基于双区域通信的ETC与MTC组合收费系统设计

曹成涛

摘要：针对现有MTC系统改造为组合收费系统的需要，提出了基于双区域通信的ETC与MTC组合收费系统设计方法。给出了组合收费系统的系统框架和ETC系统结构图；对单通信ETC车道系统和双通信ETC车道系统进行了比较分析，得出了组合收费系统中采用双通信ETC车道系统的优势；分析了组合式收费两种主要的车道部署方式和其优缺点，给出了组合收费系统的工作流程。实践证明该方法可行，为改造现有的MTC系统提供了一种思路。

关键词：组合收费；双区域通信；收费车道；ETC；MTC

中图分类号：TP393：U491文献标识码：A摘要：针对现有MTC系统改造为组合收费系统的需要，提出了基于双区域通信的ETC与MTC组合收费系统设计方法。给出了组合收费系统的系统框架和ETC系统结构图；对单通信ETC车道系统和双通信ETC车道系统进行了比较分析，得出了组合收费系统中采用双通信ETC车道系统的优势；分析了组合式收费两种主要的车道部署方式和其优缺点，给出了组合收费系统的工作流程。实践证明该方法可行，为改造现有的MTC系统提供了一种思路。

关键词：组合收费；双区域通信；收费车道；ETC；MTC

中图分类号：TP393：U491文献标识码：A

电子不停车收费（简称ETC）是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的收费技术。它通过车载电子标签（OBU）与安装在路侧或龙门架上的路边设备（RSU）之间的微波通信，ETC车道计算机根据“电子标签”中存储的信息识别出车辆信息，在不需要司机停车情况下，自动完成收费处理全过程[1]。不停车、免现金支付、无需人工操作是电子收费系统的3个主要特点。

2007年，交通部《收费公路联网收费技术要求》提出“人工半自动收费为主，电子不停车收费为辅”的组合式收费方式，要求在现有MTC收费的基础上进一步发展组合式电子收费技术，以实现现有的MTC收费方式与电子不停车收费方式的兼容与互补；广东省也提出2012年实现珠三角所有城市出入口至少设置一入一出ETC车道。但是如何科学经济地对现有的MTC系统改造，使组合收费能兼容现有的已经成熟的MTC系统，实现ETC系统与现有系统的有机结合仍然值得探索，也是推广ETC收费面临的问题之一。

为实现组合式收费，需要在现有收费站MTC车道改造设置ETC收费专用车道或双界面IC卡专用收费读写机具。在3个以上车道的收费站，车道通行ETC用户占收费站总流量的2%或收费广场日ETC用户通行量达到300辆时，需设置1条以上的ETC收费专用车道，允许使用双界面IC卡的ETC电子标签用户，不停车通过收费站；在流量小的收费站，仅增设双界面IC卡专用收费读写机具，允许ETC用户从双片式ETC电子标签中取出双界面IC卡以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站[2—3]。由于3个以上车道交通流大的收费站居多，本文针对这种收费站的改造提出了基于双区域通信的ETC与MTC组合收费系统设计方法。

1组合式电子收费技术系统框架

组合式电子收费是在原有的MTC收费车道新增的一个功能，只需对原MTC车道修改设置ETC车道以支持组合式电子收费。组合式收费站构成如图1所示。

对于未安装ETC标签的用户只有一种收费方式：从MTC车道进入，领取通行卡，从MTC车道驶出，卡片交收费员回收，并缴纳现金；对于安装了双片式ETC电子标签用户，共有3种收费方式。具体如表1所示。

我国2007年颁布的《收费公路联网收费技术要求》规定使用5.8GHz微波频段的专用短程通信（DSRC）技术来实现电子不停车收费。ETC系统主要包括路侧设备（RSU）和车载设备（OBU）两部分：路侧设备指安装在车道控制系统前端的起信息采集作用的微波读写控制器，其由天线和读写控制器组成，实现AVI信息验证、支付信息验证等功能，并控制ETC车道的电子设施；车载设备一般安装在车辆前挡风玻璃上，由两片式电子标签与IC卡组成，存有车牌号、汽车ID等识别信息[4—5]。ETC系统结构图如图2所示。

2组合式收费中ETC通信区域选择

2.1单通信区域ETC车道系统

单通信ETC车道系统根据天线通信的覆盖区域可以分为长通信区域和短通信区域两种。由于车辆能较早进入长通信区域的有效通信范围，ETC系统天线响应早，车辆能以较快的速度通过，提高了通行效率；短通信区域ETC系统有效通信范围小，通信覆盖范围内仅能容纳一辆车，因此收费交易清晰。现有的ETC车道系统大都采用单通信区域技术[1]。单通信ETC车道的2种通信区域对比如图3所示：

单通信区域ETC车道系统主要有以下缺陷：

（1）长通信区域ETC车道跟车干扰严重

由于长通信区域ETC车道有效通信范围大，约10米，经常有2辆以上的车同时处于天线有效通信范围内部，当前车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正常交易的后车被拦截的错误，容易引起纠纷。

（2）短通信区域ETC车道车辆通行速度低

通信区域ETC车道通信距离仅为6.5米左右，进行交易时，车辆需要驶到自动栏杆较近处，只能极低速通过，降低了ETC车道的通行速度和效率。

（3）自动栏杆前2米存在较大的通信盲区

现有的单通信区域ETC的车道布局中，天线通常位于自动栏杆前2米左右，由于天线和OBU的方向特性，车辆到达天线下方时已不能正常通信，栏杆前约2米以内存在较大的通信盲区。当车辆行驶速度快在通信区内没有完成交易而行驶到靠近自动栏杆时，将无法继续进行交易，车辆因此无法正常通过。

（4）ETC车道需要倒车的现象严重

由于自动栏杆前通信盲区的存在，以及由于OBU的性能差异和车辆行驶速度的不确定性，实际应用中经常出现需要倒车的情况。交通繁忙时，倒车十分困难，容易造成ETC车道堵塞。

2.2双通信区域的ETC车道系统

为了解决单通信区域ETC车道系统所存在的问题，组合收费系统采用基于双通信区域天线的ETC车道系统。

如图4所示，双通信区域ETC车道方案将天线的通信区划分为远、近两个通信区域。远端通信区（A区）通信范围大，可以覆盖多辆车；近端通信区（B区）通信范围小，仅可容纳一辆车；并且2个通信区域有重叠，避免出现通信盲区。在车道系统的控制下，根据车辆的位置和交易状态完成通信区域的切换，当A区没有完成与车辆的通信时，系统可自动切换到近端区继续进行交易，直到交易完成，放行正常交易车辆或拦截非法车辆，在任一时刻仅其中一个通信区域处于活动状态。

当车辆驶入触发地感时，天线远通信区被激活并与OBU进行交易。如图5所示。

若交易完成，则系统控制自动栏杆抬起，放行车辆。如有以下情况，将导致在远通信区的无法交易或不能完成交易：

（1）非法车辆闯入，无法识别，无法交易；

（2）未在OBU内插入通行卡，无法交易；

（3）车速较快，在远通信区不能完成交易；

（4）天线反应迟钝，在远通信区不能完成交易。

这时，车辆驶到近通信区，系统自动将天线的通信覆盖区域由远通信区切换到近通信区，并在近通信区继续交易。如图6所示。

2.3双通信区域ETC系统的优势

（1）有效解决了跟车干扰问题

使用双通信区域方案后，若近通信区（B区）内有车辆存在时，则系统工作于B区（此时不能切换到原通信区），由于B区仅能容纳一辆车，因此不会与后面跟车的OBU发生交易，可以有效解决后车交易放行前车的问题。

（2）保证车辆通行速度，提高了服务水平

双通信区方案，其通讯区是远区与近区叠加后形成的总通讯区，通信范围比原来两种单通信区域大，加快了车辆处理时间，因此保证了车辆的通行速度，提高了收费车道的服务水平。

（3）解决了栏杆前通信盲区问题

在双通信区域方案中，由于有专门处理驶入近通信区（B区）车辆的通信设计，所以车辆从侧面变道插入ETC车道时仍处于良好的通讯状态，解决了栏杆前通信盲区问题。

（4）减少倒车和跟车情况

双通信区方案，可以有效避免单通信区环境下常见的倒车和跟车情况。由于栏杆前的区域已被天线通讯的稳定区所覆盖，不存在要倒车到稳定区的情况。如果有前车在近通信区时，天线保持工作于B区，此时不可能与后车交易，也就消除了后车跟车逃费的隐患。

3实施方案

组合式收费车道部署方式主要有两种方式，一种采用车道中置的方式，对现有人工收费站改动较大，需要大量的土建施工，成本较高；另一种建设部署方式只需要在现有车道上增加ETC系统中电子标签的读写天线（路侧单元RSU）这样的关键设备，对现有人工收费车道改动相对较小。

3.1ETC车道中置的方式

为了使安装有电子标签的车辆能够方便快捷通过ETC车道，除了采用双通信区域方案外，ETC车道一般采取中置设置原则，即将ETC车道设置在中央分隔带两侧的车道。

ETC收费岛加长，栏杆与MTC岛头平齐。在该种布局下，当车辆进入ETC车道出现交易异常后，可以不需要倒车即可通过辅助的车流引导设施引导至右边的MTC收费车道，最大限度地保障了ETC车道的通畅，也避免了未安装电子标签车辆误入带来的麻烦。

ETC车道中置方式如图7所示：

3.2对现有MTC车道改造的方式

该方式在现有车道上增加RSU，对MTC车道做尽量少的改造，投入成本较少，使之应用于ETC收费，车辆进入ETC车道如果自动收费不成功，则人工干预抬杆放行或车辆退出ETC车道进入MTC收费。如图8所示。

4ETC系统工作流程

车辆进入驶入ETC车道，压到远地感线圈时远区天线打开，读写天线与车辆上电子标签进行通讯；如果车辆速度较快等原因造成车辆在远通信区读卡不成功，车辆前行压到近通信线圈后则会启动近通信区域通信，具体如图9所示。

5结论

本文在分析前人已有研究的基础上，阐述了基于双区域通信的组合式收费系统设计方法。给出了组合收费系统的系统框架和ETC系统结构图；对单通信ETC车道系统和双通信ETC车道系统进行了比较分析，得出了组合收费系统中采用双通信ETC车道系统的优势；分析了组合式收费车道两种主要的部署方式和其优缺点。本文介绍的改造现有的MTC系统为组合收费系统的方法已在广东高速公路收费系统中得到了广泛的应用，实践证明该方法可行，为改造现有的MTC系统提供了一种思路。

参考文献：

[1] 李坚，王秀媛. 高速公路电子不停车收费系统国内外发展现状研究[J]. 自动化与信息工程，2007（2）：1—4.

[2] 许菲，李新友. ETC系统中车载单元的研究与设计[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2011，35（5）：1049—1053.

[3] 胡玲玲，黄银龙，朱彤，等. 一种基于RFID技术的交通管理系统[J]. 科学技术与工程，2010，10（12）：3013—3017.

[4] 张威，李跃辉，景为平. 电子收费系统车载单元LLC子层研究[J]. 计算机工程，2011，37（8）：246—248.

[5] 徐志扬，施鹏飞. 基于DSRC的ITS电子收费系统研究[J]. 中国公路学报，2001，14（1）：81—84.