基于雙區(qū)域通信的ETC與MTC組合收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹成濤

摘要：針對(duì)現(xiàn)有MTC系統(tǒng)改造為組合收費(fèi)系統(tǒng)的需要，提出了基于雙區(qū)域通信的ETC與MTC組合收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。給出了組合收費(fèi)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架和ETC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；對(duì)單通信ETC車道系統(tǒng)和雙通信ETC車道系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，得出了組合收費(fèi)系統(tǒng)中采用雙通信ETC車道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；分析了組合式收費(fèi)兩種主要的車道部署方式和其優(yōu)缺點(diǎn)，給出了組合收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程。實(shí)踐證明該方法可行，為改造現(xiàn)有的MTC系統(tǒng)提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：組合收費(fèi)；雙區(qū)域通信；收費(fèi)車道；ETC；MTC

中圖分類號(hào)：TP393：U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A摘要：針對(duì)現(xiàn)有MTC系統(tǒng)改造為組合收費(fèi)系統(tǒng)的需要，提出了基于雙區(qū)域通信的ETC與MTC組合收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。給出了組合收費(fèi)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架和ETC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；對(duì)單通信ETC車道系統(tǒng)和雙通信ETC車道系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，得出了組合收費(fèi)系統(tǒng)中采用雙通信ETC車道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；分析了組合式收費(fèi)兩種主要的車道部署方式和其優(yōu)缺點(diǎn)，給出了組合收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程。實(shí)踐證明該方法可行，為改造現(xiàn)有的MTC系統(tǒng)提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：組合收費(fèi)；雙區(qū)域通信；收費(fèi)車道；ETC；MTC

中圖分類號(hào)：TP393：U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

電子不停車收費(fèi)（簡稱ETC）是國際上正在努力開發(fā)并推廣普及的一種用于公路、大橋和隧道的收費(fèi)技術(shù)。它通過車載電子標(biāo)簽（OBU）與安裝在路側(cè)或龍門架上的路邊設(shè)備（RSU）之間的微波通信，ETC車道計(jì)算機(jī)根據(jù)“電子標(biāo)簽”中存儲(chǔ)的信息識(shí)別出車輛信息，在不需要司機(jī)停車情況下，自動(dòng)完成收費(fèi)處理全過程[1]。不停車、免現(xiàn)金支付、無需人工操作是電子收費(fèi)系統(tǒng)的3個(gè)主要特點(diǎn)。

2007年，交通部《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》提出“人工半自動(dòng)收費(fèi)為主，電子不停車收費(fèi)為輔”的組合式收費(fèi)方式，要求在現(xiàn)有MTC收費(fèi)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展組合式電子收費(fèi)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的MTC收費(fèi)方式與電子不停車收費(fèi)方式的兼容與互補(bǔ)；廣東省也提出2012年實(shí)現(xiàn)珠三角所有城市出入口至少設(shè)置一入一出ETC車道。但是如何科學(xué)經(jīng)濟(jì)地對(duì)現(xiàn)有的MTC系統(tǒng)改造，使組合收費(fèi)能兼容現(xiàn)有的已經(jīng)成熟的MTC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)ETC系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合仍然值得探索，也是推廣ETC收費(fèi)面臨的問題之一。

為實(shí)現(xiàn)組合式收費(fèi)，需要在現(xiàn)有收費(fèi)站MTC車道改造設(shè)置ETC收費(fèi)專用車道或雙界面IC卡專用收費(fèi)讀寫機(jī)具。在3個(gè)以上車道的收費(fèi)站，車道通行ETC用戶占收費(fèi)站總流量的2%或收費(fèi)廣場日ETC用戶通行量達(dá)到300輛時(shí)，需設(shè)置1條以上的ETC收費(fèi)專用車道，允許使用雙界面IC卡的ETC電子標(biāo)簽用戶，不停車通過收費(fèi)站；在流量小的收費(fèi)站，僅增設(shè)雙界面IC卡專用收費(fèi)讀寫機(jī)具，允許ETC用戶從雙片式ETC電子標(biāo)簽中取出雙界面IC卡以非接觸操作的方式刷卡扣款，短暫停車后通過收費(fèi)站[2—3]。由于3個(gè)以上車道交通流大的收費(fèi)站居多，本文針對(duì)這種收費(fèi)站的改造提出了基于雙區(qū)域通信的ETC與MTC組合收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1組合式電子收費(fèi)技術(shù)系統(tǒng)框架

組合式電子收費(fèi)是在原有的MTC收費(fèi)車道新增的一個(gè)功能，只需對(duì)原MTC車道修改設(shè)置ETC車道以支持組合式電子收費(fèi)。組合式收費(fèi)站構(gòu)成如圖1所示。

對(duì)于未安裝ETC標(biāo)簽的用戶只有一種收費(fèi)方式：從MTC車道進(jìn)入，領(lǐng)取通行卡，從MTC車道駛出，卡片交收費(fèi)員回收，并繳納現(xiàn)金；對(duì)于安裝了雙片式ETC電子標(biāo)簽用戶，共有3種收費(fèi)方式。具體如表1所示。

我國2007年頒布的《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》規(guī)定使用5.8GHz微波頻段的專用短程通信（DSRC）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電子不停車收費(fèi)。ETC系統(tǒng)主要包括路側(cè)設(shè)備（RSU）和車載設(shè)備（OBU）兩部分：路側(cè)設(shè)備指安裝在車道控制系統(tǒng)前端的起信息采集作用的微波讀寫控制器，其由天線和讀寫控制器組成，實(shí)現(xiàn)AVI信息驗(yàn)證、支付信息驗(yàn)證等功能，并控制ETC車道的電子設(shè)施；車載設(shè)備一般安裝在車輛前擋風(fēng)玻璃上，由兩片式電子標(biāo)簽與IC卡組成，存有車牌號(hào)、汽車ID等識(shí)別信息[4—5]。ETC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2組合式收費(fèi)中ETC通信區(qū)域選擇

2.1單通信區(qū)域ETC車道系統(tǒng)

單通信ETC車道系統(tǒng)根據(jù)天線通信的覆蓋區(qū)域可以分為長通信區(qū)域和短通信區(qū)域兩種。由于車輛能較早進(jìn)入長通信區(qū)域的有效通信范圍，ETC系統(tǒng)天線響應(yīng)早，車輛能以較快的速度通過，提高了通行效率；短通信區(qū)域ETC系統(tǒng)有效通信范圍小，通信覆蓋范圍內(nèi)僅能容納一輛車，因此收費(fèi)交易清晰。現(xiàn)有的ETC車道系統(tǒng)大都采用單通信區(qū)域技術(shù)[1]。單通信ETC車道的2種通信區(qū)域?qū)Ρ热鐖D3所示：

單通信區(qū)域ETC車道系統(tǒng)主要有以下缺陷：

（1）長通信區(qū)域ETC車道跟車干擾嚴(yán)重

由于長通信區(qū)域ETC車道有效通信范圍大，約10米，經(jīng)常有2輛以上的車同時(shí)處于天線有效通信范圍內(nèi)部，當(dāng)前車不能正常交易而后車可進(jìn)行交易時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)前車被放行而正常交易的后車被攔截的錯(cuò)誤，容易引起糾紛。

（2）短通信區(qū)域ETC車道車輛通行速度低

通信區(qū)域ETC車道通信距離僅為6.5米左右，進(jìn)行交易時(shí)，車輛需要駛到自動(dòng)欄桿較近處，只能極低速通過，降低了ETC車道的通行速度和效率。

（3）自動(dòng)欄桿前2米存在較大的通信盲區(qū)

現(xiàn)有的單通信區(qū)域ETC的車道布局中，天線通常位于自動(dòng)欄桿前2米左右，由于天線和OBU的方向特性，車輛到達(dá)天線下方時(shí)已不能正常通信，欄桿前約2米以內(nèi)存在較大的通信盲區(qū)。當(dāng)車輛行駛速度快在通信區(qū)內(nèi)沒有完成交易而行駛到靠近自動(dòng)欄桿時(shí)，將無法繼續(xù)進(jìn)行交易，車輛因此無法正常通過。

（4）ETC車道需要倒車的現(xiàn)象嚴(yán)重

由于自動(dòng)欄桿前通信盲區(qū)的存在，以及由于OBU的性能差異和車輛行駛速度的不確定性，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)需要倒車的情況。交通繁忙時(shí)，倒車十分困難，容易造成ETC車道堵塞。

2.2雙通信區(qū)域的ETC車道系統(tǒng)

為了解決單通信區(qū)域ETC車道系統(tǒng)所存在的問題，組合收費(fèi)系統(tǒng)采用基于雙通信區(qū)域天線的ETC車道系統(tǒng)。

如圖4所示，雙通信區(qū)域ETC車道方案將天線的通信區(qū)劃分為遠(yuǎn)、近兩個(gè)通信區(qū)域。遠(yuǎn)端通信區(qū)（A區(qū)）通信范圍大，可以覆蓋多輛車；近端通信區(qū)（B區(qū)）通信范圍小，僅可容納一輛車；并且2個(gè)通信區(qū)域有重疊，避免出現(xiàn)通信盲區(qū)。在車道系統(tǒng)的控制下，根據(jù)車輛的位置和交易狀態(tài)完成通信區(qū)域的切換，當(dāng)A區(qū)沒有完成與車輛的通信時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到近端區(qū)繼續(xù)進(jìn)行交易，直到交易完成，放行正常交易車輛或攔截非法車輛，在任一時(shí)刻僅其中一個(gè)通信區(qū)域處于活動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)車輛駛?cè)胗|發(fā)地感時(shí)，天線遠(yuǎn)通信區(qū)被激活并與OBU進(jìn)行交易。如圖5所示。

若交易完成，則系統(tǒng)控制自動(dòng)欄桿抬起，放行車輛。如有以下情況，將導(dǎo)致在遠(yuǎn)通信區(qū)的無法交易或不能完成交易：

（1）非法車輛闖入，無法識(shí)別，無法交易；

（2）未在OBU內(nèi)插入通行卡，無法交易；

（3）車速較快，在遠(yuǎn)通信區(qū)不能完成交易；

（4）天線反應(yīng)遲鈍，在遠(yuǎn)通信區(qū)不能完成交易。

這時(shí)，車輛駛到近通信區(qū)，系統(tǒng)自動(dòng)將天線的通信覆蓋區(qū)域由遠(yuǎn)通信區(qū)切換到近通信區(qū)，并在近通信區(qū)繼續(xù)交易。如圖6所示。

2.3雙通信區(qū)域ETC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）有效解決了跟車干擾問題

使用雙通信區(qū)域方案后，若近通信區(qū)（B區(qū)）內(nèi)有車輛存在時(shí)，則系統(tǒng)工作于B區(qū)（此時(shí)不能切換到原通信區(qū)），由于B區(qū)僅能容納一輛車，因此不會(huì)與后面跟車的OBU發(fā)生交易，可以有效解決后車交易放行前車的問題。

（2）保證車輛通行速度，提高了服務(wù)水平

雙通信區(qū)方案，其通訊區(qū)是遠(yuǎn)區(qū)與近區(qū)疊加后形成的總通訊區(qū)，通信范圍比原來兩種單通信區(qū)域大，加快了車輛處理時(shí)間，因此保證了車輛的通行速度，提高了收費(fèi)車道的服務(wù)水平。

（3）解決了欄桿前通信盲區(qū)問題

在雙通信區(qū)域方案中，由于有專門處理駛?cè)虢ㄐ艆^(qū)（B區(qū)）車輛的通信設(shè)計(jì)，所以車輛從側(cè)面變道插入ETC車道時(shí)仍處于良好的通訊狀態(tài)，解決了欄桿前通信盲區(qū)問題。

（4）減少倒車和跟車情況

雙通信區(qū)方案，可以有效避免單通信區(qū)環(huán)境下常見的倒車和跟車情況。由于欄桿前的區(qū)域已被天線通訊的穩(wěn)定區(qū)所覆蓋，不存在要倒車到穩(wěn)定區(qū)的情況。如果有前車在近通信區(qū)時(shí)，天線保持工作于B區(qū)，此時(shí)不可能與后車交易，也就消除了后車跟車逃費(fèi)的隱患。

3實(shí)施方案

組合式收費(fèi)車道部署方式主要有兩種方式，一種采用車道中置的方式，對(duì)現(xiàn)有人工收費(fèi)站改動(dòng)較大，需要大量的土建施工，成本較高；另一種建設(shè)部署方式只需要在現(xiàn)有車道上增加ETC系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的讀寫天線（路側(cè)單元RSU）這樣的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)現(xiàn)有人工收費(fèi)車道改動(dòng)相對(duì)較小。

3.1ETC車道中置的方式

為了使安裝有電子標(biāo)簽的車輛能夠方便快捷通過ETC車道，除了采用雙通信區(qū)域方案外，ETC車道一般采取中置設(shè)置原則，即將ETC車道設(shè)置在中央分隔帶兩側(cè)的車道。

ETC收費(fèi)島加長，欄桿與MTC島頭平齊。在該種布局下，當(dāng)車輛進(jìn)入ETC車道出現(xiàn)交易異常后，可以不需要倒車即可通過輔助的車流引導(dǎo)設(shè)施引導(dǎo)至右邊的MTC收費(fèi)車道，最大限度地保障了ETC車道的通暢，也避免了未安裝電子標(biāo)簽車輛誤入帶來的麻煩。

ETC車道中置方式如圖7所示：

3.2對(duì)現(xiàn)有MTC車道改造的方式

該方式在現(xiàn)有車道上增加RSU，對(duì)MTC車道做盡量少的改造，投入成本較少，使之應(yīng)用于ETC收費(fèi)，車輛進(jìn)入ETC車道如果自動(dòng)收費(fèi)不成功，則人工干預(yù)抬桿放行或車輛退出ETC車道進(jìn)入MTC收費(fèi)。如圖8所示。

4ETC系統(tǒng)工作流程

車輛進(jìn)入駛?cè)隕TC車道，壓到遠(yuǎn)地感線圈時(shí)遠(yuǎn)區(qū)天線打開，讀寫天線與車輛上電子標(biāo)簽進(jìn)行通訊；如果車輛速度較快等原因造成車輛在遠(yuǎn)通信區(qū)讀卡不成功，車輛前行壓到近通信線圈后則會(huì)啟動(dòng)近通信區(qū)域通信，具體如圖9所示。

5結(jié)論

本文在分析前人已有研究的基礎(chǔ)上，闡述了基于雙區(qū)域通信的組合式收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。給出了組合收費(fèi)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架和ETC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；對(duì)單通信ETC車道系統(tǒng)和雙通信ETC車道系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，得出了組合收費(fèi)系統(tǒng)中采用雙通信ETC車道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；分析了組合式收費(fèi)車道兩種主要的部署方式和其優(yōu)缺點(diǎn)。本文介紹的改造現(xiàn)有的MTC系統(tǒng)為組合收費(fèi)系統(tǒng)的方法已在廣東高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明該方法可行，為改造現(xiàn)有的MTC系統(tǒng)提供了一種思路。

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