面向自动驾驶的联网收费技术发展探索

王 倩

(1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191； 2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

近年来，车路协同、自由流收费、自动驾驶等新技术成为行业的研究热点，从长远来看，自动驾驶将成为高速公路智慧化发展重要应用方向。目前，我国高速公路实行全国“一张网”联网收费，在自动驾驶条件下，联网收费系统的技术如何发展是一个重要研究课题。

1 自动驾驶技术概况

1.1 自动驾驶系统

自动驾驶系统是集环境感知、决策控制、动作执行等功能于一体的综合系统，是充分考虑车辆与交通环境协调规划的系统，是未来智能交通系统的重要组成部分。通常，自动驾驶系统分为感知层、决策层、执行层3部分(见图1)[1]。

图1 自动驾驶系统构成图

1) 感知层：采用先进的传感器包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、速度和加速度传感器等，对环境信息和车内信息进行采集与处理[2]。

2) 决策层：采用先进的决策理论包括模糊推理、强化学习、神经网络和贝叶斯网络技术等，依据感知信息来进行决策判断，确定适当工作模型，制定相应控制策略，替代人类驾驶员做出驾驶决策。

3) 执行层：将车辆各个操控系统的总线与决策系统相连接，系统在做出决策后，按照决策结果对车辆进行控制，以实现车辆的自主驾驶。

1.2 自动驾驶等级分类

按照国际自动机工程师学会(SAE)制定的J3016自动驾驶分级标准，自动驾驶技术分为L0～L5共6个等级。L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶；L1～L5则随自动驾驶的技术配置和成熟程度区分,分别为辅助驾驶、部分自动驾驶、条件自动驾驶、高度自动驾驶、完全自动驾驶。具体分级情况如表1所示：

表1 SAE自动驾驶分级表[3]分级名称定义驾驶操作主体感知主体接管主体应用场景L0人工驾驶由人类驾驶者全权驾驶汽车人类驾驶员人类驾驶员人类驾驶员无L1辅助驾驶车辆对方向盘和加减速中的一项操作提供驾驶,人类驾驶员负责其余的驾驶动作人类驾驶员人类驾驶员人类驾驶员L2部分自动驾驶车辆对方向盘和加减速中的多项操作提供驾驶,人类驾驶员负责其余的驾驶动作人类驾驶员人类驾驶员限定场景L3条件自动驾驶由车辆完成绝大部分驾驶操作,人类驾驶员需保持注意力集中以备不时之需人类驾驶员L4高度自动驾驶由车辆完成所有驾驶操作,人类驾驶员无需保持注意力,但限定道路和环境条件车辆 车辆 车辆L5完全自动驾驶由车辆完成所有驾驶操作,人类驾驶员无需保持注意力所有场景

1.3 国内高速公路自动驾驶技术状况

高速公路自动驾驶是指在系统作用域为高速公路环境下实现的自动驾驶，自动驾驶系统为操作主体，驾驶员提供监视和支援功能。根据各国的交通法规限制，短期内需要驾驶员提供即时接管能力的人机共驾是主要形态，远期随技术不断发展，将实现车辆在高速公路上完全自动驾驶。

目前，我国高速公路在协同自动驾驶方面已取得局部突破，开展了国内智能网联高速测试基地建设、高速公路全息感知设备研发、京雄高速自动驾驶专用车道建设、杭绍甬高速货车编队建设等创新与示范应用。由百度Apollo支持建设的国内首条支持高级别自动驾驶车路协同的高速公路G5517长常北线高速长益段正式通车。依托路侧先进的面向自动驾驶全量感知能力和强大的云平台处理能力，并且利用C-V2X和5G通信能力，长益复线高速能够支持L4级别自动驾驶[4]。

2 联网收费技术发展

2.1 联网收费发展历程

随着我国高速公路建设发展，高速公路联网收费先后经历了5个重要的发展阶段，分别是省域MTC联网收费、省域ETC联网收费、区域ETC联网收费、全国ETC联网收费、全国MTC和ETC联网收费(取消高速公路省界收费站)。在这一发展过程中，公路联网收费技术引领并推动了高速公路运营服务的高质量发展[5-6]。

2.2 联网收费技术现状

我国高速公路联网收费技术依托电子不停车快捷收费(ETC)，辅以车牌图像识别、多种支付手段融合应用，在高速公路每个互通立交、入/出口之间设立ETC门架系统，采用开放式收费制式(保留入/出口收费站)，实现 ETC车辆和MTC车辆分段计费。

ETC车辆通过车载OBU与路侧天线进行无线通信和信息交换，MTC车辆通过“5.8 GHz复合通行卡+车牌图像识别”方式，实现分段计费、出口收费。货车按照车(轴)型收费，安装OBU实现不停车快捷收费[7]。

3 面向自动驾驶的联网收费技术方案

根据高速公路联网收费技术现状以及发展趋势，针对自动驾驶的不同等级提出2种解决方案。

3.1 L3级以下自动驾驶车辆解决方案

L0～L2级自动驾驶更多地是依赖于人的感知行为来控制车辆，在目前条件下实现收费仍脱离不开现有的联网收费技术。

3.1.1总体思路

在现有收费环境下，若要实现L0～L2级自动驾驶，必须有相应的定位装置，借助于路侧设施来标识车辆的行驶位置。取消高速公路省界收费站后，ETC是主要通行方式，因此可借助车载单元(OBU)，通过ETC门架系统实现收费。MTC车辆采用5.8 GHz复合通行卡(CPC卡)作为通行介质，实现“分段计费、出口收费”。

由于CPC卡是采用电池供电的移动通行介质，对功耗、使用寿命的要求高，当CPC卡的电量耗尽后，将因缺电致使CPC卡内的敏感数据、重要信息未能得到及时删除，对收费系统构成安全隐患，因此后期可考虑高速公路采用入口管控的自由流收费模式，采用合法ETC车辆自由流通行和非ETC车辆的预约通行方式。

3.1.2技术方案

结合联网收费系统现状，在L0～L2级自动驾驶条件下，使用“ETC自由流+预约通行”收费解决方案，即用户出行前通过建设预约通行平台进行网络预约，绑定用户账户和车辆信息，标明入出口站和路径信息，进行预付费并生成通行ID，在入口ETC车道通过车牌识别完成入口认证。在行驶途中，通过门架的图像抓拍设备获取车辆的车牌信息并上传省部中心，后台系统通过车牌信息核对车辆的行驶路径；如果实际路径与预约路径不相符，则通过事后稽查实现通行费追缴。同时，升级现有部、省联网中心系统。

1) 升级部中心系统: 需对跨省清分结算、运行参数管理、稽查和信用管理、系统运行监测、数据汇聚管理、综合业务管理等系统进行软硬件升级，增强计算和存储能力，在现有功能基础上，完成预约车辆的数据管理和清分结算业务。

2) 新建预约通行平台: 实现MTC车主预约通行服务的相关业务需求；建立预约通行支付系统，实现与部省中心系统的数据传输；建立预约通行支付账户系统，完成与银行/第三方支付对账和结算的功能。

3) 升级省联网中心系统: 对省联网中心的省(区、市)内清分结算、系统参数管理、数据传输管理、跨省对账及结算、特情处理、稽查管理、系统运行监测服务等系统进行软硬件升级，增强计算和存储能力，在现有功能的基础上，完成预约车辆的数据管理和清分结算业务；完成省内预约通行支付系统和预约通行支付账户系统建设。

4) 升级路段中心、收费站系统: 对路段中心和收费站的数据通信管理、参数管理、报表管理、稽查管理等系统进行软硬件升级，在现有功能基础上，完成预约车辆的数据管理业务。

5) 升级ETC门架系统: 通过调整ETC门架系统软硬件设备，在现有功能基础上，提高抓拍设备对车辆在各种工况下车牌识别的准确性，系统可形成相应的过车车牌信息并及时上传至省部中心系统；部中心可利用门架的车牌信息形成车辆实际行驶路径，用于与预约行驶路径的比对。

根据ETC车辆收费方式的选择，决定是否采用在出口匝道附近设置ETC门架系统。

6) 升级车道系统: 升级入口ETC车道的软硬件，实现合法的ETC车辆和预约的MTC车辆不停车快捷通行；对现有入口车道资源进行调整，实现对各类车辆合法性查验。应拆除出口站的收费岛和机电设备，确保所有车辆无障碍通行；该场地可用作对各种车辆的流动执法区域。

3.2 L3级及以上自动驾驶车辆的解决方案

3.2.1总体思路

对于L3～L5级自动驾驶的车辆，基本实现高度自动驾驶，且具备高精度定位功能，通过北斗或其他定位装置能够很好地确定其行驶路径，并可以实现车道级的定位，对于这些车辆可以不依赖于路侧设施，通过与后台账号绑定即可实现车辆在自由流状态下的精确里程收费。

建设基于卫星定位和无线接入技术的新一代收费系统，通过前端车载收费设备自动记录车辆行驶的位置和里程，综合考虑道路收费车辆参数和道路收费因素，自动计算车辆的通行费，并从用户绑定的支付账户中扣除里程使用费，引入移动支付技术，丰富收费体系的支付手段。

3.2.2技术方案

对于高度自动驾驶车辆，通过高精度的定位模块对车辆进行实时定位，获取车辆当前行驶位置、速度和方向等信息，并在安全模块的保护下，通过无线通信模块发送至收费系统进行里程费计算。收费系统主要由后台管理系统、稽查系统构成(见图2)。

图2 联网收费系统总体架构图

1) 后台管理系统：包括用户信息管理系统、里程费计算系统、稽查信用管理系统、支付结算系统等。系统可将车辆上报的位置信息与高精度路网收费地图进行匹配，对于匹配成功的车辆，根据车辆上报的行驶位置、里程，结合费率和车辆信息等计算车辆里程使用费。

2) 稽查系统:用于稽核车载收费设备工作状态，并记录异常信息，通过无线通信技术传递稽核设备与车载终端的比对信息，存在问题的信息将传输至后台管理系统确认。

4 结语

近几十年来，我国电子收费技术发展得较为成熟，采用自动车牌识别(ANPR)和射频识别(RFID)技术实现了传统的人工驾驶条件下精准收费。为顺应我国自动驾驶在高速公路应用的发展趋势，分析研究不同等级自动驾驶技术条件下的联网收费技术十分必要。面向不同等级自动驾驶，本文分别提出“ETC自由流+预约通行”、基于卫星定位和无线接入技术的联网收费解决方案，为下一代联网收费发展提供技术思路，为未来公路收费技术的发展方向抛砖引玉。