基于ETC技術(shù)在高速公路收費系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王偉麗

摘要：在現(xiàn)有ETC的OBU基礎(chǔ)上，加入移動通信模塊，形成COBU，整合LBS技術(shù)，既可以滿足ETC收費方式，也可以滿足傳統(tǒng)收費方式，同時有效解決了高速公路收費多路徑問題。由于只是在OBU上進行了復(fù)合，對收費軟件還沒進行改進，ETC功能與路徑識別功能還相對獨立，ETC的收費與清分還沒實現(xiàn)按實際路徑計算，后續(xù)將對收費軟件進行研究改進，將路徑識別相關(guān)數(shù)據(jù)直接運用到ETC收費系統(tǒng)中，作為收費、清分和監(jiān)控依據(jù)，完全實現(xiàn)ETC與路徑識別功能的融合。

關(guān)鍵詞：ETC技術(shù) 高速公路收費系統(tǒng) 應(yīng)用

Abstract: Based on the existing OBU of ETC, adding mobile communication module, the formation of COBU, integrate LBS technology, both to meet the ETC toll way, but also to meet the traditional charging method, while effectively solve the problem of multi-path highway toll. Since only the OBU on a composite of the billing software yet to improve, ETC function and path recognition feature also relatively independent, ETC and clearing fees not realize the actual path calculation, billing software will conduct follow-up research to improve, the path to identify the relevant data directly applied to the ETC toll collection system, as the charges, clearing and monitoring based on the full realization of the path ETC recognition function integration.Keywords: ETC technology highway toll system applications

中圖分類號：U412.36+6文獻標識碼：A文章編號：

1.引言

目前，全國絕大部分省（市、區(qū)）都實現(xiàn)了高速公路聯(lián)網(wǎng)收費，從國家層面，也提出了高速公路全國聯(lián)網(wǎng)收費規(guī)劃，但伴隨著高速公路的快速發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)收費二義性路徑在很多省市已經(jīng)出現(xiàn)，并迅速增多，如何有效識別車輛行駛路徑，實現(xiàn)準確清分，正成為各省市高速公路聯(lián)網(wǎng)收費主管部門著力解決的重要問題。

2.路徑識別技術(shù)

路經(jīng)識別技術(shù)就是將移動通信終端集成到高速公路通行卡或車載單元（onboard unit，OBU）中，當車輛攜帶集成有移動通信終端的通行卡或OBU在高速公路行駛時，移動通信終端就會在無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中移動。為保障無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性，當所處的移動通信網(wǎng)服務(wù)基站信號強度衰減到一定程度時，移動通信終端將選擇新的基站作為當前的服務(wù)基站，即產(chǎn)生了服務(wù)基站的服務(wù)切換（handover）。在切換完成后，移動通信終端將獲取到代表當前服務(wù)基站的新的基站小區(qū)識別碼（cellID），并將該cellID記錄在移動通信終端內(nèi)，根據(jù)cellID對應(yīng)的坐標，即可還原出該移動通信終端對應(yīng)車輛的真實行駛路徑，從而實現(xiàn)對高速公路車輛行駛路徑的準確識別，達到有效解決二義性路徑識別問題的目的。

按照中華人民共和國交通運輸部（2011年第13號公告）中的收費公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費技術(shù)要求，在現(xiàn)有ETC所使用的OBU基礎(chǔ)上加入移動通信模塊，形成復(fù)合車載終端（composite onboard unit，COBU），利用路徑識別技術(shù)，整合路徑識別功能，就可以實現(xiàn)電子不停車收費與路徑識別功能的融合。整合后的COBU包括移動通信模塊、CPU、電源管理、光伏電池、語言播報等模塊，具有獨立運算和存儲功能。由于只是通過加入模塊來整合功能，所以整合后的COBU持有方式與現(xiàn)有ETC管理模式一致，可以兼容傳統(tǒng)收費模式。

3方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有ETC功能和路徑識別要求，COBU需要實現(xiàn)以下功能：

1）ETC基本功能；

2）基于GSM制式，板載SIM卡IC或直接燒號，可以和基站保持聯(lián)系；

3）能夠向固定接收號碼發(fā)送預(yù)設(shè)短消息；

4）能夠接收固定主叫號碼發(fā)出的固定格式短消息，并根據(jù)內(nèi)容進行預(yù)設(shè)的操作；

5）能夠向固定被叫號碼發(fā)送呼叫；

6）能夠接收固定主叫號碼發(fā)起的呼叫；

7）運行、電量低、充電、錯誤等狀態(tài)通過LED和LCD進行顯示；

8）在路側(cè)單元（road side unit，RSU）激活OBU時，能根據(jù)RSU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向IC卡內(nèi)寫入進出站標識；

9）在RSU激活OBU時，能根據(jù)IC卡內(nèi)的進出站標識和卡類型（如記賬卡需要同步開關(guān)機、工作卡不需要同步關(guān)機）同步實現(xiàn)通信模塊的進站開機和出站關(guān)機；

10）當RSU因為網(wǎng)絡(luò)故障等原因不能通知智能交通系統(tǒng)OBU的進出站狀態(tài)時，OBU可通過預(yù)設(shè)短消息或呼叫與智能交通系統(tǒng)同步狀態(tài)；

11）通過人工車道進出站，IC卡會被寫入進出站標識，當IC卡被插入OBU時，能根據(jù)IC卡內(nèi)的進出站標識和卡類型同步實現(xiàn)通信模塊的進站開機和出站關(guān)機；

12）OBU能根據(jù)接收到的特定短消息或特定呼叫實現(xiàn)通信模塊的關(guān)閉，以滿足測試期間關(guān)閉通信模塊的需求和OBU駛出路網(wǎng)后因管理需求關(guān)閉通信模塊的需求；

13）能將OBU途經(jīng)基站的cellID等數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則記錄到IC卡上；

14）在通信模塊運行期間，若IC卡被拔出或電量低時，能進行定時聲光提醒；

15）可根據(jù)接收到的短消息播放或組合播放語音片段，語音片段數(shù)量不小于400條；

3.2硬件設(shè)計

完整的ETC系統(tǒng)由OBU，RSU，ESAM（embedded secure access module）、雙界面CPU卡、OBU初始化編程器等多部分組成。因此，COBU的設(shè)計，要實現(xiàn)在兼容當前ETC系統(tǒng)所有部件的基礎(chǔ)上，整合通信模塊的功能，設(shè)計需遵循以下基本性能要求。

3.2.1物理與電氣需求

1）物理尺寸：無特定尺寸限制，具備1個接觸式IC讀卡器插槽，能完全插入1張IC通行卡；

2）無線參數(shù)：整合GSM 900/1 800 MHz制式無線模塊、5.8 G微波模塊和13.56 M讀卡器模塊；

3）電池容量與循環(huán)周期：可更換電池設(shè)計，單一電池容量不小于2 000 mAH，且具備不小于1 000次的充放電循環(huán)，可擴展光伏電池充電功能。

3.2.2接口與管理需求

1）5.8 G微波接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

2）接觸式讀卡器接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

3）13.56 M讀卡器接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

4）GSM無線接口，支持向特定目標號碼發(fā)送和接收ASCII編碼短消息，支持向特定目標號碼發(fā)起語音呼叫，支持接收特定主叫號碼發(fā)起的語音呼叫；

5）具有1個按鈕，其功能可配置為觸發(fā)呼叫或短消息，或者觸發(fā)關(guān)閉通信模塊事件；

6）1個激活感應(yīng)開關(guān)，位于OBU安裝工作面，用于物理激活OBU的工作狀態(tài)；

7）1個IC卡插入感應(yīng)開關(guān)，位于IC卡槽內(nèi)部，用于感應(yīng)是否已插入IC卡；

8）顯示能力，1個單色LCD顯示屏，帶背光，具備至少1行固定圖標和1行漢字（不少于7個字符）的顯示能力；

9）LED指示，至少1個3色LED，用于顯示電量和工作狀態(tài)；

10）語音提示，具有揚聲器，可播放固定語音片段或組合語音片段；

11）有線充電接口，用于車載充電器進行充電；

12）可擴展光伏電池充電。

3.2.3模塊劃分

COBU終端系統(tǒng)可劃分為三大部分。

1）普通OBU模塊部分，5.8 G收發(fā)模塊、天線和ESAM模塊；

2）通訊模塊部分，GSM射頻模塊、天線和SIM卡；

3）公用模塊部分，包括CPU，電源部分（電源管理、充電電路、鋰電池和光伏電池等），接觸式與非接觸式讀卡器，LED指示，LCD顯示，揚聲器和可配置按鈕。

上述模塊劃分中以GSM模塊中的CPU為系統(tǒng)主CPU，若GSM模塊中的CPU功耗、喚醒時間不能滿足OBU交易的需求，或該CPU接口不足，再增加專屬于OBU功能的CPU。

3.3軟件設(shè)計

3.3.1主要功能實現(xiàn)

1）接收短信處理。

①MMI task注冊接收短信的處理函數(shù)；

②接收短信產(chǎn)生中斷，激活CPU core，且修改相應(yīng)的寄存器；

③低級中斷激活高級中斷，高級中斷產(chǎn)生event；

④messageRcv task 等待事件，收到event，讀取寄存器，確認收到短信，發(fā)送message 到 MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊的該接收短信的處理函數(shù)，執(zhí)行以下相應(yīng)的動作：檢查短信內(nèi)容，確認是否合法短信，如不是，則刪除該短信并退出短信接收操作；如是合法短信，則根據(jù)短信內(nèi)容，控制某個GPIO點亮紅色LED燈，維持3 s，并檢查感應(yīng)寄存器是否被置位，是否需要？最后，刪除該短信，同時啟動電源管理處理函數(shù)。

2）開機。

①MMI task注冊開機處理函數(shù)；

②開機后（實際上是通過監(jiān)測特定GPIO產(chǎn)生的中斷喚醒sleep狀態(tài)的CPU），檢查相應(yīng)的GPIO寄存器確認為開機動作；

③低級中斷激活高級中斷，高級中斷產(chǎn)生event；

④open card task等待事件，收到event，發(fā)送message到MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作——啟動電源管理處理函數(shù)，啟動待機處理函數(shù)。

3）待機。

①MMI task注冊待機處理函數(shù)；

②檢查相應(yīng)的GSM通信寄存器，確認為待機成功；

③低級中斷激活高級中斷，高級中斷產(chǎn)生event；

④standby task 等待事件，收到event，發(fā)送message 到 MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作——啟動點管理函數(shù)，輪詢檢查寄存器，確認同基站的聯(lián)系狀態(tài)。

4）電源管理。

①MMI task注冊電源管理函數(shù)；

②系統(tǒng)在開機后、關(guān)機前以及充電狀態(tài)下，收發(fā)短信時，產(chǎn)生event；

③PMU task 等待事件，收到event，發(fā)送message 到 MMI task；

④MMI framework 找到MMI注冊的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作：檢查電池電量，檢查系統(tǒng)（包括CPU內(nèi)部）電源狀況，根據(jù)event類型進行相應(yīng)的處理。

關(guān)機前，event同時計算從開始進入待機狀態(tài)的電池電量到結(jié)束待機狀態(tài)的電池電量，除以對應(yīng)的時間，如果大于某個特定的值則表示電池需要更換，然后控制GPIO，使紅燈常亮；如果小于特定的值但電池電量低于50%，則閃爍紅色LED提醒充電，否則關(guān)閉除CPU內(nèi)核外的其它電源供應(yīng)。

開機后，event則確認電量是否大于50%電池容量，如大于5%，則紀錄電池電量并點亮綠色LED，維持3 s，退出處理進入到待機狀態(tài)；如小于50%，則控制某個GPIO點亮紅色LED燈，維持3 s，表示需要充電。

如需充電，event則判斷剩余電量是否小于70%，小于70%開始充電，并常亮紅色燈表示開始充電；剩余電量大于70%或充電滿，則常亮綠色燈，表示充電結(jié)束。

待機時，event打開CPU和pSRAM電源，打開MT8139和RF天線處于接收信號狀態(tài)，收到基站信號則閃爍綠燈（每5 s亮200 ms），關(guān)閉其他不必要的電源供應(yīng)。

按鍵event，則打開CPU和pSRAM電源，打開MT8139和RF天線，處于發(fā)送信號狀態(tài)。

3.3.2系統(tǒng)工作原理

OBU隨對應(yīng)車輛進出ETC通道時，實現(xiàn)正常的開關(guān)機激活流程①，并完成標準的ETC數(shù)據(jù)交互，同時實現(xiàn)進站激活通信模塊，出站關(guān)閉通信模塊。若RSU與智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路②通訊正常，在激活或者關(guān)閉通信模塊的過程中，不需要短消息網(wǎng)關(guān)③④⑤的參與；若RSU與智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路②斷開，通信模塊則通過預(yù)定義短消息⑤④③告知智能交通系統(tǒng)是否已進站或者出站，以便實現(xiàn)后臺的同步監(jiān)控。

將5個FOBU終端分別裝車，在高速公路相關(guān)單位的支持與配合下，有針對性地選擇傳統(tǒng)收費車道和現(xiàn)有ETC車道進行技術(shù)驗證測試。測試數(shù)據(jù)表明：按原有收費方式測試，刷卡正常；按現(xiàn)有ETC方式測試，抬桿正常，路徑識別正常，驗證了系統(tǒng)設(shè)計功能。

長/msFOBU01正常40非二義性—正常260FOBU02正常30二義性正常正常380FOBU03正常40二義性正常正常390FOBU04正常40二義性正常正常405FOBU05正常50二義性正常正常400

參考文獻：

[1] 趙祎.RFID在高速公路收費系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J]. 科技信息. 2010(25)

[2] 牛翔.淺談高速公路自動化收費系統(tǒng)[J]. 廣東科技. 2007(08)