四川ETC車道優化技術研究

黃興中

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.196

摘 要：四川省高速公路ETC專用車道系統自隨著用戶量的逐漸擴大，車輛在ETC專用車道不能正常通過的情況時有發生，個別ETC專用車道出現通過緩慢甚至擁堵的現象，使用戶在專用車道體驗不佳。該文對所述問題分析考慮，從車道整體設計著手采取措施，在不改變現有ETC專用車道欄桿前置布局的情況下，制定出車道改動較小、優化成本低，能有效解決鄰道、跟車問題的ETC專用車道優化技術方案，達到提高過車速度和過車成功率的目的。文章通過闡述研究的過程和研究的內容，提出在原有車道布局方案基本不變，通過采用相控陣天線，提升關鍵設備性能以及優化軟件處理邏輯的方式可以提高過車速度，提高交易成功率、較好地解決跟車干擾和鄰道干擾的問題，從而提高整個ETC專用車道的過車體驗度。

關鍵詞：ETC專用車道 RSU車道布局欄桿機 技術研究

中圖分類號：U495 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0196-03

四川省高速公路ETC（Electronic Toll Collection，電子不停車收費）專用車道系統自2014年10月投入使用以來，至今已建ETC專用車道1005條，發展用戶約160萬。隨著ETC專用車道的投入使用和用戶量的逐漸擴大，車輛在ETC專用車道不能正常通過的情況時有發生，個別ETC專用車道出現通過緩慢甚至擁堵的現象，這不僅對收費站的運營和管理帶來不便，也使用戶在專用車道體驗不佳。如果不能有效提高ETC專用車道的過車體驗度，將嚴重制約ETC用戶規模的擴張和整體運營效果。因此，如何提高ETC專用車道過車體驗度已經成為四川省交通主管部門和高速公路運營單位關注的焦點。

1 問題分析

作者調查收集了該省營運公司及全國其他省份的ETC專用車道的使用情況，并對四川省高速公路ETC專用車道的布局技術標準進行了認真分析。車輛由ETC專用車道經過收費站時，由于各種故障導致車輛和車道系統交易緩慢甚至交易失敗，此時車輛不能正常通過收費站，必須采取人工干預、倒車、重復交易、轉入MTC車道通行等措施，因此影響了ETC專用車道的過車體驗度。

但究其根本原因，影響ETC專用車道過車體驗度的主要因素有：車道設計不合理、用戶使用不合理、專用車道設備故障或RSU設備老化、鄰道干擾、跟車干擾等。

1.1 車道設計

ETC車道的土建基礎和設備眾多，其中最為關鍵的是線圈、欄桿和天線的布局。這三者之間最佳的布局關系是要保證車輛在觸發線圈（車輛進入通訊區域）、天線交易、欄桿抬起、車輛離開等整個過車過程中保持平穩順暢行駛，并且能夠保持一定的車速。

四川現有ETC專用車道布局標準：

車道采用欄桿前置方案；

車道采用了4 線圈布局；

穩定通信區域為8 m；

ETC平均交易時間為0.4 s；

欄桿機抬桿時間約0.7 s；

最快過車速度小于30 km/h；

現有ETC專用車道存在技術問題如下：

欄桿機距離天線立柱只有6.5 m，且現有欄桿機抬桿時間為0.7 s，車輛正常完成交易發出抬桿指令時，車輛到欄桿機的距離僅為10 m，因此過車速度較慢，容易出現用戶踩剎車減速現象。

ETC專用車道天線的通信區域為8 m，對于個別OBU安裝位置不合理或信號衰減較大的車輛容易出現交易不成功的情況。

費用顯示器布局靠前，用戶無法方便查看費用顯示器信息，導致過車速度減慢，存在一定安全隱患。

1.2 RSU設備

車道上關鍵設備長期暴露在室外，在高溫、雨雪等特殊天氣，設備性能受環境變化影響會有所降低，這會影響到ETC專用車道通過率。此外，天線在受到大風影響或過往車輛震動影響時，其安裝角度會有細微變化，經過相當長一段時期使用后，天線角度的偏差越來越大，使交易區漂移，由此影響交易成功率和車道通過率。

1.3 用戶方面

用戶在進入ETC專用車道時，沒有預先降低車速，在交易區以較高速度行駛，導致車輛OBU和天線交易失敗。此外，非ETC用戶誤入專用車道、一車多簽、OBU安裝不合理等因素也會降低車道通過率。

2 解決方案

提升ETC專用車道過車體驗度，應該從上文所述問題分析考慮，從車道整體設計著手采取措施，在不改變現有ETC專用車道欄桿前置布局的情況下，制定出車道改動較小、優化成本低，能有效解決鄰道、跟車問題的ETC專用車道優化技術方案，達到提高過車速度和過車成功率的目的。比如提高關鍵設備硬件指標、優化天線布局模式、優化車道軟件系統、對關鍵設備進行遠程監控、優化交通設施布局等，通過這些方法可以有效提升ETC專用車道過車體驗度。

2.1 優化關鍵設備硬件指標

正如上文1.1中所描述，欄桿機抬桿速度是影響過車速度的一個重要因素。我省現普遍采用抬桿速度為0.7 s的單臂高速欄桿機，通過考察研究，建議采用抬桿速度為0.3 s的雙臂對開欄桿機，縮短抬桿時間。

2.2 優化天線布局模式

天線通信區域大小及穩定性是ETC過車速度和交易成功率的關鍵因素。由于當前RSU技術所限，最佳通訊區域在6.5 m×3.0 m左右，它綜合兼顧了通車速度、交易成功率、跟車干擾和鄰道干擾，但由于天線通訊區域邊緣信號弱、載噪比和信噪比變差，當車輛上的OBU處于天線信號邊緣時誤碼率將明顯升高。

當通車速度超過40 km/h時，交易尚未完成車輛上的OBU已處于通訊區域邊緣，通訊區域邊緣信號較弱，載噪比C/N會降到10 dB以下，誤碼率已大于1.0E-4，所以交易成功率將明顯降低。結算中心嘗試采用三種方式優化天線通信區域。第一，擴大現有天線通信區域；第二，引入雙天線布局模式；第三，引入相控陣天線布局模式。

2.2.1 擴大現有天線通信區域

將現有天線通信區域擴大至12 m，增大通信區域，提高過車速度。

通訊區域長度達到12 m時，橫向寬度將大于3.3 m，理論上過車速度和交易成功率將有所改善，但通過實驗驗證，過車速度有所提升，交易成功率沒有明顯改善，且跟車干擾將明顯增加，通訊區域寬度大于3.3 m時鄰道干擾將明顯增加。

2.2.2 引入雙天線布局模式

由于提高單天線通訊區域雖然可以解決過車速度問題，但使得鄰道干擾和跟車干擾問題更加嚴重，為了兼顧解決這幾個問題，引入了雙天線布局模式。這種布局構成兩組通訊區域：一個遠端通訊區（A區）和一個近端通信區（B區）。遠端通信區通訊范圍較大，近端通信區通信范圍相對較小，僅可容納一輛車，且設于欄桿前附近。整個通訊區域前沿距車道欄桿機位置≥18 m。

雙天線通訊區域技術具有以下幾點優勢：

車輛通行速度得到保證。雙通訊區域通訊區前沿距車道欄桿較遠，駕駛員可在車道上游位置實現響應甚至完成交易，通行環境優越，有助于車速提高，使車輛最大安全通行速度可達35 km/h。

可通訊區域范圍更大。為車輛提供更為充足的交易區間，欄桿前也不存在通訊盲區，有利于車輛交易成功率提升。

兩組可獨立運作天線大大提高系統容錯能力。當某一組車道天線產生故障時，另一組車道天線仍可對來車繼續進行處理，大大提高了系統對天線設備故障的容錯能力。

雖然雙天線布局模式具有上述的優點，但通過實驗及外省實際使用情況來看，還是存在以下問題：

雙天線通訊區域雖然可以達到18 m以上，但是通過兩條獨立的天線完成，并沒有擴大單一天線的交易區域，只是通過V型立柱使前區的通訊區域更靠前。在單車或多車正常交易情況下能提高交易速度，但在連續過車時，車輛在前端通信區域交易未成功，切換至后端天線通信區域交易時，會降低過車速度。實驗表明，在多車情況下對車道過車通行效率未有明顯提高。

雙天線ETC專用車道存在兩個通訊區域，即車輛通過時可以有兩次交易機會，從而提高了ETC車輛交易通過成功率。但系統需要控制車道的兩臺天線協同工作，協調邏輯較為復雜，增加了系統內在錯誤存在的可能性。

雙天線所采用的還是現在使用的普通天線，此天線所存在的技術缺陷在上文中已經詳細描述，因此雙天線方案不能有效解決鄰道干擾和跟車干擾問題。

雙天線布局方案改造難度較大，需要更換天線立柱，且對收費廣場要求更高，還需增加車道設備，使得建設造價、工程量和維護成本都有較大增長。

2.2.3 引入相控陣天線布局模式

相控陣天線通訊區域通過相控陣天線具有波束電子掃描的功能，對相控陣天線的波束方向調整，以達到對未完成交易車輛的跟蹤與定位。相控陣天線將天線信號形成掃描波束，3.3 m×6 m的通訊區域可動態覆蓋25 m長的車道，實現動態長距離連續通訊，從而消除跟車干擾，同時可以通過定位實時獲得未完成交易車輛的位置，確定有效交易區域，防止鄰道干擾。

相控陣通訊區域技術具有以下幾點優勢：

車輛通行速度得到保證。相控陣通訊區域前沿距車道欄桿最遠可以達到30 m，為了系統穩定性和可靠性，通過軟件設置最大允許交易區域在21 m處，駕駛員可在車道上游位置實現響應甚至完成交易，通行環境優越，有助于車速的提高，使車輛最大安全通行速度可達45 km/h。

可通訊區域范圍更大。為車輛提供更為充足的交易區間，相控陣天線的波束方向調整跟蹤有利于車輛交易成功率提升。

通過相控陣天線的跟蹤定位功能可以有效解決跟車干擾和鄰道干擾問題。

2.3 優化車道軟件系統

車道軟件系統是ETC專用車道過車穩定運行的關鍵保證，車道軟件邏輯的嚴密性是過車可靠性的保障，但是如上文2.1所述，現有ETC專用車道交易時間為0.4s，同時存在不能刪除干擾車輛等車道軟件邏輯問題。針對現有ETC專用車道軟件系統問題，項目組從交易時間和車道邏輯兩個方面對其進行了優化處理。

2.3.1 交易時間

車道軟件交易時間優化主要是優化整個ETC專用車道交易流程，優化車道軟件與天線通信處理流程，優化車道軟件中的線程管理流程，提高數據傳輸速度，從而達到縮短交易時間的目的。

2.3.2 車道邏輯

四川原有ETC專用車道為4線圈布局，1線圈為前觸發線圈，2線圈為后觸發線圈，3線圈為抓拍線圈，4線圈為落桿線圈。對此，項目組考慮增加3個線圈，采用建立車輛隊列和交易隊列的方式來處理過車邏輯，提高車輛通過成功率。

根據線圈布局，將5個線圈分為3個區域（線圈數從左到右）：

區域1：由觸發線圈1、觸發線圈2組成，用于統計過車計數，標記車輛進入交易區域及車輛位置。

區域2：由觸發線圈3組成，用于標記車輛位置，及抓拍車輛圖片。

區域3：由觸發線圈4和觸發線圈5組成，用于統計過車計數，標記車輛離開交易區域。

詳細參照圖5線圈布局圖。

三個區域中任一線圈被觸發，則認為該區域有車（以1來表示有車，0來表示無車），區域車輛過車計數如下：

區域1線圈過車計數：線圈1狀態[1]&&線圈2狀態[0]→[1]時+1；

區域3線圈過車計數：線圈4狀態[1]&&線圈5狀態[0]→[1]時+1；

當天線檢測到車輛上的OBU設備時既向隊列內推送一輛ETC車輛，車道軟件系統根據隊列長度、區域1線圈過車計數、區域3線圈過車計數和線圈狀態結合來判斷OBU位置是否合法，是否需要推送干擾車進入隊列。

詳細車道邏輯如下：

天線檢測到OBU信息（B2幀），向車輛隊列推送一輛ETC車輛（坐標、交易狀態、收到D0時的線圈狀態、OBU信息）。

判斷OBU坐標合法性，如果OBU坐標非法，向車輛隊列推送ETC車輛時先推送一輛干擾車。

判斷車輛隊列中最后一輛車交易狀態是否異常，如果異常，后續車輛停止交易，返回第1步；如果隊列為空或狀態正常繼續交易。

非法ETC車輛中“未插卡”、“非法拆卸”等情況可以通過刷卡完成交易，干擾車輛之后的ETC車輛通過人工刷卡完成交易。

抬桿放行，當隊列內為空或首輛車的交易狀態異常時落桿。

2.4 對關鍵設備進行遠程監控

可以考慮在全省范圍內建設一個遠程監控平臺，對ETC專用車道關鍵設備進行遠程監控。在車道發生異常狀況時能及時進行人工干預，更重要的是系統能記錄異常狀況及其發生的原因，并能夠對異常狀況的發生進行統計。

當某特定車道較頻繁發生異常情況時，可以初步判斷該車道存在某種潛在故障。特別是關鍵設備性能相較設計指標有所偏差（例如可能是天線交易區漂移，異常天氣使設備性能降低等），此時可以主動檢查關鍵設備并進行遠程維護，保證系統中關鍵設備性能優良，從而提升ETC專用車道車輛通過率。

當某特定用戶較為頻繁出現通行故障時，可以初步判斷該用戶OBU及非現金支付卡可能出現潛在故障（如OBU電量低，或非現金支付卡未插好等），運營單位可以對該用戶進行主動式客戶服務，以提高用戶在ETC專用車道的通過率。

2.5 合理布置交通設施

設置彩色路面防滑標識。在現有國標規范所要求設置的標識基礎上，增加彩色路面防滑標識。該方法可以提升ETC專用車道通道感，降低非ETC用戶誤入ETC專用車道的概率，由此提高通過效率。同時，該方法還具有車道誘導更直觀、路面更防滑等安全特點。

設置反光導引路標。在光線不足的通行條件下（如夜間），反光導引路標同樣起到提升通道感的作用，有效避免非ETC用戶誤入ETC車道的現象，同時這也是加強車道行駛安全防范措施之一。

調整費顯位置。將原有費用顯示器調整到欄桿機前1m出，同時調整費用顯示器字符大小和亮度。該方式可以方便ETC專用車道用戶查看消費情況，避免ETC專用車道用戶因為查看費用顯示器而主觀減速，由此提高通過效率。

3 方案驗證及結論

3.1 方案驗證說明

作者提出了三種布局解決方案，并分別進行了車道改造及實車測試，在此基礎上對三種方案進行了對比。方案一，不改變原有車道布局，增大原有天線通信區域；方案二，采用雙天線布局方式；方案三，采用相控陣天線布局方式。

通過比較，方案一可以有效提高ETC專用車道車輛通行速度，但存在交易成功率下降等諸多問題；方案二，可以提高ETC專用車道車輛通行速度和通行成功率，但軟件處理邏輯復雜，軟件修改工作量大，調試難度較大，且不能有效解決跟車和鄰道干擾問題；方案三，可以提高ETC專用車道車輛通行速度和通行成功率，同時能夠較好解決跟車和鄰道干擾問題，改造難度比方案二小，但投資較高。

3.2 結論

終上所述，在原有車道布局方案基本不變，通過采用相控陣天線，提升關鍵設備性能以及優化軟件處理邏輯的方式可以提高過車速度，提高交易成功率、較好的解決跟車干擾和鄰道干擾的問題，從而提高整個ETC專用車道的過車體驗度。