基于兩階段機制的公路自由流ETC系統實現

譚裕安，張建文，羅慶異

(廣州華工信息軟件有限公司，廣東 廣州 510650)

基于兩階段機制的公路自由流ETC系統實現

譚裕安，張建文，羅慶異

(廣州華工信息軟件有限公司，廣東 廣州 510650)

針對我國現有ETC的標準規范，結合當前DSRC通信設備的技術特點，提出一套兩階段機制的公路自由流ETC系統解決方案，以解決當前制約自由流ETC技術大范圍推廣應用的技術問題。

公路；自由流；ETC

1 公路自由流ETC現存問題分析

1.1 難點分析

(1)在自由流運行狀態下，車輛的通行車速普遍較高，例如在高速公路通行環境下，車輛的通行車速往往不低于120 km/h，在這種高速的車輛通行環境下，如何確保車輛在有限的處理時空條件下完成交易所需的信息交互，是確保系統交易成功率的關鍵。

(2)在自由流運營環境下，車輛行駛的狀態較存有導流措施的收費車道會更為隨意，車輛變速、跟車、并馳、跨道、變道等均是車自由流狀態下的車輛常見駕駛行為，如何確保這些通行行為不對車輛交易造成干擾，且可避免交易失序等均是系統難點所在。

(3)無人值守是ETC技術的其中一項優勢所在，為此可預期這些自由流收費節點往往也是無人看守，因此若系統容錯力較低，或單點故障影響嚴重時，必然會導致整個系統的實用效果。

2 現存制約的解決思路

2.1 高速行駛車輛處理時間限制問題的解決

對于高速自由行駛的ETC車輛而言，若要保證其交易的成功率，就必須讓其在通過天線投射的通信區的時段內完成各項必要的交易處理操作，由此可見當中通信區長度和交易所需時間均是車輛交易成功率的關鍵。假設天線通信區長度為L，交易操作時間為T，則保證車輛在給定通信區內完成交易處理的限制速度為Vmax≤L/T。若車輛車速超過限制速度Vmax時，則意味車輛不具備足夠時間完成交易，存在失敗風險。

根據GB/T20851-2007《電子收費專用短程通信》的ETC國標體系，若微波天線在標準要求的功率范圍內，投影在車道上穩定通信區長度一般不超過15 m；考慮到當前電子標簽(即OBU)因車輛擋風玻璃及產品性能的非一致性而存在處理耗時差異，其處理耗時往往接近秒級。雖然用戶通過調整天線角度可獲更長的通信區，但此時通信區中信號將無法保持穩定，反而會造成天線與OBU的通信不穩定而增加交易耗時。

鑒于此，提出可通過設置兩組微波天線的方式以確保在通信區信號穩定的前提下大大提高車道的通信區覆蓋長度，即是給ETC車輛具有更充足的交易空間；同時，考慮到按照國標體系， ETC車輛OBU的處理可劃分為OBU喚醒和OBU交易兩個階段，因而可通過界定前端天線和后端天線的職能，讓OBU處理具備更充裕的時間條件，如前端通信區負責完成OBU的喚醒工作，后端通信區既可接續完成已喚醒OBU的交易處理工作，也可對未喚醒OBU提供完整的喚醒和交易處理工作。基于上述思路，無疑可大大提高車輛交易處理時的限制速度Vmax，即Vmax=Min{L前端/t喚醒，L后端/t交易}(當中L前端=L后端=L，t喚醒+t交易=T)，鑒于t喚醒、t交易均小于T，為此，該應用場景下的車輛限制速度較前述僅在一組通信區完成所有交易步驟時的車輛限制速度高，更符合自由流環境下高車速的通行環境要求。

2.2 自由行駛車輛處理適應性問題的解決

考慮到自由流狀態下行駛的車輛存有變道、并弛、跨道等駕駛特征，按照GB/T20851-2007《電子收費 專用短程通信》標準，微波天線在同一時間內只處理一個OBU的信號。為此，當出現車輛跟弛、跨道、變道行為時，必然容易影響到微波天線與OBU間的通信鏈路建立效率，甚至容易因產生失序導致成功率下降，例如車輛OBU剛與本車道天線建立鏈路時，作出變道行為，這時本車道天線通信鏈路被占用，須一定時間方可恢復，從而影響后車的處理效率。

同時，為滿足對并排車輛通行的處理要求，當前在自由流應用環境下，微波天線設備往往須采用時分控制微波信號發射的方式避免兩者間信號的干擾，也即各車道上方的微波天線將通過時分控制方式定時在對應車道上發射微波信號，屆時會存在一條車道存有信號，相鄰車道信號暫時關閉的情況。該種處理方式，也意味著多車道環境下，車道通信區非持續存在，因而車輛交易須更長的處理區間和時間充裕度。

對此，仍可借助上述的兩組微波天線布局方式給予應對，一方面，兩組微波天線方式和各司其職的控制模式，可解決天線通信區長度和交易時間裕度限制問題，從而為多車道環境下的車道天線時分控制應用提供必要支撐；另一方面，因為OBU喚醒和交易階段的相分離，也致使車輛的變道行為并不會對后續交易造成較大影響，因為OBU喚醒時間一般較短，因此其完成效率無疑較須完成喚醒和交易兩項步驟的模式高，為此，車輛盡管產生變道，也不會造成明顯影響，因其可對喚醒標簽繼續提供接續處理服務。

2.3 關鍵設備單點故障問題的解決

對于自由流ETC系統而言，外場微波天線無疑是整個系統的關鍵所在，所有交易處理的動作均源于微波天線，其運行狀態必然將直接決定整個自由流ETC系統的處理持續性和質量。

所提出的兩組天線布設技術，既滿足前述的車輛在高速、自由的通行環境下進行交易處理的需求，也可以基于兩組設備的相對獨立性，并且組成互備架構。當一臺微波天線產生故障時，仍可通過另一臺天線接管全部處理工作的方式，讓車道處理服務持續運行，大大提高整個系統在實際運行過程中的容錯能力和可靠性。雖然當中會存在成功率的下降等問題，但是因其具備保障節點服務的能力，為故障設備修復爭取了緩沖時間，在實際應用環境中不可或缺。

3 基于兩階段機制的自由流ETC系統

3.1 布局特點

基于兩階段機制的公路自由流ETC系統主要部署在車道沿線的橫截面處，車道天線一般采用龍門架方式架設，并通過前后擺設方式，確保兩排天線能在車道上投射出兩組微波天線通信區，實現對車輛處理的分管控制。另外，相關的系統機電設備，如車道控制、配電設備等均可通過外場機柜進行部署放置。其車道布局可如圖1所示。

圖1 基于兩階段處理機制公路自由流ETC車道系統布局圖

3.2 功能特點

(1)實現車道上前、后兩排微波天線的分職能控制，其中前端天線負責對ETC車輛OBU進行喚醒處理；后端天線則負責對喚醒OBU進行交易處理，或對未能在前端天線中被喚醒的OBU提供二次的完整處理服務，即OBU的喚醒和交易處理工作。

(2)前、后兩排微波天線構成互備的機制，當某天線出現故障時，其同一車道上的另外一臺天線不受影響，仍可對ETC車輛提供完整的交易處理服務。

4 應用實例與分析

目前，基于兩階段機制的自由流ETC系統已經成功應用在高速公路實際運行環境中，主要服務于ETC車輛路徑標識處理，即車輛以自由流狀態通過該標識點時，系統將標識信息寫入至電子標簽和所插的支付卡中。以采用該項方案的廣東省高速公路某自由流標識點數據(完整3個月)為分析對象，其實際應用效果情況如表1所示。

表1 某路段標識點應用的實際數據統計概況

由表1可得，系統通過天線布設方式投射出的兩個肩負不同處理職能的通信區，可大大保障ETC車輛自由流狀態下接受處理的時間和空間充裕度，以此確保整個系統的處理成功率，滿足實際應用環境下車輛交易精確性和可靠性要求；并且兩階段的接續處理功能也符合自由流環境下車輛可能存在的變道、超車等實際情況，其存在不會對標識成功率造成影響。

5 結 論

公路自由流ETC車道技術是我國ETC發展過程中的必然方向，本文所提出基于兩階段處理機制的公路自由流ETC車道系統有效地對自由流ETC技術現存問題作出應對和處理，既提高車輛的交易成功率也確保了系統在實際運行環境下的容錯能力，是將該項技術推廣至公路收費、道路收費和交通管控等應用的關鍵所在。

[1] 葉紅蕓，張健.ETC多車道自由流實現方案[J].中國交通信息化，2013，(9).

[2] 郭海濤，鐘勇.基于國標DSRC的多車道自由流應用系統設計[J].中國交通信息化，2011，(11).

[3] 陳燮奇，潘勇.國標雙片式電子標簽在多車道自由流的應用[J].中國交通信息化，2011，(2).

Implementation of the highway free flow ETC system based on two stage mechanism

TAN Yu-an, ZHANG Jian-wen, LUO Qing-yi

(Guangzhou Huagong Information Software Co., Ltd.，Guangzhou,Guangdong 510650,China)

Aiming at the existing standard specification ETC, combined with the current DSRC communication equipment technical characteristics, puts forward a set of two stage mechanism of highway free flow ETC system solutions, in order to solve the current restricting free stream ETC technology widespread application and dissemination of technical problems.

highway;free flow; ETC

2015-11-07

譚裕安(1981-)，男，工程師。

U495

C

1008-3383(2016)02-0136-02