【正文】 1 緒論 5 首先，高速公路收費(fèi)由傳統(tǒng)的人工收費(fèi)到不停車非現(xiàn)金收費(fèi)經(jīng)歷了漫長的過程，雖然國內(nèi)外目前均是多種收費(fèi)方式并存的情況，但不停車電子收費(fèi)必然成為未來收費(fèi)方式的主流發(fā)展方向，世界各國均在努力發(fā)展 適合本國國情的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，并在努力促使其標(biāo)準(zhǔn)化。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）、歐洲準(zhǔn)化委員會(huì)（ CEN）也在開展不停車收費(fèi)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。至于車道結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)等等更是各行其是。這就需要擴(kuò)大規(guī)模，路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，將導(dǎo)致 ETC 系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，使一次性投資增加，周期更長，風(fēng)險(xiǎn)更大。與半自動(dòng)收費(fèi)方式相比，青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 6 電子收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行市場(chǎng)化特色更濃一些，要求運(yùn)營公司有很高的商業(yè)運(yùn)作能力。它是利用安裝在路側(cè)的路邊設(shè)備 （ R0ad— Said Unit，簡稱 RSU）與行駛在收費(fèi)道路的車輛上的車載裝置（ On— Board Unit，簡稱 OBU）聯(lián)系起來，司機(jī)不停車、不使用現(xiàn)金而 支付通行費(fèi)用的一種收費(fèi)技術(shù)。 2）在進(jìn)入 收費(fèi)站時(shí)，車輛按規(guī)定限速通過收費(fèi)車道。否則（剩余余額不足或帳號(hào)無效時(shí)）啟動(dòng)執(zhí)法系統(tǒng)記錄其車輛號(hào)碼，以保證通行費(fèi)最終能被征收，不致流失。后臺(tái)系統(tǒng)除了接收收費(fèi)車道呈遞的信息外，還向收費(fèi)車道發(fā)送相關(guān)信息，如收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、帳號(hào)“黑名單”等。它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）收費(fèi)精確。在采用該技術(shù)的條件下，道路收費(fèi)系統(tǒng)可以適應(yīng)多種實(shí)際應(yīng)用要求，包括多種費(fèi)用 支付要求，且系統(tǒng)靈活性好，可以與其它應(yīng)用比較密切地結(jié)合。 2）違章處理弊端。一方面增加大量投資，另一方面，如果是在城市道路上會(huì)有礙市容，同時(shí)在市區(qū)中安裝龍門架存在地理位置限制、影響交通等問題 ANPR 電子收費(fèi)技術(shù) 1． ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)的定義 車牌識(shí)別技術(shù)（ Automatic Number Plate Recognition，簡稱 ANPR）是基于圖像處理與光學(xué)字符識(shí)別（ OCR）的汽車牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要運(yùn)用“不同車輛不同牌照”的思想概念來識(shí)別車輛。前端采集系統(tǒng)包括視頻攝像機(jī)（獲取車輛圖像）和照明燈（用于拍攝光源補(bǔ)充）以及相應(yīng)的視頻傳輸設(shè)備等，后臺(tái)收費(fèi)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車輛通行費(fèi)的管理等功能。 2）當(dāng)車輛行駛到收費(fèi)區(qū)內(nèi)及出入口時(shí)， ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)就利用安裝在收費(fèi)區(qū)域邊緣（出入口）的固定視頻攝像機(jī)或移動(dòng)視頻攝像機(jī)拍攝通過的車輛照片并通過一定傳輸線路將視頻流傳至收費(fèi)管理中心。除倫敦外，采用相似技術(shù)的有安大 407ETR（ Expos Tol Route）電子收費(fèi)系統(tǒng)以及英國 Darford 橋梁電子收費(fèi)系統(tǒng)。 5. ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)適用于預(yù)交費(fèi)的情況，可實(shí)行對(duì)經(jīng)過的車輛進(jìn)行自動(dòng)扣款 收費(fèi)，能實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，它有如下特點(diǎn)： 1） ANPR 收費(fèi)系統(tǒng)只需在固定識(shí)別點(diǎn)安裝攝像機(jī)（需要配套的支撐裝置，如電線桿），路側(cè)設(shè)施投人相對(duì)比較少，且 ANPR 收費(fèi)技術(shù)不需要安裝車載設(shè)備，減免了道路收費(fèi)用戶的投人； 2）通過 ANPR 軟件識(shí)別車牌并能添加相應(yīng)的時(shí)間、地點(diǎn)信息，便于按里程、滯留收費(fèi)。 電子地圖及數(shù)據(jù)庫 , 其中包含所有收費(fèi)高速公路及其出口的空間位置信息及高速公路段落名稱、段落長度、所屬業(yè)主及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等屬性信息 。 圖 12 衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)收費(fèi)圖 該系統(tǒng)通過 GPS 接收衛(wèi)星信號(hào)定位車輛當(dāng)前位置 ,定位數(shù)據(jù)與電子地圖結(jié)合應(yīng)用路徑辨識(shí)算法等判斷車輛當(dāng)前位置是否屬于收費(fèi)高速公路 ,如位于收費(fèi)公路 ,記錄虛擬入口時(shí)間、入口站號(hào) ,接著等待出口 ,通過 GPS定位當(dāng)汽車離開公路時(shí)記錄出口時(shí)間 ,出口站號(hào) ,通過入口站號(hào)與出口站號(hào)到數(shù)據(jù)庫中查詢其它屬性信息 ,并增加收費(fèi)記錄。無論哪種收費(fèi)方式均可在繳費(fèi)時(shí)傳遞收費(fèi)數(shù)據(jù) , 然后依據(jù)收費(fèi)數(shù)據(jù)通過銀行或指定收費(fèi)機(jī)構(gòu)對(duì)收繳費(fèi)用進(jìn) 行劃分。另外由于該系統(tǒng)不需要在道路上建設(shè)收費(fèi)設(shè)施 , 因而不受道路施工的影響。具有建設(shè)周期短 , 硬件設(shè)施投入少 , 易于大規(guī)模推廣的特點(diǎn)。 它的特點(diǎn)如下： 1） GPS 電子收費(fèi)系統(tǒng)可以將路旁設(shè)備降低到很少，無需龍門架，不會(huì)因?yàn)榘惭b龍門架而影 響市容美觀和道路交通，更適合于城市道路有效空間的利用。而 GPS青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 12 通過改變虛擬收費(fèi)點(diǎn)的定義，非常容易實(shí)現(xiàn)。 6）具有長距離通信的優(yōu)點(diǎn)，收費(fèi)機(jī)制較不受空間限制，容易實(shí)時(shí)地在整個(gè)區(qū)域內(nèi)按里程收費(fèi)及實(shí)施匝道收費(fèi)，具備收費(fèi)策略調(diào)整彈性。 4）在技術(shù)上，相對(duì)于 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)要新。 DSRC、 ANPR 和基于 GPS 的電子收費(fèi)技術(shù)的性能比較及分析 DSRC 收費(fèi)技術(shù)、 ANPR 收費(fèi)技術(shù)及 VPS 收費(fèi)技術(shù)，這 3 種電子收費(fèi)技術(shù)都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。 2） DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)成熟、且廣泛使用，但需要高額費(fèi)用來建設(shè)、維護(hù)路邊設(shè)備。對(duì)一條相對(duì)獨(dú)立的收費(fèi) 公路，橋梁或隧道而言，DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)可能是最佳選擇，它用在類似新加坡的較小范圍且單一、集中的市區(qū)道路收費(fèi)也很合適。本文概述了各種常用的地圖匹配算法，并就各種地圖匹配算法進(jìn)行系統(tǒng)的分 析和對(duì)比，在此理論基礎(chǔ)上，提出基于 GPS 的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的地圖匹配算法，本文以自駕車從黃島到濟(jì)南為例，對(duì)收費(fèi)用地圖中的關(guān)鍵點(diǎn)即收費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行定義，并提出了一種專門用于收費(fèi)的地圖匹配算法。 4總結(jié)。如果條件成立，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運(yùn)行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過適當(dāng)?shù)钠ヅ溥^程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。 在圖 21中，點(diǎn) A、 B、 C都是 GPS觀測(cè)點(diǎn)，顯然這些觀測(cè)點(diǎn)都沒有準(zhǔn)確的定位在道路上，地圖匹配的任務(wù)就是通過一定的方法將這些點(diǎn)校正到道路的中心線上。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 16 圖 21 地圖匹配示意圖 1） 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配就是搜索地圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點(diǎn)、形狀點(diǎn)或自定義的點(diǎn)距離 GPS觀測(cè)點(diǎn)最近的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。從圖中可以看出，距離 PA3是 最短的，按照點(diǎn)到點(diǎn)匹配方法，應(yīng)該將車輛匹配到 A3點(diǎn)，但從圖中直觀看出， P點(diǎn)匹配到線段 B上似乎更為合理些，因?yàn)?P更靠近線段 B。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 17 圖 23點(diǎn)到線段的匹配 在圖 43中， P P P P4是連續(xù)的 GPS觀測(cè)點(diǎn)，它們的匹配結(jié)果是這樣的：（ P1— B1），（ P2— A1），（ P3— A2或 P3— B2），（ P4— B3） 。連線間的距離可以有很多種定義的方式，如定義兩折線 X、 Y的距離為取它們間最近點(diǎn)的距離，即yxYX YyXx ??? ?? ,m in 。 圖 24（ b） 線到線的匹配 在圖 24（ b）中，待匹配路段 A的坐標(biāo)為（ 6t， 6），待匹配路段 B的坐標(biāo)為（ 3，6t）， GPS觀測(cè)點(diǎn)連線的線段 P的坐標(biāo)為（ 6t， 3）。 上述的三種地圖匹配方法相對(duì)來說都是計(jì)算簡單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時(shí)候都能得到正確的匹配結(jié)果，無法滿足真正地圖匹配的要求，因此根據(jù)這三種基本地圖匹配方法衍生出來了許多比較實(shí)用的地圖匹配算法。該方法根據(jù)道路屬性，預(yù)先設(shè)置一個(gè)匹配閾值，在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中的所有或部分路段中，計(jì)算當(dāng)前獲取的 GPS數(shù)據(jù)與各道路路段之間的距離以及 GPS數(shù)據(jù)在該道路路段上的最短距離點(diǎn)，將在閾值范圍內(nèi)各路段的匹配距離進(jìn)行比較，得到一條距離最短的路段，則該道路為 GPS點(diǎn)的匹配路段，該最短距離點(diǎn)為 GPS點(diǎn)的 匹配點(diǎn)?；谡`差模型，根據(jù)接收的 GPS定位數(shù)據(jù)建立緩沖區(qū)。誤差橢圓的定義如圖 25所示。具有拓?fù)湫畔⒌氖噶繑?shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)分析必要的數(shù)據(jù)來源。 4） 面：由若干弧線相連的封閉曲線圍成的區(qū)域稱為面，面以弧線的形式表示，但通過代碼與弧線區(qū)別，且其內(nèi)部填充方式可以設(shè)置。 4） 多邊形嵌套關(guān)系的生成，建立多邊 形嵌套關(guān)系樹，即找出多邊形包含的“島嶼”，建立多邊形與多邊形之間的關(guān)系。在一段時(shí)間內(nèi)，車輛行駛的區(qū)域是有限的，而且這個(gè)區(qū)域的道路也是有限的，因此在區(qū)域中建立的道路實(shí)體對(duì)也是有限的。 圖 26 道路拓?fù)潢P(guān)系 基于拓?fù)潢P(guān)系的算法通過對(duì)前一次匹配結(jié)果和車輛前進(jìn)方向的分析，利用道路層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，來確定當(dāng)前車輛的匹配位置。 基于拓?fù)潢P(guān)系的算法對(duì)電子地圖的精確度依賴性太高，而且該算法僅僅建立了結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)與道路、道路與道路之間的拓?fù)潢P(guān)系。 基于以上這些情況，地圖匹配算法的研究應(yīng)該朝著多手段綜合運(yùn)用，相互補(bǔ)充、相互完善、精確化方向發(fā)展，對(duì)算法本身的準(zhǔn)確性應(yīng)該有一個(gè)檢驗(yàn)機(jī)制，以最大程度保證算法的可靠性。例如，地圖匹配可以應(yīng)用于車輛巡航控制（ Vehicle Cruise Control）系統(tǒng)中，具有地圖匹配模塊的系統(tǒng)可以根據(jù)電子地圖所表現(xiàn)的路網(wǎng)中道路的曲率和拐點(diǎn)來自動(dòng)的調(diào)整車輛的巡航速度。毫無疑問，沒有地圖匹配的協(xié)助，這將是個(gè)不可能完成的青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 23 任務(wù)。程序在接收到 GPS 定位數(shù)據(jù)信息后，先做譯碼處理，在提取位置、方向、速度及其他一些環(huán)境數(shù)據(jù)信息，最后將車輛位置信息和收費(fèi)地圖上路段通過一定的匹配方法進(jìn)行精確地匹配，從而可以清晰區(qū)分收費(fèi)路段和非收費(fèi)路段，達(dá)到較準(zhǔn)確地收費(fèi)效果。因此單純依靠 GPS 定位和提高地圖精度，很難區(qū)分上下行兩個(gè)距離很近的點(diǎn)，因而對(duì)兩條道路匹配混亂，導(dǎo)致收費(fèi)路徑的錯(cuò)誤判斷。 收費(fèi)電子地圖根據(jù)存放位置的不同分為兩部分：一是存儲(chǔ)于車載單元中，對(duì)這部分的要求是盡可能的精簡屬性信息，以節(jié)約成本； 二是存儲(chǔ)在管理中心數(shù)據(jù)庫中，此部分中包括了 GPS 定位收費(fèi)所需要的詳細(xì)全面的地理信息、包括路段編號(hào)、路段名稱、路段長度、路段類型、限速、有節(jié)點(diǎn)編號(hào)、左節(jié)點(diǎn)編號(hào)、高速公路名稱、高速公路公司代碼、收費(fèi)類型等。 入口點(diǎn)是車輛經(jīng)該點(diǎn)進(jìn)入收費(fèi)道路的點(diǎn)，和高速公路入口收費(fèi)站對(duì)應(yīng)；出口點(diǎn)是車輛經(jīng)該點(diǎn)離開收費(fèi)道路的點(diǎn)，和高速公路出口收費(fèi)站對(duì)應(yīng)；經(jīng)過點(diǎn)，對(duì)于匝道收費(fèi)站而言，是匝道和主路的交匯點(diǎn)，該點(diǎn)同時(shí)屬于主路和匝道；由此定義入口點(diǎn)和經(jīng)入口匝道與主路交匯的經(jīng)過點(diǎn)組成的路段為入口路段；出口點(diǎn)和經(jīng)出口匝道與主路交匯形成的經(jīng)過點(diǎn)組成的路段為出口路段；經(jīng)過點(diǎn)與經(jīng)過點(diǎn)連接組成的路段為經(jīng)過路段，多個(gè)相連接的經(jīng)過路段組成主路路段。 收費(fèi)關(guān)鍵點(diǎn)和收費(fèi)路段屬性值的定義 關(guān)鍵點(diǎn)屬性值的定義是為了區(qū)分出入口關(guān)鍵點(diǎn)，不能用來區(qū)分 判斷出入口，對(duì)于車輛進(jìn)出收費(fèi)道路起到輔助識(shí)別作用，入口關(guān)鍵點(diǎn)屬性值為 0；出口關(guān)鍵點(diǎn)屬性值為1；經(jīng)過點(diǎn)屬性值為 2。 圖 31是以黃島 到濟(jì)南的行程各路段定義簡圖。 圖 31黃島到濟(jì)南行程路段定義圖 圖中各關(guān)鍵點(diǎn)的名稱、屬性及對(duì)應(yīng)的屬性值如下表 31 所示。 地圖信息的精簡包括下面兩個(gè)方面： 電子地圖可通過精簡地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，去除不必要的形狀連接點(diǎn)， 保留路段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣可大大的減少數(shù)據(jù)量，節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和減少程序計(jì)算量。 胖客戶端收費(fèi)地圖數(shù)據(jù) 的定義要考慮增加收費(fèi)類型表和費(fèi)率表，根據(jù)收費(fèi)類型，查詢費(fèi)率表內(nèi)相關(guān)費(fèi)率，基本表包括：路段編號(hào)，路段名稱，路段長度，路段左節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，路段右節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，路段類型，收費(fèi)類型。搜索范圍的選取非常重要，范圍過大，容易造成誤判，且加大計(jì)算量，如近距離平行的主輔路 ,使輔路行駛的車輛誤收費(fèi)。本文采用根據(jù)車輛行駛速度動(dòng)態(tài)收 本文采用根據(jù)車輛行駛速度動(dòng)態(tài)調(diào)整搜索范圍的方法。車輛在高速公路行駛的特點(diǎn) ,快速 120km/h,而 GPS 定位數(shù)據(jù)以 1 次 /秒的頻率接收。隨車速增加 ,判斷范圍增大 ,車速減小 ,判斷范圍減小。選取過大會(huì)造成誤判且加大計(jì)算量。匹配范圍分為兩個(gè)部分，基本值和變化值，實(shí)際搜索范圍為兩者之和。假如 GPS 定位誤差為 20m，道路為兩車道組成，每車道 ，路側(cè)間隙為各為 ，則搜索范圍為： alnmsc o p ese a c h ????? 2_ （ 31） 其中 m 表示 GPS 定位誤差， n 表示車道數(shù)， l 表示車道寬度， a表示路側(cè)間隙 以濟(jì)青高速公路為例，假設(shè) GPS 的定位誤差為 18，該高速公路為雙向四車道，路寬 ，路側(cè)間隙為 則 search_scope=18+4 +2 = （ 2）動(dòng)態(tài)搜索匹配范圍值的確定 搜索范圍可根據(jù)車速在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 當(dāng)速度 V＜ 36km/h，搜索范圍不變，為基本值， bound=search_scope。 fee_status — 當(dāng)前路段收費(fèi)標(biāo)志值 1：行駛在收費(fèi)路段；當(dāng)前路段收費(fèi)標(biāo)志值0：沒有行駛在收費(fèi)路段； search_scope — GPS 位置點(diǎn)：初始搜索范圍值； bound — 實(shí)際變化的搜索范圍； iV — 當(dāng)前 i位置的行駛速度； 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）