不停車電子收費(fèi)EC系統(tǒng)試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的體會(huì)

不停車電子收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的體會(huì)沈軼君黃慰忠上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院摘要：文章介紹了不停車電子收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)以及虹橋國際機(jī)場出口收費(fèi)站試驗(yàn)工程，對推動(dòng)智能交通技術(shù)的發(fā)展和完善有積極作用。關(guān)鍵詞：收費(fèi)系統(tǒng)車道控制通信方式隨著我國道路交通網(wǎng)的不斷發(fā)展和完善，道路收費(fèi)系統(tǒng)也有了其應(yīng)用的廣闊天地?，F(xiàn)今的道路收費(fèi)方式大致有三種：傳統(tǒng)的人工收費(fèi)（MTC）、不停車電子收費(fèi)（ETC）、MTC和ETC混合（指在同一車道可實(shí)現(xiàn)MTC和ETC的切換）。筆者有幸參與設(shè)計(jì)了國家經(jīng)貿(mào)委的“國家技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”示范工程——虹橋國際機(jī)場出口收費(fèi)站ETC試驗(yàn)工程，在此，對在工程設(shè)計(jì)過程中的一點(diǎn)體會(huì)作一簡單介紹。ETC概述ETC系統(tǒng)是利用微波技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像識別技術(shù)等高新技術(shù)的設(shè)備和軟件所組成的一個(gè)先進(jìn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車輛無需停車即可自動(dòng)收取道路通行費(fèi)用的功能。系統(tǒng)主要采用車輛自動(dòng)識別（AVI）技術(shù)，通過路邊車道設(shè)備控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收裝置（稱為路邊讀寫設(shè)備，簡稱RSE），識別車輛上設(shè)備（稱車載器，簡稱OBE）內(nèi)特有編碼，判別車型，計(jì)算通行費(fèi)用，并自動(dòng)從車輛用的專用賬戶中扣除通行費(fèi)，對使用ETC車道的未安裝車載器或車載器無效的車則視作其違章車輛，實(shí)施圖像抓拍和識別，會(huì)同交警部門事后處理。從技術(shù)角度來說，車輛可以在高速通行的條件下完成自動(dòng)交費(fèi)業(yè)務(wù)。與傳統(tǒng)人工收費(fèi)方式相比，ETC系統(tǒng)使車輛免除了在收費(fèi)站的停車收費(fèi)環(huán)節(jié)，從而節(jié)省了車輛在收費(fèi)口的停車、等候、交費(fèi)、找零等花費(fèi)的時(shí)間。ETC車道控制的關(guān)鍵技術(shù)不停車收費(fèi)的車道控制系統(tǒng)必須包括以下三大關(guān)鍵子系統(tǒng)車輛自動(dòng)識別技術(shù)（AutomaticVehicleIdentification，簡稱AVI）主要由車載設(shè)備（OBE）和路邊設(shè)備（RSE）組成，兩者通過短程通信完成路邊設(shè)備對車載設(shè)備信息的一次讀寫，即完成收（付）費(fèi)交易所必須的信息交換手續(xù)。而短程通信所用的通信規(guī)約就稱為DSRC規(guī)約，是國際ITS領(lǐng)域車——路之間共同遵守的通信協(xié)議，是ETC系統(tǒng)車載設(shè)備（OBE）與路邊設(shè)備（RSE）之間通信的技術(shù)規(guī)范。目前用于ETC的短程通信主要有微波和紅外兩種方式，微波方式的ETC已成為各國DSRC的主流，包括歐美和日本等國在內(nèi)。1.自動(dòng)車型分類技術(shù)（AutomaticVehicleClassification，簡稱AVC）在ETC車道安裝車型傳感器測定和判斷車輛的車型，以便按照車型實(shí)施收費(fèi)。也有簡單的方式，即通過讀取車載器中的車型信息。違章車輛抓拍技術(shù)（VideoEnforcementSystem，簡稱VES）主要由攝像機(jī)、圖像傳輸設(shè)備、車輛牌照自動(dòng)識別系統(tǒng)等組成。對不安裝車載設(shè)備OBE的車輛用攝像機(jī)實(shí)施抓拍措施，并傳輸?shù)绞召M(fèi)中心，通過車牌自動(dòng)識別系統(tǒng)識別違章車輛的車主，實(shí)施通行費(fèi)的補(bǔ)收手續(xù)。ETC車道控制設(shè)備的組成車載設(shè)備OBE（OnBoardEquipment）車載設(shè)備主要有兩種：單片式、雙片式。1)單片式：單為車載器，不設(shè)IC卡接口。在費(fèi)用結(jié)算方面主要采用賬戶管理，即事后結(jié)算的非實(shí)時(shí)收費(fèi)方式。主要應(yīng)用于被動(dòng)式ETC系統(tǒng)。因價(jià)格相對較低，易為ETC用戶接收，有利于不停車收費(fèi)收費(fèi)系統(tǒng)的起步和推廣。它也可用于軍、警等免費(fèi)車輛使用。2)雙片式：OBE＋I(xiàn)C卡。使用IC卡可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收費(fèi)，確保收費(fèi)的確實(shí)性。IC卡還可應(yīng)用到其他領(lǐng)域。IC卡又分接觸式及非接觸式兩種。lOBE十非接觸式IC卡：優(yōu)點(diǎn)：非接觸式IC卡已廣泛應(yīng)用與公交領(lǐng)域，且現(xiàn)在使用的公交卡具有電子錢包的功能。上海東方交通卡股份發(fā)行的“上海公共交通卡”就屬于這一類的非接觸IC卡。因此，只要OBE帶有與現(xiàn)有公交IC卡相匹配的接口，即可將現(xiàn)在使用的公交IC卡應(yīng)用于道路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中，以利于實(shí)現(xiàn)公共交通“一卡通”的目標(biāo)。缺點(diǎn)：由于非接觸式IC卡在交易時(shí)耗電較大，因此OBE采用電池供電不適合，而只能采用外部電源供電（例如點(diǎn)煙器電源）。但是目前我國車種較雜且車況較差，車內(nèi)取電有一定難度。此外，可使用非接觸式IC卡的OBE制造成本非常高，使處于起步階段的ETC系統(tǒng)的應(yīng)用因OBE的成本高而較難推廣。lOBE十接觸式IC卡：優(yōu)點(diǎn)：我國金融系統(tǒng)使用的是接觸式IC卡，因此在IC卡的發(fā)行及結(jié)算方面較便利。使用接觸式IC卡的OBE制造成本較低。缺點(diǎn)：與公交非接觸IC卡不兼容，不利于一卡通的發(fā)展。路邊設(shè)備RSEETC系統(tǒng)路邊設(shè)備主要由天線、天線控制器以及OBE發(fā)行機(jī)組成。日本標(biāo)準(zhǔn)或歐洲CEN標(biāo)準(zhǔn)的ETC系統(tǒng)基本均由上述3種設(shè)備構(gòu)成，其中天線及天線控制器安裝于路邊，一般一臺天線控制器可控制一個(gè)或多個(gè)天線。天線的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。最簡單的配置為道路入口、出口分別每個(gè)車道設(shè)置一臺天線。根據(jù)需要可在入口附近增加設(shè)置預(yù)告天線，在出口增設(shè)天線用于確認(rèn)OBE是否已從IC卡中扣除了應(yīng)收的費(fèi)額。OBE發(fā)行機(jī)用于發(fā)行OBE，將車輛的固有信息寫入OBE中。OBE發(fā)行機(jī)置于客戶服務(wù)中心。車道輔助設(shè)備ETC車道輔助設(shè)備主要包括：信號燈、電動(dòng)欄桿、違章抓拍攝像（照相）機(jī)、車輛檢測器、車種判別器等。1)電動(dòng)欄桿用于攔截有問題的車輛，其包括列入黑名單的車輛及一般逃費(fèi)車輛。但考慮到欄桿的誤動(dòng)作，會(huì)損壞車輛，以及電動(dòng)欄桿的反應(yīng)速度可能會(huì)跟不上ETC車輛的通行速度，所以在一般逃費(fèi)車輛通過時(shí)，原則上不使用電動(dòng)欄桿攔截，而采用當(dāng)場抓拍攝像、會(huì)同交警部門事后處理的辦法。2)違章攝像（照相）機(jī)對所有通行車輛進(jìn)行拍攝。接到控制系統(tǒng)指令后，可消除正常通行車輛的圖像；對問題車輛，將圖像傳輸?shù)胶笈_管理終端，作為事后處理違章車輛的證據(jù)?？紤]個(gè)人隱私等問題平時(shí)僅拍攝車輛的車牌號位置，但功能上，可根據(jù)需要（公安等）調(diào)節(jié)角度拍攝駕駛員影像。3)車輛檢測器車輛檢測器檢測到車輛通過時(shí)，通知ETC控制系統(tǒng)向天線發(fā)出起動(dòng)指令，天線與OBE建立通行關(guān)系，并在一定程度上可用于車種判別。4)車種判別器在目前的MTC系統(tǒng)中主要使用感應(yīng)線圈通過感應(yīng)車重、車軸距等判別車種，或由收費(fèi)人員目測判別。在ETC系統(tǒng)中由于車輛不停車通行速度快，收費(fèi)人員目測車種可靠性不能保證。國外已有生產(chǎn)商開發(fā)了車型判別器，例如日本豐田汽車公司開發(fā)了用紅外線感應(yīng)車輛形狀來判別車種的車種判別器（安裝于車道上部或路側(cè)）。德國TOM公司生產(chǎn)的用激光器件組成的車型判別器，上海的延安東路隧道和虹橋國際機(jī)場的收費(fèi)口已在使用。此外，在發(fā)行OBE時(shí)已將車輛的固有信息（車種、牌號、發(fā)動(dòng)機(jī)號等）寫入OBE中，由于OBE具有防止拆卸功能（防止將小型車OBE拆下后安于大型車上用以逃費(fèi)的行為），即拆下OBE后，OBE內(nèi)的信息全部自動(dòng)消失且無法工作，這樣可完全信任并依靠OBE中的車種信息進(jìn)行收費(fèi)。微波通信方式就目前AVI使用無線電電波通信的不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)，DSRC通信規(guī)約存在兩種通信工作方式：主動(dòng)式（Active方式）、被動(dòng)式（Passive方式）。主動(dòng)式：在主動(dòng)式系統(tǒng)中，當(dāng)車道天線向車載器發(fā)送詢問信號后，車載器利用自身的電池能量發(fā)射數(shù)據(jù)給車道天線。所以主動(dòng)式車載器必須含有電源，主動(dòng)式通信方式的工作距離也因此可以很遠(yuǎn)。被動(dòng)式：在被動(dòng)式系統(tǒng)中，由車道天線發(fā)射電磁信號，車載器被電磁波激活進(jìn)入通信狀態(tài)，向車道天線發(fā)射的能量來自于存儲的電磁波。被動(dòng)式車載器既可以是有源的，也可以是無源的。如有電源，那是供存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)用的。所以，被動(dòng)式通信方式的工作距離較近。由于ETC在歐美地區(qū)較早地被應(yīng)用，它經(jīng)歷了3種通信頻率的演變：早期的9l5MHZ，中間又有245GHZ，直到近期被統(tǒng)一到5.8GHz。早期歐美的ETC僅為解決路橋收費(fèi)的目的，采用的是被動(dòng)通信工作方式，車載器（OBE）多采用單片式，又稱電子標(biāo)簽（英文為Tag，或Transponder等），其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉。日本在前幾年通過大量調(diào)查研究和組織試驗(yàn)，認(rèn)為主動(dòng)式通信方式有其獨(dú)有的應(yīng)用價(jià)值，尤其是它在通信傳輸速率方面的優(yōu)勢不僅能用于ETC，還能在ITS的其他領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，擴(kuò)展其他的用途。因而主動(dòng)式的車載器（OBE）的功能除ETC需要的以外，還可以將其擴(kuò)展成為具有與交通信息有關(guān)的功能。日本的ETC經(jīng)歷了幾年的技術(shù)準(zhǔn)備，制訂了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，于去年四月正式開始用于道路收費(fèi)系統(tǒng)。但主動(dòng)式通信規(guī)約較為復(fù)雜，車載器（OBE）的成本比較昂貴，對于我國的ETC起步和推廣階段是不利的。前幾年國內(nèi)ETC的應(yīng)用全部采用被動(dòng)制式，從這一點(diǎn)說明被動(dòng)式車載器由于價(jià)格低廉，易被用戶接收，為ETC的應(yīng)用推廣提供了較好的基礎(chǔ)。目前國際ISO／TC204委員會(huì)暫時(shí)還沒有認(rèn)可一個(gè)統(tǒng)一DSRC國際標(biāo)準(zhǔn)。也許歐洲CEN被動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)和日本主動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)還會(huì)并存一段時(shí)間，也許兩者會(huì)同時(shí)被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。交通部在1999年3月提出的“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不停車收費(fèi)系統(tǒng)行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)指導(dǎo)性意見”中曾建議選用5.8GHz被動(dòng)式通信方式，并留有今后向ITS過渡的余地。二.ETC系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)l無需收費(fèi)廣場，節(jié)省收費(fèi)站的占地面積；l節(jié)省能源消耗，減少停車時(shí)的廢氣排放和對城市環(huán)境的污染；l降低車輛部件損耗；l減少收費(fèi)人員，降低收費(fèi)管理單位的管理成本；l實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，提高收費(fèi)管理單位的管理水平；l對因缺乏收費(fèi)廣場而無條件實(shí)施停車收費(fèi)的場合，有實(shí)施收費(fèi)的可能；l無需排隊(duì)停車，可節(jié)省出行人的時(shí)間等；l避免因停車收費(fèi)而造成收費(fèi)口堵塞，形成新的瓶頸口。試驗(yàn)工程介紹1999年9月，上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)下達(dá)了“上海市快速道路網(wǎng)交通監(jiān)控、收費(fèi)技術(shù)與應(yīng)用研究”的研究課題，其中的一個(gè)分課題為“上海市快速道路網(wǎng)不停車收費(fèi)技術(shù)與應(yīng)用”，并且將試驗(yàn)工程定在虹橋國際機(jī)場出口收費(fèi)站。同時(shí)，經(jīng)國家ITS研究中心、建設(shè)部城建司和IC卡中心批準(zhǔn)，本試驗(yàn)工程定為國家經(jīng)貿(mào)委的“國家技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”示范工程。下面對試驗(yàn)工程的設(shè)計(jì)作簡單介紹。AVI的確定1)工作頻率根據(jù)國家無線電管理委員會(huì)“1998-74號文”，我國ETC系統(tǒng)中DSRC工作頻率工作范圍為5.795~5.815GHz。2)電波覆蓋范圍根據(jù)車道形式，確定天線通信的覆蓋范圍。對普通車，路面以上1米，車進(jìn)方向4米車道橫向3米的范圍；對大型車，路面以上2米處，車進(jìn)方向4米車道橫向3米的范圍。3)通信工作方式主動(dòng)式的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠，且其OBE除用于ETC以外還能在ITS領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用，為將來ITS的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。只是Active車載器價(jià)格高，對我國來說目前還難于推廣。Passive車載器價(jià)格低，便于接受，但是在未來技術(shù)發(fā)展后，容易被淘汰。本試驗(yàn)工程中，我們研究人員經(jīng)過仔細(xì)分析，提出了一套創(chuàng)新思想：如果能在同一車道內(nèi)實(shí)現(xiàn)“A”和“P”的兼容，那用戶就可以自由選擇OBE了，更適合過渡時(shí)期的推廣。后來，經(jīng)過與國家ITSC的討論，正式采用日本豐田集團(tuán)專門研制的一套兼容系統(tǒng)。該ETC系統(tǒng)的無線電天線能兼容Active和Passive，具有創(chuàng)新意義。使用該天線，在虹橋國際機(jī)場出口收費(fèi)站ETC車道中，通行的車輛既可以裝有Active車載器，也可以裝有Passive車載器，顯示了ETC技術(shù)的推廣生命力。A/P兼容式天線工作原理框圖見附圖（1）。Passive和Active車載器構(gòu)成原理框圖見附圖（2）。AVC的確定按照交通部“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不停車收費(fèi)系統(tǒng)行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)指導(dǎo)性意見”的建議，試驗(yàn)工程采用車載電子標(biāo)簽內(nèi)置車型數(shù)據(jù)作為計(jì)費(fèi)額的依據(jù)。考慮到環(huán)形線圈在判斷車隊(duì)和掛車等方面的缺陷，設(shè)計(jì)決定中采用在每車道設(shè)三組紅外光柵檢測器作為車輛檢測器，來區(qū)分通過車道的車長、車間距，以利于ETC系統(tǒng)準(zhǔn)確與安全地操作。VES的確定違章抓拍是ETC中不可缺少的一個(gè)子系統(tǒng)，即使ETC車道安裝了自動(dòng)欄桿，也需要一套高速攝像系統(tǒng)來抓拍問題車輛的車牌號。試驗(yàn)工程中采用數(shù)字圖像抓拍存儲技術(shù)，采用全數(shù)字化攝像機(jī)，每輛車進(jìn)入車道可以連續(xù)留存三幅圖像。車道形式虹橋機(jī)場出口收費(fèi)站共設(shè)8個(gè)收費(fèi)車道，每車道寬3m，收費(fèi)島長30m。按照交通部“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不停車收費(fèi)系統(tǒng)行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)指導(dǎo)性意見”，ETC車道的設(shè)計(jì)車速為40km/h，則ETC車道識別裝置到電動(dòng)欄桿的距離為37m。而本試驗(yàn)工程介入的原則是：不影響原來的人工收費(fèi)形式。所以，針對現(xiàn)有的車道長度，確定ETC車道的設(shè)計(jì)車速為20km/h，識別裝置到電動(dòng)欄桿的距離為37m。具體計(jì)算如下：Ss=L1+St+Lo其中：L1——制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的行走距離（空駛距離）St——制動(dòng)距離Lo——安全距離（5m）V——設(shè)計(jì)行車速度T——反應(yīng)時(shí)間(1.0S，2.0S)k——安全系數(shù)（1.2，1.4）——路面磨阻系數(shù)（0.4）i——道路縱坡當(dāng)V=20km/h，k=1.4，T=1.0S，i=0.01時(shí)Ss=15.15m通信時(shí)間每次車輛與天線之間的交易時(shí)間計(jì)算如下：其中：T——通信時(shí)間SO——通信距離V——設(shè)計(jì)行車速度N——車輛數(shù)通信距離T指天線至車載器間的距離。天線高度5m，車載器安裝高度約1.4m，所以通信距離為3.6m。車輛數(shù)N是指天線所覆蓋的通信范圍內(nèi)的車輛數(shù)，如車長以5m計(jì)，車輛間的間隔為車速的1/2，即10m，則30米車道內(nèi)容納的車輛數(shù)為2輛。這樣，每輛車經(jīng)過ETC車道交易一次所需的通信時(shí)間就等為：T=3.6/20×1/2=0.09S車道設(shè)備的布置車道設(shè)備的具體布置見下圖車道設(shè)備布置圖IC卡選擇為了兼接觸式和非接觸式兩種IC卡之長，我們研究組決定采納組合式“雙界面IC卡”。即，一張IC卡中具有接觸、非接觸兩種界面的接口功能（接觸式接口符合中國金融卡標(biāo)準(zhǔn)，非接觸式接口與現(xiàn)有公交卡一致）。兩種接口共同一個(gè)CPU以及同一個(gè)IC卡操作系統(tǒng)，這樣無論通過哪種接口讀取的信息都可存儲在同一個(gè)CPU中，而且由于共用一個(gè)CPU，卡的成本增加不是很高。因此，可利用接觸式接口功能用于雙片式OBE（OBE十接觸式IC卡），實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)功能；利用非接觸式接口功能在公交、MTC道路收費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用。此種“雙界面IC卡”目前已由北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)成功。操作流程試驗(yàn)工程采用記賬式或儲值卡收費(fèi)方式。記賬式收費(fèi)是每個(gè)用戶有一個(gè)賬號或多個(gè)用戶共用一個(gè)賬號，車載器中存有賬號信息，當(dāng)車輛通過車道時(shí)，收費(fèi)終端記下車輛的賬號和交易額，上傳到管理室，管理室定期統(tǒng)計(jì)出每個(gè)賬號應(yīng)繳的費(fèi)用，并下達(dá)賬單給用戶，用戶到指定地點(diǎn)繳費(fèi)或通過銀行劃帳。用戶操作過程如下：1)用戶首先