基于两阶段机制的公路自由流ETC系统实现

谭裕安，张建文，罗庆异

(广州华工信息软件有限公司，广东 广州 510650)

基于两阶段机制的公路自由流ETC系统实现

谭裕安，张建文，罗庆异

(广州华工信息软件有限公司，广东 广州 510650)

针对我国现有ETC的标准规范，结合当前DSRC通信设备的技术特点，提出一套两阶段机制的公路自由流ETC系统解决方案，以解决当前制约自由流ETC技术大范围推广应用的技术问题。

公路；自由流；ETC

1 公路自由流ETC现存问题分析

1.1 难点分析

(1)在自由流运行状态下，车辆的通行车速普遍较高，例如在高速公路通行环境下，车辆的通行车速往往不低于120 km/h，在这种高速的车辆通行环境下，如何确保车辆在有限的处理时空条件下完成交易所需的信息交互，是确保系统交易成功率的关键。

(2)在自由流运营环境下，车辆行驶的状态较存有导流措施的收费车道会更为随意，车辆变速、跟车、并驰、跨道、变道等均是车自由流状态下的车辆常见驾驶行为，如何确保这些通行行为不对车辆交易造成干扰，且可避免交易失序等均是系统难点所在。

(3)无人值守是ETC技术的其中一项优势所在，为此可预期这些自由流收费节点往往也是无人看守，因此若系统容错力较低，或单点故障影响严重时，必然会导致整个系统的实用效果。

2 现存制约的解决思路

2.1 高速行驶车辆处理时间限制问题的解决

对于高速自由行驶的ETC车辆而言，若要保证其交易的成功率，就必须让其在通过天线投射的通信区的时段内完成各项必要的交易处理操作，由此可见当中通信区长度和交易所需时间均是车辆交易成功率的关键。假设天线通信区长度为L，交易操作时间为T，则保证车辆在给定通信区内完成交易处理的限制速度为Vmax≤L/T。若车辆车速超过限制速度Vmax时，则意味车辆不具备足够时间完成交易，存在失败风险。

根据GB/T20851-2007《电子收费专用短程通信》的ETC国标体系，若微波天线在标准要求的功率范围内，投影在车道上稳定通信区长度一般不超过15 m；考虑到当前电子标签(即OBU)因车辆挡风玻璃及产品性能的非一致性而存在处理耗时差异，其处理耗时往往接近秒级。虽然用户通过调整天线角度可获更长的通信区，但此时通信区中信号将无法保持稳定，反而会造成天线与OBU的通信不稳定而增加交易耗时。

鉴于此，提出可通过设置两组微波天线的方式以确保在通信区信号稳定的前提下大大提高车道的通信区覆盖长度，即是给ETC车辆具有更充足的交易空间；同时，考虑到按照国标体系， ETC车辆OBU的处理可划分为OBU唤醒和OBU交易两个阶段，因而可通过界定前端天线和后端天线的职能，让OBU处理具备更充裕的时间条件，如前端通信区负责完成OBU的唤醒工作，后端通信区既可接续完成已唤醒OBU的交易处理工作，也可对未唤醒OBU提供完整的唤醒和交易处理工作。基于上述思路，无疑可大大提高车辆交易处理时的限制速度Vmax，即Vmax=Min{L前端/t唤醒，L后端/t交易}(当中L前端=L后端=L，t唤醒+t交易=T)，鉴于t唤醒、t交易均小于T，为此，该应用场景下的车辆限制速度较前述仅在一组通信区完成所有交易步骤时的车辆限制速度高，更符合自由流环境下高车速的通行环境要求。

2.2 自由行驶车辆处理适应性问题的解决

考虑到自由流状态下行驶的车辆存有变道、并弛、跨道等驾驶特征，按照GB/T20851-2007《电子收费 专用短程通信》标准，微波天线在同一时间内只处理一个OBU的信号。为此，当出现车辆跟弛、跨道、变道行为时，必然容易影响到微波天线与OBU间的通信链路建立效率，甚至容易因产生失序导致成功率下降，例如车辆OBU刚与本车道天线建立链路时，作出变道行为，这时本车道天线通信链路被占用，须一定时间方可恢复，从而影响后车的处理效率。

同时，为满足对并排车辆通行的处理要求，当前在自由流应用环境下，微波天线设备往往须采用时分控制微波信号发射的方式避免两者间信号的干扰，也即各车道上方的微波天线将通过时分控制方式定时在对应车道上发射微波信号，届时会存在一条车道存有信号，相邻车道信号暂时关闭的情况。该种处理方式，也意味着多车道环境下，车道通信区非持续存在，因而车辆交易须更长的处理区间和时间充裕度。

对此，仍可借助上述的两组微波天线布局方式给予应对，一方面，两组微波天线方式和各司其职的控制模式，可解决天线通信区长度和交易时间裕度限制问题，从而为多车道环境下的车道天线时分控制应用提供必要支撑；另一方面，因为OBU唤醒和交易阶段的相分离，也致使车辆的变道行为并不会对后续交易造成较大影响，因为OBU唤醒时间一般较短，因此其完成效率无疑较须完成唤醒和交易两项步骤的模式高，为此，车辆尽管产生变道，也不会造成明显影响，因其可对唤醒标签继续提供接续处理服务。

2.3 关键设备单点故障问题的解决

对于自由流ETC系统而言，外场微波天线无疑是整个系统的关键所在，所有交易处理的动作均源于微波天线，其运行状态必然将直接决定整个自由流ETC系统的处理持续性和质量。

所提出的两组天线布设技术，既满足前述的车辆在高速、自由的通行环境下进行交易处理的需求，也可以基于两组设备的相对独立性，并且组成互备架构。当一台微波天线产生故障时，仍可通过另一台天线接管全部处理工作的方式，让车道处理服务持续运行，大大提高整个系统在实际运行过程中的容错能力和可靠性。虽然当中会存在成功率的下降等问题，但是因其具备保障节点服务的能力，为故障设备修复争取了缓冲时间，在实际应用环境中不可或缺。

3 基于两阶段机制的自由流ETC系统

3.1 布局特点

基于两阶段机制的公路自由流ETC系统主要部署在车道沿线的横截面处，车道天线一般采用龙门架方式架设，并通过前后摆设方式，确保两排天线能在车道上投射出两组微波天线通信区，实现对车辆处理的分管控制。另外，相关的系统机电设备，如车道控制、配电设备等均可通过外场机柜进行部署放置。其车道布局可如图1所示。

图1 基于两阶段处理机制公路自由流ETC车道系统布局图

3.2 功能特点

(1)实现车道上前、后两排微波天线的分职能控制，其中前端天线负责对ETC车辆OBU进行唤醒处理；后端天线则负责对唤醒OBU进行交易处理，或对未能在前端天线中被唤醒的OBU提供二次的完整处理服务，即OBU的唤醒和交易处理工作。

(2)前、后两排微波天线构成互备的机制，当某天线出现故障时，其同一车道上的另外一台天线不受影响，仍可对ETC车辆提供完整的交易处理服务。

4 应用实例与分析

目前，基于两阶段机制的自由流ETC系统已经成功应用在高速公路实际运行环境中，主要服务于ETC车辆路径标识处理，即车辆以自由流状态通过该标识点时，系统将标识信息写入至电子标签和所插的支付卡中。以采用该项方案的广东省高速公路某自由流标识点数据(完整3个月)为分析对象，其实际应用效果情况如表1所示。

表1 某路段标识点应用的实际数据统计概况

由表1可得，系统通过天线布设方式投射出的两个肩负不同处理职能的通信区，可大大保障ETC车辆自由流状态下接受处理的时间和空间充裕度，以此确保整个系统的处理成功率，满足实际应用环境下车辆交易精确性和可靠性要求；并且两阶段的接续处理功能也符合自由流环境下车辆可能存在的变道、超车等实际情况，其存在不会对标识成功率造成影响。

5 结 论

公路自由流ETC车道技术是我国ETC发展过程中的必然方向，本文所提出基于两阶段处理机制的公路自由流ETC车道系统有效地对自由流ETC技术现存问题作出应对和处理，既提高车辆的交易成功率也确保了系统在实际运行环境下的容错能力，是将该项技术推广至公路收费、道路收费和交通管控等应用的关键所在。

[1] 叶红芸，张健.ETC多车道自由流实现方案[J].中国交通信息化，2013，(9).

[2] 郭海涛，钟勇.基于国标DSRC的多车道自由流应用系统设计[J].中国交通信息化，2011，(11).

[3] 陈燮奇，潘勇.国标双片式电子标签在多车道自由流的应用[J].中国交通信息化，2011，(2).

Implementation of the highway free flow ETC system based on two stage mechanism

TAN Yu-an, ZHANG Jian-wen, LUO Qing-yi

(Guangzhou Huagong Information Software Co., Ltd.，Guangzhou,Guangdong 510650,China)

Aiming at the existing standard specification ETC, combined with the current DSRC communication equipment technical characteristics, puts forward a set of two stage mechanism of highway free flow ETC system solutions, in order to solve the current restricting free stream ETC technology widespread application and dissemination of technical problems.

highway;free flow; ETC

2015-11-07

谭裕安(1981-)，男，工程师。

U495

C

1008-3383(2016)02-0136-02