ETC欄桿后置布局中車道內車數檢測方法探討

陸　璐，黃春華，何增鎮

(廣西交通科學研究院智能交通所，廣西　南寧　530007)

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ETC欄桿后置布局中車道內車數檢測方法探討

陸璐，黃春華，何增鎮

(廣西交通科學研究院智能交通所，廣西南寧530007)

陸璐(1987—)，碩士，從事交通領域軟件開發工作；

黃春華(1976—)，高級工程師，從事軟件開發和智能交通新技術應用研究；

何增鎮(1974—)，博士，高級工程師，研究方向：智能交通系統技術與應用研究。

廣西科學研究與技術開發計劃項目(編號：桂科攻1240001)

摘要：電子不停車收費系統(ETC)是智能交通中一項重要的技術，它為緩解高速公路收費站擁堵、節能環保提供了有效的方案。ETC車道布局的后置欄桿布局中存在線圈和通過線圈的距離很大，造成了車道內的車輛數量難以判斷。文章針對這一問題，提出了一種車輛數量的模糊檢測方法，利用線圈的狀態判斷后置欄桿車道中的車輛數量，為車輛交易判別提供依據。

關鍵詞：智能交通系統；電子不停車收費系統(ETC)；車道控制系統；車輛數量；線圈；檢測方法

0引言

隨著智能交通的發展，全國各地對電子不停車收費系統(ETC)的應用和推廣大幅度提高了高速公路收費站的通行能力，減少了高速公路業主管理的開支，貫徹節能環保的原則；同時實現了貨幣電子化，提高了智能化管理的程度[1]。由于各地發展的具體情況不同，在ETC的建設中也會有各自不同的需求。例如，ETC有兩種車道布局模式：欄桿前置布局和欄桿后置布局。有的收費站是完全新建的車道，車道的布局模式可以選擇任一種；有的車道是由MTC車道改造而成的，有可能站頭無法延長只能采用欄桿后置的布局模式。在欄桿后置布局的情況下，檢測車道內車輛數是ETC系統中的一個難點，同時也是整個系統不可或缺的部分。本文介紹一種車輛數量的模糊檢測方法，利用線圈的狀態判斷在后置欄桿布局中車道內的車輛數，為車輛交易判別提供依據，提高ETC系統運行的效率和保障。

1檢測方法的難點

在ETC系統中，與車輛進行交易是整個系統的核心部分。在欄桿后置的情況下(如圖1所示)，車輛進入車道首先進入抓拍線圈，天線開始檢測并判斷車輛是否能夠進行交易，如果允許交易且交易成功，那么電動欄桿抬起，車輛通行后欄桿放下。為了保證系統的正常運行，準確判斷車輛能否進行交易尤為重要[2]。例如，有一輛沒有OBU的車進入了車道，天線由于沒有檢測到OBU而無法進行交易。此時，后面來了一輛有OBU的車，天線在不知道車道里有未交易車輛的情況下，允許車輛交易并放行了前一輛沒有OBU的車，導致后一輛已交易的車被攔下。這樣造成的錯誤使系統的正確率降低，也給高速公路運營管理帶來了麻煩。為了給交易判斷提供依據，車道程序有必要檢測車道內的車輛數目。然而欄桿后置布局方式中存在線圈和通過線圈之間的距離很大，增加檢測的難度。

圖1　ETC欄桿后置布局圖

2檢測方法的約束條件

一輛車依次通過抓拍線圈、檢測線圈、存在線圈，且未穿過通過線圈時，認為該車輛存在車道中。要檢測車道中的車輛數，應遵循實際車道中的實際布局和車輛運行狀況進行設計。

(1)在欄桿后置布局中，最長的線圈只有1.5 m，而車輛通過ETC車道的速度可在10~40 km/h之間，基于安全行駛的原則，兩輛車之間的距離小于線圈的情況比較少。多數情況下，一個線圈最多只被一輛車壓住。(2)市面上的車絕大多數都是在3 m以上的，而相鄰兩個線圈之間的距離是2.5 m，所以一輛車是可以同時壓住兩個線圈的。個別車輛<2.5 m的情況在本文不予考慮。

由現有的車道運行狀況可知，算法在設計過程中應把以下兩種情況作為約束條件：(1)一個線圈任意時刻最多被一輛車壓住；(2)一輛車的長度至少大于相鄰兩個線圈之間的距離。只有遵循這兩個條件，才能在實際工程中有效應用該檢測方法。

3檢測方法的設計與實現

3.1　設計原則

限制于現有的硬件條件，本文介紹的方法僅利用車道的抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈這三個線圈的打開關閉狀態來進行檢測，同時算法應滿足以下要求：

(1)實時性：應滿足實時性要求，響應時間足夠短，可在車輛進入車道后、進行交易前檢測出車道內的車輛數，為過車交易提供判斷依據。

(2)穩定性：應滿足系統穩定性的要求，即使采用模糊算法，也應保證數據和算法結果的一致性，從而為系統安全運行提供有力支持。

(3)準確性：應滿足準確性要求，最大程度上保證系統運行的流暢性。

3.2　設計方案

根據以上設計原則和約束條件，檢測方法主要分為三個部分：(1)在車輛通過抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈時按順序保存各個線圈的狀態；(2)通過對線圈記錄的分析可判斷車道中已有的車輛數；(3)在車輛離開車道后清除對應的線圈記錄。

記錄線圈狀態的關鍵在于區分出不同車輛的記錄。在ETC車道中，由于車輛隊列是流動的，并不需要車輛停下等待前面的車輛完全離開車道，所以幾個線圈會被不同的車輛壓住。圖2所示的是第一輛車依次通過抓拍線圈和檢測線圈，壓住存在線圈時，第二輛車進入車道壓住了抓拍線圈。兩輛車的通過次序分別用兩個記錄隊列保存。

對線圈記錄分析的目的是判斷是否有車輛已經通過三個線圈進入車道，或者是否有車輛通過三個線圈倒退離開車道。進入車道的判斷方法是掃描記錄中的線圈序列是否包含子序列(抓拍線圈，檢測線圈，存在線圈)。如果包含了該子序列，那么有車輛進入車道。退出車道的判斷依據是線圈序列中是否包含子序列(存在線圈，檢測線圈，抓拍線圈)。

為了保持記錄隊列的平衡，一旦有車道內車輛數目的變化，則清除相應的記錄，從而保證后續分析的準確性。

圖2　記錄車輛通行中線圈打開的順序示意圖

3.3　實現方法

根據設計方案，保存車輛通行中線圈打開的順序并區分出不同車輛的記錄，需要用兩個隊列來實現，分別記為主隊列和次隊列。當線圈打開，如果該線圈與主隊列最后一個記錄的線圈相鄰，那么主隊列將保存當前線圈到隊尾。否則，當前線圈保存到次隊列的隊尾。例如，當抓拍線圈打開，如果主隊列是空的或者最后一個記錄是檢測線圈，那么抓拍線圈添加到主隊列隊尾。如果隊列的最后一個記錄是存在線圈，那么次隊列隊尾添加抓拍線圈。因為如果車輛從存在線圈退回到抓拍線圈必須經過檢測線圈，所以這種情況是有另一輛車壓住了抓拍線圈。另外，為了記錄大致的行車方向，每次存在線圈打開的時候，如果沒有車壓住檢測線圈，那么車輛應該是后退的。

當存在線圈關閉時對主隊列搜索分析列表中是否包含子序列(抓拍線圈，檢測線圈，存在線圈)，如果包含了這樣的子序列且車輛的行車方向是前進的，那么車道內車輛數增加。當一輛車進入車道后，應當清除該車在主隊列中的記錄。如果此時還有其他車壓住線圈，那么主隊列中最后一個存在線圈以后的記錄應該是其他車的記錄，把這些記錄添加到次隊列后，清空主隊列，交換主次隊列。同理，當抓拍線圈關閉時分析是否有車輛回退，查看主列表中是否有子序列(存在線圈，檢測線圈，抓拍線圈)。如果發現有車輛回退，那么車輛數減少，主次隊列做相應的處理。如果有車輛離開通過線圈，即通過線圈關閉的時候，車輛數減少。

一旦車道內車輛數發生變化，就要對三個線圈的當前狀態進行檢測，如果三個線圈都處于關閉狀態時，則清空所有列表，以保證后續車輛進入車道時不被殘留的記錄干擾檢測結果。圖3列出了整個檢測方法的流程圖。

圖3　檢測方法流程圖

4模擬實驗和結果分析

實驗模擬器由Java實現，運行在主機Intel?CoreTMi5-4200 CPU @ 2.50 GHz/4GB RAM上。實驗過程中，抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈分別用①②③標示，進入車道以pass標記，而out表示退出車道。以下為進行的三類實驗。

實驗1：一輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結果見圖4。

圖4　一輛車通過時實驗模擬結果示意圖

上述實驗說明，一輛車通過的情況算法能夠完全正確的檢測出車道內的車輛數。

實驗2：兩輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結果見圖5。

圖5　兩輛車通過時實驗模擬結果示意圖

兩輛車通過的大部分情況算法能夠正確檢測出車道內的車輛數，但是當第二輛車壓住第二個線圈，第一輛車回退時，這種情況線圈的狀態次序與一輛車依次前進的狀態是一樣的，由于回退方向是模糊標記的，所

以算法無法正確判斷這種情況。路徑6的情況，當回退后車輛依次通過線圈3，則車道內車輛數正確，但是回退時車道內數量不會減少，所以是部分正確的。路徑7的情況，當回退后，車輛完全倒退，由于車輛沒有減少，因此結果不正確。矯正這種情況需要其他硬件設備的輔助，在此不進行詳細闡述。

實驗3：三輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結果見圖6。

圖6　三輛車通過時實驗模擬結果示意圖

上述實驗說明，三輛車通過的情況算法能夠完全正確地檢測出車道內的車輛數。

前三個線圈最多同時有三輛車壓住，通過上述實驗證明了算法是有效的，正確率達到88%。

5結語

本文提出了一種模糊車道車數檢測方法，利用線圈的狀態判斷存在后置欄桿車道中車輛的數量，為車輛交易判別提供依據。通過模擬實驗結果和分析，證明了算法的有效性，能夠處理大部分的實際通車情況。但目前的工作尚有不足，在未來的工作中，仍需利用更多的硬件設施進一步完善算法。

參考文獻

[1]許宏科，趙祥模，等.高速公路收費系統理論及應用[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]陳榮偉.高速公路聯網收費系統的設計和實現[J].計算機工程，2002(1)：217-219.

Discussions on Vehicle Number Detection Method within the Lanes in ETC Railing Rear-layout

LU Lu，HUANG Chun-hua，HE Zeng-zhen

(Intelligent Transportation Branch of Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Electronic Toll Collection System(ETC)is an important intelligent transportation technology，which provides an effective solution to alleviate the congestion in expressway toll stations and for the energy-saving and environmental protection.The coil and the distance to pass the coil are large in the rear railing layout of ETC lane layout，resulting in that the number of vehicles in the lanes is difficult to determine.Aiming at this problem，this article proposed a fuzzy detection method for the number of vehicles，which can determine the vehicle number in the rear-railing lanes by using the state of coil，thus providing the basis for determining the vehicle transaction.

Keywords：Intelligent transportation systems；Electronic toll collection system(ETC)；Lane control system；Number of vehicles；Coil；Detection method

收稿日期：2015-02-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0063-03

中圖分類號：U415.11

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.018

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