ETC停車場工作原理及技術淺析

發布時間：2023-07-10 12:14:20

一、ETC技術發展

　　ETC技術在80年代開始興起，90年代在世界各地使用，受到各國政府和企業的廣泛重視，世界許多著名公司，如Amtech、TI、Boash、Hitachi、Toyota等均競相研制。因此ETC技術發展很快，其主要經歷以下3個發展階段：

1、磁卡收費。

主要在ETC發展初期使用。但由于其投資大，存儲容量小，壽命短，保密性差，對環境要求苛刻，防潮、防污、防振、抗靜電能力差，而沒有得到很好應用。

2、接觸式IC卡收費。

IC卡因其存儲容量大，保密性好，抗電磁干擾強，投資和維護費用少，易實現智能功能而取代磁卡收費。但由于需要接觸操作、易磨損、易受污、安全可靠性欠佳，從而使使用受到限制，主要應用于公共交通收費等半人工收費系統。

3、非接觸式ID卡收費。

　　它是在IC卡基礎上，利用現代射頻識別技術而發展起來的新一代收費系統。最大特點是免接觸，使得保密、安全性進一步提高，而且沒有接觸磨損，壽命長，抗惡劣環境性能好，適合于ETC系統的野外、全天候工作。一般工作在微波波段，識別距離長，讀寫數據率高，適合于對高速運動的物體進行識別，真正實現不停車收費，是ETC系統發展的方向。目前各大公司正致力于微波非接觸式ID卡收費系統的開發研制。

二、ETC系統組成及工作原理

　　ETC系統是通過安裝于車輛上的車載裝置和安裝在收費站車道上的天線之間進行無線通信和信息交換。主要由車輛自動識別系統、中心管理系統和其他輔助設施等組成。其中，車輛自動識別系統有車載單元(Onboardunit，OBU)又稱應答器(Transponder)或電子標簽(Tag)、路邊單元(Roadsideunit，RSU)、環路感應器等組成。OBU中存有車輛的識別信息，一般安裝于車輛前面的擋風玻璃上，RSU安裝于收費站旁邊，環路感應器安裝于車道地面下。中心管理系統有大型的數據庫，存儲大量注冊車輛和用戶的信息。

　　當車輛通過收費站口時，環路感應器感知車輛，RSU發出詢問信號，OBU做出響應，并進行雙向通信和數據交換;中心管理系統獲取車輛識別信息，如汽車ID號、車型等信息和數據庫中相應信息進行比較判斷，根據不同情況來控制管理系統產生不同的動作，如計算機收費管理系統從該車的預付款項賬戶中扣除此次應交的過路費，或送出指令給其它輔助設施工作。其它輔助設施如：違章車輛攝像系統，自動控制欄桿或其它障礙，交通顯示設備(紅，黃，綠燈等設備)指示車輛行駛。

1、車輛自動識別技術

　　ETC停車系統中車輛自動識別技術是其中最重要的技術，它直接影響到系統的性能和應用推廣，也是區別不同的ETC系統的主要標志。目前，采用的識別技術主要有：①紅外線掃描識別技術;②CCD攝像識別技術;③激光掃描識別技術;④IC卡識別技術等。但由于交通運輸本身特點要求有一種能夠在全天候、惡劣環境下應用，遠距離作用(10m左右)，安全可靠性高，高速，壽命長的系統。上述這些系統由于本身缺陷都不能全面滿足以上要求，而得不到有效的推廣應用。微波非接觸式ID卡識別技術就是適應這一需要而發展起來的。由于微波透人性強，可以穿透濃霧、雨滴、風沙等，工作距離遠，適合于車輛全天候、惡劣環境條件下工作，它具有工作距離遠、體積小，既可以有源發射方式(壽命可達10年以上)也可以無源反射方式(無壽命限制)工作，既可以主動式，也可以被動式工作，車輛以50—120km/h的正常速度通過收費站等特點。工作波段主要有900MlHz、2.45GHz和5.8GHz頻段。

　　微波非接觸式ID卡(即OBU)接收RSU發出的詢問信號，經數據解調送控制單元進行處理，通過身份確認，密碼驗證后，控制單元對EEPROID進行數據讀寫操作并經編碼，加密后，再經調制，送天線發射出去。處理控制單元主要用于密碼校驗，編程模式檢查，數據加密解密，并控制對EEPROID的讀寫操作。EEPROID中存有車輛的ID號、車牌號、車型、司機等相關信息。RSU根據接收到的ID號等信息，而做出相應的操作，從而達到對車輛的識別。

2、OBU與RSU間的通信

　　ETC系統中，OBU與RSU之間采用專用短程通信標準協議(DSRC)進行半雙工通信，由于900IDHz和2.45GHz波段靠近移動通信波段且背景噪聲干擾較大，國際上正趨于將5.8GHz的系統作為標準ETC系統使用。如美國采用900MHz或5.8GHz，日本和歐洲均規定5.8GHz作為ETC的頻段。中國ISO/TC204技術委員會已提出將5.8GHz頻段分配給ITS領域的短程通信，包括ETC系統，并批準在5.8GHz頻段上進行ETC系統的試驗，通信距離為10m。采用5.8GHz微波波段與中國ISID工業用波段一致，不受移動通信影響。目前國內使用的ETC系統頻段多為900IDHz和2.5GHz頻段。對于5.8GHz系統，國內還沒有開發出相應系統

　　中國標準靠歐洲標準，目前只定義了物理層和數據鏈路層，其它層還有待進一步完善。 

三、ETC的技術

1、一種實用的5.8GHzETC系統

　　歐洲最新開發了一種5.8GHzETC系統，介紹如下。

　　OBU及RSU的物理結構：OBU亦即射頻識別應答器，包括射頻探測器、電源控制電路、調制解調電路、CPU及讀/寫數據存儲器、射頻輸出級及發射天線等。由于成本和尺寸限制，應答器一般做得很小(10×6×lcm)，應答器前端大多采用微帶天線和微帶電路進行調制解調，后接數字電路，如脈碼發生器。工作方式采用被動方式，即無射頻源方式，省去高昂的微波本振源，其射頻源直接來自于路邊天線發射的連續波。

　　通信鏈路：通信鏈路負責在收費系統與發行系統之間、在各站口的收費系統之間傳輸數據。OBU與RSU間的通信分下行鏈路和上行鏈路。

　　下行鏈路(由RSU到OBU)：采用ASK調制，NRZI編碼方式，數據通信速率500kbit/s，RSU天線E.I.R.P.約+33dBM。

　　上行鏈路(OBU到RSU)：RSU的天線不斷向應答器發射5.8GHz連續波，其中一部分作為應答器的載波，將數據進行BPSK調制后又反射回RSU。上行數據本身也是BPSK調制，載頻為2-10MHz。

　　邏輯鏈路層：路邊收費站與管理中心通過局域網連接起來，采用Ⅲ)比協議。采用非平衡結構，以管理中心為主站，各收費站為從站。

　　下行鏈路廣播方式——主要用于中心向各收費站發送交通信息等;上行鏈路廣播方式——用于應答器第一次向中心發通信請求;

　　按地址訪問方式——即當車輛發生通信請求后，特定的從站和主站之間進行雙向通信交換數據。

　　由于ETC通信實時性的要求，邏輯鏈路控制協議采用無連接方式，也沒有數據出錯恢復功能，只有CRCl6位錯誤檢測功能。

2、系統構成

　　電子不停車收費系統可分為前臺和后臺系統：

　　(1)前臺系統

　　包括三種核心設備:車輛自動識別系統(Au-tomaticVehicleIdentification簡稱AVI)、車輛自動分類系統(AutomaticVehicleClassification簡稱AVC)和錄像實施系統(VideoEnforcementSystem簡稱VES)。車輛自動識別系統采用無線調頻設備(Ra-dioFrequency)識別用戶的身份標識卡(TAG)及其有效性;車輛自動分類系統借助傳感器組的信息確定車輛的收費類別;錄像實施系統利用高速圖像處理設備自動俘獲違章車輛的車牌號碼。核心設備與其他控制設備共同組成不停車系統的車道控制器。

　　①AVI

　　AVI分為兩大類:激光設備與無線電調頻設備。激光設備采用條碼技術,掃描貼于車輛前端的條碼,獲取用戶的身份標識(ID),缺點是易受環境條件、距離位置、條碼安裝與完整性等因素的影響。無線電調頻設備采用無線波來識別貼于車輛前端的用戶身份標識卡來識別用戶身份,具有更高的可靠性;其中,無線頻率(RF)常用的頻率是5.8GHz。TAG分為只讀TAG、可讀寫TAG、多功能TAG(帶蜂鳴器、無線電信息收發等)三大類。

　　②AVC

　　AVC系統根據車輛的物理特性來確定車輛的收費類別。AVC的物理特性依據包括∶車輛的體積、重量、裝載人數、車軸或車輪的數目、車輛的用途等等。AVC與一系列的車道傳感器相連,傳感器的信號提交事務處理系統后,由車輛分類單元判定收費類型。AVC設備包括∶前置線圈、感應踏板、發射光塔、掃描儀和高速攝像等設備。

　　③VES

　　VES利用光學字符識別(OCR)技術自動獲取非法車輛的車牌號碼。VES攝錄方式包括照片、錄像帶和數字影像等等。VES利用模糊識別技術,借助光學字符識別設備實現非法用戶的車牌號碼識別。VES過程包括∶感應觸發、圖像俘獲、圖像識別、圖像儲存、圖像處理和圖像刪除等等。關鍵技術:API編程技術(控制外部設備,包括通信卡、DI/DO卡和聲卡);單片機編程技術;快速查詢算法;模糊識別;通信控制和圖像處理。

　　(2)后臺系統

　　收費系統的后臺系統工作任務主要為向客戶發售車載標識卡,并做標識卡的初始化;接受客戶補交金額和查詢;接收前臺收費數據文件;交易和結算;向前臺和客戶發送補交金額的黑名單指令和信息;存儲、管理抓拍圖像等。

　　它主要包括如下系統:計算機管理系統、道路運營管理系統、結算中心管理系統、客戶服務中心管理系統、銀行管理系統。實際上是一個具有財務結算性質的計算機網絡,網絡通過各個終端的工作,將數據文件迅速可靠地傳送,利用專用軟件正確地完成全部工作。

3、ETC系統的類型

　　ETC系統可分為收費站電子不停車收費系統和自由流不停車收費系統。

　　(1)收費站不停車收費系統

　　收費站不停車收費一般采取混合收費方式,既有不停車收費車道,又保留半自動收費車道。其主要特征為:

　　①與半自動收費車道并列設置。在收費車道中,根據使用情況開設部分ETC專用收費車道;

　　②車輛通過收費車道的車速較低,通常為30km/h一50km/h,通過率為600輛/h一1000輛/h;

　　③在車道出口端設置自動欄桿,以防無卡車輛通過。

　　收費車道入口設置不停車收費車道標志和信號燈。由于車輛密度不大，天線并不連續工作，無車輛通過時，天線處于休眠狀態。在天線輻射區外的車道，埋設一個環行線圈，當車輛進入線圈工作區時，線圈發出信號，激活天線進入工作狀態。車輛進入通信區，通過微波天線，車載標識卡響應天線的詢問信息，將客戶身份與車型代碼上傳給車道天線，由天線轉送給車道控制機進行核查，如為有效合法卡，車道放行，信號燈變綠，如果進一步交換信息，讀寫數據，可繼續通信，直到收費過程結束，如果進入車道的車輛為非法無效卡車，或是無標識卡的車輛，車道控制機將根據天線傳送的信息，指令自動欄桿關閉，攔截非法車輛，并發出聲光警報，現場人員將對其進行處理。車道控制機將收集到的數據上傳至后臺系統，進行數據交換和清算等，并將需要發布的結果下傳車道。

　　這種方式適用于不停車收費用戶在所有繳費用戶中并非多數的情況。

　　(2)自由流不停車收費系統

　　自由流不停車收費系統在道路主線上每隔一定里程設置一個橫跨道路上空的龍門架,架上安裝不停車收費設備,實施分段開放式不停車收費。車輛無須減速,以正常行駛速度完成收費工作。其主要特征為:

　　①無收費島、亭之類設施;

　　②進入收費點時無須減速,車輛繼續高速行駛;

　　③需要建立一套高精度逃費取證處理系統,現場抓拍捕捉車輛逃費證據,以便于以后依法處理,目前大多采用高速、高分辨率的攝像機對車輛牌照進行抓拍;

　　④在收費點附近,需建造一條與主線平行的普通收費車道,以便對非法無效卡車或無標識卡的車輛收費;

　　⑤車道天線控制器能控制多部天線并行工作,與多輛車載標識卡同時通信。

　　此系統主要優點為減少收費站建設投資,車速高,無行車延誤,車輛通行能力接近2000輛/h。但設備投資大,技術上實現難度也較大,特別是如何防止和遏制逃費車輛是關鍵技術。這種方式適用于不停車收費用戶在所有繳費用戶中已成為大多數的情況。

4、系統工作流程

　　高速公路收費的特點是不僅要按照車型分類標準收費,而且按照入出口的距離標準進行收費。各種類型的不停車收費系統的收費過程基本相同，其原理是在車輛上安裝一種標識卡，在ETC收費車道上安裝有車載標識卡的讀寫設備，當車輛進入ETC收費車道時，標識卡以微波通信方式與該車道的天線進行雙向數據交換，從卡上讀取車牌照號、車型等數據，如需要也可向車載標識卡上寫入信息，系統根據讀取的信息，識別車輛合法與否，進行數據處理，計算收費金額，并從其賬戶上扣除相應金額，記錄交易數據，控制車道外部設備等，具體流程為:

　　(1)后臺系統初始化車載標識卡，將車牌照號、車型、收費率等數據寫入標識卡，并發放給客戶，建立有關客戶檔案;

　　(2)車輛進入ETC收費車道,感應天線激活線圈,進而激活微波天線,讀取標識卡上的信息,并傳送給車道控制機進行核查;

　　(3)如為合法車輛,則進行收費交易,依據后臺系統完成清算,通行燈將會變綠,顯示收費額和余額,車輛通過,記錄數據;

　　(4)如為非法車輛,車道控制機觸發報警信號,同時控制自動欄桿下落,關閉車道,車道攝像機進行圖像抓拍,車輛進行人為處理。

5、技術及其標準化

　　根據國內外ETC的建設經驗,ETC系統的建設首先要作好ETC相關技術與設備標準的選擇,在規范、統一的標準平臺上進行后臺系統的建設。ETC標準化工作是一項綜合性的基礎工作,是制定ETC技術法規的基礎,對促進技術進步,提高總體應用效果,提高社會經濟效益具有重要作用。

　　目前國際上在ETC相關技術與設備標準的研究和制定工作中已取得了顯著的成果。國際標準化組織(ISO)第204技術委員會第15工作組負責專用短程通信協議DSRC標準的制定,電子不停車收費系統中車道天線和車載電子標簽所采用的通信協議就是DSRC。

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