高速公路ETC系统电子干扰问题的简析资料.docx

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高速公路ETC系统电子干扰问题的简析资料

广东交通职业技术学院轨道交通学院

12高速铁道技术专业毕业论文

论文题目:

高速公路ETC系统电子干扰问题的简析

学生姓名:

xxx

学号:

1213256146

指导教师:

xxxx

专业:

高速铁道技术

班级:

12高速速铁道技术

二〇一五年三月

摘要

智能交通系统（ITS）是目前世界交通运输领域前沿研究课题，也是我国交通科技发展重点方向，其核心是针对日益严重交通需求和环境保护压力，采用信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术及网络技术等对传统交通运输系统进行深入改造，以提高系统资源使用效率、系统安全性，减少资源消耗和环境污染。

电子（不停车）收费系统（ETC：

ElectronicTollCollection）是ITS（IntelligentTransportSystem）领域中一个重要方面。

它涉及交通基础设施投资回收，又是缓解收费站交通堵塞“瓶颈”有效手段，减少了环境污染，各国都把不停车收费系统作为ITS领域最先投入应用系统来开发。

我国交通部门已经把不停车收费系统开发和应用列为我国ITS领域首先启动项目，并“十五”期间列入交通科技技术创新重点之一。

本文从ETC（电子不停车收费系统）的应用现状和发展趋势出发，针对当前影响ETC应用和制约其进一步发展的旁车干扰问题进行了研究。

通过对跟车干扰问题和旁道干扰问题的情况分析，总结出电子干扰问题存在的客观性。

并基于以上分析，从DSRC区域控制、引入车辆检测装置、车牌识别和附加车道隔离装置等几个方面提出了解决旁道干扰问题的措施。

关键词：

电子不停车收费车辆检测旁道干扰

1绪论…………………...……………………………….………………………….1

1.1课题背景……………………………………………………………1

1.2分析意义及方法………………………………………………1

2国内ETC系统的发展状况…….….……….……………………………………...2

3ETC系统的概述………………….…………………………………..………....3

3.1ETC系统简介..……………………………………………………………..3

3.2ETC电子收费系统工作原理……………………………………….……..5

3.3ETC电子收费系统构成…………………………………………………......5

3.4ETC电子收费系统功能…………………………………………………....6

3.5ETC电子收费系统工作流程………………………………….………...…7

4我国ETC系统的现状及主要问题….………………………………..………....9

4.1跟车干扰问题..…………………………………………………………….10

4.2旁道干扰问题……………………………………………………….……..10

5ETC系统应用的改善建议…………………………………………..………....12

5.1跟车干扰问题解决分析..…………………………………………..…….12

5.1.1车牌识别系统……………………………..………..….…………….12

5.1.2光幕车辆检测技术………………………………..……..…..………12

5.2旁道干扰问题解决分析…………………………………………….……..13

5.2.1控制通信区域……………………………...…………………….......13

5.2.2信道自适应技术…………………………………………………......14

5.2.3采用信道分离设置降低邻道干扰…………………….………....…14

5.2.4RSU/OBU设备的一致性………………………………………......14

5.2.5附加车道隔离装置………………………………………………......15

5.2.6RSU触发工作…………………….…………….………….…....…15

5.2.7辅助车牌识别……………………………...…………………….......15

5.2.8辅助地感线圈……………………………………………………......15

6结论………………………………………………………………………...15

参考文献…………………………………………………………………….……..16

致谢…………………………………………………………………………….…….17附录…………………………………………………………………………….…….18

1绪论

1.1课题背景

目前高速公路普遍采用人工半自动收费方式（ManualTollCollecion,MTC）,即人工判别车型、人工收发通行券，人工找零、计算机自动计算收费额和检测放行车辆。

由于MTC系统防舞弊能力不强，且它因缴费找零等繁琐过程而引起的排队容易造成交通堵塞，为了解决这个难题，ETC系统随之产生。

我国于90年代开始试验，虽然较国外发展起步较晚，但是发展较快，现已形成一定规模，2014年12月15日,交通运输部官网就显示,目前全国不停车收费系统ETC（ElectronicTollCollection）联网工作进展顺利,部结算中心和各省中心完成了功能性测试,进入到最后的压力测试、网络调试和全面的系统检查、检修环节。

14省市之间的省界收费站已全部改造完毕并通过检查测试,所有ETC车道均已通过本省检查测试和部路网中心抽查测试。

2015年3月5号，李克强总理在作政府工作报告时指出,在全国基本实现高速公路电子不停车收费联网,使交通真正成为发展的“先行官”。

1.2分析意义及方法

（1）本课题希望基于国内运用比较广泛的广州华工信息软件公司的ETC系统进行探讨与分析，希望解决ETC车道车流少，电子收费不顺畅等问题，为ETC的推广给予一些可行性的建议。

（2）通过搜集ETC系统的相关文献、新闻报道、了解ETC系统的发展历程和发展现状。

以本人实习公司（广州华工信息软件公司）所提供的ETC系统为例，通过访问公司的工程师和收费站的工作人员，揭示国内ETC系统主要存在的问题，并以此进行分析和提供一些解决方案。

2国内ETC系统的发展状况

我国的ETC电子收费系统自2007年开始推广以来，诸多优点越来越为人们所接受。

时下除了全国各省区市对高速公路ETC的建设和推广，ETC设施建设已被列为部颁标准。

凡是新建的高速公路、收费站都要建设ETC车道；没有ETC车道的已建高速公路，限期进行改造。

2014年3月，交通运输部正式下发通知，启动了全国高速公路ETC（电子不停车收费系统）联网工作，到2015年年底基本实现全国ETC联网，主线收费站ETC覆盖率达到100%。

2014年4月17日，交通运输部将成立全国高速公路电子不停车收费联网管理委员会，协调全国电子不停车收费系统联网运营管理工作。

截至目前，全国ETC用户数量达到2000万。

去年年底，京津冀晋鲁ETC系统已联网运行。

据了解，目前，各省份正加快推进全国联网各项工作。

发展势头较快，但总的来说，ETC工作仍处于试验和探索阶段，个别路段正在进行试点，大范围和大规模的推广ETC，特别是联网运行，条件仍不够成熟。

3ETC系统的概述

3.1ETC系统简介

ETC电子收费系统是一个集中了微波无线通信、计算机网络及信息处理、图象识别、传感技术、自动控制等多项高新技术在高速公路收费系统中的应用，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。

　　ETC电子收费方式，具有全自动、快速便捷、非现金交易、大容量等优点，它利用车载电子标签自动与安装在路侧或门架上的微波天线进行信息交换，控制计算机根据插入在电子标签中存储的信息识别出道路使用者信息，在不需要司机停车和其他收费人员操作的情况下，自动完成收费处理过程。

ETC系统按收费站收费方式，可分为开放式和封闭式；按收费站车道配置，可分为ETC专用车道、MTC车道和ETC/MTC混合车道三类。

鉴于我国道路实际情况，较长一段时间内，ETC和MTC将共存。

与传统的MTC系统相比，ETC系统具有以下特点：

（1）通行效率高

ETC是解决高速公路收费站拥堵、提高通行效率的有效技术手段。

每条ETC车道的通行能力为800—1200辆/小时，是人工收费通道的5到10倍。

据测算，人工收费平均单次耗时14秒，ETC系统每车收费耗时不到两秒，优势相当明显。

（2）节能环保

ETC系统大大降低收费口的噪声水平和废气排放。

通过ETC，车辆减少了起步、刹车的频率，降低磨损和油耗，降低车辆怠速状态排放的大量有害气体对环境的污染。

据检测，车辆通过收费站前后300米区域时，CO、CO2排放分别减少71.3%和48.9%。

而且使用ETC相对于MTC入口车道和出口车道单车可节油0.0083升和0.0211升。

（3）方便快捷　　

推广电子支付手段，可以方便用户交费，减少收费劳动强度，降低收费成本，确保收费安全性，减少收费过程中作弊的可能性。

消费数据在网络上便能查询，便于车辆的财务管理。

（4）有效监督公务用车　　

通过ETC电子收费，可以在网上查询车辆通行时间、费用、路线明细清单，实现车辆、物流数据的集中分析和跟踪，杜绝司机通过虚构通行路线、私自改变规定路线、公车私用等违规行为，虚报通行费，堵塞虚假报销漏洞。

（5）费用经济　　

部分ETC支付高速公路通行费时能享受九五折优惠。

（6）降低运营成本　　

运营一条MTC车道，至少需要5名员工，而采用ETC，可大量减少收费人员，降低人工收费管理成本，提高营运效益。

还可缩小收费站规模，节约基建费用。

（7）提高市政设施的资金回收能力

对于交通繁忙的大桥、隧道，不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费方式的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回收能力。

3.2ETC电子收费系统工作原理

ETC系统是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。

主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助设施等组成。

其中，车辆自动识别系统有车载单元（Onboardunit，OBU）又称应答器（Transponder）或电子标签（Tag）、路边单元（Roadsideunit，RSU）、环路感应器等组成。

OBU中存有车辆的识别信息，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。

中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。

当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，RSU发出询问信号，OBU做出响应，并进行双向通信和数据交换；中心管理系统获取车辆识别信息，如汽车ID号、车型等信息和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作。

其它辅助设施如：

违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它障碍，交通显示设备（红，黄，绿灯等设备）指示车辆行驶。

整个过程不需人工干预，车辆不停车快速通过ETC收费车道。

3-1车载电子标签（OBU）

3-2不停车收费系统

3.3ETC电子收费系统构成

ETC电子收费系统主要由ETC收费车道、收费站管理系统、ETC管理中心、专业银行及传输网络组成。

根据分工的不同，系统又可分为前台系统和后台系统两大部分.前台主要通过ETC收费车道系统实现不停车收费。

ETC车道设备主要由天线、天线控制器、触发线圈、抓拍线圈、落杆线圈、自动栏杆机、通行信号灯、闪光报警器、车道计算机、车道控制器、费额显示器（带余额显示功能）、车道摄像机、字符叠加器、雾灯、车牌识别系统等组成。

3-3ETC车道

后台系统由收费站管理子系统、ETC管理中心和专业银行组成，负责后台的ETC交易数据服务、运营参数管理以及系统运行监控，并通过数据接口软件，在站级实现ETC电子收费系统与联网收费系统的数据处理工作。

ETC管理中心是ETC系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换，又要行使必要的管理职能。

后台系统根据收到的数据文件在公路公司和用户之间进行交易、拆帐和财务结算，配有多台功能强大的计算机，完成系统中各种数据、图像的采集和处理。

3.4ETC电子收费系统功能 

（1）探测车辆的驶出、驶离并对车辆进行计数，传送检测结果。

结合车辆识别，可判断车辆是否有电子标签（OBU）

（2）具有实时图像抓拍和车牌识别功能。

当车辆通过车道时，抓拍设备自动对车辆图像进行抓拍并保存，识别车牌号码并保存

（3）在人口车道将人口收费站、车型等信息写入收费卡信息；在出口车道，更具车辆经过的人口收费站、费率等计算通行费金额

（4）根据车道计算机控制指令正确控制车道设备动作，包括自动栏杆的升起、通行信号灯的切换、报警器的开关、费额显示器的显示、大棚灯的切换等；（5）完成车道和收费站之间的数据交换。

包括接收收费站下达的信息、上传收费卡原始通行费数据、人口车道的过车信息等

（6）如果车辆通过ETC车道时出现异常，车到系统将拦截该车车辆不允许通行，系统不再对该车辆进行出路，由收费站工作人员引导至隔壁的MTC车道。

3-4ETC系统工作流程图

3.5ETC电子收费系统工作流程

（1）当装有电子标签的车辆进入通讯范围，首先压到埋入地下的触发线圈，启动读写天线。

（2）读写天线与电子标签进行通讯，电子标签以微波方式发出电子标签标示和车型代码，读写天线接收并判别电子标签的有效性，如果电子标签有效则进行交易，无效则报警并保持车道封闭，直到车辆离开检测线圈。

（3）对于持无效卡或无卡的车辆，若其在收费车道上高速跟车冲卡而过，读写天线在确认无效性的同时，将启动快速自动栏杆，关闭收费车道，当场将冲卡车辆拦截。

（4）如交易成功，车道控制栏杆抬起，车道交通信号灯变绿，费额显示器上显示交易信息。

（5）车辆通过抓拍线圈时，系统进行图像抓拍，字符叠加器将过车信息叠加到抓拍图像中。

（6）车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，车道通行信号灯变红。

（7）系统保存交易信息，并上传至收费站服务器，一个收费流程完成，等待下一车辆进入。

3-5ETC电子收费系统工作流程

4我国ETC系统的现状及主要问题

2007年对于中国ETC来说是具有里程碑式的一年。

系列ETC国家标准的颁布实施、跨省连网ETC示范工程正式启动、全国范围标准宣传培训等活动无不标志着我国ETC已经跨入了标准化时期。

在各省的联网收费网络不断完善、通行卡用户的不断增加和ETC系统标准出台这两大引擎推动下，我国ETC系统将开创的局面，即将迎来发展的黄金时期。

如何提高电子不收费系统的整体服务效率，将成为人们越来越关注的问题，旁车干扰问题是其中的瓶颈之一。

随着车辆的增多，电子不停车收费系统的压力将越来越大，一旦出现跟车干扰问题将导致电子不停车收费车道的堵塞。

以车牌识别系统和串口通讯实现旁道数据共享为基础的不停车收费解决方案则能有效的改变这一现状，是交通更为准确，保持电子不停车收费车道的顺畅。

在目前的ETC车道中，为了保证车辆有较高的通行速度，读写天线通信区域所处的位置在自动栏杆前约10米的范围之内，呈椭圆形状。

由于设置的读写天线通信范围较大，经常出现多辆车同时处于读写天线通信区域内的现象，当ETC车道中前面的车辆不能正常交易而后面或旁边车辆可进行交易时，一旦系统先于后面或旁边车辆成功交易，就会出现前车在未成功交易的情况被放行而后车或旁车被拦截的情况，我们称之为旁车干扰。

根据干扰车辆所处位置及其通过的车道来分，旁车干扰可分为两种。

第一种是目前发生频率较高的跟车干扰，另一种是目前偶尔出现，随着多ETC车道实施，发生越来越多的旁道干扰。

4.1跟车干扰问题

所谓跟车干扰，是指一辆安装有电子标签或没有安装电子标签的车辆进入ETC车道天线的通讯区域内，ETC车道程序通过读写天线先于该车后面的另一辆车上的电子标签进行通讯交易，并且交易成功。

此时栏杆抬起，前车在没有缴费，而且侵占后车自动交费的情况下通过了ETC车道。

或者装有电子标签的车辆正常进入ETC通讯区域，并且交易成功，栏杆抬起，车辆通过ETC车到后，紧随其后的车辆在没有交易的状态下也尾随其后通过了ETC车道。

跟车干扰的情况主要有以下几种：

（1）前车无电子标签，后车有电子标签。

两辆车相隔距离比较近并同时进入ETC车道无线的通讯区域，ETC车道无线先与后车发生交易，栏杆抬起；前车通过落杆线圈后，栏杆放下，把已交易的后车拦住。

该种情况发生的原因主要是两车距离非常近，而且后车的电子标签灵敏度较高，系统在没有对前车报警之前就已经和后车发生交易了。

（2）两辆车都安装有电子标签。

系统先和后车发生交易，从而导致前车在没有交易的情况下就通过了栏杆，系统把已交易的后车拦住。

该种情形发生的原因主要有：

前车电子标签的灵敏度较低，后车电子标签的灵敏度较高，ETC天线容易和后车的电子标签发生交易。

4-1跟车干扰

4.2旁道干扰问题

所谓旁道干扰，是指一辆安装有电子标签的车辆没有进入ETC车道但是与读写天线通信成功，因而在ETC车道程序完成交易。

导致车辆不能从其所在车道上交易通过。

旁道干扰的情况主要有以下几种：

（1）ETC车道上的车辆无电子标签，旁道车有电子标签。

过车时旁道车太靠近ETC天线通信区域，ETC车道天线与旁道车发生交易，栏杆抬起；ETC车道上的车通过落杆线圈后，栏杆放下。

该种情况发生的原因主要是由于两车距离非常近，而且旁道车的电子标签灵敏度较高，系统在没有对ETC车道上的车报警之前就已经和旁道车发生了交易。

（2）两辆车都安装了电子标签。

但ETC系统先和旁道车发生交易，从而导致ETC车道上的车在没有交易的情况下就通过了栏杆。

旁道收费系统把已交易的后车拦住。

该种情形发生的原因主要是:

ETC车道上的电子标签的灵敏度较低，而旁道车电子标签较高，旁道车先于ETC天线先发生交易，不能在旁道车所在车道收费系统上再次刷卡，可能导致车辆不能通过收费站或重复收费。

该种现象多属于无意逃费。

（3）ETC车辆进入车道时，由于信号的折射或者OBU有较高的灵敏度在离本车道RSU的地方与旁边通向的车道发生交易，造成旁道的车无交易能通过，而本车因交易车道和行驶车道不同而无法通过。

4-2旁道干扰

5ETC系统应用的改善建议

5.1跟车干扰问题解决分析

跟车干扰目前比较测试比较成功的技术有车牌识别检测技术和光幕检测技术。

5.1.1一个车牌识别系统

车牌识别系统是通过分析、处理所采集的汽车图像，借助计算机视觉、模式识别和图像处理等技术手段实现对汽车牌号进行自动识别的系统。

车牌识别系统是智能交通系统中一个重要的子系统。

在高速公路收费、城市交通控制和诱导、违章车辆监控和停车场等项目的管理有广泛的应用。

车牌识别系统一般可顺序地分为图像获取、车辆定位、车牌字符分割和车牌字符识别等4大部分。

5.1.2光幕车辆检测技术

上海高速公路ETC系统启动以来，也出现跟车距离太近或“非ETC车辆误闯”等原因而导致交易失败的现象，高速公路管理部门在ETC建设中引用了光幕车辆检测技术作为车辆分离手段以及使用光电开关判断倒车现象，能够正确区分交易成功或者失败、ETC车辆及非ETC车辆，准确判断车辆行驶方向，从而形成正确的车辆行驶缴费队伍，并控制车辆的通行，大大地提高ETC车辆道口通行速度和交易成功率。

此项技术在2011年首先在G2京沪高速江桥主线收费站进行试用，效果非常明显，使交易感应区域从起始端到栏杆距离增加到15米，ETC车辆可以30KM/h的速度匀速通过。

高速公路管理部门随后在全网有条件的车道逐步推广。

目前上海全段路段带有光幕车辆检测技术的ETC专用车道已经达到58条，约占ETC车道总数的30%。

光幕车辆检测技术也称红线车辆检测技术。

它的原理是通过线性排列的红外光发射以及接收实现多车辆的的同步扫描，将光信号转换成电信号，实现对过往车辆数据的综合检测，与其他检测技术相比较，红外车辆检测产品的技术较为成熟，安装简便，响应高速，抗干扰性强，可以输出车辆数，能够检测各种特殊车辆。

红外线车辆分离器主要包括发射器和接收器。

发射器内置线性排列的高能量发光元件，而接收器的内置与发射器数量相同的接收元件，发射器和接收器对应的光电元件的次序按照同步出发的，用来检测路是否导通，当汽车扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，从而被检测出来。

红外车辆分离器见4-1。

5-1红外车辆分离器

因此，为了高效解决收费站因跟车和普通车误闯ETC车道造成的交易失败问题，建议引入光幕车辆检测技术。

5.2旁道干扰问题解决分析

解决旁道干扰问题可以从加强DSRC区域控制、引入车辆检测装置、车牌识别和附加车道隔离装置等几个方面入手。

5.2.1控制通信区域

加强DSRC区域控制主要从以下几方面考虑:

加强天线的研发和设计，把OBU和RSU天线的水平方向半功率波瓣宽度控制在合适范围;实现RSU功率的精确标定，保证RSU天线射频性能具有较高一致性;实现RSU接收灵敏度可调;通过生产工艺控制保证OBU产品具有较高的射频性能一致性，尤其唤醒灵敏度一致性;提高产品射频性能，加强DSRC区域控制，可以大幅减低邻道干扰问题的发生概率，是解决邻道干扰问题的基础。

通过分析国内ETC车道的特点，WD-采用微带阵列天线严格控制波束覆盖的范围，保证投射到车道上的宽度在3m以内。

利用多种抑制旁的手段，在保证了有效覆盖的同时，真正做到了相邻车道路侧单元RSU覆盖区域物理上的隔离，消除了最基本的“邻道干扰”问题。

5-2抑制旁瓣示意图

5.2.2信道自适应技术

上述减小天线水平波瓣角的方案只能保证天线覆盖区域在物理上的隔离，但由于高速公路收费站环境较为复杂，尤其是对于路侧单元RSU与车载单元OBU之间通信的无线信号来说，很可能存在因反射、折射、漫反射等方式，路侧单元RSU的信号辐射到了相邻车道上。

基于此种情况，WD-提出了信道自适应技术，彻底解决了“旁道干扰”问题。

所谓信道自适应技术，就是OBU始终选择跟信号最强的RSU天线进行通信交易。

这样，即使OBU收到相邻车道RSU天线发射的微波信号，也可以在软件上加以屏蔽。

具体来说，OBU在唤醒之后预设一个工作频率，如果OBU接收到在该频点的信号强度未达到门限电平，软件上就判定该微波信号来自相邻车道。

随后，软件会将OBU的频率切换到另一个频点进行通信交易。

5.2.3采用信道分离设置降低邻道干扰

采用PLL（锁相环）技术结合高稳定度温度补偿技术实现精确定频并达到信道分离，RSU采用窄带接收技术，多车道互不干扰。

RSU天线的工作信道可通过软件进行设置，因此在进行ETC车道布置时，相邻车道使用不同信道，降低相互的微波信号干扰。

5.2.4RSU/OBU设备的一致性

造成旁道干扰的另外一个重要原因是OBU的一致性不好，有某些OBU特别灵敏，在信号强度比较弱的情况下也能够进行交易。

WD-OBU采用特殊技术提高OBU灵敏度的一致性，保证OBU之间的灵敏度相差在±1dB，没有特别灵敏的可以与邻道发生交易的情况，或者特别不灵敏无法进行交易的情况，保证交易的稳定性、连续性。

5.2.5附加车道隔离装置

在工程实施中加入车道射频信号隔离设施，可以起到消除旁道干扰的作用。

从理论上看，在车道间布设高质量的微波吸收材料会取得良好的车道信号隔离效果，但工程实施存在一定技术难度，材料成本也比较高，难以大规模推广应用。

5.2.6RSU触发工作

RSU天线平时处于休眠状态，只有当该车道有车辆压地感时才启动该车道的RSU天线。

这样，如果只有一个车道有车辆通过就不会发生旁道干扰问题。

5.2.7辅助车牌识别

ET