ETC模式貨車計重收費系統設計

張劍勇，周尚儒，楊　軍

（1.山西萬立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024）

ETC模式貨車計重收費系統設計

張劍勇1，周尚儒2，楊軍2

（1.山西萬立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024）

為解決高速公路收費口貨車放行效率低、車輛擁堵嚴重等問題，結合先進的動態稱重技術和DSRC短程鏈路通信技術，提出一種基于ETC模式的貨車計重收費方案。該方案采用雙臺面動態衡作為稱重系統和射頻識別技術對貨車的基本信息進行讀寫，從而實現貨車不停車計重收費。其中，采用多傳感器綜合推理技術對稱量數據進行補償和異常檢測。實驗表明：該收費方式的車道放行時間為7.49s，整個系統運行的平均時間16.99s，與人工半自動化收費方式相比大大提高貨車的放行效率，緩解車輛的擁堵問題。

動態稱重；DSRC短程鏈路通信；貨車ETC；交通擁堵

0　引　言

如何提高收費站通行效率，有效緩解直至解決收費站區擁堵問題，成為高速公路運營管理領域的重要課題［1-2］。電子不停車收費系統能夠提高收費車道的快速通行能力，加快收費速度，并減少車輛剎車的時候所產生的機件損耗和車輛尾氣排放污染［3］。對電子不停車系統的研究，大多數論文已進行全面詳細的研究和設計［4-5］，而電子不停車計重收費系統的研究大多都處于探討和淺析階段。

本文以已實現計重收費的高速公路聯網收費系統為依托，利用已有的ETC不停車收費技術與計重收費技術，提出了一站式雙秤臺前置單天線方式的ETC計重收費方案［6］。

1　貨車ETC計重收費系統方案

1.1方案的組成及原理

一站式雙秤臺前置單天線方式的ETC計重收費方案布局圖如圖1所示，主要由雙秤臺動態稱重系統和ETC收費系統組成。車輛從ETC車道稱重區進入，秤臺稱重并計算、顯示載重量；車輛稱重后，系統把當前稱重車輛的數據加入到車輛隊列的最后，并增加已稱重的車輛數。當車輛進入通信區域并與天線交易時，系統從車輛隊列中取第一輛車的稱量結果結合天線讀到的其他通行數據進行費額計算，并向OBU發送扣款、寫卡指令，交易成功后放行。欄桿打開，車輛通過欄桿并離開落桿線圈后系統清除車輛隊列中的第一臺車。如果車輛稱重后交易不成功，則從前端豁口處離開，此時同樣要清除質量隊列中的第一臺車。

基本過車處理流程如下：當車輛駛入該ETC計重收費車道時，首先對車輛進行動態稱重處理，稱重完畢后，稱重顯示控制器將汽車的重量和軸型傳送給車道信息控制器；當車輛駛入ETC通信區域時，ETC路側單元對車載電子標簽OBU進行喚醒和識別，識別成功后將車輛信息（如車型、車牌號碼和高速公路入口地點等）上傳到車道機中，同時車道信息控制器將稱重信息上傳到車道機中；車道機將稱重信息和ETC路側單元的信息進行融合與綜合處理并計算出將收取的費用后控制RSU對車輛的OBU進行扣費，收費成功后自動欄桿抬起，車輛放行。如遇到RSU對車輛的OBU信息讀取失敗、最終收費失敗或者非貨車ETC車輛等非正常流程，則通過顯示大屏提示車輛駛入MTC通道進行人工收費，此時車道控制器控制豁口處的自動欄桿（豁口處留有5 m寬的無障礙區域，小型車輛可以直接從豁口處轉至MTC車道而不需要豁口處的欄桿抬起）放行車輛，處理完畢后車道信息控制器將車輛轉移完畢的信息交給車道機，提示車道機準備進行下一輛車的處理［7-8］。

1.2ETC車道長度的計算

ETC車道長度是指ETC車道中ETC識別裝置至車道自動欄桿的距離。在本方案中，ETC車道長度的影響因素有5個：1）ETC車輛過站時允許的最大速度；2）車輛自身長度；3）ETC系統對一輛車的收費處理時間；4）電動欄桿的動作時間；5）駕駛員對路邊信息顯示屏上有關信息的識讀時間。汽車長度一般不超過18m，速度為30km/h，ETC識別時間不超過300ms，高速自動欄桿，欄桿運行時間在0.5～0.8s，由此可計算出距離為27m。考慮到場地條件限制，本系統中動態稱重系統到ETC天線距離為23 m，天線識別區域中兩地感線圈的中心距為4m，天線到識別區域1號地感的距離為9m。

圖1　系統布局圖

2　動態稱重技術

貨車ETC計重收費實施面臨最大的難點是稱重的準確度，本系統中的雙秤臺動態稱重系統采用了多傳感器信息綜合推理技術對稱量狀態進行智能識別和數據補償，并使用自適應卡爾曼濾波算法對稱重數據進行濾波處理，實現了車輛在正常通行情況下的高準確度稱重，動態準確度等級達到國標2級指標（檢定準確度為±1.0%）。

多傳感器信息綜合推理技術需要同時采集過秤時多只傳感器的數據信息，在系統的CPU中進行數據融合推理，利用信息互補，提高系統決策、規劃的科學性，反應的快速性和準確性。本系統在稱重臺面的不同位置安裝了稱重（拉力）傳感器，并將傳感器進行分組排列，每組傳感器可推斷出一種或多種異常現象，然后根據專家系統中補償數據庫對各類數據按屬性權重進行補償，最終得到車輛的稱量結果。系統的稱重部分主要有：2個稱重臺面、8只稱重傳感器、2只拉桿傳感器、8只輪軸識別傳感器和處理稱重數據的儀表。傳感器位置分布如圖2所示，8只稱重傳感器分別放置于2個稱重臺面的4個角，用于采集施加在稱重臺面上的壓力，并且可根據行車方向上不同位置傳感器的波形計算出車輛過秤的速度以及加速度；2只拉桿傳感器分別放置在一個稱重臺面的左右側，其輸出信號與稱重臺面水平方向的位移成一定的線性關系，實際中可根據輸出信號的大小判定車輛拖磅現象的嚴重程度，該傳感器的信號是對拖磅現象進行補償重要依據；稱重臺面中間放置8只輪軸識別傳感器，主要用于識別車軸的輪胎數量。

本系統采用產生式規則對秤臺的傳感器進行綜合推理，產生式通常用于表示具有因果關系的知識，其形式為：P→Q或者 IF E THEN H。其中，P是產生式的證據，指出該產生式可用的條件；Q是一組結論，用于指出當前提P所指條件被滿足時，應該得出的結論。產生式的IF（如果）被稱為條件、前項或產生式的左邊；它說明應用這條規則必須滿足的條件；THEN（那么）部分被稱為操作、結果、后項或產生式的右邊。在產生式系統的執行過程中，如果某條規則的條件滿足了，那么，這條規則就可以被應用；本文所設計的控制模塊是基于產生式規則的，基本邏輯結構為：｛IF（事實項集）THEN（結論）規則體部分 ……結束｝。

在該系統中，按圖2所示將傳感器編號，并根據實際現象建立如下規則：

圖2　傳感器位置分布圖

R1：IF 1～8號傳感器數據有效，THEN得到車輛單軸重初值。

R2：IF 1、3、5、7號傳感器數據有效，THEN得到車輛單軸的速度及加速度。

R3：IF 1～8號傳感器數據不一致，THEN分析出故障傳感器并及時剔除該組傳感器數據。

R4：IF 9、10號傳感器超過閾值AND車輛有明顯加減速THEN車輛拖磅。

R5：IF 1～8號傳感器正常AND 1～8號傳感器波形不一致THEN車輛跳磅。

R6：IF 1～8號傳感器正常AND 1～8號傳感器波形不一致AND 9、10號傳感器波形不一致且超過閾值THEN車輛走“S”型路線過磅。

以上的規則庫建立之后，當車輛過秤時，具體結構流程如圖3所示。

圖3　規則庫結構流程圖

3　異常邏輯解決方案

為防止車輛在未稱重情況下從側面進入ETC收費車道，把車道兩側的ETC收費引導部分適當加長，形成“稱重區”。如圖4所示，為方便部分不能正常交易的車輛離開ETC車道，如：無OBU電子標簽、OBU電子標簽識別錯誤、路側單元識別的軸型與稱重顯示控制器識別的軸型不匹配、OBU電子標簽內費用不夠、車輛違章或超重不允許出站等原因，在靠近天線交易區一側的收費島留有豁口，以便這部分車輛疏散。同時，為了精確判斷稱重區與豁口之間車輛的數量，在豁口處設置一臺自動欄桿和光柵，當ETC收費失敗后，豁口處自動欄桿抬起，放行車輛。通過光柵檢測車輛是否駛過豁口，并及時的提示車道信息控制器控制豁口處欄桿放下，禁行車輛。這樣不僅保證了與天線交易的車輛和已稱重的車輛的一一對應關系，防止稱重和交易不對應造成的誤收費，而且能有效防止車輛在未經過稱重的情況下駛入ETC道。

圖4　故障處理方案

4　實驗結果與分析

系統在安裝后進行了全面的測試，主要的目的是保證關鍵設備之間的兼容性良好，軟硬件之間的交互性良好，邏輯判斷無誤，數據交互準確，整體系統運行安全穩定，整體系統功能完善，主要技術指標達到設計要求。實驗內容包括：設備獨立測試和設備間兼容性測試、四軸貨車連續100次場地測試和不同車型連續過車測試。圖5所示為100次測試的稱重偏差統計，從圖中可以看出，雙秤臺動態汽車衡設備的稱重誤差小于±1%，能滿足山西省高速公路管理局對貨車ETC項目提出的稱重指標 （誤差＜±1.5%）。

表1所示為連續100次場地測試部分測試結果，表2為技術指標測試結果。從表中可以看出，使用貨車ETC計重收費系統，車輛的整個交易與放行時間為7.49s，遠小于現在的人工半自動化收費方式規定的30s放行時間（實際由于各種情況，人工收費的車輛平均放行時間＞60s）。

圖5　場地測試稱重誤差統計圖

表1　四軸貨車場地試驗數據

表2　四軸貨車場地試驗數據主要技術指標匯總1）

5　結束語

實驗表明，本文提出的貨車ETC計重收費系統不僅可以滿足貨車不停車計重收費的技術要求，還能有效降低收費站擁堵狀況，提高通行能力，節約能源消耗，減少溫室氣體排放，節省建設和運營管理成本，經濟效益和社會效益顯著［9］。

但是要實現全面推廣貨車不停車計重收費方式還將面臨諸多問題。在本系統的現場實驗中發現RSU路側單元與各個廠家的車載OBU的通信有時會受到車速、RSU的發射功率和OBU放置的高度影響。無論是目前已有的ETC收費系統還是本文提出的貨車ETC計重收費系統的交易成功率均存在RSU天線與與車載OBU匹配性問題。

［1］王占鋒.高速公路不停車計重收費的利弊分析與前景展望［J］.中國新技術新產品，2010（17）：75-76.

［2］錢金寶.高速公路電子不停車收費車道實施計重收費可行性分析［J］.現代交通技術，2013，10（4）：58-60.

［3］張曙光，梁洪偉.ETC計重收費系統及方法：201210027647.4［P］. 2012-02-09.

［4］王亮，魯華祥，景衛平，等.解決電子不停車收費系統干擾問題的信息融合方法［J］.計算機應用，2012，32（9）：2660-2663.

［5］李英，傅華明.汽車動態稱重在電子不停車收費系統中的應用［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（6）：1252-1255.

［6］程保喜.高速公路ETC模式的貨車計重收費方案淺析［J］.現代工業經濟和信息化，2013（44）：59-62.

［7］席曉鵬.高速公路計重收費系統研究［J］.青海交通科技，2012（3）：64-66.

［8］陳超波，沈辰，高嵩.公路超載車輛動態預檢系統的研究［J］.國外電子測量技術，2014（12）：49-52.

［9］賈洪飛，雋志才，姚宏偉，等.電子收費系統（ETC）社會效益分析［J］.系統工程理論與實踐，2004（7）：121-127.

（編輯：李剛）

Design of truck weighing toll system based on ETC mode

ZHANG Jianyong1，ZHOU Shangru2，YANG Jun2
（1.Shanxi Wanli Technology Company，Taiyuan 030032，China；2.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to solve the highway toll gate truck low release efficiency，and serious traffic congestion problems，combined with advanced dynamic weighing technology and short link DSRC communications technology，we propose a scheme based on ETC truck weight fees.The program realizes the non-stop truck weight fees，through the use of the double dynamic weighing scale platform as a weighing system and radio frequency identification technology used to read and write the basic information of the truck.The weighing system uses multi-sensor integrated reasoning techniques to compensate for the weighing data and detect anomaly.The experiments have showed that the release time of such toll lane is 7.49s；the average time of the whole system operation is 16.99s.Comparing with manual semi-automatic charge mode，the charging method greatly improves the efficiency of trucks release and relieves congestion of the vehicle.

dynamic weighing；DSRC short-range link communication；truck ETC；traffic congestion

A

1674-5124（2016）07-0084-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.017

2015-10-27；

2015-12-12

張劍勇（1978-），男，山西原平市人，工程師，主要從事自動化系統、嵌入式系統的設計和開發研究。