基于大数据分析的ETC系统优化探析

李从凡

摘要：随着安装OBU车辆的不断增加，用户对ETC系统可靠性、过车速度和通行能力有了更高要求。而当前ETC系统还存在诸多问题，影响其实用性及效率，文章主要基于大数据分析对ETC系统进行问题定位，并提出相应的优化措施。

关键词：大数据；ETC系统；优化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0206-02

1 概述

ETC技术作为一种智能化的自动收费技术，经过多年的发展，已经得到了普遍推广[1-2]。但随着安装OBU车辆的不断增加，用户对ETC系统可靠性、过车速度和通行能力有了更高要求。

2 现状分析

2.1 交易耗时統计

整个ETC的交易过程可分为以下几个阶段：OBU唤醒→读OBU数据→读卡数据→扣款→抬杆。ETC的交易总时间为各阶段时间之和。

据以上图表分析可知：

1） 所有车道布局下，抬杆时间占车辆过车时间的大部分，对总通过时间起决定性作用。

2） OBU唤醒时间占比也比较大。尤其在广深高速前置式大车流量模式（天线通讯区调小）下，OUB唤醒时间占比超过30%。云梧高速中小车流量模式（天线通讯区调大）下OUB唤醒时间明显减少。

3） B4-C6为粤通卡合法性验证及费率计算时间，占总交易时间的2～4%。从统计分析来看，这部分时间占比非常少，优化空间不大。

4） 整个最短通行时间的98%由硬件设备决定，缩短交易时间应从关键设备着手。

2.2 过车速度统计

各模式下的过车速度如下：

通过上表的统计分析，过车速度处于20km/h水平。采用双天线或相控陈天线车速相差不大，车流量大少对通行速度影响也不明显。但后置方式对速度提升有一定作用。可能的原因是在连续过车模式下，车速主要是司机驾驶习惯影响。

3 理论分析

3.1 交易时间分析

1） 唤醒时间

该环节时间在交易过程中占有的比例比较大。OBU的唤醒一方面受OBU灵敏度和天线的信号强度影响大；在采用最灵敏地感和最佳OBU、天线的情况下。理论值极限在80ms左右。

2） 读卡信息过程

依据实际统计数据，B2～B4帧耗费的时间在120ms左右。该时间区段内完成OBU信息读取（25ms）、标识信息读取（25ms）、卡片信息读取（70ms）三个关键环节。

3） 抬杆时间

抬杆时间与设备性能有关，主流快速栏杆抬杆时间为600ms。该时间在整过过车过程中占有较大的比例，快速拦杆是提升过车速度关键之一。

3.2 理论速度分析

理论速度受限于理论上的最短交易时间。参考下面的车道布局来分析：

从上图看，天线的交易区为10m， 过车速度最终取决于车辆在通讯区内需要停留的时间，该时间为唤醒时间+交易时间之各。

理论上，通讯区后端与栏杆机的最短距离决于车辆在通讯区的速度和抬杆时间的乘积。直观地说，如果车辆通过通讯区的速度达到10m/s， 而抬杆时间为0.6s，则相距6m就可以了。

按上述思路，我们计算现有产品的理论速度：

理论总耗时（T）=理论最少唤醒时间+最少读卡时间+最少写卡时间=0.080+0.120+0.100=0.300s；

天线通讯区（S）=10m

理论速度（V） =S/T=10/0.3=33m/s=120km/h

V：车辆速度 S：天线通讯区长度 T：交易时间

从以上分析，国标理论速度达到120以上是有可能，但考虑到天线实际稳定交易区域可能在6米左右，国标实际达到60以应该都是可行的。但考虑到在40km/h情况下，600ms抬杆时间内车辆可前进6.7m，而在60km/H时，车辆会前进9.6m。因此结合前置的车道布局，栏杆到天线后通讯区边沿为7.5米，理论速度在40km/h左右。

4 问题定位

根据理论计算和实际测试，ETC系统通行速度达到40km/h以上是无难度的，如果纯从交易速度上考虑，100公里以上速度的自由流交易也是可行。但通过对ETC车道海量日志的分析，发现理论与实际速度之间相差甚远。产生此问题根源可定位于以下几个方面：

4.1 栏杆机性能不够

快速栏杆机作为ETC系统关键设备，抬杆耗时对通行速度影响大。主流设备抬杆耗时为600ms，当车辆以40km/h行驶时，车辆需在栏杆机前6.7m完成交易。在现有前置车道布局中，通讯区近端边沿距栏杆机距离不到7.5m，40km/h的车速已达到极限速度。在前置车道布局中，栏杆机成为制约通行速度提高的关键。

4.2 天线通讯区控制不合理

根据实际数据分析，在车中等车流量，天线功率调到最大，天线通信区达到10m左右，此时完成交易耗时（OBU唤醒+交易）平均为450ms，交易时车速可达80km/h。在大车流量，天线功率调到中等，天线通信区控制在6m左右，此时完成交易耗时平均为750ms， 交易时车速仅能达到28.8km/h。

因此，维持较高通行速度需要天线通信区控制在10m以上。广深高速因车流量比较大，为防止跟车，人为调节天线通信区到6米，是通行速度低，体验差关键所在。

5 优化思路

据以上分析，ETC通行速度达到40以上完成不存在问题。而实际的过车速度与理论速度相比却非常低，主要因不合量车道布局和各种异常影响了平均通行速度。改善ETC系统通行效果，提升用户体验，关键是如何优化车道布局，减少异常报警来入手。基于上述考虑，在现有标准下的ETC，我们提出以下改善思路。另外，基于未来ETC的发展，我们提供一些可能的思路供参考。

5.1 优化ETC车道布局

1） 前置双天线车道优化

按车辆交易完成后所外位置距栏杆尽可能远的思路。车道布局总长度延长到21.5m， 远区天线通信区与栏杆机的距离延长5m， 保证车辆交易完成时距栏杆10米以上。前区天线往来车方向前移5米。可根据实际天线立柱前移或加长前区线前臂长度。加隔离带，防止误闯车进入，同时后天线附近预留异常车辆引导出口，尽快疏通异常车辆。

2） 前置相控陈天线车道优化

采用“前相控阵天线+后普通天线+6线圈”布局。此方案有以下几个优势：

提高过车速度。远区换成相控阵天线，地感增加到6线圈，线圈总长22米。再次方案中系统可以提早打开天线进行交易，让车辆在车道远区就完成交易。假设车辆的车速20km/h，OBU唤醒时间+交易时间为1秒，车辆可在第二个线圈完成交易，此时栏杆抬起，车头离栏杆机约15米，车辆可快速通过车道。

减少跟车干扰和旁道干扰。相控阵天线通讯范围可调整的特性，能在扩大远区天线交易范围的同时确保对跟车问题的控制。相比普通天线，相控阵天线在控制天线范围，减少跟车概率的方面上有明显优势。

5.2 优化ETC收费流程

ETC车道重点是完成收费，只要能计算出费率就允许车辆通行，取消部分合法性验证；通过配合事后防逃稽查工作来打击逃费车辆。基于上述思路，针对“无卡”、“余额不足”、“无效入口”、“拆卸”等几类报警进行收费流程优化。

1） 余额不足

可考虑由联合电子对于诚信客户允许一定的透支额度。收费系统收费流程适当进行修改，当扣款发现余额不足时，储值卡升级为记帐卡使用，并在流水中做好未付标识。联合电子在下次车主充值时追缴未付费用。

2） 拆卸

收费系统取消拆卸报警，但在ETC流水中记录拆卸状态。加强事后的稽查工作，如果确实为逃费，则按逃费车辆处理。

3） 无效入口

充分发挥营运平台的作用，在ETC系统中增加车辆入口信息查询功能。当入口无效时，自动根据车牌识别的车牌或OBU中车牌查询车辆最近一次的入口信息，并计费。

营运平台以支持入口信息查詢，但查询效率可能暂难满足ETC要求。但构建一个由中心平台和收费车道协调收费的系统应是未来ETC收费的一种创新模式。

4） 无卡

在无卡报时，同样可以通过统一入口信息查询平台确定入口信息并计费。并形成未付的收费流水，事后由专营公司根据OBU进行追缴。

5.3 构建基于私有云的ETC收费平台

引入互联网+思维，构建基于私有云的大数据平台，实现ETC入口信息的在线查询，支持入口信息多来沿。

5.4 规范标志标线

“无电子标签”报警占ETC交易异常比重很大，主要因标志标线不清造成无标签车辆误入。为防止车辆的误入，按相关要求规范安装ETC的标志标线，包括ETC车道地面标线和文字、ETC 预告标志、ETC车道指示标志、非ETC车辆禁行标志、ETC辅助标志。

5.5 未来ETC改进思路

1） 在ETC已经全覆盖的情况下，建立车辆（OBU）对应的电子帐号，取消实体卡片，用OBU作为通行介质，采用后付费模式。具全是采用OBU来携带入口信息和标识信息，出口从OBU中读取入口信息进行计费。

2） 入口信息多元化方向发展。未来的ETC系统，在出品可集成多种方式来识别车辆的入口信息。只要在收费网构建一个基于云的数据中心，可通过车牌查询、GPS（需开发收费APP）等多种方式确定入口。

6 结束语

当前ETC系统服务面不断扩大，以满足当前车辆的增长[3]，为提升ETC系统的可靠性，还需要我们不断对其进行分析，尤其是利用当前的大数据优势来分析其不足之处，并利用先进技术对其进行优化，以提升其可靠性、过车速度和通行能力。

参考文献：

[1] 孙露， 姜川， 柳磊，等. 基于沪宁高速公路大数据分析平台的ETC堵逃应用探讨[J]. 中国交通信息化， 2015（s2）：27-28.

[2] 王胜华， 杨菁， 段进红，等. 江西省高速公路联网收费车辆通行交通大数据分析与应用探讨[J]. 中国交通信息化， 2017（1）：87-89.

[3] 李燕军. “互联网+ETC“用户服务应用探讨[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2015（25）：33.