ETC模式货车计重收费系统设计

张剑勇，周尚儒，杨　军

（1.山西万立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024）

ETC模式货车计重收费系统设计

张剑勇1，周尚儒2，杨军2

（1.山西万立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024）

为解决高速公路收费口货车放行效率低、车辆拥堵严重等问题，结合先进的动态称重技术和DSRC短程链路通信技术，提出一种基于ETC模式的货车计重收费方案。该方案采用双台面动态衡作为称重系统和射频识别技术对货车的基本信息进行读写，从而实现货车不停车计重收费。其中，采用多传感器综合推理技术对称量数据进行补偿和异常检测。实验表明：该收费方式的车道放行时间为7.49s，整个系统运行的平均时间16.99s，与人工半自动化收费方式相比大大提高货车的放行效率，缓解车辆的拥堵问题。

动态称重；DSRC短程链路通信；货车ETC；交通拥堵

0　引　言

如何提高收费站通行效率，有效缓解直至解决收费站区拥堵问题，成为高速公路运营管理领域的重要课题［1-2］。电子不停车收费系统能够提高收费车道的快速通行能力，加快收费速度，并减少车辆刹车的时候所产生的机件损耗和车辆尾气排放污染［3］。对电子不停车系统的研究，大多数论文已进行全面详细的研究和设计［4-5］，而电子不停车计重收费系统的研究大多都处于探讨和浅析阶段。

本文以已实现计重收费的高速公路联网收费系统为依托，利用已有的ETC不停车收费技术与计重收费技术，提出了一站式双秤台前置单天线方式的ETC计重收费方案［6］。

1　货车ETC计重收费系统方案

1.1方案的组成及原理

一站式双秤台前置单天线方式的ETC计重收费方案布局图如图1所示，主要由双秤台动态称重系统和ETC收费系统组成。车辆从ETC车道称重区进入，秤台称重并计算、显示载重量；车辆称重后，系统把当前称重车辆的数据加入到车辆队列的最后，并增加已称重的车辆数。当车辆进入通信区域并与天线交易时，系统从车辆队列中取第一辆车的称量结果结合天线读到的其他通行数据进行费额计算，并向OBU发送扣款、写卡指令，交易成功后放行。栏杆打开，车辆通过栏杆并离开落杆线圈后系统清除车辆队列中的第一台车。如果车辆称重后交易不成功，则从前端豁口处离开，此时同样要清除质量队列中的第一台车。

基本过车处理流程如下：当车辆驶入该ETC计重收费车道时，首先对车辆进行动态称重处理，称重完毕后，称重显示控制器将汽车的重量和轴型传送给车道信息控制器；当车辆驶入ETC通信区域时，ETC路侧单元对车载电子标签OBU进行唤醒和识别，识别成功后将车辆信息（如车型、车牌号码和高速公路入口地点等）上传到车道机中，同时车道信息控制器将称重信息上传到车道机中；车道机将称重信息和ETC路侧单元的信息进行融合与综合处理并计算出将收取的费用后控制RSU对车辆的OBU进行扣费，收费成功后自动栏杆抬起，车辆放行。如遇到RSU对车辆的OBU信息读取失败、最终收费失败或者非货车ETC车辆等非正常流程，则通过显示大屏提示车辆驶入MTC通道进行人工收费，此时车道控制器控制豁口处的自动栏杆（豁口处留有5 m宽的无障碍区域，小型车辆可以直接从豁口处转至MTC车道而不需要豁口处的栏杆抬起）放行车辆，处理完毕后车道信息控制器将车辆转移完毕的信息交给车道机，提示车道机准备进行下一辆车的处理［7-8］。

1.2ETC车道长度的计算

ETC车道长度是指ETC车道中ETC识别装置至车道自动栏杆的距离。在本方案中，ETC车道长度的影响因素有5个：1）ETC车辆过站时允许的最大速度；2）车辆自身长度；3）ETC系统对一辆车的收费处理时间；4）电动栏杆的动作时间；5）驾驶员对路边信息显示屏上有关信息的识读时间。汽车长度一般不超过18m，速度为30km/h，ETC识别时间不超过300ms，高速自动栏杆，栏杆运行时间在0.5～0.8s，由此可计算出距离为27m。考虑到场地条件限制，本系统中动态称重系统到ETC天线距离为23 m，天线识别区域中两地感线圈的中心距为4m，天线到识别区域1号地感的距离为9m。

图1　系统布局图

2　动态称重技术

货车ETC计重收费实施面临最大的难点是称重的准确度，本系统中的双秤台动态称重系统采用了多传感器信息综合推理技术对称量状态进行智能识别和数据补偿，并使用自适应卡尔曼滤波算法对称重数据进行滤波处理，实现了车辆在正常通行情况下的高准确度称重，动态准确度等级达到国标2级指标（检定准确度为±1.0%）。

多传感器信息综合推理技术需要同时采集过秤时多只传感器的数据信息，在系统的CPU中进行数据融合推理，利用信息互补，提高系统决策、规划的科学性，反应的快速性和准确性。本系统在称重台面的不同位置安装了称重（拉力）传感器，并将传感器进行分组排列，每组传感器可推断出一种或多种异常现象，然后根据专家系统中补偿数据库对各类数据按属性权重进行补偿，最终得到车辆的称量结果。系统的称重部分主要有：2个称重台面、8只称重传感器、2只拉杆传感器、8只轮轴识别传感器和处理称重数据的仪表。传感器位置分布如图2所示，8只称重传感器分别放置于2个称重台面的4个角，用于采集施加在称重台面上的压力，并且可根据行车方向上不同位置传感器的波形计算出车辆过秤的速度以及加速度；2只拉杆传感器分别放置在一个称重台面的左右侧，其输出信号与称重台面水平方向的位移成一定的线性关系，实际中可根据输出信号的大小判定车辆拖磅现象的严重程度，该传感器的信号是对拖磅现象进行补偿重要依据；称重台面中间放置8只轮轴识别传感器，主要用于识别车轴的轮胎数量。

本系统采用产生式规则对秤台的传感器进行综合推理，产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其形式为：P→Q或者 IF E THEN H。其中，P是产生式的证据，指出该产生式可用的条件；Q是一组结论，用于指出当前提P所指条件被满足时，应该得出的结论。产生式的IF（如果）被称为条件、前项或产生式的左边；它说明应用这条规则必须满足的条件；THEN（那么）部分被称为操作、结果、后项或产生式的右边。在产生式系统的执行过程中，如果某条规则的条件满足了，那么，这条规则就可以被应用；本文所设计的控制模块是基于产生式规则的，基本逻辑结构为：｛IF（事实项集）THEN（结论）规则体部分 ……结束｝。

在该系统中，按图2所示将传感器编号，并根据实际现象建立如下规则：

图2　传感器位置分布图

R1：IF 1～8号传感器数据有效，THEN得到车辆单轴重初值。

R2：IF 1、3、5、7号传感器数据有效，THEN得到车辆单轴的速度及加速度。

R3：IF 1～8号传感器数据不一致，THEN分析出故障传感器并及时剔除该组传感器数据。

R4：IF 9、10号传感器超过阈值AND车辆有明显加减速THEN车辆拖磅。

R5：IF 1～8号传感器正常AND 1～8号传感器波形不一致THEN车辆跳磅。

R6：IF 1～8号传感器正常AND 1～8号传感器波形不一致AND 9、10号传感器波形不一致且超过阈值THEN车辆走“S”型路线过磅。

以上的规则库建立之后，当车辆过秤时，具体结构流程如图3所示。

图3　规则库结构流程图

3　异常逻辑解决方案

为防止车辆在未称重情况下从侧面进入ETC收费车道，把车道两侧的ETC收费引导部分适当加长，形成“称重区”。如图4所示，为方便部分不能正常交易的车辆离开ETC车道，如：无OBU电子标签、OBU电子标签识别错误、路侧单元识别的轴型与称重显示控制器识别的轴型不匹配、OBU电子标签内费用不够、车辆违章或超重不允许出站等原因，在靠近天线交易区一侧的收费岛留有豁口，以便这部分车辆疏散。同时，为了精确判断称重区与豁口之间车辆的数量，在豁口处设置一台自动栏杆和光栅，当ETC收费失败后，豁口处自动栏杆抬起，放行车辆。通过光栅检测车辆是否驶过豁口，并及时的提示车道信息控制器控制豁口处栏杆放下，禁行车辆。这样不仅保证了与天线交易的车辆和已称重的车辆的一一对应关系，防止称重和交易不对应造成的误收费，而且能有效防止车辆在未经过称重的情况下驶入ETC道。

图4　故障处理方案

4　实验结果与分析

系统在安装后进行了全面的测试，主要的目的是保证关键设备之间的兼容性良好，软硬件之间的交互性良好，逻辑判断无误，数据交互准确，整体系统运行安全稳定，整体系统功能完善，主要技术指标达到设计要求。实验内容包括：设备独立测试和设备间兼容性测试、四轴货车连续100次场地测试和不同车型连续过车测试。图5所示为100次测试的称重偏差统计，从图中可以看出，双秤台动态汽车衡设备的称重误差小于±1%，能满足山西省高速公路管理局对货车ETC项目提出的称重指标 （误差＜±1.5%）。

表1所示为连续100次场地测试部分测试结果，表2为技术指标测试结果。从表中可以看出，使用货车ETC计重收费系统，车辆的整个交易与放行时间为7.49s，远小于现在的人工半自动化收费方式规定的30s放行时间（实际由于各种情况，人工收费的车辆平均放行时间＞60s）。

图5　场地测试称重误差统计图

表1　四轴货车场地试验数据

表2　四轴货车场地试验数据主要技术指标汇总1）

5　结束语

实验表明，本文提出的货车ETC计重收费系统不仅可以满足货车不停车计重收费的技术要求，还能有效降低收费站拥堵状况，提高通行能力，节约能源消耗，减少温室气体排放，节省建设和运营管理成本，经济效益和社会效益显著［9］。

但是要实现全面推广货车不停车计重收费方式还将面临诸多问题。在本系统的现场实验中发现RSU路侧单元与各个厂家的车载OBU的通信有时会受到车速、RSU的发射功率和OBU放置的高度影响。无论是目前已有的ETC收费系统还是本文提出的货车ETC计重收费系统的交易成功率均存在RSU天线与与车载OBU匹配性问题。

［1］王占锋.高速公路不停车计重收费的利弊分析与前景展望［J］.中国新技术新产品，2010（17）：75-76.

［2］钱金宝.高速公路电子不停车收费车道实施计重收费可行性分析［J］.现代交通技术，2013，10（4）：58-60.

［3］张曙光，梁洪伟.ETC计重收费系统及方法：201210027647.4［P］. 2012-02-09.

［4］王亮，鲁华祥，景卫平，等.解决电子不停车收费系统干扰问题的信息融合方法［J］.计算机应用，2012，32（9）：2660-2663.

［5］李英，傅华明.汽车动态称重在电子不停车收费系统中的应用［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（6）：1252-1255.

［6］程保喜.高速公路ETC模式的货车计重收费方案浅析［J］.现代工业经济和信息化，2013（44）：59-62.

［7］席晓鹏.高速公路计重收费系统研究［J］.青海交通科技，2012（3）：64-66.

［8］陈超波，沈辰，高嵩.公路超载车辆动态预检系统的研究［J］.国外电子测量技术，2014（12）：49-52.

［9］贾洪飞，隽志才，姚宏伟，等.电子收费系统（ETC）社会效益分析［J］.系统工程理论与实践，2004（7）：121-127.

（编辑：李刚）

Design of truck weighing toll system based on ETC mode

ZHANG Jianyong1，ZHOU Shangru2，YANG Jun2
（1.Shanxi Wanli Technology Company，Taiyuan 030032，China；2.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to solve the highway toll gate truck low release efficiency，and serious traffic congestion problems，combined with advanced dynamic weighing technology and short link DSRC communications technology，we propose a scheme based on ETC truck weight fees.The program realizes the non-stop truck weight fees，through the use of the double dynamic weighing scale platform as a weighing system and radio frequency identification technology used to read and write the basic information of the truck.The weighing system uses multi-sensor integrated reasoning techniques to compensate for the weighing data and detect anomaly.The experiments have showed that the release time of such toll lane is 7.49s；the average time of the whole system operation is 16.99s.Comparing with manual semi-automatic charge mode，the charging method greatly improves the efficiency of trucks release and relieves congestion of the vehicle.

dynamic weighing；DSRC short-range link communication；truck ETC；traffic congestion

A

1674-5124（2016）07-0084-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.017

2015-10-27；

2015-12-12

张剑勇（1978-），男，山西原平市人，工程师，主要从事自动化系统、嵌入式系统的设计和开发研究。