高速公路ETC全國聯網后的多義性路徑識別研究?

劉春華，韓廣廣，謝仕智，劉偉銘，唐瑋杰

（1.廣西壯族自治區高速公路管理局，廣西　南寧　530021；2.華南理工大學土木交通學院，廣東　廣州　510640）

高速公路ETC全國聯網后的多義性路徑識別研究?

劉春華1，韓廣廣2，謝仕智1，劉偉銘2，唐瑋杰1

（1.廣西壯族自治區高速公路管理局，廣西南寧530021；2.華南理工大學土木交通學院，廣東廣州510640）

目前中國高速公路已基本實現了電子不停車收費（ETC）全國聯網，ETC收費已逐漸取代人工收費成為高速公路收費的主流方式，如何識別車載單元（OBU）車輛和普通人工收費（MTC）車輛的行駛路徑是目前ETC全國聯網收費后亟待解決的主要問題。文中在對部分省份基于433 MHz射頻識別（RFID）技術的MTC車輛路徑識別方案進行比較分析的基礎上，提出了基于5.8 GHz專用短程通信（DSRC）技術的統一多義性路徑識別的雙頻通行卡方案，該方案的5.8 GHz路徑標識站可同時標識OBU車輛和MTC車輛，可實現標識站與車輛OBU和雙頻通行卡的雙向通信功能，在不更換MTC車道現有讀寫器的情況下就能讀寫雙頻通行卡中的路徑信息，具有能平穩過渡、標識率高、串標率低和成本低等特點。

公路交通；高速公路；ETC聯網收費；多義性路徑識別；射頻識別（RFID）；專用短程通信（DSRC）；雙頻通行卡

2015年底中國將基本實現高速公路電子不停車收費（ETC）全國聯網，全國ETC用戶數量將達到2 000萬個，ETC已成為高速公路收費的主流模式，正逐漸取代人工收費（MTC）。如何精確識別ETC車輛和MTC車輛在路網中的實際路徑是全國ETC聯網收費后亟待解決的關鍵問題。

目前國內有廣東、四川、浙江省已實施射頻識別（RFID）的路徑識別方案，其中廣東省采用“按實際路徑收費、按實際路徑拆分”的基本收費模式，選用“433 MHz RFID復合通行卡（CPC）+433 MHz電子路標+高清卡口防逃費稽查，OBU+5.8 GHz ETC標識點+高清卡口防逃費稽查”的技術路線，四川省選用“433 MHz RFID復合通行卡+433 MHz電子路標+復合OBU（433 MHz+5.8 GHz）+高清卡口防逃費稽查”的技術路線。廣東省方案雖然能滿足全國ETC聯網收費的需要，但設備成本高；易發生串標現象而使其信息傳遞可靠性和精確性不高；433 MHz頻段不是國家規定的高速公路收費專用頻段，不利于長久發展；其復合通行卡易造成讀寫卡時間長、讀寫卡失敗率高、車道通行能力降低和復合通行卡壽命短等問題。四川省方案雖然可大大節約成本，但不能滿足全國聯網收費的需要，其復合通行卡存在與廣東省方案同樣的缺陷。

2007年5月公布的GB/T 20851.1-2007《電子收費專用短程通信》正式要求在中國電子收費中使用5.8 GHz微波進行數據交換。該文在分析和比較目前多義性路徑識別技術的基礎上，探討全國高速公路ETC聯網收費后ETC作為收費主體方式下的多義性路徑識別問題，提出基于5.8 GHz專用短程通信（DSRC）統一識別多義性路徑技術的雙頻通行卡方案。

1　現有技術方案對比

目前，精確路徑識別技術有停車標識站法、車牌識別技術、移動定位法、RFID法等。其中：停車標識站法不但運行成本高昂，而且嚴重影響車道通行能力，是未來必須停止使用的方案；車牌識別技術對高速行駛的車輛實時識別難度大，失敗率高，難以滿足實際需求；移動定位法和現行收費方式相差甚遠，除使用目前通行卡外，每輛車還需配備移動定位裝置或GPS定位裝置，成本造價很高，不適合目前實際情況和國情；RFID法的識別率高、成本較低、適應性強、可重復使用、數據易讀寫、與現有收費方式匹配性高，將是未來ETC收費的主要方式。

射頻識別法主要通過RFID電子標簽與標識站通信連接，其基本原理是利用RFID技術，在多義性路段的合適位置設置路側標識站（RSU），當車輛經過時，通過RFID技術實現車輛通行卡（OBU和復合通行卡）與路側標識站RSU之間的數據通信和交換，將路徑標識站信息寫入OBU和復合通行卡中。到達收費站時，通過復合讀卡器讀取入、出口信息和標識站信息，達到精確識別車輛行駛路徑和按實際行駛里程收費的目的。目前國內有廣東、四川、浙江省已實施基于RFID的路徑識別方案。

1.1廣東省多義性路徑識別方案

廣東省目前采用“按實際路徑收費、按實際路徑拆分”的基本收費模式，選用“433 MHz RFID復合通行卡+433 MHz電子路標+高清卡口防逃費稽查，OBU+5.8 GHz ETC標識點+高清卡口防逃費稽查”的技術路線。其高速公路多義性路徑標識方案通過復合通行卡和車載OBU分別標識MTC車輛和ETC車輛實現路徑定位。MTC用戶在收費站入口取復合通行卡獲得入口信息，在多義性路徑上通過433 MHz RFID電子路標獲得路徑信息，在收費站出口讀出入口及路徑信息；ETC用戶通過車載OBU在收費站入口不停車獲得入口信息，在多義性路徑上通過5.8 GHz ETC標識點獲得路徑信息，至收費站出口讀出入口及路徑信息；高清卡口主要用于漏標車輛的路徑還原、防逃費稽查和威懾不法分子。

廣東省多義性路徑識別方案采用的復合通行卡由非接觸IC卡（13.56 MHz短距離射頻標簽）和RFID卡（433 MHz長距離射頻標簽）物理復合而成，前者記錄收、發卡信息，后者接收路徑信息，兩種卡物理合并到一起，非接觸IC卡和RFID卡之間沒有內部電路連接。MTC用戶通過復合通行卡獲得路徑信息，ETC用戶通過車載OBU獲得路徑信息（如圖1所示）。

圖1　廣東省多義性路徑識別方案示意圖

非接觸IC卡為13.56 MHz無源Mifare-one 卡，RFID卡為有源可讀寫433 MHz卡，入口和出口收費站、車型等信息保存在非接觸IC卡內，而路徑信息保存在RFID卡內。由于兩卡之間無任何電路連接，在出口收費站需采用復合讀卡器（13.56和433 MHz）分別讀出復合通行卡內的非接觸IC卡入口發卡信息和RFID卡的路徑信息。

廣東省的RFID方案雖然能實現路徑標識，但因原收費系統和現有系統不能兼容，該方案的軟件更新工作量很大，成本投入很高。因需要同時在多義性路徑上設置433 MHz標識站和5.8 GHz標識站，造成不必要的浪費且導致系統可靠性降低。433 MHz頻段繞射能力強，信號傳輸距離遠，容易受到其他頻段信號的干擾，串標率高，并且433 MHz不屬于國家規定的交通頻段，存在很大風險且不利于長遠發展。同時，復合通行卡由非接觸IC卡和RFID卡物理合并在一起，需要雙頻讀寫器各自讀寫入口信息和路徑信息，容易造成讀寫卡時間長、讀寫卡失敗率高、車道通行能力降低和復合通行卡壽命短等問題，且無法實現將現有系統（非基于RFID技術的多義性路徑識別）平穩過渡到基于RFID技術的多義性路徑識別系統。

1.2四川省多義性路徑識別方案

四川省目前實施的方案選用“433 MHz RFID復合通行卡+433 MHz電子路標+復合OBU（433 MHz+5.8 GHz）+高清卡口防逃費稽查”的技術路線，其車載OBU卡包括433 MHz和5.8 GHz兩個頻段。ETC用戶通過收費站入口時，車載OBU通過5.8 GHz頻段與5.8 GHz收發器連接，將入口收費站的信息寫到車載OBU內；在多義性路徑上行駛時，通過433 MHz頻段與433 MHz路側標識站傳遞信息，將多義性路徑信息寫入車載OBU內；到達收費站出口時，用5.8 GHz收發器接收發卡信息和路徑信息。MTC用戶在收費站入口領取復合通行卡，通過多義性路徑時接收433 MHz路側標識站傳遞的路徑信息，到達收費站出口時，讀出發卡信息和路徑信息（如圖2所示）。

四川省多義性路徑方案雖然目前比廣東方案成本低，但車載OBU中包括433 MHz和5.8 GHz兩種不同射頻頻段，不符合國家相關OBU標準。采用433 MHz路側標識站，容易產生串標現象。另外，省外車輛的5.8 GHz車載OBU無法在四川境內實現路徑標識，不能滿足全國ETC聯網收費的要求，全國聯網后需再增加5.8 GHz標識站和更換OBU，導致建設成本投入增加。同時，433 MHz頻段不是國家標準的高速公路專用頻段，不具有長遠的應用前景。

圖2　四川省多義性路徑識別方案示意圖

2　基于5.8 GHz DSRC統一識別路徑技術的雙頻通行卡方案

DSRC是專用于交通領域的短程通信系統，能對各種車輛進行跟蹤、監控、調度和導航，為車輛與路邊設施提供單向或雙向交互式通信，從而使車輛能享用交通信息網絡中的各種資源。該技術起源于20世紀90年代，目前已成功應用于電子收費、停車管理、交通控制等領域。

2.1技術路線

全國高速公路ETC“一張網”聯網收費采用“按實際路徑收費、按實際路徑拆分”的模式。雙頻通行卡方案采用“5.8 GHz RFID雙頻通行卡+5.8 GHz ETC標識點+高清卡口防逃費稽查+必要行政管理手段”的基本技術路線，在公平、公正、公開的原則下，出口車道根據入口信息、ETC路徑標識信息精確還原車輛在高速公路網中的實際路徑，實現高速公路通行費的精確征收與拆分。其中：“5.8 GHz RFID雙頻通行卡+5.8 GHz ETC標識點”用于解決MTC車輛的多義性路徑標識問題，“車載OBU +5.8 GHz ETC標識點”用于解決ETC車輛的多義性路徑標識問題，“高清卡口防逃費稽查+必要行政管理手段”是聯網收費防逃費中有效的稽查手段，并可用于漏標車輛的路徑還原和遏制惡意屏蔽RFID雙頻通行卡的行為。

5.8GHz ETC路徑標識采用“讀寫雙頻通行卡+讀寫OBU”的技術方案，車輛在高速公路上行駛時，MTC用戶和ETC用戶均可通過5.8 GHz路側標識點雙向通信獲得多義性路徑信息和相關的入、出口信息，實現車輛按實際行駛路徑精確收費和交通信息采集等目的。

2.2系統整體框架

多義性路徑識別系統是聯網收費系統的一個子系統，主要由省（區、市）聯網收費結算管理中心系統、路段收費中心系統、收費站系統、標識點系統、收費車道系統、ETC車載設備OBU、雙頻通行卡等構成（如圖3所示）。

圖3　多義性路徑識別系統構成示意圖

基于雙頻通行卡的多義性路徑識別系統聯網收費平臺包括聯網收費結算中心、路段收費分中心系統、收費站系統、MTC和ETC入出口系統及5.8 GHz標識站監控系統（如圖4所示）。

當車輛在收費站入口進入高速公路時，通過讀寫器獲得入口信息；經過多義性路段時，通過5.8 GHz標識天線獲得路徑信息；至收費站出口形成流水數據上傳至收費站系統、路段分中心和結算管理中心，通過與標識站監控系統的數據記錄進行比較，可測試系統的標識率、讀寫卡成功率和串標率。

2.35.8GHz RFID雙頻通行卡方案

該方案使用的雙頻通行卡由卡內部電路將非接觸IC卡（13.56 MHz）和RFID卡（5.8 GHz）連成一個統一的整體，通過5.8 GHz天線接收路徑信息直接寫入通行卡的存儲器內，在收費站出口可用現有讀卡器（非接觸IC卡13.56 MHz讀卡器）讀出雙頻通行卡中的入口、出口信息和路徑信息。雙頻通行卡與復合通行卡的本質區別在于卡內的非接觸IC卡和RFID卡的雙頻接口共享存儲單元。雙頻通行卡內部非接觸IC卡與RFID卡之間有電路連接，通行卡雙頻接口共享存儲單元的設計方式，使發卡站、收卡站和雙頻卡之間能通過雙頻卡直接進行通信，無需進行卡內信息轉換，也無需進行發卡站和收卡站的改造，較為經濟合理。

圖4　基于雙頻通行卡的多義性路徑識別系統聯網收費平臺

該方案采用5.8 GHz信號頻段進行信息識別與通信，不同于普通復合通行卡的433 MHz信號頻段。在多義性路段上設置5.8 GHz標識站，對通過的車輛傳輸信息，接收路徑信息并存儲到雙頻通行卡內（如圖5所示）。MTC用戶的雙頻通行卡和ETC用戶的車載單元OBU均可通過5.8 GHz標識站獲得相應路徑信息。

圖5　5.8 GHz標識站方案示意圖

在多義性路徑識別應用中，該方案通過5.8 GHz信號頻段完成信息交換。對于MTC用戶使用雙頻通行卡，在收費站入口處寫入入口信息，路側標識站處通過5.8 GHz頻段寫入路徑標識信息，在收費站出口處讀出入、出口信息和路徑標識點信息，由此確定車輛在收費站入口、路徑標識點和收費站出口的一條線路；對于ETC用戶，在收費站入口通過ETC車道時，入口信息通過5.8 GHz頻段傳輸至車載OBU，不停車通過收費站入口，在車輛接近多義性路徑標識站時，路側標識設備通過5.8 GHz頻段將標識站信息寫入車載OBU中，在出口處讀出多義性路徑信息和入口信息，進行費用精確征收與拆分。同時通過標識站與OBU和雙頻通行卡的雙向通信功能，獲取OBU和雙頻通行卡內的車輛信息、駕駛員信息，傳遞給管理中心。

2.4系統技術參數

2.4.1雙頻通行卡的主要參數指標

（1）外觀尺寸：長×寬為85.5 mm×54 mm，厚度不大于5 mm，誤差為±0.2 mm；外殼呈直倒角，有加強筋，不少于6個支柱點。

（2）5.8 GHz載波頻率為5.79和5.80 GHz。

（3）頻率容限為±200 PPM，占用寬度≤5 MHz。

（4）有效全向輻射功率≤10 d Bm，鄰道功率泄漏比為-30 dB。

（5）雙頻通行卡與IC卡讀寫器之間的通信符合ISO/IEC 14443 TYPE-A標準的相關規定。

（6）平均無故障時間至少為45 000 h。

（7）雙頻通行卡的13.56 MHz非接觸IC卡的物理層參數指標符合ISO/IEC 14443 TYPE-A標準的相關規定。

（8）雙頻通行卡的使用壽命不少于5年。

2.4.2標識路側單元的主要參數指標

（1）在車速0～160 km/h時，單點標識成功率≥99.5％。

（2）標識路側單元的載波頻率為5.83和5.84 GHz。

（3）頻率容限為±10 PPM，占用寬度≤5 MHz。

（4）有效全向輻射功率≤33 dBm，鄰道功率泄漏比為-30 dB。

（5）平均無故障時間至少為10 000 h。

（6）標識RSU與OBU之間的DSRC符合GB/T 20851.2、GB/T 20851.3及《收費公路聯網電子不停車收費技術要求》的相關規定。

2.5投資成本與技術性能比較

2.5.1投資成本估算比較

廣西位于中國西南地區，是中國5個少數民族自治區之一。根據《廣西高速公路網規劃（2010-2020）》，近期規劃至2015年，廣西境內高速公路總里程將突破6 000 km；遠期規劃至2020年，努力實現廣西高速公路總里程突破8 000 km，實現“六橫、七縱、八支線”的目標。下面以廣西為例，進行上述研究方案的投資估算。假定全區車道數3 000條（MTC車道），收費站400個，路段中心80個，全網通行卡200萬張，路側標識站74個，按照高速公路機電設備5年為一個更換周期計算。

目前廣西多義性路徑標識站方案采用雙頻通行卡和車載OBU，通過433 MHz和5.8 GHz路側標識站實現多義性路徑識別。該方案的5年全省一次性軟件、硬件投資費用如表1所示。后期運營費用包括卡片損耗費用、設備維護費用和人員管理費用三部分。由于系統主要對標識設備進行維護，全區只要一個監控點，維護便利、成本很低，預計系統維護每年需100萬元、人員費用為100萬元，即后期維護運行費用每年約為200萬元，5年合計1 000萬元。目前廣西多義性路徑標識站方案系統5年投資估算總計23 878萬元。

表1　目前廣西多義性路徑標識站方案5年全省一次性軟、硬件投資

文中方案使用雙頻通行卡和車載OBU，通過5.8 GHz頻段實現多義性路徑識別。該方案5年全省一次性軟件、硬件投資費用如表2所示。后期運營費用預計系統維護每年100萬元、人員100萬元，即后期維護運行費用每年約為200萬元，5年合計1 000萬元。該多義性路徑標識站方案系統5年投資估算總計15 280萬元。

與廣西目前多義性路徑方案對比，文中多義性路徑方案減少了433 MHz標識站的設置，簡化了車道設置，不需更換現有收費站讀寫器，且車道軟件能兼容現有系統，升級費用少，同時該方案可通過通行卡與標識站雙向通信獲得交通流量、車型等信息，節省了交通流量調查站的建設費用，大大降低了系統的總投資成本，具有更廣闊的應用前景。

表2　文中多義性路徑標識站方案5年全省一次性軟、硬件投資

2.5.2技術性能比較

目前廣東省的“433 MHz電子路標和5.8 GHz ETC標識站”方案和四川省的復合OBU方案都需要使用433 MHz和5.8 GHz兩個頻段進行信息傳遞。433 MHz RFID識別技術雖然在MTC車道的應用非常成功，但它無法兼容5.8 GHz的OBU車輛，需另外開發5.8 GHz標識設備，導致成本增加。國家標準規定中國電子收費中使用5.8 GHz微波進行數據交換，433 MHz不屬于電子收費專用頻段，不是交通專有頻段，無相關標準計劃，應用前景單一。同時，433 MHz頻段是長距離傳輸，繞射能力強，在信息傳遞中，長距離容易受到其他頻段的干擾，造成不同車輛之間的串標，降低了多義性路徑識別的準確性和可靠性。另外，復合通行卡由IC卡和RFID卡獨立連接，在復合讀卡器讀寫信息時需延長1～2 s接觸時間，導致讀寫時間長、讀寫失敗率高等。在信息傳遞中，廣東省和四川省的方案只能單向地接收多義性路徑信息，不能雙向通信，不具有互動性。

而文中研究的5.8 GHz DSRC統一識別路徑技術的雙頻通行卡方案，MTC用戶和ETC用戶均可使用5.8 GHz標識站，保證了設施的一致性，節約了建設成本。采用5.8 GHz作為信息傳遞頻段，符合國家標準要求，無其他信號干擾，頻段統一，后續的維護技術體制統一。雙頻通行卡體積輕便，方便用戶使用、存儲及調撥管理，不需更換讀寫器，讀寫時間短，節約成本。同時，5.8 GHz標識站和雙頻通行卡、車載OBU之間實現雙向傳輸數據，一方面，標識站把多義性路徑信息傳送給雙頻通行卡、車載OBU，實現車輛的路徑定位；另一方面，雙頻通行卡、車載OBU把記錄的車輛和駕駛員信息（如駕駛員、車輛類型、輪軸數等）反饋給標識站，并傳遞給高速公路管理中心，可實現交通流量預測、駕駛員違章記錄及車輛信息識別等功能，對高速公路的控制和管理、道路收費具有重要意義。

3　結語

在高速公路ETC全國聯網的大環境下，多義性路徑識別問題已成為聯網收費的關鍵性技術問題。該文通過5.8 GHz DSRC統一識別技術，結合雙頻通行卡和5.8 GHz RFID標識站，實現了MTC用戶和ETC用戶通過5.8 GHz標識站獲得多義性路徑信息的功能，在對ETC車輛實現路徑識別的同時兼顧MTC車輛的路徑標識問題，解決了聯網收費后車輛費用的精確征收與拆分問題，為ETC成為高速公路主流收費方式奠定了基礎。該方案只需在多義性路徑上設置5.8 GHz標識站，節省了433 MHz標識站的費用，并且可實現標識站與OBU和雙頻通行卡的雙向通信功能，在不更換MTC車道讀寫器的情況下就可讀寫雙頻通行卡中的路徑信息，具有平穩過渡、標識率高、串標率低、成本低和不影響現有車道通行能力等特點。此外，5.8 GHz工作頻段屬于交通專用頻段，是未來ETC收費發展的必然選擇，具有更好的發展空間。從未來的發展角度來看，考慮到路徑識別精度的要求及ETC車輛路徑識別的重要性，5.8 GHz統一路徑識別技術具有其他識別技術不具備的優勢，是今后解決高速公路路徑識別和費用征收問題的理想方案。

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U495

A

1671-2668（2016）01-0054-06

2015-12-06

廣西壯族自治區交通運輸廳科研項目（GXEWASFKY2013001）