网系统。在省内高速中已取消了主线收费站，实现联网收费，达到了节约运营成本、统一管理的较高水平。车辆进入省内高速公路，在不同业主所有的公路上行驶时已无需一次又一次地进出、交费，而只需在驶入和驶出时进行一次交费。一般由省交通厅或相关部门牵头，结算中心，专门负责高速公路通行费收入的分拆结算，根据车辆所经路段按照一定规则进行分配。
高速公路联网收费一方面减少了通行车辆的交费次数，提高了通行速度，另一方面由于减少了收费站建设和收费人员的聘用、培训，使业主方降低了运营成本，具有可观的经济效益。
然而，对于进行联网收费的高速公路网来说，不可避免的存在有高速公路环路情况，即车辆可以在网络内由一点出发通过一定线路又回到该点而无需驶出高速公路。当然，实际生活中，除了迷路的情况，没有哪一位驾驶员会有意地在高速公路上兜圈子，但这种环路现象却造成了高速公路收费运营中的一个难题，即“路径二义性问题”。
所谓路径二义性问题，可以用一个简单的示意图来清楚的表示，如图一所示：
 假设图一中ABCDE分别为五个点(或城市)，其中每两点间的连线为一条高速公路且任一条高速公路均分属于不同业主。某一车辆从A点进入高速公路并到达E点，此时其所经行的可能线路为ABCDE或是ABDE，即其行驶路线产生了“二义性”。目前所采取的办法是“最短路径法”，即认为该车辆是沿ABDE路线行驶，其通行费由AB段高速、BD段高速、DE段高速三家业主分拆。
事实上这种分法是不合理的，如果车辆行经的路线为ABCDE，则车辆并没有经过BD段而其业主分拆了其通行费用，相反，对BC段和CD段业主来说，该车由其高速公路经过却没有收取其通行费用，显然是对其利益的一种不公平。当然，对于图一所示的示意图来说，BD与BC+CD相比要小很多，熟悉道路的驾驶员不会舍近而求远，这种结算分配方式在很大程度上是合理的。但如果出现更复杂情况，车辆所经过路段更多、且产生二义性的两条路径距离长度相差不大时，这种不公平的现象更为突出。但对于目前来说，由于取消了各高速公路衔接处的主线收费站，这一问题很难得到解决。如图二所示。
图三为浙江省高速公路全图，图中黄线部分是已建、在建及规划的高速公路，由图中可以看到，浙江省已建立起一个较为完善的高速公路交通网络，而随着联网收费系统的不断建设，其中的“路径二义性”问题也越来越引起重视。
解决车辆行驶路线“二义性”问题是规范通行费用拆分方式，提高拆分透明度和公平性，实现更合理的业主间利益分配、提高业主积极性的一个极其重要的问题。
2 问题的分析：
从图一中可以看出，解决路径二义性问题的最关键一点在于如何获得车辆行驶的路线，以对于图一中具体问题为例，就是要判断车辆在BCD这一环线中究竟走的是BD线还是BCD线，此时我们自然可以想到，如果在BD线、BC线和CD线上采取一定的方法获知该车是否从本线经过，则在车辆到达E点驶出高速时只需查看上述三段高速公路的通行纪录即可清楚地知道该车在BCD环中所经过的路线。
如果在BD、BC、CD线高速公路上设有主线收费站，这一问题自然很容易解决，“走一段交一段”，简单明了。但实现高速公路大范围联网收费、取消主线收费站是高速公路管理的一个发展趋势，不可能因噎废食、逆趋势而行，倒退回到原来各自收费的状态，必须采用其他技术方式解决这一难题。
换一种思路，如果能在这三段高速公路上在不影响车辆通行的情况下实现对车辆的身份的确认，获知哪些车辆从本路段经过，则这一问题可以迎刃而解。
在高速公路中对于车辆身份的确认，最简单也是最直接的方式是进行车辆牌照的识别，作为车辆在公路上行驶时的身份标志，车牌具有“唯一性”这一显著特征，目前我国的车牌识别技术发展迅速，已有在高速公路收费系统、超速布控系统中应用车牌识别技术的成功案例，利用车牌识别技术解决路径二义性问题是一种完全可行的方案。
在车辆高速行驶状态中进行车牌的识别事实上已有实际应用，京沈高速玉田段就将车牌识别技术成功应用于超速布控系统，其应用方式是在龙门架上安装车牌识别设备监测超速车辆并实时进行牌照号码识别，存入后端超速车辆黑名单中，在高速公路出口车辆驶出收费站再进行一次车牌识别并与黑名单进行比对，以实现“实时报警、就地处罚”，提高了超速监测系统的监测能力和威慑力。
超速布控系统可以实现在车辆高速运动状态下进行车牌识别，那么如果在某一监测点架设车牌识别设备，对通过该监测点的每一车辆均进行牌照号码识别，则可以获知哪些车辆通过了该路段。如果每一条可能产生路径二义性问题的路段均可以获知车辆通行信息，路径二义性问题则可以很简单地得到解决。
在图一中，如果在BD段、BC段、CD段高速公路上安装了车牌识别设备，记录通行车辆的车牌号码，则车辆由A点到达D点时，只需针对车牌号码查询上述三条路段中的通行记录，则可无误地判断车辆的实际通行路线，不再存在路径二义性问题。同时，如果在记录通行车辆牌照号码的同时进行测速，则该系统也可以同时作为一套超速布控系统实现复用。
3 总体技术方案设计
基于以上构想，可以得到解决路径二义性问题并同时实现超速布控的多用系统结构框架设计。如图四所示：
图四中，数据流程如下：
· 入口点对驶入高速公路的车辆进行牌照号码识别，并将车辆牌号上传至通行车辆数据库，该车辆的牌照号码与某一通行ID纪录号是一一对应的；
· 测速点位于高速公路主线上，对高速通行的车辆进行图像抓拍、速度监测、车牌识别、数据传送工作，将车辆的牌照号码、行驶速度上传至某一中转站(如最近的收费站)；
· 中转站将所有通行车辆牌照号码数据集中上传至统一的通行车辆数据库，并将超速车辆的号码、图片、速度、地点、时间等数据上传至超速车辆数据库；
· 超速车辆数据库接收超速数据(上述的号码、图片、速度等数据)，构建超速车辆黑名单；
· 出口点对驶出高速公路的车辆同样进行牌照号码识别，并通过通行卡中的ID号获得车辆进入高速公路时的车牌号码或图片，以此对车辆的逃费行为进行监测；并将车辆牌照号码与超速车辆数据库中的超速车辆黑名单进行比对，判断其是否在某一路段有超速行为(可能会在多点有多次超速，一并取出)，对其超速行为进行现场处理。
· 出口点在判断车辆有无逃费行为，有无超速行为并进行处理后，将车辆牌照号码传送至通行车辆数据库，根据ID号找到对应纪录(超速监测点通行数据则以车牌号码作为关键词进行查找对应)，组合成一条完整的车辆驶入à路线à驶出的完整纪录；
· 当结算中心进行通行费分拆结算时，针对某一条ID号(该ID号与出口处的一次收费金额数据对应)，找到该ID号对应的车辆牌照号码及其从入口至出口的完整行驶路径纪录，从而在各高速公路业主间进行费用自动分拆。
4 技术难点分析
从技术角度来说，该方案有以下技术难点，可以采用以下思路进行解决：
A：如何保证能获得每一辆车的通行纪录？
由于在高速公路主线上进行施工是一件比较困难的事，车牌识别技术中有一种“视频触发”技术解决触发抓拍的问题，但在本方案中，我不建议采用视频触发技术进行车辆的抓拍，因为：
· 视频触发技术虽然避免了在高速公路路面上铺设线圈减少了施工量，安装比较简便，但其触发准确性不高，在本方案中不仅仅是进行超速布控(如果仅是超速布控，则其实是“抓到多少处罚多少”，漏抓拍也没有很大的关系)，而是同时要解决路径二义性问题，因此要求准确地抓拍到每一辆通过监测点的车辆，漏抓一多则失去了意义，因此必须解决抓拍准确性问题；
· 视频触发技术仅仅是解决车辆抓拍问题，同时还要求配备测速设备进行车辆速度测定。
· 视频触发技术受环境光照影响要大，不同的外界光照环境对其触发的准确性影响较大。
由此，我们可以采取线圈触发方式，在监测点高速公路主线路面上埋设两个线圈，线圈触发可以实现准确触发，触发效果非常稳定，且触发点位置固定，对车牌识别更为有利。埋设两个线圈的目的在于可以利用车辆通过两个线圈的触发时间差进行车辆测速，简单方便准确，且可以减少测速设备(如雷达)，节约成本。至于车牌识别的触发，则利用其中一个线圈的触发信号即可。
为了尽可能地保证每一辆车经过监测点时均能使线圈产生触发信号从而完成车牌识别，要求监测点路面所有车道都埋设线圈、安装车牌识别设备，而不仅仅安装在内线超车道上。
车牌识别设备则可安装在主线的龙门架上，由上至斜下方进行监测。
B：如何解决高速识别问题？
目前车牌识别技术大多使用在低速场合，如收费站、国道等处，以便抓拍到清晰的车辆图像，达到好的识别效果。但在本方案中，要求在车辆高速行驶的时候(因为同时也是超速布控系统)仍可以抓拍到清晰的车辆图像以完成牌照号码的识别。
也有方案提出在高速公路分岔口进行车牌识别系统的安装，因为车辆进入分岔口时必然会减速，以便适应识别系统对车速的要求，但这样一来，就失去了超速监测的意义，无法实现路径二义性和超速布控的复用。如果能够解决高速状态下的车牌识别问题，则该系统可以安装在超速易发地段，实现设备和识别数据的复用。
目前国内车牌识别产品一般分为软件识别、硬件识别两种，其中绝大多数产品均属于软件识别，即采用工控机完成车辆图像的采集、牌照号码的识别、识别数据的传输等功能。硬件识别产品目前仅有汉王科技的“汉王眼”一种车牌识别产品，采用DSP硬件平台进行运算完成从图像抓拍至数据传输的所有功能。
由于图像采集卡的固有的时间延迟，采用图像采集卡进行车辆图像的抓拍在车辆高速运动状态下，抓拍到的车辆图像容易产生拖尾现象，对车牌识别的效果影响极大，甚至于无法完成，这也正是国内大多数车牌识别产品无法适应高速车辆识别的原因。本方案中要实现系统的“路径二义性+超速布控”复用，则必须采用基于硬件识别的车牌识别产品，除非车牌识别产品厂家找到更为巧妙的办法解决高速车辆识别的问题。
C：如何解决通信问题？
这里的通信问题指两方面内容，一是各收费站间的数据交换，一是监测点至收费站的数据传输问题。
· 各收费站间数据交换指车辆通行数据、超速车辆数据在高速公路联网系统中的传输，其中车辆通行数据要求传输至收费结算中心，虽然实时性要求不高，但由于所有通行车辆数据都要求传输，传输数据量比较大，要完成这些数据的传输，要么扩大网络通讯带宽，要么尽可能减少传输数据(如不传图片只传牌照号码数据)；而超速车辆数据虽然数据量稍小，但由于要求实时报警处罚，且很多情况下要求提供举证图片，对网络传输能力的要求更高。由于这是收费站间的数据传输，一般可以采用光纤方式传输以保证良好的传输带宽。
· 监测点至收费站(这里指数据中转转发站)间的数据传输问题则可以采用光纤、微波、GPRS等多种方式传输，可以灵活采用不同的传输方式。
5 总结
路径二义性问题是在高速公路联网收费发展过程中产生的新问题，随着联网收费作为一个发展趋势，这是个不可避免的必须解决的难题，本文是作者在多年从事智能交通系统产品研发和工程实践的基础上，从技术角度分析提出的一种解决方案。从技术角度来看，采用车牌识别技术解决路径二义性问题，并同时实现超速布控，不存在什么关键性的、无法解决的技术难题，前面所提到的一些相关的难点实际上在技术上均已解决，且在实际系统中已有相应的实际应用，余下的问题只是在于在系统实现细节上的一些工程应用难题及如何达到总体方案所要达到的实用效果而已。
当然，本文仅是作者的一种构想阐述，虽然根据实际工程经验认为可以实现，但毕竟工程实际与总体方案构思有着不短的距离，很可能还有许多实际细节问题没有考虑到，但希望本文对于致力于解决路径二义性问题或对该问题有兴趣的技术人员有所帮助。
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