陳俊杰 ,山寶銀

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇南京210096;2.東南大學(xué) 常州研究院, 江蘇 常州213164)

電子不停車收費(fèi)(electronic toll collection ,ETC)是國(guó)際上正在努力開發(fā)并推廣普及的一種用于道路、大橋和隧道的電子收費(fèi)技術(shù).ETC 系統(tǒng)利用車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成車輛與收費(fèi)站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊, 進(jìn)行車輛自動(dòng)識(shí)別和有關(guān)收費(fèi)數(shù)據(jù)的交換, 從而實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)[1].

目前,ETC 系統(tǒng)主要采用遠(yuǎn)距離有源RFID(radio frequency identification)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛與收費(fèi)站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信.國(guó)際上ETC 系統(tǒng)使用的通信頻段主要有3 種:915 MHz,2 .4 GHz,5 .8 GHz .其中915 MH z 和2 .4 GHz 頻段在移動(dòng)通信、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,其頻率爭(zhēng)用嚴(yán)重,所以背景噪聲較大,并且沒有有效的安全機(jī)制,通信能力也較低,特別是2 .4 GHz 頻段是全球免許可頻段,其問(wèn)題更為嚴(yán)重.從已經(jīng)建成的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)看,915 MHz 系統(tǒng)主要應(yīng)用于北美地區(qū).5 .8 GHz 專用通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于歐洲、亞洲及大洋洲地區(qū).2 .4 GHz 系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)較少,沒有形成主流[2].而我國(guó)已有的ETC 系統(tǒng)應(yīng)用中,3種通信頻段并存.鑒于專用短程通信(dedicated shortrange communication,DSRC)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)ETC 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀,2007 年5 月實(shí)施的ETC &DSRC中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20851 —2007 以及2007 年10 月國(guó)家交通部頒布的《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》[3],規(guī)定了我國(guó)ETC 系統(tǒng)的短程通信頻段為5.8 GHz.

1 5 .8 GHz ETC系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1 5.8 GHz ETC系統(tǒng)構(gòu)成

ETC 系統(tǒng)主要是利用車輛自動(dòng)識(shí)別(AVI)技術(shù), 通過(guò)路側(cè)單元(road side unit,RS U)與車載單元(on board unit ,OBU)進(jìn)行相互通信和信息交換, 以達(dá)到對(duì)車輛的自動(dòng)識(shí)別, 并自動(dòng)從該用戶的專用賬戶中扣除通行費(fèi), 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)[4].系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示,主要由前端系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)組成,前端系統(tǒng)包括車道控制系統(tǒng)、RSU 、OBU 及其他附屬電子設(shè)施.

圖1 5.8 GHzETC 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of 5.8 GHz ETC system

OBU(又稱電子標(biāo)簽Tag)中存有車輛的識(shí)別信息,如車牌號(hào)、汽車ID 號(hào),一般安裝于車輛前面的擋風(fēng)玻璃上.OBU 具備IC 卡訪問(wèn)接口, 可實(shí)現(xiàn)與IC卡的支付信息交互.

RS U 安裝于收費(fèi)站旁邊.RSU 一直發(fā)送廣播信號(hào),當(dāng)車輛通過(guò)收費(fèi)站口時(shí)對(duì)RS U 廣播信號(hào)做出響應(yīng),建立專用通信鏈路進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換.

車道控制系統(tǒng)通過(guò)RSU 實(shí)現(xiàn)AVI 信息驗(yàn)證、支付信息驗(yàn)證等數(shù)據(jù)交互, 并控制整個(gè)E TC 車道的電子設(shè)施,包括自動(dòng)控制欄桿、車輛攝像系統(tǒng)、交通燈等.

后臺(tái)系統(tǒng)有大型的數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)大量注冊(cè)車輛和用戶信息.后臺(tái)系統(tǒng)工作任務(wù)主要為向客戶發(fā)售OBU ,并做OBU 的初始化,接收前臺(tái)收費(fèi)數(shù)據(jù)文件,交易和結(jié)算,存儲(chǔ)、管理抓拍圖像等.它主要包括如下系統(tǒng):計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng),道路運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng),結(jié)算中心管理系統(tǒng),客戶服務(wù)中心管理系統(tǒng),銀行管理系統(tǒng).

1.2 5 .8 GHz ETC 系統(tǒng)原理

當(dāng)車輛進(jìn)入E TC 車道有效通信范圍后,地感線圈首先感知車輛, 然后觸發(fā)RSU 發(fā)出詢問(wèn)信號(hào);OBU 監(jiān)聽到有效詢問(wèn)信號(hào)后被激活, 由休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài), 應(yīng)答RSU 并實(shí)現(xiàn)A VI 信息交互;RSU通過(guò)AVI 信息交互獲取車輛標(biāo)識(shí)信息、用戶電子賬戶信息及其他車輛屬性信息, 并將數(shù)據(jù)傳送到車道控制系統(tǒng);車道控制系統(tǒng)對(duì)AVI 信息進(jìn)行驗(yàn)證, 若AVI 驗(yàn)證通過(guò)則進(jìn)行支付輔助信息驗(yàn)證, 計(jì)算支付額并傳輸支付記錄, 典型ETC 交易示例如圖2 所示.對(duì)于未通過(guò)AV I 驗(yàn)證的非法車輛, 車道控制系統(tǒng)會(huì)控制自動(dòng)欄桿拒絕其通過(guò),抓拍車輛圖像傳送給后臺(tái)系統(tǒng)報(bào)警.整個(gè)E TC 通過(guò)前端系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)的配合,從而實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)管理.

圖2 ETC 交易示例Fig .2 Trading examples of ETC

2 5 .8 GHz ETC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(AVI)

車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(A VI)是ETC 系統(tǒng)的核心技術(shù),AVI 經(jīng)歷了聲表面技術(shù)、條形碼技術(shù)、紅外通信技術(shù)[5]、無(wú)線電射頻和微波通信技術(shù)等過(guò)程, 最后得到認(rèn)可的只有改進(jìn)的紅外通信識(shí)別技術(shù)和無(wú)線電通信技術(shù).到20 世紀(jì)末, 已基本確立了采用微波通信技術(shù)作為電子收費(fèi)系統(tǒng)的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的主流地位.但近年來(lái),采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的車輛定位系統(tǒng)(VPS)和基于光學(xué)字符識(shí)別(optical character recognition,OCR)技術(shù)的牌照識(shí)別(LPR)也進(jìn)人了AVI 的應(yīng)用.目前國(guó)際上的主流ETC 系統(tǒng)都采用微波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)識(shí)別.

同時(shí), 國(guó)際上為了實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)(intelligent transport system,ITS )對(duì)車輛的智能化、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)管理, 專門開發(fā)了短距離間的專用短程通信(DS RC )協(xié)議.目前, 國(guó)際上己形成歐洲CEN/ TC278 、美 國(guó)ASTM/IEEE 、日本ISO/ TC204為核心的DSRC 標(biāo)準(zhǔn)化體系, 其他各國(guó)的DS RC 標(biāo)準(zhǔn)都是參照這3 類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定的.表1 對(duì)國(guó)際DSRC標(biāo)準(zhǔn)做了簡(jiǎn)單的比較.

表1 國(guó)際DSRC 標(biāo)準(zhǔn)比較Tab.1 Compar ison of international DSRC standards

5 .8 GHz ETC 系統(tǒng)中, OBU 與RSU 基于DS RC 協(xié)議在5 .8 GH z 頻段建立通信鏈路完成數(shù)據(jù)交互[6],實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別, 如圖3 所示.

圖3 OBU 與RSU 通信鏈路Fig .3 Communication link between OBU and RSU

2.2 車型自動(dòng)分類(AVC)技術(shù)

公路收費(fèi)是分車型收費(fèi)的, 不同的車型對(duì)應(yīng)著不同的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn), AVC 系統(tǒng)根據(jù)車輛的物理特性來(lái)進(jìn)行車型分類.AVC 依據(jù)的車輛物理特性包括:車長(zhǎng),車寬,車高,車輪直徑, 輪距,輪數(shù),軸數(shù), 軸距, 底盤高度及外形尺寸等.

2.2.1 車輛特征檢測(cè)方法

目前,國(guó)內(nèi)外用于車輛特征檢測(cè)的傳感器主要有壓力傳感器、環(huán)形地感應(yīng)線圈、紅外陣列、超聲波、雷達(dá)、聲學(xué)傳感器、震動(dòng)傳感器和視頻傳感器.本文對(duì)其中運(yùn)用傳感器的比較重要的幾種檢測(cè)方法進(jìn)行了闡述和分析.

(1)電磁感應(yīng)線圈法.其方法是首先要在地面埋設(shè)專用的感應(yīng)線圈,此線圈作為檢測(cè)器與主機(jī)相連.當(dāng)車輛通過(guò)車道時(shí), 主機(jī)就可以根據(jù)檢測(cè)線圈送來(lái)的信號(hào)對(duì)車輛進(jìn)行分類.電磁感應(yīng)線圈法的原理為,根據(jù)不同車輛通過(guò)埋設(shè)于車道下的環(huán)形感應(yīng)線圈引起其電感量不同的變化來(lái)檢測(cè)車輛的到達(dá)和離開,并進(jìn)行車型分類.系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為線圈探測(cè)器, 它由感應(yīng)線圈和控制部分組成.當(dāng)沒有車輛通過(guò)時(shí), 振蕩器的頻率為f1,當(dāng)有車輛以一定速度接近并從其上通過(guò)時(shí),線圈的電感參數(shù)發(fā)生變化, 進(jìn)而引起振蕩器的振蕩頻率發(fā)生微弱變化.假定有車輛通過(guò)時(shí)振蕩器頻率為f2,由于不同車型的車輛底盤形狀是不同的,因此f2將隨著車型的變化而發(fā)生變化, 當(dāng)車輛離開環(huán)形線圈后,振蕩器的頻率又將恢復(fù)到f1.因此可以得到隨汽車通行時(shí)刻變化而變化的頻差的變化曲線.不同車型的車輛由于底盤的形狀、大小、高低不同, 導(dǎo)致其對(duì)線圈的影響也不同, 也即導(dǎo)致振蕩器頻差曲線的不同.這樣就可以反過(guò)來(lái)通過(guò)頻差曲線的不同來(lái)判別車輛的類型[7-8].

電磁感應(yīng)線圈法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟、成本低、方法簡(jiǎn)單易行,只需檢測(cè)埋在地下的感應(yīng)線圈,再與已知頻差曲線對(duì)照即可得出分類結(jié)果.其缺點(diǎn)是系統(tǒng)的安裝和維護(hù)極其不便,同時(shí)受車輛行駛速度和其他干擾因素等影響, 獲得的頻差曲線干擾較多, 曲線復(fù)雜,對(duì)車型的分類效果不理想.所以很少單獨(dú)使用,通常作為其他系統(tǒng)的輔助裝置.

(2)激光為代表的檢測(cè)法(雷達(dá)、超聲波及紅外線).采用脈沖激光的測(cè)量方式可以檢測(cè)行駛中車輛的3 維外形形狀.激光檢測(cè)系統(tǒng)在每個(gè)車道安裝6個(gè)激光檢測(cè)器,按車輛行駛方向設(shè)置成前后兩排, 排間距為30 cm,每排3 個(gè)光束, 中間光束垂直向下, 左邊的左傾12°, 右邊的右傾12°, 前排為3 個(gè)加寬光束, 通過(guò)一個(gè)10°光孔模投射在路上, 產(chǎn)生一個(gè)橫向330 cm 連續(xù)測(cè)量線,3 段110 cm 的測(cè)量線之間的縱向間距不超過(guò)0 .5 cm ;后排為3 個(gè)窄光束,分別產(chǎn)生10 cm ×0 .5 cm 的測(cè)量區(qū)域.由于激光投射到路面并反射回激光傳感器的時(shí)間是固定的, 因而可通過(guò)反射光間距發(fā)生變化的時(shí)間, 精確地測(cè)量出車輛的高度信息;另一方面, 選用道路的反射強(qiáng)度作為參考值, 通過(guò)檢測(cè)反射能量的變化即可測(cè)出車輛是否存在, 如果脈沖激光頻率為10 kH z,也就是說(shuō)每秒中可記錄10 000 個(gè)變化的車輛高度信息,利用高度變化信息的10 %, 就可測(cè)出速度為250 km ·h-1的車輛每隔6 .9 cm 的車高輪廓圖,對(duì)于慢速行駛車輛,可獲得車高輪廓的詳細(xì)信息;利用車輛從一排光束到另一排光束所花時(shí)間就可以計(jì)算出車輛長(zhǎng)度, 因?yàn)閷捁馐糠謺?huì)投射到路上,部分會(huì)投射到車輛上,這樣測(cè)量的車高要小于實(shí)際高度,這個(gè)高度與窄光束測(cè)得的準(zhǔn)確車輛高度的比例反映了車輛寬度信息,可據(jù)此測(cè)量出車輛每一斷面的寬度.由每一斷面寬度、高度和車長(zhǎng)信息就獲得了高精度車輛3 維外形圖像[7-8].

激光檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的測(cè)量精度比較高,而且可以測(cè)出行駛中車輛的外形3 維全貌.缺點(diǎn)是安裝及維護(hù)要求較高, 外形檢測(cè)后還需要與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配, 系統(tǒng)比較繁瑣, 而且激光, 包括超聲波、雷達(dá)傳感器在使用時(shí)造成環(huán)境污染.為了控制污染, 這些傳感器的功率受到嚴(yán)格限制而影響檢測(cè)距離和檢測(cè)效果.

(3)動(dòng)態(tài)稱重法.其原理是, 當(dāng)車輛通過(guò)埋入路面下的壓力檢測(cè)器時(shí), 檢測(cè)器受力產(chǎn)生形變,根據(jù)回傳信息對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè), 可測(cè)量車輛的軸重、軸距、總重、車速等,并按預(yù)先制定的車型分類表, 自動(dòng)識(shí)別車型[7].動(dòng)態(tài)稱重具有節(jié)省時(shí)間、效率高的優(yōu)點(diǎn),但由于其技術(shù)還不夠成熟, 加之設(shè)備安裝復(fù)雜、壽命短,溫度、車輛振動(dòng)、道路質(zhì)量等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生很大影響, 所以在車輛檢測(cè)和車型識(shí)別中還沒有得到廣泛應(yīng)用.

(4)視頻、圖像法.視頻法首先依靠安裝在檢測(cè)區(qū)域后上方的高速攝像機(jī)對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行拍攝,然后研究攝像機(jī)攝取的車輛的視頻圖像, 利用圖像處理方法對(duì)其進(jìn)行分析處理,從而確定車輛類型.視頻法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得車輛外形全貌的參數(shù),而且精度比較高.基于該方法的車型識(shí)別系統(tǒng), 具有維護(hù)方便,不影響交通的優(yōu)點(diǎn), 視頻圖像輸出可提供現(xiàn)場(chǎng)錄像, 為有爭(zhēng)議的車型識(shí)別提供證據(jù)及人工判別依據(jù).一臺(tái)攝像機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)車道,節(jié)約系統(tǒng)成本.缺點(diǎn)是受外界環(huán)境(如惡劣天氣情況)的影響較大,圖像處理技術(shù)比較復(fù)雜,成本較高.

2.2.2 車型識(shí)別算法

利用各種傳感器得到車輛特征參數(shù)后, 就要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合來(lái)確定車型.目前, 關(guān)于車型識(shí)別的算法大致可以分為以下2 類:

(1)基于模板的方法.Jolly M等[9]通過(guò)模板匹配法對(duì)車型進(jìn)行分類, 其模板是融入先驗(yàn)知識(shí)的在一定范圍變形的多邊形, 用Bayes 決策判定車型.該算法的缺點(diǎn)是復(fù)雜、計(jì)算量大, 車型識(shí)別準(zhǔn)確率最高可達(dá)91 .9 %.Wei 等[10]使用了相對(duì)簡(jiǎn)化的模型, 即構(gòu)造了參數(shù)化模型表示不同的車型, 這些參數(shù)包括車輛的至高點(diǎn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等, 然后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別,車型識(shí)別率達(dá)到90 %以上.

(2)基于代數(shù)特征的方法.將一幅車輛樣本圖像看成一個(gè)矩陣, 通過(guò)對(duì)矩陣進(jìn)行變換或線性投影,可以抽取車輛的代數(shù)特征.魏小鵬等[11]將人臉識(shí)別中的奇異值方法應(yīng)用于車型識(shí)別,但與人臉識(shí)別不同的是, 車輛樣本圖像均采集于室外, 圖像的灰度變化比較大.Lim T R 等[12]應(yīng)用Gabor 濾波器對(duì)車輛樣本圖像抽取Gabor 特征, 由于Gabor 濾波器強(qiáng)大的分類鑒別能力, 車型識(shí)別效果較好, 識(shí)別率達(dá)到95 %以上.

近年來(lái), 各種基于支持向量機(jī)(support vector machines, SVM)的車型識(shí)別算法研究引起了廣泛的關(guān)注.支持向量機(jī)是由Vapnik 等人于1995 年提出的一類新型機(jī)器學(xué)習(xí)方法.能夠較好解決小樣本、非線性及高維數(shù)等模式識(shí)別問(wèn)題.在車型識(shí)別中, 陳宏等[13] 應(yīng)用SVM進(jìn)行車型識(shí)別, 分類正確率達(dá)到了90 %.SVM的理論優(yōu)勢(shì)非常突出, 但應(yīng)用研究還相對(duì)滯后.

2.3 視頻稽查技術(shù)

視頻稽查是利用OC R 技術(shù)自動(dòng)獲取非法車輛的車牌號(hào)碼, 車牌照識(shí)別主要分為車牌圖像捕獲、圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割、字符識(shí)別等幾個(gè)部分.

2.3 .1 車牌定位

車牌定位的研究國(guó)外起步比較早,上世紀(jì)90 年代以來(lái), 由于交通現(xiàn)代化發(fā)展的需要, 我國(guó)也開始對(duì)車牌定位進(jìn)行深入研究,并取得了一定成效.目前基本的車牌定位方法主要有:①基于紋理的定位方法;②基于邊緣檢測(cè)的定位方法;③基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的定位方法[14];④基于顏色的定位方法[15];⑤基于遺傳算法提取汽車牌照的方法[16];⑥基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌定位方法[16].上述各種車牌定位方法都具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值,但大都不完善,背景要求比較簡(jiǎn)單, 不能滿足當(dāng)今背景復(fù)雜、車牌多、干擾多的實(shí)際場(chǎng)合應(yīng)用要求.結(jié)合上面這些基本方法與各種優(yōu)化算法又派生出許多其他定位算法, 每種方法也存在各自不同的局限性.

2.3 .2 字符分割

在經(jīng)過(guò)號(hào)牌定位環(huán)節(jié)后, 為了方便下面的識(shí)別環(huán)節(jié),應(yīng)首先對(duì)字符進(jìn)行分割,并進(jìn)行量綱一化, 分割質(zhì)量的好壞和正確與否將直接影響后面識(shí)別結(jié)論是否正確.字符分割的主要任務(wù)是:①確定車牌字符的上下邊界;②將車牌中的字符逐個(gè)分割出來(lái);③將分割出來(lái)的字符量綱一化到一個(gè)固定的大小.當(dāng)然不同的識(shí)別算法,在這個(gè)階段有不同的算法和目標(biāo), 但大致目標(biāo)是基本相同的.目前字符分割方法主要有:①直接的分割算法, 這種方法是基于車牌字符的先驗(yàn)知識(shí),直接對(duì)字符進(jìn)行切分,局限性是對(duì)車牌精確定位要求較高,魯棒性不好;②基于模板匹配的算法[17],該算法充分利用了車牌字符等寬、排列規(guī)則的特征,根據(jù)車牌的字符排列規(guī)則,引入適當(dāng)模板, 并使用模板與垂直積分投影曲線匹配,計(jì)算最佳匹配位置,從而得到字符分割的準(zhǔn)確結(jié)果,局限性是對(duì)同一車牌,不同字符的字符寬度不同,切分效果不好;③垂直投影法[17] ,采用對(duì)二值車牌進(jìn)行垂直投影, 從而確定車牌中字符的位置,這種方法對(duì)車牌圖像無(wú)噪聲、字符不出現(xiàn)黏連的情況比較適合,但是如果條件改變,那么提取的字符就會(huì)出現(xiàn)缺損等不良現(xiàn)象.

2.3.3 字符識(shí)別

字符識(shí)別是模式識(shí)別的重要應(yīng)用領(lǐng)域, 涉及到圖像處理、人工智能、模糊數(shù)學(xué)、機(jī)器視覺等多種學(xué)科,是一門綜合性很強(qiáng)的應(yīng)用型技術(shù).當(dāng)前專門針對(duì)車牌字符識(shí)別的方法主要有簡(jiǎn)單的模板匹配法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、特征點(diǎn)匹配法、基于Hausdorff 距離法、光電混合聯(lián)合變換相關(guān)法和小波法, 等.簡(jiǎn)單的模板匹配法計(jì)算快速, 但對(duì)字符的噪聲、變形以及光照的影響容易敏感.常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hop fied 網(wǎng)絡(luò)和Kohonen 網(wǎng)絡(luò)等, 其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于字符的噪聲及變形不敏感, 缺點(diǎn)是不易區(qū)分特征值相近的字符, 因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法常用于初級(jí)分類.劉維一等[18]在簡(jiǎn)單模板匹配法的基礎(chǔ)上,根據(jù)汽車牌照本身的特性, 提出了特征點(diǎn)匹配識(shí)別的方法.特征點(diǎn)匹配法選取了能夠區(qū)分各字符的若干特征點(diǎn), 進(jìn)而取值得到各字符的編碼, 從而能較好地區(qū)分特征值相近的字符.但是該方法只適用于二值化圖像, 因此受二值化質(zhì)量影響很大.葛寶臻等[19]提出的光電混合聯(lián)合變換相關(guān)方法是利用聯(lián)合變換相關(guān)器(JTC)根據(jù)輸出面上相關(guān)峰的位置確定目標(biāo)圖像和參考圖像,但速度較慢,離實(shí)時(shí)處理還有一段距離.以上的這些字符識(shí)別方法各具優(yōu)點(diǎn),但仍有不足之處, 所以目前還沒有一種單純的識(shí)別方法能很好解決車牌字符識(shí)別問(wèn)題, 只能組合多種識(shí)別方法來(lái)設(shè)計(jì)車牌字符多級(jí)分類器.曹剛[20]提出了一種包含特征點(diǎn)匹配和小波隱形馬爾科夫鏈(W HMCM)匹配的多級(jí)車牌字符識(shí)別方法, 該方法對(duì)字母、數(shù)字的識(shí)別率達(dá)99 .1 %, 對(duì)漢字的識(shí)別率達(dá)96 .4 %.

3 5 .8 GHz ETC系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽和讀寫器

3.1 5.8 GHz ETC電子標(biāo)簽

ETC 系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽, 即車載單元(OBU),是具有微波通信功能和信息存儲(chǔ)功能的移動(dòng)設(shè)備識(shí)別裝置.ETC 系統(tǒng)中的OBU 按其采用的技術(shù)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類.主動(dòng)式為有源發(fā)射方式, 自身具備發(fā)射能力, 需接車內(nèi)電源或電池;被動(dòng)式是無(wú)源反向散射方式, 無(wú)須接電源.OBU 按照讀寫方式還可分為只讀型和可讀寫型[21].根據(jù)有無(wú)IC 卡接口又分為單片式和雙片式, 即:帶IC 卡接口的為雙片式, 無(wú)IC 卡接口的為單片式.國(guó)家交通部頒布的《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》規(guī)定我國(guó)5 .8 GH z ETC系統(tǒng)采用的OBU 為主動(dòng)式、可讀寫、雙片式電子標(biāo)簽, OBU 設(shè)備需要滿足以下技術(shù)要求:

(1)無(wú)線通信鏈路.OBU 與RSU 之間的DSRC應(yīng)符合5 .8 GH z DSRC 規(guī)定;OBU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在非調(diào)制狀態(tài), 即載波狀態(tài);OBU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在連續(xù)發(fā)射周期為511 bit 的偽隨機(jī)二進(jìn)制系列(PN9)的狀態(tài);OBU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在連續(xù)發(fā)射全“0” 的狀態(tài).

(2)安全要求.OBU 應(yīng)支持TDES 算法的數(shù)據(jù)存取和訪問(wèn)控制;所有初始化數(shù)據(jù)的寫入應(yīng)采用TDES 加密方式傳輸;OBU 要具備IC 卡讀寫接口,該接口需符合ISO/IEC 7816 或ISO/IEC 14443 TYPE-A 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定, 接觸式接口的通信速率不低于56 bit ·s-1.

(3)環(huán)境條件.工作溫度范圍為-25～+70 ℃(寒區(qū)-40～+70 ℃;存 儲(chǔ)溫度范圍為-40～ +70℃;相對(duì)工作濕度為5 %～100 %;靜電為8 kV ;振動(dòng)應(yīng)符合GB/T 2423 .13 ;沖擊應(yīng)符合GB/T 2423 .6 試驗(yàn)Eb和導(dǎo)則.

(4)其他技術(shù)要求.OBU 應(yīng)具備防拆卸功能, 一旦被拆卸,應(yīng)在OBU 內(nèi)的相應(yīng)信息存儲(chǔ)區(qū)中設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位;平均無(wú)故障時(shí)間應(yīng)大于50 000 h, 平均免維護(hù)時(shí)間不小于2 年;支持應(yīng)用更新, 更新可采用DSRC 方式或有線方式.

OBU 從功能上可劃分為:收發(fā)天線、射頻信號(hào)收發(fā)單元、調(diào)制解調(diào)單元、幀處理單元、MCU協(xié)議處理單元、IC卡接口單元、電源管理模塊及外部擴(kuò)展應(yīng)用接口.如圖4 所示.OBU 的硬件設(shè)計(jì)中,5 .8 GHz 射頻收發(fā)單元最為復(fù)雜,目前國(guó)內(nèi)外還沒有任何公司量產(chǎn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20851 —2007 規(guī)定的DSRC 物理層通信協(xié)議的5 .8 GHz 單片收發(fā)IC.美國(guó)微芯(RFMD)公司2009 年發(fā)布了一款針對(duì)我國(guó)ETC 系統(tǒng)的5 .8 GHz 芯片,但是只具有發(fā)送功能.我國(guó)目前ETC 系統(tǒng)采用的5 .8 GHz 車載電子標(biāo)簽大部分都是直接引進(jìn)的國(guó)外產(chǎn)品,主要來(lái)自于歐洲和日本, 如:挪威Q-Free 公司、日本電裝公司、瑞典康比特公司、日本豐田公司.國(guó)內(nèi)提供5 .8 GHz 電子標(biāo)簽的主要有:廣州埃特斯公司、廣東新粵公司.但是, 由于這些公司起步較早,其生產(chǎn)的5 .8 GHz 電子標(biāo)簽在技術(shù)上并不完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20851 —2007 中的規(guī)定.

圖4 OBU 功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Fun ction structure of OBU

3.2 5 .8 GHz ETC 系統(tǒng)中的讀寫器

E TC 系統(tǒng)中RS U 安裝于收費(fèi)站旁邊.當(dāng)車輛通過(guò)收費(fèi)站口時(shí)車載單元與RS U 之間建立專用通信鏈路進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換.《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》規(guī)定我國(guó)5 .8 GH z ETC 系統(tǒng)采用的RS U 設(shè)備需要滿足以下技術(shù)要求:

(1)無(wú)線通信鏈路.RSU 與OBU 之間的DSRC應(yīng)符合5 .8 GHz DSRC 規(guī)定;RSU 的收發(fā)天線應(yīng)具有同軸射頻接口;RSU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在非調(diào)制狀態(tài),即載波狀態(tài);RSU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在連續(xù)發(fā)射周期為511 bit 的偽隨機(jī)二進(jìn)制系列(PN9)的狀態(tài);RSU 的發(fā)射機(jī)應(yīng)能夠工作在連續(xù)發(fā)射全“0” 的狀態(tài).

(2)接口.RSU 應(yīng)至少具備RS232,RS485 ,USB 或以太網(wǎng)方式之一的上位機(jī)通信接口;RS U 應(yīng)具備符合ISO/IEC 7816 要求的PSAM卡座接口,支持符合JR/T 0025 .1～10《中國(guó)金融集成電路(IC)卡規(guī)范》安全交易規(guī)范要求的PASM的透明指令操作,PASM卡通信速率不低于56 kbit ·s-1.

(3)環(huán)境條件.工作溫度范圍為-20～+55 ℃(寒區(qū)-325～ +40 ℃);存儲(chǔ)溫度范圍為-40～ +85 ℃;相對(duì)工作濕度為5 %～100 %;靜電為8 kV ;振動(dòng)應(yīng)符合GB/T 2423 .13 ;沖擊應(yīng)符合GB/T 2423 .6試驗(yàn)Eb 和導(dǎo)則;鹽霧應(yīng)符合GB/T 2423 .18 ;抗4 kV 10/200 μs 雷擊.

隨著我國(guó)ETC 標(biāo)準(zhǔn)的完善, 打破了少數(shù)廠商壟斷ETC 設(shè)備的局面,符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的各廠商ETC 產(chǎn)品將相互兼容,國(guó)內(nèi)的中興通訊、握奇等公司也在開始研發(fā)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的OBU和RSU 設(shè)備.

4 5 .8 GHz ETC發(fā)展趨勢(shì)

目前,歐洲和日本的E TC 系統(tǒng)都是5 .8 GH z 頻段;北美雖然現(xiàn)有的是915 MH z 頻段, 但新建的ETC 系統(tǒng)都是5 .8 GH z 頻段.我國(guó)交通部規(guī)定的ETC 頻段也是5 .8 GHz .從國(guó)內(nèi)外的情況可見, 5 .8 GH z ETC 將成為ETC 的主流.

根據(jù)國(guó)內(nèi)外ETC 建設(shè)經(jīng)驗(yàn), 規(guī)范、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)是E TC 普及的關(guān)鍵, 而目前國(guó)際上基于5 .8 GH z 的DSRC 協(xié)議存在著互不兼容的幾大標(biāo)準(zhǔn)體系, 國(guó)內(nèi)目前投入使用的ETC 系統(tǒng)也互不兼容.統(tǒng)一完善5 .8 GH z E TC 的DSRC 協(xié)議以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 可以推進(jìn)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)建設(shè), 會(huì)使ETC 設(shè)備具有通用性, 各廠商的ETC 產(chǎn)品相互兼容, 促進(jìn)不停車收費(fèi)技術(shù)的發(fā)展.

5 .8 GH z ETC 系統(tǒng)中電子標(biāo)簽將以雙片組合式為研究重點(diǎn), 這種標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)有:對(duì)駕駛員收費(fèi),而不是對(duì)車輛收費(fèi);IC 卡隨身攜帶,安全性高;增加了對(duì)用戶的服務(wù);體現(xiàn)一卡多用的特征.根據(jù)我國(guó)ETC現(xiàn)狀,采用“雙片式電子標(biāo)簽+雙界面CPU 卡” 的技術(shù)模式,可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有半自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的兼容.

車輛識(shí)別、車型分類是ETC 的重要組成部分,使用單一的車輛識(shí)別、分類方法在精確性、安全性方面難以滿足要求, 基于信息融合的多種方法組合識(shí)別將成為車輛識(shí)別的研究重點(diǎn),尤其隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展, 以視頻圖像識(shí)別為主, 紅外、感應(yīng)線圈技術(shù)等為輔的組合車輛識(shí)別、分類系統(tǒng)將大幅提高車輛識(shí)別效率.

5 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和我國(guó)高速公路里程的快速增加,電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)逐漸普及.本文對(duì)5 .8 GHz 電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的構(gòu)成、原理、關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)給出了系統(tǒng)綜述.目前我國(guó)已投入使用的ETC 系統(tǒng)仍然存在許多問(wèn)題,如:車輛通行速度較慢、前后車輛識(shí)別誤差、鄰近車道干擾[22]等, ETC技術(shù)還需要進(jìn)一步深入的研究和不斷的完善.

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