工程设计不停车电子收费ETC系统试验工程设计的体会 精品.docx
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工程设计不停车电子收费ETC系统试验工程设计的体会精品
不停车电子收费（ETC）系统试验工程设计的体会
沈轶君 黄慰忠
上海市城市建设设计研究院
摘要：
文章介绍了不停车电子收费（ETC）系统以及虹桥国际机场出口收费站试验工程，对推动智能交通技术的发展和完善有积极作用。
关键词：
收费系统 车道控制 通信方式
随着我国道路交通网的不断发展和完善，道路收费系统也有了其应用的广阔天地。
现今的道路收费方式大致有三种：
传统的人工收费（MTC）、不停车电子收费（ETC）、MTC和ETC混合（指在同一车道可实现MTC和ETC的切换）。
笔者有幸参与设计了国家经贸委的“国家技术创新与产业化项目”示范工程——虹桥国际机场出口收费站ETC试验工程，在此，对在工程设计过程中的一点体会作一简单介绍。
ETC概述
ETC系统是利用微波技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、传感技术、图像识别技术等高新技术的设备和软件所组成的一个先进系统，可实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用的功能。
系统主要采用车辆自动识别（AVI）技术，通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置（称为路边读写设备，简称RSE），识别车辆上设备（称车载器，简称OBE）内特有编码，判别车型，计算通行费用，并自动从车辆用的专用账户中扣除通行费，对使用ETC车道的未安装车载器或车载器无效的车则视作其违章车辆，实施图像抓拍和识别，会同交警部门事后处理。
从技术角度来说，车辆可以在高速通行的条件下完成自动交费业务。
与传统人工收费方式相比，ETC系统使车辆免除了在收费站的停车收费环节，从而节省了车辆在收费口的停车、等候、交费、找零等花费的时间。
ETC车道控制的关键技术
不停车收费的车道控制系统必须包括以下三大关键子系统
车辆自动识别技术（AutomaticVehicleIdentification，简称AVI）
主要由车载设备（OBE）和路边设备（RSE）组成，两者通过短程通信完成路边设备对车载设备信息的一次读写，即完成收（付）费交易所必须的信息交换手续。
而短程通信所用的通信规约就称为DSRC规约，是国际ITS领域车——路之间共同遵守的通信协议，是ETC系统车载设备（OBE）与路边设备（RSE）之间通信的技术规范。
目前用于ETC的短程通信主要有微波和红外两种方式，微波方式的ETC已成为各国DSRC的主流，包括欧美和日本等国在内。
1. 自动车型分类技术（AutomaticVehicleClassification，简称AVC）
在ETC车道安装车型传感器测定和判断车辆的车型，以便按照车型实施收费。
也有简单的方式，即通过读取车载器中的车型信息。
违章车辆抓拍技术（VideoEnforcementSystem，简称VES）
主要由摄像机、图像传输设备、车辆牌照自动识别系统等组成。
对不安装车载设备OBE的车辆用摄像机实施抓拍措施，并传输到收费中心，通过车牌自动识别系统识别违章车辆的车主，实施通行费的补收手续。
ETC车道控制设备的组成
车载设备OBE（OnBoardEquipment）
车载设备主要有两种：
单片式、双片式。
1） 单片式：
单为车载器，不设IC卡接口。
在费用结算方面主要采用账户管理，即事后结算的非实时收费方式。
主要应用于被动式ETC系统。
因价格相对较低，易为ETC用户接收，有利于不停车收费收费系统的起步和推广。
它也可用于军、警等免费车辆使用。
2） 双片式：
OBE＋IC卡。
使用IC卡可实现实时收费，确保收费的确实性。
IC卡还可应用到其他领域。
IC卡又分接触式及非接触式两种。
l OBE十非接触式IC卡：
优点：
非接触式IC卡已广泛应用与公交领域，且现在使用的公交卡具有电子钱包的功能。
上海东方交通卡股份有限公司发行的“上海公共交通卡”就属于这一类的非接触IC卡。
因此，只要OBE带有与现有公交IC卡相匹配的接口，即可将现在使用的公交IC卡应用于道路自动收费系统中，以利于实现公共交通“一卡通”的目标。
缺点：
由于非接触式IC卡在交易时耗电较大，因此OBE采用电池供电不适合，而只能采用外部电源供电（例如点烟器电源）。
但是目前我国车种较杂且车况较差，车内取电有一定难度。
此外，可使用非接触式IC卡的OBE制造成本非常高，使处于起步阶段的ETC系统的应用因OBE的成本高而较难推广。
l OBE十接触式IC卡：
优点：
我国金融系统使用的是接触式IC卡，因此在IC卡的发行及结算方面较便利。
使用接触式IC卡的OBE制造成本较低。
缺点：
与公交非接触IC卡不兼容，不利于一卡通的发展。
路边设备RSE
ETC系统路边设备主要由天线、天线控制器以及OBE发行机组成。
日本标准或欧洲CEN标准的ETC系统基本均由上述3种设备构成，其中天线及天线控制器安装于路边，一般一台天线控制器可控制一个或多个天线。
天线的数量可根据实际需要进行选择。
最简单的配置为道路入口、出口分别每个车道设置一台天线。
根据需要可在入口附近增加设置预告天线，在出口增设天线用于确认OBE是否已从IC卡中扣除了应收的费额。
OBE发行机用于发行OBE，将车辆的固有信息写入OBE中。
OBE发行机置于客户服务中心。
车道辅助设备
ETC车道辅助设备主要包括：
信号灯、电动栏杆、违章抓拍摄像（照相）机、车辆检测器、车种判别器等。
1） 电动栏杆
用于拦截有问题的车辆，其包括列入黑名单的车辆及一般逃费车辆。
但考虑到栏杆的误动作，会损坏车辆，以及电动栏杆的反应速度可能会跟不上ETC车辆的通行速度，所以在一般逃费车辆通过时，原则上不使用电动栏杆拦截，而采用当场抓拍摄像、会同交警部门事后处理的办法。
2） 违章摄像（照相）机
对所有通行车辆进行拍摄。
接到控制系统指令后，可消除正常通行车辆的图像；对问题车辆，将图像传输到后台管理终端，作为事后处理违章车辆的证据。
考虑个人隐私等问题平时仅拍摄车辆的车牌号位置，但功能上，可根据需要（公安等）调节角度拍摄驾驶员影像。
3） 车辆检测器
车辆检测器检测到车辆通过时，通知ETC控制系统向天线发出起动指令，天线与OBE建立通行关系，并在一定程度上可用于车种判别。
4） 车种判别器
在目前的MTC系统中主要使用感应线圈通过感应车重、车轴距等判别车种，或由收费人员目测判别。
在ETC系统中由于车辆不停车通行速度快，收费人员目测车种可靠性不能保证。
国外已有生产商开发了车型判别器，例如日本丰田汽车公司开发了用红外线感应车辆形状来判别车种的车种判别器（安装于车道上部或路侧）。
德国TOM公司生产的用激光器件组成的车型判别器，上海的延安东路隧道和虹桥国际机场的收费口已在使用。
此外，在发行OBE时已将车辆的固有信息（车种、牌号、发动机号等）写入OBE中，由于OBE具有防止拆卸功能（防止将小型车OBE拆下后安于大型车上用以逃费的行为），即拆下OBE后，OBE内的信息全部自动消失且无法工作，这样可完全信任并依靠OBE中的车种信息进行收费。
微波通信方式
就目前AVI使用无线电电波通信的不停车电子收费系统，DSRC通信规约存在两种通信工作方式：
主动式（Active方式）、被动式（Passive方式）。
主动式：
在主动式系统中，当车道天线向车载器发送询问信号后，车载器利用自身的电池能量发射数据给车道天线。
所以主动式车载器必须含有电源，主动式通信方式的工作距离也因此可以很远。
被动式：
在被动式系统中，由车道天线发射电磁信号，车载器被电磁波激活进入通信状态，向车道天线发射的能量来自于存储的电磁波。
被动式车载器既可以是有源的，也可以是无源的。
如有电源，那是供存储数据和处理数据用的。
所以，被动式通信方式的工作距离较近。
由于ETC在欧美地区较早地被应用，它经历了3种通信频率的演变：
早期的9l5MHZ，中间又有245GHZ，直到近期被统一到5.8GHz。
早期欧美的ETC仅为解决路桥收费的目的，采用的是被动通信工作方式，车载器（OBE）多采用单片式，又称电子标签（英文为Tag，或Transponder等），其优点是价格低廉。
日本在前几年通过大量调查研究和组织试验，认为主动式通信方式有其独有的应用价值，尤其是它在通信传输速率方面的优势不仅能用于ETC，还能在ITS的其他领域发挥更大的作用，扩展其他的用途。
因而主动式的车载器（OBE）的功能除ETC需要的以外，还可以将其扩展成为具有与交通信息有关的功能。
日本的ETC经历了几年的技术准备，制订了统一的标准，于去年四月正式开始用于道路收费系统。
但主动式通信规约较为复杂，车载器（OBE）的成本比较昂贵，对于我国的ETC起步和推广阶段是不利的。
前几年国内ETC的应用全部采用被动制式，从这一点说明被动式车载器由于价格低廉，易被用户接收，为ETC的应用推广提供了较好的基础。
目前国际ISO／TC204委员会暂时还没有认可一个统一DSRC国际标准。
也许欧洲CEN被动式标准和日本主动式标准暂时还会并存一段时间，也许两者会同时被采纳为国际标准。
交通部在1999年3月提出的“网络环境下不停车收费系统行业联合攻关指导性意见”中曾建议选用5.8GHz被动式通信方式，并留有今后向ITS过渡的余地。
二.ETC系统优点
l 无需收费广场，节省收费站的占地面积；
l 节省能源消耗，减少停车时的废气排放和对城市环境的污染；
l 降低车辆部件损耗；
l 减少收费人员，降低收费管理单位的管理成本；
l 实现计算机管理，提高收费管理单位的管理水平；
l 对因缺乏收费广场而无条件实施停车收费的场合，有实施收费的可能；
l 无需排队停车，可节省出行人的时间等；
l 避免因停车收费而造成收费口堵塞，形成新的瓶颈口。
试验工程介绍
1999年9月，上海市科学技术委员会下达了“上海市快速道路网交通监控、收费技术与应用研究”的研究课题，其中的一个分课题为“上海市快速道路网不停车收费技术与应用”，并且将试验工程定在虹桥国际机场出口收费站。
同时，经国家ITS研究中心、建设部城建司和IC卡中心批准，本试验工程定为国家经贸委的“国家技术创新与产业化项目”示范工程。
下面对试验工程的设计作简单介绍。
AVI的确定
1） 工作频率
根据国家无线电管理委员会“1998-74号文”，我国ETC系统中DSRC工作频率工作范围为5.795~5.815GHz。
2） 电波覆盖范围
根据车道形式，确定天线通信的覆盖范围。
对普通车，路面以上1米，车进方向4米车道横向3米的范围；对大型车，路面以上2米处，车进方向4米车道横向3米的范围。
3） 通信工作方式
主动式的主要优点是可靠，且其OBE除用于ETC以外还能在ITS领域发挥其重要作用，为将来ITS的发展奠定基础。
只是Active车载器价格高，对我国来说目前还难于推广。
Passive车载器价格低，便于接受，但是在未来技术发展后，容易被淘汰。
本试验工程中，我们研究人员经过仔细分析，提出了一套创新思想：
如果能在同一车道内实现“A”和“P”的兼容，那用户就可以自由选择OBE了，更适合过渡时期的推广。
后来，经过与国家ITSC的讨论，正式采用日本丰田集团专门研制的一套兼容系统。
该ETC系统的无线电天线能兼容Active和Passive，具有创新意义。
使用该天线，在虹桥国际机场出口收费站ETC车道中，通行的车辆既可以装有Active车载器，也可以装有Passive车载器，显示了ETC技术的推广生命力。
A/P兼容式天线工作原理框图见附图
（1）。
Passive和Active车载器构成原理框图见附图
（2）。
AVC的确定
按照交通部“网络环境下不停车收费系统行业联合攻关指导性意见”的建议，试验工程采用车载电子标签内置车型数据作为计费额的依据。
考虑到环形线圈在判断车队和挂车等方面的缺陷，设计决定中采用在每车道设三组红外光栅检测器作为车辆检测器，来区分通过车道的车长、车间距，以利于ETC系统准确与安全地操作。
VES的确定
违章抓拍是ETC中不可缺少的一个子系统，即使ETC车道安装了自动栏杆，也需要一套高速摄像系统来抓拍问题车辆的车牌号。
试验工程中采用数字图像抓拍存储技术，采用全数字化摄像机，每辆车进入车道可以连续留存三幅图像。
车道形式
虹桥机场出口收费站共设8个收费车道，每车道宽3m，收费岛长30m。
按照交通部“网络环境下不停车收费系统行业联合攻关指导性意见”，ETC车道的设计车速为40km/h，则ETC车道识别装置到电动栏杆的距离为37m。
而本试验工程介入的原则是：
不影响原来的人工收费形式。
所以，针对现有的车道长度，确定ETC车道的设计车速为20km/h，识别装置到电动栏杆的距离为37m。
具体计算如下：
Ss=L1+St+Lo
其中：
L1——制动反应时间的行走距离（空驶距离）
St——制动距离
Lo——安全距离（5m）
V——设计行车速度
T——反应时间（1.0S，2.0S）
k——安全系数（1.2，1.4）
——路面磨阻系数（0.4）
i——道路纵坡
当V=20km/h，k=1.4，T=1.0S，i=0.01时
Ss=15.15m
通信时间
每次车辆与天线之间的交易时间计算如下：
其中：
T——通信时间
SO——通信距离
V——设计行车速度
N——车辆数
通信距离T指天线至车载器间的距离。
天线高度5m，车载器安装高度约1.4m，所以通信距离为3.6m。
车辆数N是指天线所覆盖的通信范围内的车辆数，如车长以5m计，车辆间的间隔为车速的1/2，即10m，则30米车道内容纳的车辆数为2辆。
这样，每辆车经过ETC车道交易一次所需的通信时间就等为：
T=3.6/20×1/2=0.09S
车道设备的布置
车道设备的具体布置见下图
车道设备布置图
IC卡选择
为了兼接触式和非接触式两种IC卡之长，我们研究组决定采纳组合式“双界面IC卡”。
即，一张IC卡中具有接触、非接触两种界面的接口功能（接触式接口符合中国金融卡标准，非接触式接口与现有公交卡一致）。
两种接口共同一个CPU以及同一个IC卡操作系统，这样无论通过哪种接口读取的信息都可存储在同一个CPU中，而且由于共用一个CPU，卡的成本增加不是很高。
因此，可利用接触式接口功能用于双片式OBE（OBE十接触式IC卡），实现不停车收费功能；利用非接触式接口功能在公交、MTC道路收费领域应用。
此种“双界面IC卡”目前已由北京握奇数据系统有限公司开发成功。
操作流程
试验工程采用记账式或储值卡收费方式。
记账式收费是每个用户有一个账号或多个用户共用一个账号，车载器中存有账号信息，当车辆通过车道时，收费终端记下车辆的账号和交易额，上传到管理室，管理室定期统计出每个账号应缴的费用，并下达账单给用户，用户到指定地点缴费或通过银行划帐。
用户操作过程如下：
1） 用户首先到指定的地点购买车载器，车载器通过初始化存有车辆的车牌号、车辆类型等信息，并办理账号。
2） 将车载器安装在车辆的挡风玻璃上或驾驶台上。
3） 这样，车辆就可以使用虹桥机场收费站的ETC系统，当车辆通过车道时，驾驶员会听到“嘟”的一声响，这表示交易成功，收费终端已经记录了车辆通行情况，并将信息写入车载器。
4） 这时驾驶员可以在车道显示牌中看到本次通行费额。
如果用户账号欠款，还会看到催款的提示信息。
5） 用户定期会收到账单，到指定地点缴费或通过银行划帐。
6） 如果用户对账单有疑义，可以查询。
7） 用户可以到指定地点对车载器进行挂失或注销。
车道收费流程图见附图（3）
设备功能
车道设备主要有收费终端、车道控制器、天线、接口板、费额显示器、车辆检测器、摄像设备、UPS等组成。
收费终端是一台工业控制级计算机，运行车道软件。
通过车辆监测器实现对车辆到达的检测；通过天线和接口板实现对车载器的读写操作；通过信息显示牌实现通行费额和提示信息的显示；通过摄像设备实现车辆的抓拍；收费终端纪录并存储交易数据，通过网络将交易数据、状态信息和报警信息等实时上传到收费站，接受收费站下达的费率表、黑名单以及控制命令等。
应用展望
通过参加虹桥国际机场出口收费站ETC试验工程，以及观察欧美、日本、新加坡等发达国家的ETC在道路收费系统中的使用现状，我可以相信，随着我国国民经济的发展，综合实力的增加，我国的ETC在也必将会得到广大使用者认可和推广。
同时，ETC技术的不断应用，也必将会推动我国智能交通（ITS）技术的发展和完善。
图3：
车道收费流程图
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