高速公路電子不停車收費系統的研究與實現

摘要：不停車收費系統（ETC）是國際上正努力開發并推廣普及的一種用于道路、大橋和隧道的電子收費系統。它為因停車收費引起的交通擁擠、延誤等問題提供了解決思路。文章從系統構成出發，深入研究了系統的原理及實現該系統的關鍵技術。

關鍵詞：高速公路；不停車收費；車輛自動識別；車輛自動分類

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2008)12-0140-03

Abstract: Electronic toll collection system is an international charge system which is being explored and promoted to common use in roads， grand bridges and tunnels. Importantly， this system provides some solutions to the traffic jam， delay and some other problems that are caused by stop-toll. Staring from the structure of the system， this paper deeply studies the priciples of the system and the critical technology that can realize the system.

Key words: super highway; electronic toll collection; automatic vehicle identification; automatic vehicle classification

0引言

隨著高速公路通車里程的迅速增長，高速公路在路網中的重要性日益突出，而傳統的人工收費模式顯然越來越暴露出他的不足。其一是收費票款流失嚴重，財務管理混亂。其二是由于停車收費，導致了車輛的延誤，能源消耗增多并大大污染了環境。更重要的是隨著交通量急劇增大，收費站因車輛排隊交費緩慢而堵塞嚴重，這已經成為道路通行的瓶頸。隨著智能交通系統（intelligent transportation system，ITS）的出現，利用電子計算機技術、電子技術和現代通信技術，建立不停車收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）使車輛和道路智能化，可以從根本上杜絕收費票款的流失現象，解決道路擁擠、堵塞等弊端，提高道路運行安全和效率，實現安全快速的道路交通環境。由上所述可知，在我國研究和發展電子不停車收費系統具有重大的經濟和社會效益，前景十分廣闊。

1系統簡介

1.1系統定義

電子不停車收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）作為智能交通系統（ITS）的重要內容，是國際上正努力開發并推廣普及的一種用于道路、大橋和隧道的電子自動收費系統。ETC利用專用短程微波通訊技術（Dedicated Short Range Communication，DSRC），通過收費車道或路側單元（RUS）與車載單元（OBU）的信息交換，自動識別車輛，采用電子支付方式，自動完成車輛通行費扣除的全自動收費方式。

1.2系統構成及工作原理

ETC在我國經歷10多年的發展路程，技術較為成熟，達到國際先進水平。根據我國路網現狀和ETC應用實際，現在投入使用的ETC多采用先進的5.8GHz微波頻段的DSRC技術，系統車載單元（OBU）則多采用兩片式電子標簽和雙界面CPU卡相結合的方式，成功地實現車輛的不停車收費。

（1）系統構成。ETC系統主要由工控機、車道控制器（NSLC-0105）、電子標簽讀寫天線、車輛檢測器（抓拍線圈以及落桿線圈）、抓拍攝像機、費額顯示器/通行信號燈/聲光報警器、自動欄桿和字符疊加器組成。在各個設備中，電子標簽讀寫天線通過RS232串行電纜線直接連接到工業控制計算機上，由應用程序直接控制；其它設備如自動欄桿、費額顯示器、車輛檢測器等都通過車道控制器與工業控制計算機連接，由應用程序控制。字符疊加器則將過車信息疊加在視頻信號上后傳至收費站監視器。具體系統構成如圖1所示。

（2）系統工作原理。當車輛進入通信范圍時，首先壓到觸發線圈，啟動讀寫天線；讀寫天線與電子標簽(車載機+CPU卡)進行通信，判別車輛電子標簽是否有效，如有效則進行交易，無效則報警并保持車道關閉，直到車輛離開檢測線圈；如交易成功，系統控制欄桿抬升，通行信號燈變綠，費額顯示牌上交易信息；車輛通過抓拍線圈時，系統進行圖像抓拍，字符疊加器將過車信息疊加到抓拍圖像中；車輛通過落桿線圈后，欄桿自動回落，通行信號燈變紅；系統保存交易記錄，并將其上傳至收費站服務器中，等待下一輛車進入。具體過車流程如圖2所示：

2ETC系統的關鍵技術

ETC是國際上最先進的應用于公路收費的系統，是電子技術、通信和計算機、傳感技術、交通工程和系統工程等技術的綜合產物。在本文中，主要介紹了ETC系統中的兩個關鍵技術：自動車輛識別系統（AVI）和自動車型分類系統（AVC）技術的功能實現。

2.1自動車輛識別系統（AVI）的功能實現

車輛識別技術（Automatic Vehicle Identification，AVI）是不停車收費的核心技術。所謂的自動車輛識別就是當車輛通過某—特殊點時，不需要司機或觀察者采取任何措施，就能精確識別車輛身份的一種技術。國際上目前應用的實際情況表明，用于公路不停車收費的車輛識別技術主要以微波和紅外技術為主，車輛識別流程如圖3所示。

（1）光學和紅外AVI技術。該系統利用裝在車輛外面的一個具有代碼標志的標簽，該標簽類似于條形碼，車輛身份信息由一系列寬度或顏色變化的線條表示，當車輛經過讀取單元時，數量和顏色不同的光被反射到讀取單元上，這些光的唯一性被自動分析識別后，以表明識別到車輛的身份代碼信息送到工控機去處理。

（2）射頻和微波AVI系統。射頻和微波技術是目前一些自動車輛識別系統的基礎，它利用微波通訊技術實現數據代碼的傳送。車載無線電收發兩用裝置可以發射或接收頻率范圍為1000Hz，1兆Hz以及千兆Hz的電波。微波系統的優點是使用高頻時，它能夠檢測出比電感環式檢測高出很多的速率傳送的數據，這樣就增加了系統能夠處理的數據量。由于天線的大小與所使用的波長有關，微波收發裝置在尺寸上比電感收發裝置小。

2.2自動車型分類系統（AVC）的功能實現

高速公路是分車型收費的，不同的車型對應著不同的收費標準，所以有一套高精度、高速度的自動車型分類系統（Automatic Vehicle Classification）就顯得尤為重要，目前國內外自動車型分類系統裝置基本上都是根據車輛本身的幾何參數設計的，常用的車輛分型技術主要有激光掃描分型技術、光幕檢測技術和攝像識別技術。

（1）激光掃描分型技術。激光掃描分車型裝置安裝在收費車道上方。激光掃描器以每秒600～700次的頻率不停地掃描進人檢測區的車輛外形，并通過前后兩束已知間距的激光束自動測量車輛的長、寬、高三維尺寸，以車輛的體積為主要參數判定車型。此分車型技術適用與單、多車道自由流電子收費系統。

（2）光幕檢測技術。該技術采用發生垂直的水平光束來檢測車輛的抵達和車輛外形。發射架向車道對面的接受架發射多束平行光束，當車輛通過阻斷光束時，能產生車輛的二維輪廓圖形。它能檢測到拖車掛接裝置，所采用的光束有超聲波、紅外線和激光。

（3）攝像識別技術。攝像識別技術采用攝像機直接獲取通行車輛的視頻圖像。利用圖像處理技術提取車輛的物理參數，判別車輛輪廓信息，如車輛長度、寬度，并進行分類。也有的統一在車牌上直接寫上車型，通過對車牌圖像的數字化處理直接讀取車型。

3結論

將先進的信息技術、數據通信傳輸技術、電子控制技術以及計算機處理技術有效綜合運用于公路運輸管理系統，將成為21世紀現代化運輸體系的基本模式和發展方向，是交通運輸進入信息時代競爭的重要標志。不停車收費技術是近年來發展中的新技術，在高速公路收費上具有許多顯著的優點，相信隨著ITS技術的發展，電子收費系統的運用與發展必定會進入更高的臺階。

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