电子不停车收费ETC系统

研究生课程论文(2011 -2012 学年第2学期)课程论文题目：电子不停车收费（ETC）系统研究生：郑兆鹏电子不停车收费（ETC）系统郑兆鹏摘要：本文首先介绍了国内ETC系统的发展历史， ETC系统的特点和分类。

接着介绍ETC系统的设计思路和结构功能。

接着介绍OBU系统的未来发展趋势，包括外观与人机交互功能多样化、车辆整合设计、射频集成设计、供电设计改进等方面。

最后介绍了国内ETC系统存在的缺陷。

关键词：ETC；OBU；设计；通信区一、ETC系统的简介1.1 ETC系统ETC系统是通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签（OBU，On-Board Unit）与在收费站ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯（DSRC，Dedicated Short Range Communication），利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。

目前主要有两种不停车收费系统，一种是采用车道隔离措施下的单车道不停车收费系统；另一种是在无车道隔离情况下的自由交通流下的自由流不停车收费系统。

1.2国内不停车收费系统的发展公路收费在世界上已有相当长的历史了，早在几个世纪之前，欧洲一些国家就有收费桥梁和收费渡口。

到十九世纪初，英国就有3500 公里收费公路，日本在1956 年就开始公路收费，到1984 年收费道路项目占日本全部道路预算的44%。

不停车收费应用也有近20 年时间，主要应用在美国、日本、意大利、法国及新加坡等国家，由于ETC 技术已有较长的发展历史，美国以及欧洲许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网，并逐步形成规模效益。

我国的ETC系统的研究和实施取得了一定进展，部分项目已进入运行阶段。

2000 年6 月，提出了适合国情的组合式公路电子收费的技术方案——“两片式电子标签＋双界面IC 卡的组合式电子收费系统方案”。

为解决中心城市的环城公路网及区域经济圈内城间公路网收费站的交通瓶颈提供了一种有效手段。

2004 年12 月，广东省宣布全省基本实现了高速公路联网收费，当时已开通了78 条ETC 车道，迄今为止数量为全国之最。

目前，全国范围内已经有十几个省市相继开通了ETC 车道。

国内比较成功的ETC 车道系统普遍采用频率为5.8GHz 的两片式电子标签+双界面CPU 卡的模式，实行兼容ETC 与MTC 的组合式收费方案，达到以最经济、最有效的手段实现准确收费、疏导交通、提供服务等综合目标。

1.3国内ETC系统的特点一是系统成本高。

目前，ETC车道系统的设备投入比较大，一台支持两片式OBU的5.8GHz 天线要20多万元，一台0.6s 的Magnatic高速自动栏杆要3万元，整套车道系统建设费用约需50万元，远远高于传统MTC收费车道的投资。

二是设置常闭式自动栏杆。

在国外，ETC技术主要应用于自由流收费，其国家法规、个人信用以及司机的驾驶习惯与我国不同。

国内的情况要复杂得多，最典型的例子是非法车辆闯关的问题。

在国外自由流收费环境下，非法进入专用车道的车辆，在被现场拍照后，依据照片可索回通行费并将依法给予处罚，而在国内目前尚无配套法规来治理逃费现象，人工收费车道都难对逃费车辆进行处罚，像这样的电子收收费方式就更无法进行追费与处罚了。

因此，典型的中国式的ETC做法是：在ETC车道的车道检测器之后十几米左右，安装常闭式自动栏杆。

如果将栏杆设置为常开式，仅当非法车辆闯入时才将栏杆放下的话，那么由于ETC车道通行车辆的速度快，故非常容易发生交通事故，而且一旦客户增加、交通量增大时，会造成正常收费通行秩序的混乱。

1.4 ETC系统分类我国的ETC系统按天线通信覆盖区域的大小，可分为长通信区ETC系统和短通信区ETC 系统两种。

长通信区域ETC系统天线响应早，能保证车辆通行速度较快，但是当有两部车同时停在通信区域内时，会引起车道逻辑错误，车道交易发生混乱。

而短通信区域ETC系统通信区范围小，几乎只能容纳一辆车，因此车道逻辑比较清晰，不易引起交易混乱。

二、ETC系统的设计及实现2.1设计思路其主要设计思路如下：利用ETC 车道信息诱导屏的信息发布优势，及时向车主或车道人员发布车道的运行状态信息，使其能更好地了解车道运营状况，及时做出反应；通过ETC 车道系统的车辆检测功能，检测车辆、系统、设备等运行状况，以此触发外场信息发布设备；构造动、静态相结合的交通信息体系，丰富车道的信息发布手段，车道用户除通过信息屏外，还可从外场语音设备中获取相关警示或提示信息。

2.2系统结构该系统主要包括以下3 个组成部分：第一部分是车道运行状态信息源，主要是指存在于ETC 车道系统中的多类状态信息，包括系统、设备的工况信息，车辆的通行信息，系统对车辆的处理信息等，这些信息多源、复杂，是系统运行状态的体现，也是信息发布的依据。

第二部分是信息发布联动控制模块，主要包括信息处理、状态评估两个大组成部分。

信息处理，指系统状态原始信息在进行状态评估处理前，所进行的信息清洗、整合和规约等工作，以保证数据的真实性和有效性；状态评估，指从上述所处理的数据中抽取相关特征，从而评估ETC 车道系统的运行状况，如系统状态、车辆到达情况等。

第三部分是信息发布，主要是指通过信息发布联动控制模块的处理结果，生产发布的信息内容即方式，并且触发相应的信息发布设备，如诱导屏、费显、声光报警器、扬声器等，按要求发布相关的信息。

2.3系统功能系统功能包括以下几方面：利用ETC 车道系统的检测设备、检测模块，实时获取车道系统的运行状态，包括系统、设备工况信息、车辆通行、处理信息等；系统的信息处理和状态判别模型，可实现对上述多源异构数据的处理、分析，从而得出准确的状态评估结果，如车道有无异常、设备有无故障，系统运行是否正常等；根据各类评估结果，自动或人工生成发布的信息内容，及选择发布的方式，从而实现向车道人员、驾驶员发布与车道事件相对应的提示信息；具备完善的日志查询管理功能，当系统完成信息发布后，系统自动对此进行记录，以便日后查询管理；可在系统后台中实时监控车道的信息发布作业状况，特别是信息发布过程所产生的异常事件信息将直接显示在后台的管理界面中。

2.4系统处理流程首先通过ETC车道系统已有的车辆检测模块，获取车辆相关的运营状况信息，并对这些多源异构信息进行预处理操作，以确保数据的有效、可靠、规范。

然后利用系统的状态判别模型，评估ETC车道的设备、系统、车道等运行状况，并以此构成相应的发布信息，通过外场信息发布设备传至给车道用户，确保其能及时接收、读取和反应。

三、车载单元（OBU）技术发展趋势3.1外观与人机交互功能多样化随着ETC应用的不断推广,使用OBU的车辆必然大幅增加,这样就出现用户群体的多样化问题, 安装车辆的档次也将趋向多样化,用户的视觉体验存在较大差异, 因此OBU作为个人消费品的个性化需求特征将越来越明显,这就要求厂商应提供多种不同设计风格的产品。

可以说外观设计将向多样化的趋势进行发展,由消费者自行选择产品外观的模式也将会出现。

用户在对OBU外观有多样化需求的同时,在人机交互功能上有不同的喜好。

而OBU产品的功能特点决定了其具有声音、光效以及显示的用户提示界面。

目前的OBU主要是以蜂鸣器、LED指示灯和液晶屏来实现人机交互的功能。

为了满足不同用户的需求和喜好, 人机交互界面在不断的进行升级设计,如采用大尺寸彩色液晶屏, 语音播报等技术"总体来说,人机交互也将向着功能多样化的趋势发展。

3. 2车辆整合设计OBU与车辆融为一体, 协调美观, 于此同时防拆卸功能得到强化。

另外, OBU 天线外置, 排除了车辆玻璃对射频性能的影响, 避免出现因个别高档车玻璃屏蔽微波而导致无法使用ETC的尴尬。

同时, 车辆整合设计也将为采用车载电源提供良好的客观条件。

3. 3射频集成设计OBU射频单元的设计经历了三个阶段: 早期采用介质振荡器分立元件设计; 随后进入发射采用集成芯片, 接收采用分立元件的设计阶段; 目前正步入第三个阶段, 即采用收发一体的集成芯片设计方案, 在同一块芯片中集成了射频发射单元, 射频接收单元和唤醒单元。

射频集成设计带来了设计简化, 性能提升的强大优势。

配合合理的控制策略可以实现OBU 灵敏度智能化自主调节, 保证OBU在各种应用条件下均表现出最佳的工作性能。

3.4供电设计改进语音提示等更多的人机交互功能增加后, 必然会增加额外的功耗, 单一采用电池供电的方式已经难以满足需求。

这就要求OBU电源设计采用复合式供电方案, 使用包括一次性锉电池, 太阳能等供电方式, 同时应考虑采用可更换辅助电池供电方案为系统提供额外电力, 另外车载供电也是可以尝试的技术方向。

这样因能源影响OBU寿命将不成为问题, 而许多因能源的问题不能采用的技术将得以实施。

因此, OBU产品的供电模式将转向太阳能, 随后转向车载供电方向。

四、国内ETC系统的缺陷现有的ETC系统还仍然存在一些未解决的问题，这些问题的存在影响了ETC 在大范围内的广泛应用，因此还需要今后很长一段时间的研究。

目前国内ETC系统仍然存在的问题主要有：（1）长通信区ETC系统跟车干扰严重：对于长通信区的ETC系统的通信区约为自动栏杆前2～10 米之间，由于通信区域范围大，经常有多辆车同时处于天线通信区内的现象，当前面的车辆不能正常交易而后车可进行交易时，就会出现前车被放行而后车被拦截的错误，即跟车干扰问题。

（2）短通信区ETC系统车辆通行速度低：对于短通信区的ETC系统的通信区约为自动栏杆前1 米～6.5 米之间，进行交易时，车辆离自动栏杆较近，因此只能慢速通过，从而降低了ETC 车道的通行效率。

（3）自动栏杆附近存在通信盲区：现有的车道布局中，天线位于栏杆前2 米左右，由于天线和OBU的方向特性，OBU在到达天线下方时已不能正常通信。

因此栏杆前约有2 米以上的通信盲区，当车辆在通信区内没有完成交易而行驶到自动栏杆前时，无法继续进行交易，从而影响车辆通行。

（4）ETC车道内需要倒车的情况严重：由于OBU的性能差异及车辆行驶行为的复杂性，实际应用中频繁出现需要车辆倒车的情况。

交通繁忙时，倒车十分困难，容易引起ETC 车道堵塞。

（5）恶意旁道插队逃费现象无法解决：运营中，屡见恶意旁道插队逃费现象，即车辆停留于ETC与相邻车道间的隔离带缺口处，当ETC车道自动栏杆抬起时，快速插入到ETC车道中抢先通过，达到逃费的目的。

由于此隔离带缺口是为引导不能正常交易的车辆离开ETC车道所用，不可以封闭，所以无法有效阻止这种恶意插队的逃费现象。

（6）各类ETC系统间的兼容问题：电子收费系统目前在我国应用已越来越广，市场日渐扩大，但是，国内各高速公路管理公司各自引进的ETC系统互不兼容，在高速公路联网收费的趋势下，ETC系统互不兼容的矛盾势必会阻碍ETC的健康发展。