【正文】 規(guī)的用于導(dǎo)航系統(tǒng)中的地圖匹配方法是通過投影距離和車輛行駛方向與路段矢量方向差值加權(quán)的方法來 進(jìn)行地圖匹配，判斷出車輛行駛的路段。另外需要判斷匹配的路段較多，對(duì)信號(hào)可靠性的要求也比較高。因此需要對(duì)基于 GPS 的不停車收費(fèi)地圖匹配方法進(jìn)行大量研究和試驗(yàn)。首先是無任何設(shè)備的人工收費(fèi)方式，發(fā)展成為現(xiàn)在的半自動(dòng)收費(fèi)和電子收費(fèi)。 人工收費(fèi)是指完全靠收費(fèi)員來分辨車型、發(fā)卡、開票驗(yàn)證、按里程計(jì)收費(fèi)用、保管現(xiàn)金、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和結(jié)帳的收費(fèi)方法。目前，中國的一些收費(fèi)公路（特別是低等級(jí)公路）仍廣泛采用這種收費(fèi)方式。 電子不停車收費(fèi)（ Electronic Toll Collection，簡(jiǎn)稱 ETC）系統(tǒng)是國際上正在努力開發(fā)并推廣普及的一種專 門用于公路、橋梁和隧道的新型電子自動(dòng)收費(fèi)技術(shù)。ETC 的三大特點(diǎn)：無需人、不停車、無現(xiàn)金。 在國際上，美國、歐洲、日本很早就針對(duì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的研發(fā)技術(shù)、工程實(shí)施、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了深入研究。葡萄牙的 Via Vance 電子收費(fèi)系統(tǒng)可以算作歐洲具有代表意義的聯(lián)網(wǎng)電子收費(fèi)系統(tǒng)之一，事實(shí)已證明， Via Vance 電子收費(fèi)系統(tǒng)是既有利于道路使用者又有利于道路運(yùn)營商的有效收費(fèi)手段。 其次，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)項(xiàng)目已經(jīng)成為國內(nèi)、國際不停車收費(fèi)的主流方向，但在電子收費(fèi)系統(tǒng)從引進(jìn)我國到實(shí)施，經(jīng)過了一段時(shí)間的實(shí)踐，目前也取得了一定的進(jìn)展。由于早期的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的引進(jìn)采取公路管理部門自主引進(jìn)的方式，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)地區(qū)不停車收費(fèi)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。至今我國的基于 DSRC 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也還在制定和完善中，仍未公布。在實(shí)施區(qū)域聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的進(jìn)程中，標(biāo)準(zhǔn)的不一致，協(xié)調(diào)上的困難，使我國的不停車收費(fèi)系統(tǒng)逐漸暴露出了一些問題 : 1） 各個(gè)城市的不停車收費(fèi)系統(tǒng)需要在地區(qū)內(nèi)得以統(tǒng)一，比如說首先在省的范圍內(nèi)。 2） 現(xiàn)有的不停車收費(fèi)系統(tǒng)造價(jià)比較高，許多關(guān)鍵的設(shè)備需要引進(jìn)。 總之，我國的 ETC 項(xiàng)目進(jìn)展并不順利，有些大項(xiàng)目碰到了很復(fù)雜的協(xié)調(diào)問題，有些項(xiàng)目正式運(yùn)行后因多種原因無法擴(kuò)大規(guī)模，用戶群較小。在現(xiàn)階段，各方面的精力主要集中在人工半自動(dòng)的區(qū)域聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)工作上。 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù) 1. DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)的定義 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)是近幾年國際上比較成熟的收費(fèi)技術(shù)。它可以應(yīng)用在城市道路收費(fèi)、公路收費(fèi)及大橋和隧道收費(fèi)中。 3. DSRC 電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作原理 整個(gè) DSRC 電子收費(fèi)系統(tǒng)大致的運(yùn)行過程是： 1）用戶前往發(fā)行安裝部門，申請(qǐng)安裝車載裝置，預(yù)繳通行費(fèi)或設(shè)立事后付費(fèi)帳戶，相應(yīng)的信息被存入車載裝置中，然后該車便可以上路行駛。 DSRC 路邊設(shè)備通過天線與車載單元進(jìn)行雙向通信，收費(fèi)操作在通信的過程中同時(shí)完成。如果一切無誤（剩余余額充足或帳號(hào)有效時(shí)），則正常結(jié)束收費(fèi)操作（改寫余額、記帳等）。 3）每次收費(fèi)操作，都需將收費(fèi)操作的相關(guān)信息遞交后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)這些信息按照不同類別分別進(jìn)行處理。不正常收費(fèi)信息將立即通知執(zhí)法系統(tǒng)，以確保統(tǒng)一及時(shí)處理。 4）在系統(tǒng)中，金融機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供金融服務(wù)，包括管理事后付款帳戶及收費(fèi)帳戶，處理各種轉(zhuǎn)帳、清帳事務(wù)，還參與車載裝置的發(fā)行、安裝。 4. DRSC 優(yōu)缺點(diǎn) DRSC 電子收 費(fèi)是利用安裝在路側(cè)的路邊設(shè)備 （ RSU）與行駛在收費(fèi)道路車輛上的車載裝置（ 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)。對(duì)于采用 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)組成的道路收費(fèi)系統(tǒng)，它可以對(duì)通過設(shè)有天線的收費(fèi)站點(diǎn)的車輛進(jìn)行精確收費(fèi)、誤差極小、并可以結(jié)合圖像抓拍等技術(shù)，對(duì)于未安裝車載裝置（ OBU）的車輛進(jìn)行嚴(yán)格控制。 DSRC 電子收費(fèi)系統(tǒng)是經(jīng)過多年發(fā)展的成熟技術(shù)。 同時(shí)存在以下不足： 1）系統(tǒng)的前期投資大。一般單片式 OBU 價(jià)格為 200～ 300 元，雙片式則多達(dá) 500 元左右。要求用戶必須安裝 OBU，否則按違章車輛處理。 3）需要安裝龍門架。 ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)是指在收費(fèi)區(qū)內(nèi)不設(shè)收費(fèi)站，司機(jī)或青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 8 者車主需要預(yù)先預(yù)付交通道路通行費(fèi)，并將汽車牌照輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。 2． ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)的構(gòu)成 ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)由前端采集系統(tǒng)和后臺(tái)收費(fèi)管理系統(tǒng)組成。 3． ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作原理整個(gè) ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程如下： 1）司機(jī)或者車主需要通過通行費(fèi)支付系統(tǒng)預(yù)先預(yù)付交通道路通行費(fèi)。在付費(fèi)的同時(shí)需要將車主自己的車牌號(hào)碼輸入收費(fèi)管理系統(tǒng)中，以便保存到相應(yīng)的車牌數(shù)據(jù)庫中。 3）收費(fèi)管理中心通過 ANRP 軟件讀取圖像、識(shí)別車牌以及與數(shù)據(jù)庫內(nèi)交款車輛的車牌進(jìn)行匹配，已付款的車輛進(jìn)行核銷，未付款的車輛會(huì)被記錄下來，待工作人員核實(shí)之后，就會(huì)送出罰單。 4. ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)概況 車牌識(shí)別技術(shù)在道路收費(fèi)的應(yīng)用主要是輔助收費(fèi)系統(tǒng)的執(zhí)法功能，在半自動(dòng)收費(fèi)和電子收費(fèi)中都是利用 ANRP 來實(shí)現(xiàn)逃費(fèi)抓拍系統(tǒng)（ Video Enforcement System，簡(jiǎn)稱 VES），而真正采用 ANPR 作為一種收費(fèi)技術(shù)是 2020 年 2月倫敦市政府在中心區(qū)實(shí)施道路擁擠收費(fèi)。隨著車牌識(shí)別精度的改善，相信這種收費(fèi)技術(shù)將會(huì)有越來越大的發(fā)展空間。但是倫敦?fù)頂D收費(fèi)已經(jīng)在我國引起強(qiáng)烈反響，我國的北京、上海、廣州、南京、深圳等城市已經(jīng)開展了城市擁擠收費(fèi)的研究，相信 ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)在不久的將來會(huì)有助于解決中國城市擁擠問題。 同時(shí)存在以下弊端： 1）自動(dòng)車牌識(shí)別技術(shù)雖然發(fā)展的時(shí)間比較長，但是識(shí)別率不高，是制約 ANPR 收費(fèi)的關(guān)鍵所在； 2）車牌識(shí)別技術(shù)的性能指標(biāo)（識(shí)別率）不能滿足道路收費(fèi)的實(shí)際需要，系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高； 3）運(yùn)營 管理復(fù)雜，不能完成現(xiàn)場(chǎng)扣款； 4）天氣對(duì)攝像機(jī)捕獲車輛圖像的影響比較大； 5） ANPR 收費(fèi)系統(tǒng)功能擴(kuò)展性是有限的。 2. 基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)的構(gòu)成 該系統(tǒng)包括 GPS 接收裝置 ,用于接 收 GPS 數(shù)據(jù) , 定位車輛 。繳費(fèi)卡 ,可持卡繳費(fèi)及傳遞數(shù)據(jù)。衛(wèi)星定位收費(fèi)系統(tǒng)包括智能車載收費(fèi)設(shè)備（ OBU）、稽查系統(tǒng)、管理中心 3 大部分組成，共同組成 1 個(gè)完整的衛(wèi)星定位收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，如圖 12所示。費(fèi)用支付可采用實(shí)時(shí)支付或先使用后支付兩種方式。先使用后付費(fèi)方式可定期到指定機(jī)構(gòu)交納費(fèi)用。定期對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)備份和更新電子地圖及數(shù)據(jù)庫。整個(gè)過程全 部利用現(xiàn)有車道。當(dāng)整個(gè)路網(wǎng)有新建高速公路時(shí) , 更新電子地圖數(shù)據(jù)庫即可。可首先對(duì)一個(gè)小行政區(qū)內(nèi)車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn)成功后 , 大范圍效仿相同方式進(jìn)行即可。 （ 3）可擴(kuò)展性好 該收費(fèi)系統(tǒng)可與 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同開發(fā) ,并可進(jìn)行功能擴(kuò)展 , 提供其它服務(wù)功能 , 如車輛跟蹤、信息查詢、出行路線 規(guī)劃等。 5. 基于 GPS 的不停車電子收費(fèi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 基于 GPS的不停車電子收費(fèi)技術(shù)是利用 GPS及 GSM，通過與車載裝 置 OBU的通信，進(jìn)行不停車收費(fèi)。同時(shí)降低了設(shè)備的投資，在地理位置受限制的地方，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。 DSRC 收費(fèi)技術(shù)在土地使用模式發(fā)生變化、收費(fèi)區(qū)域需要改變時(shí)，克服傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施改變存在比較大的困難。 3）車載裝置可由市場(chǎng)直接提供， GPRS／ GSM 以及 GPS 技術(shù)規(guī)格己標(biāo)準(zhǔn)化，很多廠商具有生產(chǎn)制造能力，系統(tǒng)供應(yīng)商較難壟斷車載設(shè)備市場(chǎng)，故很容易跨平臺(tái)或系統(tǒng)使用。 5）車載裝置易擴(kuò)展為移動(dòng)商務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)的終端設(shè)備，并衍生其它商機(jī)。 同時(shí)基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)存在以下不足： 1）用戶的 OBU 成本高，如果由此造成用戶的數(shù)量減少，可能影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行。 3）如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，將會(huì)涉及到用戶的 隱私問題，這是很多國家暫時(shí)不考慮這種方式的一個(gè)原因。 GPS 技術(shù)是成熟的，但應(yīng)用在不停車收費(fèi)方面比較少。 5） GPS 電子收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)營需要配套法規(guī)、政策和嚴(yán)厲的懲罰制度，特別是針對(duì)那些“違規(guī)車輛”以及故意損壞車載裝置的行為。下面將從路側(cè)設(shè)施成本、車載裝置成本、技術(shù)成熟性、收費(fèi)準(zhǔn)確率、按車型收費(fèi)、按里程或滯留收費(fèi)、電磁干擾、景觀影響、天氣影響、外埠車輛收費(fèi)、功能擴(kuò)展、兼容性和可維護(hù)性等方面來比較，見表 11。由以上 3種收費(fèi)技術(shù)的原理及技術(shù)性能比較分析可知： 1） ANPR 電子收費(fèi)技術(shù)不成熟、且車牌識(shí)別精度不高，是制約這種技術(shù)發(fā)展的最大障礙 。 3） 基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)比較新、且車載裝置投人較高，但其靈活的收費(fèi)區(qū)域定義和費(fèi)用支付方式及毋需建設(shè)龍門架等路邊設(shè)備已受到全球的關(guān)注。以德國為例，其實(shí)施的貨車收費(fèi)系統(tǒng)將按其行駛里程與重量來計(jì)算應(yīng)繳的道路通行青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 14 費(fèi)，由于其收費(fèi)范圍較大，收費(fèi)點(diǎn)分布較廣，采用 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)的難度較大，費(fèi)用也高， VlX3 可能是較好的選擇。 5）由于收費(fèi)分區(qū)與計(jì)價(jià)方式復(fù)雜，這類系統(tǒng)通常必須具備一套全國性或區(qū)域性的收費(fèi)系統(tǒng)。 本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 基于 GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)代表著未來道路收費(fèi)的發(fā)展方向，精確的地圖匹配決定該收費(fèi)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)成功收費(fèi)。 具體內(nèi)容如下： 1. 基于 GPS 的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)概述，并就各種 ETC 技術(shù)對(duì)比分析。 3. 以黃島前往濟(jì)南為例，對(duì)基于 GPS 地圖進(jìn)行重新 定義，并給出了新的地圖匹配算法。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 15 2 地圖匹配技術(shù) 地圖匹配的基本原理 將用導(dǎo)航定位方法 得到的車輛位置或行駛軌跡與車載的電子地圖道路數(shù)據(jù)相比較、匹配，從而找到車輛所在的道路，并且顯示出車輛的實(shí)時(shí)位置的軟件修正技術(shù)叫地圖匹配（ Map Matching， MM）。 地圖匹配的兩個(gè)條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。反之，則地圖 匹配將產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置輸出，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。由于陸地車輛在除了進(jìn)入停車場(chǎng)等之外的決大多數(shù)時(shí)間都位于道路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的?，F(xiàn)在地圖匹配的算法有很多，但根據(jù)利用信息不同，大體上可以歸結(jié)為兩大類： 1） 基于幾何信息的地圖匹配方法； 2） 基于拓?fù)潢P(guān)系的地圖匹配方法。前兩種可視為搜索問題，最后一種可視為統(tǒng)計(jì)估計(jì)問題。該方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)快速，但是匹配結(jié)果與路段上待匹配的點(diǎn)集關(guān)系密切，待匹配的點(diǎn)越多，匹配效果越好。 圖 22 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配 在圖 42中， A A A A A B B B3都是 GPS觀測(cè)點(diǎn) P的待匹配點(diǎn)。缺點(diǎn)在于匹配點(diǎn)少時(shí)匹配結(jié)果不準(zhǔn)確。這種方法同樣比較簡(jiǎn)單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會(huì)出現(xiàn)來回?cái)[動(dòng)的情況，當(dāng) GPS觀測(cè)點(diǎn)距離多條路段的距離相等時(shí)就無法進(jìn)行路段匹配了，匹配形式如圖 23所示?？梢钥闯?，匹配結(jié)果出現(xiàn)了在線段 A、 B間搖擺的情況，還有觀測(cè)點(diǎn) P3無法確定匹配點(diǎn)。 3） 線到線的匹配 線到線的匹配就是將一系列 GPS觀測(cè)點(diǎn)擬合到道路網(wǎng)相應(yīng)的路段中，擬合的標(biāo)準(zhǔn)就是觀測(cè)點(diǎn)形成的折線到路段之間的距離 ，距離最短的為匹配路段。匹配的示意圖如圖 24（ a）所示。兩折線間青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 18 距離的定義還可以如下 dttytxYX ? ??? 10)()( ，按照這樣距離計(jì)算方式同樣也會(huì)出現(xiàn)像圖 24（ b）那樣的錯(cuò)誤匹 配了。按照上述距離計(jì)算方式， 3??AP ，至于 BP? 的計(jì)算，如果距離定義有正負(fù)定義（定義線一側(cè)的點(diǎn)到線的距離為正，則另一側(cè)的點(diǎn)到線的距離就為負(fù)），則 0??BP ；如果距離定義是取絕對(duì)值，則通過計(jì)算可得 ??BP 。在圖中， P的長度為 6，如果要求 APBP ??? 以使得 GPS觀測(cè)點(diǎn)正確的被匹配到 A上，通過計(jì)算， P的長度至少是 15，這顯然延遲太大，達(dá)不到實(shí)時(shí)校正車輛位置并正確顯示的要求。 常用地圖匹配算法 地圖匹配的常用算法有很多，比如最短距離算法、基于拓?fù)潢P(guān)系的算法、概率統(tǒng)計(jì)算法、模糊邏輯算法、相關(guān)性算 法 等等。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 19 最短距離算法 最短距離法是一種基礎(chǔ)的匹配方法。 最短距離法簡(jiǎn)單易行，能在很大程度上消除地圖匹配中各種誤差產(chǎn)生的影響，但它沒有考慮 GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合來得到好的效果。概率統(tǒng)計(jì)算法的基本思想是根據(jù) GPS接收到的數(shù)據(jù)，首先設(shè)置一個(gè)置信區(qū)域，并從中提取用以匹配的道路位置信息，依據(jù)已有匹配結(jié)果的概率統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過比較判斷，確定車輛在這一置信區(qū)域內(nèi)的匹配路段。按照統(tǒng)計(jì)理論， 定位誤差橢圓可推導(dǎo)如下 : 222220 4)(2 1? xyyxyxa ?????? ????? （ 21） 222220 4)(2 1? xyy