高速公路ETC計重收費系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

蔡燕震

（山西太舊高速公路管理有限責任公司，山西 太原 030031）

高速公路電子不停車收費系統(tǒng)就是所謂的ETC收費系統(tǒng)，是通過車載電子單元與收費島內(nèi)設(shè)置的自動識別系統(tǒng)組成[1-3]。高速公路ETC收費能夠有效提高過車收費效率，保證高速公路收費系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，目前廣東省聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)中已將組合式ETC收費系統(tǒng)推廣應(yīng)用，不僅提高了過車效率，而且對智能運輸系統(tǒng)的發(fā)展起到一定推動作用。

1 高速公路ETC收費規(guī)劃

1.1 收費基本原則

ETC計重收費基本原則也是根據(jù)貨車實際軸重或者總重進行收費，并根據(jù)貨車超載率規(guī)定收費檔次和收費標準，按以下3個原則進行設(shè)計規(guī)劃[4]。

1.1.1 實用性原則

實用性是在考慮ETC系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，盡量降低改造工程量，充分利用現(xiàn)有布局，完善相應(yīng)設(shè)施，保證ETC運行，提高系統(tǒng)的實用性和可推廣性。

1.1.2 穩(wěn)定性原則

由于ETC自動收費體系是無人專門看管的全方位自動化系統(tǒng)，ETC計重收費中需增加計重系統(tǒng)和費用計算系統(tǒng)，目前使用的普通計重系統(tǒng)尚且不能充分滿足ETC系統(tǒng)需要，因此需要增加高穩(wěn)定性計重設(shè)備保證系統(tǒng)正常運行。

1.1.3 高效率原則

ETC不停車收費系統(tǒng)就是為了達到快速收費要求，減少收費導(dǎo)致的停車和堵車現(xiàn)象，在規(guī)劃過程中，應(yīng)當充分考慮過車效率和過車速度問題。

1.2 ETC車道布局與分區(qū)

根據(jù)ETC收費原則，結(jié)合系統(tǒng)處理邏輯，箱體車最大長度為16 m，平板車型最大長度為17.5 m，則需設(shè)置能保證貨車稱重的前置距離最小應(yīng)為18 m，收費島內(nèi)需設(shè)置稱量臺，在現(xiàn)有ETC車道系統(tǒng)過車邏輯的基礎(chǔ)上，將稱臺前置，能夠減少一定的額外工作量，提高通行效率。

1.3 硬件設(shè)施規(guī)劃

ETC計重收費系統(tǒng)主要分為A、B兩個區(qū)域，并通過工控計算機總體控制，各區(qū)域硬件設(shè)施規(guī)劃如表1所示。

表1 ETC計重收費系統(tǒng)各區(qū)域硬件設(shè)施

A區(qū)、B區(qū)均設(shè)置車輛識別、檢測、抓拍設(shè)備。在B區(qū)設(shè)置彎板式稱重設(shè)備。

2 DSRC車輛自動識別技術(shù)

2.1 DSRC體系

DSRC車輛識別系統(tǒng)就是由車載電子元件、卡片和DSRC天線組成[5]。當車載元件發(fā)出的OBU信息被天線讀取后，進行身份驗證和信息錄入。DSRC系統(tǒng)可以通過后臺系統(tǒng)、車道控制系統(tǒng)、RSE信息、OBU信息以及支付信息相互串聯(lián)，完成車輛識別收費過程。

2.2 車載單元與繳費CPU卡

車載單元是裝于車內(nèi)用于過車時與DSRC設(shè)備進行信息互換的裝置，車輛進入高速時會記錄其車型、尺寸、車牌、車顏色等相關(guān)信息。而與其配套的是雙界面CPU繳費卡，在ETC中，CPU卡是用于數(shù)據(jù)存儲、費用支付的重要元素。

2.3 自動識別過程

a）入口識別 車輛進入收費站DSRC信號范圍后便會讀取車載單元中關(guān)于車輛的相關(guān)信息，然后寫入入口站名和編碼以及記錄進入高速時間，是一個數(shù)據(jù)寫入過程。

b）出口識別 出口識別是一個數(shù)據(jù)讀取過程[6]。通過讀取卡片中存儲的車輛信息和入口信息，通過車輛驗證和計費。

3 車輛動態(tài)稱重技術(shù)

ETC中，動態(tài)車輛計重收費體系要求在無需停車的情況下完成車輛稱量和費用計算。因此對稱重設(shè)備的要求相對較高，其主要包括稱重控制器、傳感器、車輛分離器、車輛檢測線圈等[7]。

如圖1所示，在車輛駛?cè)隑區(qū)時，進入收費系統(tǒng)，通過稱重終端將重量等信息傳輸?shù)绞召M計算控制電腦，并對其數(shù)據(jù)進行存儲，以便出口識別時候調(diào)出使用[8]，該稱重終端屬于動態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)，車輛在稱重設(shè)備上時，迅速將車輛重量信息收集傳遞至收費電腦保存。

圖1 稱重識別與數(shù)據(jù)存儲

3.1 彎板稱重設(shè)備

稱重設(shè)備主要采用彎板式傳感器，通過稱量器受壓變形獲取內(nèi)部感應(yīng)線圈的應(yīng)變變化測量車輛重量。其主要特征包括進度高、穩(wěn)定性好、耐久性和耐腐蝕性好，并且不受到剎車或加速引起的水平方向力影響，該彎板稱重設(shè)備的稱重精度能達到1%～1.5%，完全能夠滿足計重收費要求。

3.2 壓電傳感器

稱量信息通過壓電傳感器獲取信號累加并傳送至稱量控制器中進行分析。其設(shè)計較為簡單，不過其壽命相對較短，受各方面因素影響較大。彎板式稱重設(shè)備和壓電傳感器相比，彎板式稱重設(shè)備更具有優(yōu)勢。因此，本研究也選用彎板式稱重設(shè)備。

4 ETC計重收費過車效率分析

ETC計重收費系統(tǒng)的設(shè)計和實施，需要對過車效率進行綜合評價，其主要采用過車速度指標來評價ETC收費效果。通過對試驗車道的實際過車時各項指標的數(shù)據(jù)收集和記錄，分析ETC計重收費系統(tǒng)的多車效率，主要采用過車速度和過車成功率來評價其過車效果。

4.1 通過速度分析

過車速度是用于評價過車效率的重要因素，當過車速度較快時，單位時間的過車總數(shù)就會增加，這樣有利于減少車輛在收費站停留時間過長的現(xiàn)象。由于部分收費站承受著來自多條道路合并后的車流通行，過車壓力很大，根據(jù)我國對ETC收費體系的設(shè)計要求，不停車收費需要滿足平均通行速度達到20 km/h。由于計重收費不同于其他的ETC收費體系，其需設(shè)置更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備以及更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理終端，表2為采集的ETC計重收費體系中稱重和過車速度情況。

表2 ETC計重收費過車速度分析表

從表2可知，總共對20次過車情況進行觀測記錄，平均稱重為 1 872.5 kg，平均過車速度為21.65 km/h，已經(jīng)超過了設(shè)計的過車速度為20 km/h的要求，從過車平均速度角度看，采用ETC計重收費優(yōu)勢較為明顯。但是仔細分析收集結(jié)果可知，車輛稱重情況與過車速度存在一定影響關(guān)系，從總體情況看，車輛重量越大，過車速度越小。稱重的標準差為318.78 kg，而速度的標準差為3.54 km/h，其中最大過車速度為31 km/h，對應(yīng)的車重為1 100 kg，最小過車速度為16 km/h，對應(yīng)的車重為2 300 kg，而最大車重為2 350 kg，其對應(yīng)的過車速度為18 km/h，這就說明，由于汽車司機的駕駛行為差異較大，并非完全滿足車越重，過車速度越慢的規(guī)律，但是基本趨勢較為明顯。

4.2 過車成功率分析

過車成功率主要是指使用ETC收費后，車輛在不出現(xiàn)任何故障和差錯的情況下順利通過。總共測試了900次過車情況，其中出現(xiàn)異常情況統(tǒng)計如表3所示。

表3 特定條件下過車成功率統(tǒng)計表

由于ETC不停車收費系統(tǒng)受到許多不確定因素影響，因此設(shè)定集中特定條件下的過車情況進行分析。其中主要包括人為因素：未插卡、無電子標簽、停留超時等，也設(shè)置了集中設(shè)備異常等因素。

從表3可知，在出現(xiàn)異常情況中，未插卡和無電子標簽的車輛數(shù)量最多，其中未插卡出現(xiàn)了10次，警報無電子標簽的情形出現(xiàn)了7次。人為拆卸電子標簽2次，其余均只有1次。從這些因素看，2、5、6、7、8均屬于人為因素。因此在計算通過成功率中，應(yīng)當去除，序號為3、4、9的情形未成功過車。因此過車成功率=（900-3）/900=99.67%。由此可知，在特定故障發(fā)生條件下，該ETC計重收費的成功率能夠達到99.5%以上，過車成功率較高，過車失敗情形對過車效率造成的影響較小。

5 過車連續(xù)性分析

過車連續(xù)性是體現(xiàn)不停車收費系統(tǒng)在單位時長內(nèi)通過車輛數(shù)和過車狀態(tài)是否良好的指標。過車連續(xù)性越好，造成車輛滯留堵塞幾率就越小，越有利于收費系統(tǒng)效率的提高。由于小車和貨車差異較大，主要對小車過車效率和貨車過車效率進行分析，其中貨車需要通過A、B兩個區(qū)域。

5.1 小車連續(xù)性分析

小車自重較小，操作靈活，在通過收費站時，車速通常會相對較快，車輛過車用時相對較短，此次測試總共測試了20輛小車連續(xù)通過收費站的情況。第1輛車的開始交易時間為上午11：05：22.629，最后第21輛車的開始交易時間為11：21：33.188，期間的20輛車的過車交易用時和過車時間如表4所示。

表4 小車過車連續(xù)性統(tǒng)計表

從表4可知，小車的平均交易時長為276.3 ms，平均過車時間為6.35 s，交易時間的標準差為55.63 ms，過車時間的標準差為2.20 s，由于交易用時均有系統(tǒng)控制，但是受影響的因素較多，因此其標準差較大。最長交易時間達到350 ms，而最短時間僅為170 ms，二者相差了180 ms，這就說明系統(tǒng)的識別功能穩(wěn)定性仍有待提高。此外，影響交易時間的還有車載單元的放置位置，恰當?shù)姆胖梦恢媚軌蛴行鬏斳囕d信號，使得DSRC天線能夠迅速識別并獲取相關(guān)信息，由于電腦控制系統(tǒng)的處理邏輯都是相同的，因此數(shù)據(jù)分析處理方面出現(xiàn)的時間差異不大，重點在于信號傳輸和信息識別過程。

5.2 貨車連續(xù)性分析

貨車通過ETC計重收費平臺時，需要先通過A區(qū)識別車輛信息后進入B區(qū)進行計重，具體收費是在B區(qū)得以實現(xiàn)，就貨車而言，其過車時間是包括A、B區(qū)的交易時長和在期間行駛所用時間。此次測試從14：20：35.545開始記錄第1輛貨車通行情況，并連續(xù)觀測20輛貨車的通行情況，在各區(qū)域交易時長以及總過車時間如表5所示。

表5 貨車過車連續(xù)性統(tǒng)計表

從表5可知，貨車在A區(qū)的平均交易時長為289.6 ms，交易時長的標準差為114.66 ms，然而在B區(qū)的平均交易時長則為1 336.05 ms，標準差為1 517.58 ms，標準差相當大，這就說明，在B區(qū)稱重交易過車中，交易時長的波動性比較大。在A區(qū)的最大交易時長為760 ms，最小交易時長為242 ms。而在B區(qū)的最大交易時長為6 140 ms，最短交易時長為279 ms，雖然B區(qū)的最短交易時長比A區(qū)平均交易時長較短，但是，從現(xiàn)場情況看，在B區(qū)交易時長較短的貨車，多為空車或者載貨量相對較少的車輛。而從總過車時間看，貨車平均過車時間為28.4 s，最大為49 s，最小為14 s。小車的平均過車時間僅為6.35 s，說明貨車在通過收費站的時間和程序上均不如小車方便靈活。

5.3 連續(xù)過車優(yōu)點

從收費站本身使用情況看，連續(xù)過車可以減少車輛在站內(nèi)停車和起步的次數(shù)。由于汽車剎車和起步過車均會產(chǎn)生較大的摩阻力，路面受到水平方向力作用下，容易發(fā)生推移變形等破壞。目前大多數(shù)收費站均采用混凝土結(jié)構(gòu)路面，但是，長期重復(fù)的荷載效應(yīng)，對其使用壽命均會產(chǎn)生不良影響。連續(xù)不停車過車有利于減少汽車荷載對路面的破壞。

6 結(jié)語

通過對ETC計重收費系統(tǒng)的規(guī)劃、DSRC車輛自動識別技術(shù)以及車輛動態(tài)稱重技術(shù)的敘述與分析，對ETC計重收費系統(tǒng)的過車效率和連續(xù)性進行分析評價。結(jié)果表明：ETC計重收費系統(tǒng)平均過車速度為21.65 km/h，滿足設(shè)計的過車速度為20 km/h的要求，車輛重量越大，過車速度越小；在特定條件下，ETC計重收費的成功率能夠達到99.5%以上；小車的平均交易時長為276.3 ms，平均過車時間為6.35 s，交易時間的標準差為55.63 ms，主要時間差距位于信號傳輸和信息識別過程；貨車在A區(qū)的平均交易時長為289.6 ms，在B區(qū)的平均交易時長為1 336.05 ms。貨車平均過車時間為28.4 s。綜上，組合式ETC計重收費系統(tǒng)的使用有利于提高收費站過車效率和連續(xù)性，而貨車在通過收費站的時間和程序上均不如小車方便靈活。