基于VPS的下一代道路收费技术研究

132 2006第二届中国智能交通年会论文集 24．基于VPS的下一代道路收费技术研究 周崇华 苏志哲 (鼎汉沪通工程咨询(上海)有限公司上海200092) 摘要：从人工收费、半自动收费到电子收费(DSRC)技术，以及最新的VPS道路收费技术， 道路收费技术是不断完善和发展的。本文就VPS道路收费技术的原理、车载设备i结算中心以及执法 系统等进行系统性的论述，为我国的下一代道路收费技术的选择提供一种方案。 关键词：道路收费 电子收费 车辆定位系统 NextRoadPricingTechnologiesStudyingbasedonVPS ZhouChonghuaSuZhizhe (THIShanghaiConsultantsINC，Shanghai，200092) Abstract：RoadPricingTechnologiesaredevelopingandconsummatingconstantly，fromManual TollingCollectiontoAutomatedTollingCollection，toElectronicTollingCollection，andtoRoadPri— cingTechnologybasedonVehiclePositioningSystem．Inordertoofferachooseforourcountrynext RoadPricingTechnologies，thepaperwillstudyonworkprinciple，On—BoardUnit，TollingCenterand EnforcementofRoadPricingTechnologybasedonVehiclePositioningSystem． Keywords：RoadPricingElectronicTollCollectionVehiclePositioningSystem 1 引言 道路收费是由政府或道路建设者及道路经营者向道路使用者或受益者征收费用，是道路使用者为 使用道路所付的一种补偿。自从出现道路收费以来，收费技术经历了从低级到高级，从功能简单到功 能丰富完善的过程。除无任何设备的人工收费方式外，综合目前的收费技术，概括起来有两大类：半 自动收费和电子收费。 人工收费是指靠收费员分辨车型，发卡，按里程计收费用，开票验证，保管现金，统计数据和账 务结算的收费方法。半自动收费是指人口处人工识别车型、发卡，在出口通过仪器来读卡、显示收费 金额，人工收费，付费放行的收费方法。电子收费(ElectronicTollCollection，ETC)，是利用微波 (红外或射频)技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息技术、传感技术、图像识别技术 等高新技术的设备和软件(包括管理)所组成的先进系统，以实现车辆无需停车即可自动收取道路通 行费用的收费方法。而从实现的技术手段上来看，ETC可分为三种：DSRC(DedicatedShort—Range Communication，短程无线通信)电子收费技术，ANPR(Automaticnumberplaterecognition，车牌 识别)电子收费技术及VPS(VehiclepositioningSystem，车辆定位系统)电子收费技术。自从挪威 1987年首先启动DSRC电子收费技术后，它已经风靡全球了。从北京到奥地利、从美国到日本、从台 湾到加拿大，随处可见。伦敦市政府从2003年2月开始在中心区实施道路拥挤收费，它采用的技术就 是ANPR电子收费技术，这种技术有它的局限性，在当前受欢迎的程度并不高。最近一种以卫星定位 技术，结合车内处理器与无线电通讯的技术，为电子收费提供了另一可行的方式，称为“车辆定位系 24．基于VPS的下一代道路收费技术研究 133 统”(VehiclePositioningSystems，VPS)。本文接下来就这种技术的发展、系统原理、车载设备、结 算中心以及执法系统进行详细的阐述。 2 VPS电子收费技术的发展历程 2．1 VPS电子收费术语Ⅲ VPS电子收费技术适合于较为复杂的城市道路以及公路收费，已经受到了各个研究机构的关注。 它在不同的研究中被冠以下列不同的学术名称： GNSS／GSM：为欧盟所采用的术语； VPS：香港的电子收费可行性研究以及出版的学术报告用此术语； GPS／GSM：为多个不同团体所采用的术语； Autonomoussystems：CARDME用此术语； SNMTT；也为CARDME所用的术语； MPS：英国环境、运输及区域部用此术语； Wideareacharging：英国的一个研究所采用的术语。 2．2 VPS电子收费技术的发展历程 由1989--1995年欧盟基金支助的SOCRATESE2](SystemOfCellularRadioforTravelEfficiency andsafety)项目，研究人员探讨以蜂窝移动通信替代DRSC在电子收费上的潜能。 1995年德国“555”高速公路¨3测试了两个建立在“虚拟信标(virtualbeacons)”概念上的收费系 统，这两套系统均建立在利用GPS和车载装置来计算并进行收费而不需要大量建造昂贵的收费站。 1996年，ISO／CEN制定道路交通信息技术标准的委员会成立了一个小组负责VPS标准的制订。 1997年10月，该小组提交了《ApplicationRequirementsforElectronicFeeCollection(ELFC)Sys— temsbasedonGNSS／CN》[13报告。 我国香港地区早在1997年就开始了为期27个月的电子道路收费(ERP)可行性研究[4]，VPS技 术是研究对象之一，最终结果VPS收费技术被评为是香港ERP的上上选。 在1997--1998年期间，瑞士政府在2001年实现对境内3．5t以上的货车实行VPS电子收费计 划。 ‘ 1998年，几家OBU制造商在欧盟的支持下成立了INITIATIVE[5](IndustryInitiativeToIntro— duceAutomaticTollingInVehiclesinEurope)项目的研究，目的是开发具有DSRC和．VPS双重功能 的OBU。 在1998年底，欧盟提出整合的DSRC电子收费和VPS电子收费的系统，这个系统既能满足 DSRC收费，又能满足VPS收费。 2001年1月由瑞士关税局(SwissCustomsAuthority)主导的针对境内大约60000辆3．5t以上 的货车征收通行税(HeavyVehiclesFee，HVF)而建的系统——瑞士卡车收费系统 (LeistungsabhangigeSchwerverkehrsabgabe，LSVA)，它就是利用GPS来确定车辆在瑞士境内的位 置，也是全世界首次把GPS技术用在收费系统中。 欧盟也在2001年交通政策白皮书《2001EC(EuropeanCommission)WhitePaper：European transportpolicyfor2010》中明确指出2010年VPS电子收费技术将成为一项趋势。 在2001年中期，英国政府与Fareway联盟签约实施“DIRECTS”项目，它是在利兹城市的街道 上测试。尽管它是以DSRC为主，但是计划也要论证VPS收费技术。 2001年奥地利政府宣布对重型卡车收费计划进行修订，新的计划是采用德国模式，实施计划在 2003年。但在最后，奥地利采用的是用红外线的收费技术。、 2000．6～2004．5，欧洲实施的城市道路收费示范项目(PROGRESSProject2000)，哥本哈根、歌 德堡和布里斯托尔就采用了VPS收费技术来进行收费示范。 荷兰交通部在2001年6月开始在浚国全境所有车辆进行VI’S电子收费规划·称为KII—OMETER‘ HEFFING计划．其意为。接里程计费”。2005年j月11日．政府工作组对外宦称“计程收费将在 2009年引人”， 我国台湾省的研究单位自主开发了VPS电子收费幕境并干2002年底在快速路上完成其采统测试。 台湾的电子收费的第二阶段计划于2010全面实施甘程l嵌费(VPS收费技术)。 2005年1月1日．德国成功开通了基于VPS的高速公路自动收费系统t对高建公路上超过12t的 大卡车进行VPS电子收费。 2005年初．美国的普吉湾地区委员台(PugmSoundReginnalCouncil．PSRO委托西门子I业系 统且技术服务(1＆s)集团在华盛顿州的西稚图进行了4SatellhPbasedroadpricingsy眦m”测试； 2006年春．美周俄勒同州提出的“RoadUserFeePilot”计划开始实施测试。 在2005年1月出版的ttheLondonCongestionChargingTechnologyTrials：StagelReport(Feb ‘05)}报告中指出伦敦变通酃『】已经完成r第二代拥挤收费技术的研究．其中技术之一就是VPS收费 技术。 英国坡府2005年7月5日宣布出资f亿支助基于GPS的道路收费。在2005年9月出版的gOverl viewufroadusercbargingIntbeUK}报告中明确指出使用GNSS(GlobalNavigationSatellitesy， t—GPS．Galileol作为计程收费的棱心技术． 据报道：2008年蛾盟将全面实行VPS技术， 3 VPS电子收费技术的系统原理⋯"1” 3 1 VPS电子收费系统总体构架 VPS电于收费系统．它足烈垒球定位系统和全球移动通信技木为基础．通过车载装置与结算中心 的通信，进行不停牟自动收赞．VPS收赞系统手u款方式前两种：一种是直接通过车载装置f112g-J扣 除车辆须付的通行赞．另一种是利用咒线通信CSMGPRS将车辆行驶路线及须ff通行费用等数据 传输到结算中心．由中心与运输公司结算或足在个人账户上扣款。为了能够运营VPS自动牧费暇务系 统．用路人首先需要蝥装VPS车载装置(OBU)于卞内．拣后4能采用¨(Integratedcircuit)卡进 行扣款或者蘑过SIM(SuhscriberIdentityModule)}和结算中心的后端账户结算。而交通执值部门可 由车道检测设备与执洼系统．引对VPS坩户进行执法过谴与礴棱．同时结算中0VPS伺服系纰则 负责管理虚拟收费站及下载相芫参散与费牢至前端车拽装置，系统总件掏架曲图】所示 24．基于VPS的下一代道路收费技术研究 135 3．2 VPS电子收费的工作原理 VPS收费系统的目的就是实现不停车收费，而实现此目的是依靠车辆定位、费用计算、账务结算 与执法系统间的互操作来完成的，关于它们之间的协作工作原理如下： (1)当安装VPS车载装置的车辆进入虚拟收费站时，车载装置逻辑判定需进行付费交易后，则自 动启动通信模块建立无线通讯信道； (2)当VPS车载装置通讯模块与移动通信基站顺利建立通讯信道时，则以通讯协议与VPS后端服 务器进行信息交握(Handshaking)。确认后，VPS车载装置将由IC卡扣款取得的扣款凭证资料、车 辆编号、IC卡卡号、地理对象、日期／时间、车号、拥有者身份证号等讯息，传送给VPS后端服务 器。或者将车辆行驶路线及须付通行费用等数据传输到结算中心，由中心与运输公司结算或是从个人 账户扣款； (3)VPS后端服务器收到正确的交易数据并审查认无误后，将自动应答远程VPS车载装置交易成 功信息；若审查数据有误，则将响应错误信息。同时将该笔交易数据储存于数据库内，作为与结算中 心账务系统的清算依据； (4)当VPS车载装置收到服务器正确的响应信息后，付费成功信息会显示于车载装置显示单元上， 反之则会显示交易失败信息，同时自动挂断通讯模块。此外，若通信模块因地形地物或取不到通讯信 道时，VPS车载装置也会纪录该笔未交易付费数据，直到通信接通后，再将未完成之累计交易付费数 据一并与VPS服务器交易处理完成。当通过虚拟收费区时，VPS车载装置会以短距通讯方式与车道系 统进行通讯交握，并告知其为合法VPS用户； (5)VPS服务器会定时将付费成功的车辆清单保存数据库中，以备后端追讨逃欠费及违规服务器 纪录备查，当车道系统送回未完成交易之车辆清单时，系统会先滤除已缴费的VPS车辆清单； (6)当车道系统检测车辆通过车道及通过的时间，并确认车辆的类型和车轴数。利用车辆的三维轮 廓判别车辆是否为需缴费车辆，如果不是，则删除相关信息；利用DRSC子系统判别需缴费车辆是否 为自动缴费，如果是，则还需要判别它的轴数是否与注册数据相符。对于非自动缴费车辆，则通过影 像子系统拍摄它的车牌，并通过ANPR子系统提取车牌号码。再利用ANPR识别的车牌与付款注册车 辆的车牌进行匹配。如果匹配则还需要验证它的车轴／车型是否与注册相符。不匹配则直接通知执法单 元执法判别车轴及车型与实际情况的差异。如果不匹配则通知执法单元执法。 4 VPS电子收费技术的车载装置 车载装置是VPS收费系统的重要组成部分，下面就车载装置的功能、硬件框架和软件框架进行阐 述。 ． 4．1车载装置功能需求 车载装置具有以下的功能需求： (1)连续检测车辆位置； (2)匹配当前车辆位置于收费道路的电子地图； (3)路线分析，计算和显示通行费收取； (4)与结算中心进行通信； (5)自动收费信号提示等。 4．2车载装置硬件框架 要实现以上的功能，必须匹配一定的硬件设备来完成以上的功能，比如：GPSRF／DBB模块是用 于不间断地接受来自人造卫星的信号；GSM／GPRSDBB／c0DEc／RF是用手车载装置与结算中心的通 信设备。它的硬件框架如图2所示： 4．3车载装置软件框架 以操作系统为核心，配备相关的功能模块，搭配周边装置驱动程序及应用程序接口和基本的人机 操作接口．即可满足VPS电子付费功能上的需求．如嘲3所示 目2Ⅵ’5n§&‰#“#口《H目Ⅲ ∈≥$j7—x 、、厂7 ／≮=夕藓圃 、≤孑—器量＼@轴蚶——暖啊＼==二，。 m Ⅵ，)_|：#《H*#n$*n4 5 VPS电子收费技术的结算中心 结算中心足、。Ps收赞系缱的馈L-E脞也括如下功能单元：娥舞结算功能．客户管理功能，收 费琏规处理功能、运营维护管理功能．交堪电子地 嘲开发维护功能等。率文以巷国VPS收费采坑的 结算中心’为例来简要说明． 蕾国VPS收费系统结算中心在日前迁是“通 行赞结算为主。不考虑账务拆丹问c德国高速公 路属于德国公搀财产．。ToljCollection”公司所收 取的全部通行费部转交给德国童通部)．德国、PS 收费系统结算z}|0槊构如嘲I所示．它是以费用结 算为主，主￡包括拙他辅勋系统．姐立通地瞬执法 系统，系统管理皿维护以显客户盖幕管理等 c1)变通电子地网：E足针对德I目收费道路网 络复杂¨2000km高速公路．251十高架析．t 2200多十进出口．高速公路与国遭受丑盘结)开 日 * m ㈣ Ⅲ ㈣ z4＆十VPS∞f—Rt卑＆t#S日￡ 发用于VPS收费的变通电子地图，并对其进行维护和更新。 ‘2】执法系统：它主要是针对那些来付或未拄费率付款的车辆，通对执法装置进行车牌图像取证． 用于确定逃费车主井通知其应童费用．执法系统是利用前端的定点执法和移动执法工具．对那些束违 规车辆进行车牌抓拍并传至后台系统的．通过ANPR软件i}l别车牌号码井与系统中心完成付欺资料匹 配．如果是一个“逃费”车辆．艘抓拍车辆的图像及相关情息被送往相关部门(执法部门)。执法部门 根据这些图像及相关信息掉耐这些违规车辆进行执法处理。 【3)客户羌系管理：客户*呆管理(CustomerRelationManagemenx，简称CRM)是企业为r定 义．评价、发展和保持获得忠诚和有价值的客户．通过现代自动化技术和信息赘谭在正确的时间和最 低成本内把正确的产品与服务透过正确的渠道选到正确顾客手中的一种新的喂务理念与方法手段。在 博国的“TollCollection”结算中，c的客户服务中心为那些注册客P回答任何与VPS收费系统相关的 问题-肌一般的涪息月硅务到OBU安装．从顾客投诉到OBU丢失信息或者契约的更改等。 ({)系统管理厦维护：它提供了结算中D计算饥系统软件硬件的维护和管理．包括故障发咋时对数 据的安全保护．各种数据的维护．提供故障自动捡测．自动撮护处理等功能．如韭出现故障l时进行数 据自动备份，故障自动报警．故障隔离、备机自动切换及系统饿复等．其中．同络管理不值时结算中 心系统的计算机网培进行管理-并且VPS收费系统的整十通信用珞具有统一的两络管理功能： c5)账务站葬：结算系统是后台幂统的核心．咀是VI，S收费系统巾最熏要的组成部舒，它负责对 车辆通行费的结算并通过信托账户将缴费凡缴纳的养路费转交给簿围交通部。 6 VPS电子收费技术的执法系统 对于VPS不停车收费车道来说．执法系统是必需的，它主甏是针对那些未付或来按正确费率付费 的通过车辆进行车牌图像取证．用于确定逃赞车主并通知其应童费用。执法系统既噩保迁vPs收费系 统允许车辆快建通过收费道路．而叉婴防止非VPS车辆不变赞“闽卡”。执法系统采用的方式韫多． 有自动执法．人工执法和穆动执法其中自动执法是受欢迎的．如瑞士果肛在主线t设立自动执{击站． 在薄国已经建立丁300十自动执法站(监控桥)．车文也将重点介绍自动执洼系统。 6 1自动执法 (1)系统构架 自动执法系统包括：自动车辆幢测和舒类子系统．DSRC子系统、影像于系统以致ANPR于系统 和执法通知等，它的系统掏槊蛐图5所示： 目}自自*＆$#*自 (2)自动执洼处理施程 自动执法系统包括AVIcAutomaticVehicleIdentification．自动车辆识别系统)和AVC(Auto- malicVehicleClassification．自动车辆分类系统)于系统、DRSC于系境．影像子系统以及ANPR (AutomaticNumherPlateRecognition．车牌识别)于系统和执法通知单元。执法系统址理流程是在以 上这些于系统的基础上完成的．具体流程如图6所示； 簿、一銎一么 2006#：‘十目f＆t4}女女tl 目6 B自n＆{‰*H＆R ①检测苹辆通过车道厦通对的时间，并确认车辆的类型和车轴数， 0利用下辆的三维轮廓判别车辆赶舌为需缴费车辆．如果不是删陈它的柑关佑息。 ③利川DRSC于系统判#懦缴赞车辆足沓为自动撤费，如果是．则还需磊削剐它的轴数是否b注 册数据相符。 a)对于非自动墩赞车辆．则通过影像干系统拍摄它的车牌．井通过ANPR于系统提取车牌号鹃。 再利用ANPR识剐的车睥与付款注册车辆的车牌进行匹配，如果匹配则还需要验证它的车轴璋墅是 否与注册相符不匹配刚“接通知执法单元执法。 ⑤判别车轴髓车型与实际情况的差异。如粜不匹配则面知执法单元执法， 62^工执法和移动执法 (1从I执☆ 人上执法，它是通过无线通信A式接收来自监控侨自动检测监测到有违规车辆的信息．在监控桥 附近的一些路边停车场叫轷邶些违规车辆．“便堇为详细期底的检青L如图7)。 24．基于VPS的下一代道路收费技术研究 139 (2)移动执法 移动执法是利用移动监测车的DSRC技术对所有经过的车辆(安装OBU)进行自动监控。如为自 动缴费车辆，移动监测车利用配有GSM无线网卡的电脑设备连接结算中心取得车辆的车轴等相关信 息，从而判别它的轴数是否与注册数据相符，达到对使用预缴费系统的车辆进行检查(如图8)。 7 结语 图8移动执法系统处理流程 2005年1月1日，随着德国高速公路收费系统正式开通，中国政府就对这项技术非常感兴趣。在 2005年11月初，德中双方的有关专家在北京进行了初步接触。在媒体的追踪下，参加11月初步谈判 的德方成员对德国金融时报说，2006年1月或2月，德中双方将就该议题签署一项“理解备忘录”， 他还说，“中方对这项谈判的正式开始非常心切”。在他看来，这项备忘录将是双方开始合作的稳固基 础，“中国人对这件事情非常重视”。相信不久的将来，这项技术将广泛应用于中国的道路收费领域。 本文的研究着重在VPS收费系统的总体架构、工作原理，车载装置的功能、硬件框架以及软件框 架，结算中心的构架，执法系统的框架以及处理流程等方面的内容，为我国选择VPS道路收费系统时 提供技术参考。 参考文献 [1] E2-1 [3] [43 [5] [6] [7] CENTC278WGlSG5．ApplicationRequirementsforElectronicFeeCollection(EFC)Systems basedonGNSS／CN，October1997． CatlingI， “SOCRATES”，inI Catling．AdvancedTechnologyforRoadTransport．Artech House，1993：99—118． ． TUVRheinland．FieldTrial“MotorwayTechnologiesA555”。March1．996． OpiolaJandCatlingI．TheHongKongElectronicRoadPricingFeasibilityStudy．ICMElectronic 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