基于高清车牌识别系统的高速公路收费二义性路径解决方案

0背景

随着高速公路建设的迅猛发展，国内很多省份高速公路逐渐向网状结构发展，从同一点出行到另外一点的路径不止一条，高速公路建设和管理开始关注高速公路多义性路径问题，其精确识别成为一个迫切需要解决的难题。高速公路多义性路径识别所以受到社会关注，与高速公路发展、交通管理需求、提高服务水平以及费用通行费用拆分有关系。

高速公路网状发展和各路段投资主体构成复杂是多义性路径识别需求产生的根本原因。由于各路段投资主体不同，对于因多义性路径导致不能精确拆分的问题较为敏感，为了维护各投资主体的合法权益，必然要求采用技术手段提高多义性路径识别的精度，解决费用拆分模糊的问题。

目前国内解决路径识别问题主要思路通过技术措施试图在现场精确识别出车辆行驶的路径，直接解决收费和拆分问题。技术措施通常包括：标识站法、车牌识别法、标签识别法、RFID射频标识法等。本文主要结合笔者参与的国内某省路径识别解决方案的设计工作，阐述基于高清车牌识别的路径识别解决方案，包括车牌识别解决方案的原理、技术实施方案、主要设备要求、路径构建实现等。

1车牌识别解决方案的原理

识别的基本思路是识别出路网中每一车辆的实际行驶路径，避免路网中出现行驶路径的歧义，从而解决路网中多路径问题。通过标识方法识别车辆行驶路径的基本原理是通过一些手段采集车辆行驶路径信息，确认车辆行驶路径。车辆的行驶路径信息主要包括出口、入口、路段等三种信息，只要三种信息齐全，路径就可以惟一确定。

车牌识别法的核心是利用高速公路上行驶车辆的车牌具有唯一性的特征，依赖车牌自动识别技术以及网络实时传输技术的良好应用，在所有高速公路的入口、出口设置车牌识别系统(或者人工输入车牌)，在路网内关键点设置主线车牌自动识别系统，将识别出的通过车辆的车牌信息上传上级系统；在车辆出口时，通过系统查询该车中途通过关键点的车牌记录，将入口、出口、路段三种车牌信息比对，判定车辆实际行驶的路线，收取车辆通行费，并以此作为拆分通行费结算依据。

具体实施即在在高速公路网内存在二义性路径两点之间的路径断面上设立门架，在门架上安装车牌识别设备，摄像机结合实际车道数进行布设，车牌识别器自动识别来往车辆的牌照号码，车牌识别管理软件实时采集各车牌识别器的识别结果（时间、站点和车牌号等）和图片并保存在本地服务器，传输软件将识别结果上传到省联网中心，收费软件则依据车牌识别结果信息计算费额。

2技术实施方案

2.1系统构成

在主线路段合适位置设置龙门架，龙门架上安装300万像素车牌识别设备，双向四~六车道共采用4台摄像机，每方向设置两台采用热备方式工作，布设在龙门架上。另外为了提高识别精度及夜间行车舒适度，在摄像机安装龙门架上安装金卤灯一套，另外在该龙门架前方25米再增设一套龙门架，该龙门架安装金卤灯一套/车道。

龙门架路侧安装设备柜内一套，内放置交换机、UPS、配电箱、防雷器等。前端图像设备主要是固定在护罩内的摄像机、镜头和补光灯。高清车牌识别处理设备安装在远端的收费站内。高清摄像机与AC/DC模块安装在护罩里，护罩安装在车道路面的上方，图像的中心点与龙门架的水平距离为35米。三只高亮LED辅助光源安装在高清摄像机周围，水平间距0.1米，分别指向三条车道摄像机视野覆盖的区域。

高清摄像机通过100M网络口传出JPEG图像帧，信号通过交换机+光纤方式传输到就近收费站，上传图像帧数据通过高清车牌识别处理设备处理后，识别结果保存到后台数据库服务器，并通过通信系统传到省中心，省中心结算通行费时根据上传出入口信息及识别的车牌信息构建路径信息。

同时需要设置一些辅助设施包括金卤灯、室外机柜、配电箱、防雷器、双绞线、单模光缆、电缆等。该方案每车道采用双机热备的方式，提高车牌信息抓拍的准确率，进而提高车牌信息的识别率和稳定性。

2.2车牌识别点设置位置选择

车牌识别点的设置位置主要重点考虑以下因素：

（1）每个环路的每条路段设1处；

（2）在路段上设置龙门架的地点尽量靠近收费站或者服务区，便于保证电源与数据传输；

（3）龙门架的地点处单向尽量不超过3个车道，节约投资成本；

（4）摄像机视角前方500m左右宜为直线段；

2.3设计要点

（1）前端龙门架设计

?高度6.5米-8.5米；

?预留可安装图像采集前端设备的横杆，横杆直径不少于60毫米；

?电源、传输上架；

?需要防雷设计。

（2）前端图像采集

?采用300万像素高清摄像机，实现2~3个车道的全覆盖；

?采用抱箍安装在龙门架的横杆上；

?夜间补光灯按照1道1套的方式安装在同一横杆上；

?利用5类网络线将数据传输到龙门架附近的控制机箱内。

（3）信号传输

?龙门架旁边设置控制机箱，内部设置交换机等设备；

?摄像机通过5类网络线将视频信息传输到控制机箱，并接入交换机，再通过直埋敷设光纤将信号传输到就近的收费站；

?收费站与联网中心通过高速公路现有内网实现数据的传输。

（4）供配电

?原则上系统用电就近收费站或服务区取点，采用直埋电缆，并外加保护措施；

?为了提高系统可靠性，本地配置UPS电源。

（5）辅助光源

系统采用两类光源：LED灯、金卤灯；

?LED补光灯是利用车牌的反光特性，在夜间给摄像机补光以拍摄到清晰的车牌图片；

?金卤灯适合道路照明，光线柔和，与LED配合，减少夜间LED灯对司机的影响；

（6）防雷接地

?电缆两端安装电源信号防雷器；

?网线两端安装网络信号防雷器；

?龙门架上安装避雷针。

2.4补偿照明控制系统方案

控制方案采用网络管理方式,在终端用灯光控制器控制灯光照明,灯光控制器连接串口服务模块,串口服务模块可以把灯光运行情况通过光纤上传反馈到控制中心，控制中心通过管理软件直接控制终端灯光的运行(包括开关,定时,亮度等)。

2.5主要设备要求

（1）摄像机的性能指标

?图像传感器：1/2"CMOS；

?彩色最大分辨率：300万象素（2048X1536）；

?灵敏度：0.2lux@F1.4；

?动态范围：60dB；

?最大信噪比：45dB；

?最大数据传输速度：45Mbps；

?最大视频传输帧数：15fps，2048X1536；

?图像压缩：22级品质的M-JPEG；

?传输协议：TFTP；

?网络接口：100Base-TX以太网接口；

?外形尺寸：76WX63.5HX125L（mm）（不含镜头）；

?镜头接口：C/CS镜头卡口；

?供电方式：以太网供电（POE）或直流输入（9～12VDC）（2.1mm×5.5mm,中心正极）；

?最大功耗：4W。

（2）镜头的性能指标

?捕捉兆级像素照相机的全部分辨率；

?低变形率(低于1.0%)；

?紧凑式设计(直径：35.5mm)；

?焦距：25mm；

?镜头直径于焦距直径的最大值：1:1.4；

?图像最大尺寸：8.8mmX6.6mm（?11mm）；

?光圈：手动；

?聚焦：手动；

?后焦点：13.1mm；

?固定架：C固定架。

（3）高亮辅助光源

?外壳材质：防水铝壳；

?光通量：1920流明；

?照射距离：0.5～70米；

?额定功率：35W；

?供电方式：AC220V/50Hz±10%；

?开关控制电压：0V（关闭），10V（开启）；

（4）高清识别设备

?识别符合"GA36-92"（92式牌照）和"GA36.1-2001"（02式牌照）标准的民用车牌照和97式、04式新军车牌照与07式新武警车牌照的汉字、字母、数字、颜色等信息；

?支持标准双层牌识别；

?全天候连续工作，适应白天、黑夜、雨雪天气环境；

?触发方式类型：无触发；

?CPU性能：一秒钟处理25帧全图图像的车牌识别；

?单车牌识别时间：＜0.4秒；

?整体识别率：＞90%，车牌定位率>99%；车牌字符识别率≥99%；

?车辆检测率：＞95%，彩色图像，可以实现JPEG格式，不小于16位；

?输出信息：车辆大图、车牌小图、二值化图、车牌号码和车牌颜色，车辆速度；

?视频速度误差：±5％；

?机箱防护等级：IP50；

?工作环境温度：-20℃～+85℃（处理单元），工作湿度：<95%；

?平均无故障时间：MTBF≥30000小时；

?频闪光源寿命：≥20000小时；

?允许车辆行驶速度：0~220km/h；

?设备通讯接口：以太网接口RJ45，10M/100M/1.0G自适应；

?视频输入方式：以太网接入。

3路径构建的实现

路段路径构建的核心思路是每一车辆的车牌信息与这辆车所经历的识别点信息关联起来，构成一条路段路径信息。当一台车辆在出口缴费的时候，首先由车道软件读取收费卡内的入口站的信息，并由车道服务程序查取与该辆车相对应的路段路径信息，然后拼接完整的路径。最后，根据路由计费模型与实际路径计算费额，并得出完整交易信息。

完整交易信息体现实际路径计费与分路段拆分的交易信息，该信息记录了当前交易车辆所经历的路段、各路段的行驶里程数、各路段的实际收费额、各路段累加收费额、班次等字段。每完成一笔交易，车道级路径匹配服务程序便会产生一条完整交易信息。完整交易信息的定义可使得拆账软件更加迅捷的按路段拆分交易每一天交易额。

3.1路径构建原理

省级结算中心服务器构建每一车辆的路段路径信息，同时将路段路径信息下发至各识别点所属路段中心。车道级路径匹配服务程序通过站级中转计算机，向路段中心申请路段路径信息。如果路段中心无法匹配相应的路径，则向省级结算中心申请路径信息，并逐级返回至车道计算机。

为了保证路径信息的可靠性，除了在省结算中心外拟在其他路段中心建立一套功能配置相同的备份，如果省中心与各路段网络中断，则由备份中心担当相应职责。

3.2路径构建步骤流程

路径构建分为三个步骤组成：

第一步骤：识别点高清摄像机抓拍车辆图像，然后由识别点附近的站服务器生成识别信息，同时将识别信息传送至路段中心及省中心识别点服务器。

第二步骤：省中心识别点服务器接收到新的记录后，立即通知省中心动态路径构建服务器匹配路段路径信息（新建或追加），同时将该路段路径信息下发至对应识别点的分中心路径存储转发服务器。

第三步骤：车道级路径匹配服务程序向分中心或省中心服务器申请得到路段路径信息后，根据入口信息+路段路径信息+出口信息生成完整的路径信息，然后查询路由计费模型，最终计算出实际收费费额并生成完整交易记录。

4结语

随着高速公路迅猛发展，路网不断完善，二义性路径环路会不断大量出现，本文以近年实施的某省二义性路径识别项目为基础，系统总结了基于高清车牌识别系统的高速公路二义性路径解决方案的原理、实施技术方案和路径构建的实现，对于联网收费背景下地高速公路二义性路径问题的解决具有一定的参考意义。

参考文献:

[1]湖南省高速公路路径识别及机电系统配套项目升级工程初步设计[M]广东省公路勘察规划设计院有限公司2010年3月。

作者简介：童杰，工程师，广东省公路勘察规划设计院股份有限公司从事高速公路机电系统和城市道路ITS系统设计工作。