ETC收费车道邻道干扰问题的探讨

2021-07-22张栋威王绍臣

湖南交通科技 2021年2期

张栋威，傅达，王绍臣

(湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410015)

0 引言

不停车快捷收费(ETC)技术是通过安装在车辆上的车载单元(OBU)与安装在收费站车道上的收费天线(RSU)之间进行无线通信，读取通行车辆信息，实现不停车快捷收费。其中核心的车辆识别系统由车载单元、路侧单元和感应器等组成。

对于入/出口收费站，其运行流程是：当车辆进入收费站车道时，感应器(红外车型分类器、地感线圈或光纤光栅等)感知到车辆，路侧单元发出信号访问车载单元，获取车载单元中存储的车辆信息(如车辆型号、车辆号牌等)，通过后台收费系统进行判断与处理，识别车辆是否允许通行，对车辆ETC进行计费、扣费，在确认车辆信息无误允许通行后，发出信号控制栏杆机等设备，对车辆进行放行。

1 ETC车道邻道干扰产生原因

1.1 ETC车道邻道干扰

ETC车道邻道干扰现象是传统ETC系统中经常出现的一个问题。当收费站多个车道同时有车辆进入时，某车道RSU未能与本车道进入车辆的OBU进行数据交互，而是与相邻车道进入车辆的OBU建立通信链路，这样本车道RSU就会与相邻车道OBU完成交易流程，导致扣费出现错误，本车道进入车辆未付款直接通行，相邻车道进入车辆付款后却无法通行，对驾驶人员的权益造成侵害。邻道干扰形成示意如图1所示。

图1 ETC车道邻道干扰示意图

收费站ETC车道邻道干扰可能会出现以下几种情况： ①在双向车道中，OBU在入口车道完成写入口信息后，接着与出口车道RSU交易，造成误扣费现象，并造成该OBU到达下一个出口时无入口信息；②在双向车道中，OBU在出口车道完成交易后，接着与入口车道RSU交易，造成入口车道误报警或误抬杆等现象； ③在同向出口车道中，OBU先与本车道RSU完成交易，接着又与旁边车道的RSU交易，可能会因为无入口信息而被惩罚性扣款；④在同向出口车道中，OBU先与其它车道RSU完成交易，造成其它车道误放行而使通行费流失，同时导致被误放行的OBU到达下一出口时无入口信息，而本车道则不会进行抬杆放行。

1.2 ETC车道邻道干扰成因

收费站ETC车道产生邻道干扰的原因有工程实施问题和设备配置问题2种。

1.2.1工程实施问题

1.2.1.1 设备安装问题

在实际施工过程中，会因为施工人员操作误差，导致安装不当，从而出现邻道干扰问题。① 若RSU安装未正对车道中央，其覆盖区域会出现偏左或偏右现象，同时相邻车道之间的隔离带不够宽或未设置隔离带，则将造成RSU下行信号覆盖到相邻车道，即天线可能与其他车道的OBU进行通信；② 若RSU安装高度过高或安装角度过大，其覆盖区域将增大，造成RSU下行信号覆盖到相邻车道；③ 若RSU安装高度过低或安装角度过小(极端情况与地面平行)，造成RSU天线副瓣信号在相邻车道的强度增强，导致出现旁道干扰现象。

1.2.1.2 车道设计问题

车道的不合理设计也是导致邻道干扰发生的原因之一。① ETC车道不应设置在上坡、下拐弯等场地，如果必须在这些场地中安装使用，须根据具体情况合理设计，确保覆盖区域合理设置，否则会因为覆盖区域无法完全适配车道地形而发生邻道干扰；② 若在车道天线的前面或侧面存在面积比较大的金属面等反射体，会使天线的副瓣信号反射到其他车道上，干扰其他车道的正常工作。

1.2.2设备配置问题

1.2.2.1 RSU设备配置问题

RSU设备配置问题主要是天线方向图设计问题和信道、发射功率设置问题。① 在天线方向图中，主瓣波束是覆盖车道的关键波束，若主瓣波束太宽，超过了整个收费车道的宽度，同时车道中间的隔离段距离也不够宽，就会造成邻道干扰；② 在天线方向图中，副瓣波束是不作为信号读取的非关键波束，若未能较好地抑制副瓣波束，信号过强覆盖到相邻车道中，就会造成邻道干扰[1]；③ 高速收费站基本都是多车道并行的设计结构，若两个相邻车道的RSU工作信道相同，则会出现同频干扰；④ 部分操作人员为了更进一步提高RSU读取准确率，会增大RSU的发射功率，但RSU的覆盖区域通常会随着发射功率增大而增大，若发射功率过大，将导致覆盖区域超出车道范围，从而影响到相邻车道，导致邻道干扰。但发射功率过小也不可行，会导致覆盖区域过小，无法达到通信要求。

1.2.2.2 OBU设备配置问题

若OBU发射功率过高，其发射信号则可能被相邻车道RSU接收到，从而导致出现邻道干扰。

2 ETC车道邻道干扰解决方案

对于以上提及到的各种邻道干扰成因，主要有3种解决方案。

2.1 优化完善工程实施

优化完善现场的施工是重要也是首要的解决措施，具体对策方法如下：

1) RSU设备安装时，应确保设备按照规定安装在6～6.5 m的高度，位置精确处于车道的正中位置，天线的设置角度也应严格按照规范要求，不能太高也不能太低。且高速路段天气情况复杂，RSU设备有可能由于刮风下雨等情况出现位置偏移，若某收费站出现邻道干扰频率较高，应定期对RSU设备安装状态进行检查。

2) RSU设备安装时，应尽量避开面积较大的反射物体，比如大面积金属板。在条件允许的隔离带设置信号吸收板或隔离板，避免信号过强传播到相邻车道，ETC收费车道隔离带吸收板布置方式如图2所示。

图2 隔离带吸收板示意图

3) 根据规范文件要求，在满足ETC车道覆盖区域要求下，合理设计天线方向图，确保主瓣波束和副瓣波束配置合理，不影响相邻车道。

4) 相邻车道的RSU设备应设置不同信道，防止由于信道相同而产生的同频干扰。

5) 应按照实际需求合理设置RSU设备发射功率，不能一味追求识别率而尽可能增大天线发射功率，在满足规范要求识别率的情况下适当调整发射功率，使覆盖区域保持在车道内。

6) 采用RSU天线在前、车牌识别设备在后的布置方式，当RSU天线完成了车辆OBU的通信，就会进行抬杆放行，车牌识别设备所获取的车辆信息仅作为后期执法验证依据。可以考虑将RSU设备与车牌识别设备进行联动使用，通过软件层面汇聚处理，在RSU设备与OBU设备进行通信后，车牌识别相机对已通信的车辆进行抓拍与车牌识别，并通过软件将两设备获取到的信息进行对比，若信息能够匹配，则继续进行交易流程，若信息不能匹配，则在软件端触发报警，停止此次交易并交由现场人员继续进行[2]。但此方案对RSU设备和车牌识别设备的识别速率和准确率要求极高，若硬件要求无法达到会导致车辆堵塞。

2.2 使用相控阵天线进行数据交互

相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描目的。

相控阵天线定位的主要工作原理是通过控制天线信号的相位，增强指定区域中的信号强度，减弱非指定区域中的信号强度，对覆盖区域中的OBU进行定位与交易，非覆盖区域中的OBU则不予交易，避免本车道天线与相邻车道OBU进行交易，从而避免邻道干扰。

相控阵天线功能实现主要分为信号调制、信号编解码、信号分配、信号叠加几个部分，详细运行原理如图3所示。其中负责信号调制与信号编解码的设备称为射频收发机，负责信号分配的设备称为功分器，负责信号叠加的设备称为移项单元和移项控制模块[3]。

图3 相控阵天线运行原理图

在收费站实际运用情景下，相控阵天线可以适应车道的实际情况，按需将覆盖区域设置为矩形、圆形、梯形或不规则形状，对识别到的OBU进行定位，判断其是否处于本车道交易区域内，并准确辨别相邻车道中的车辆，以此作为交易与否的依据。其实际运行情况如图4所示，矩形通信区域为系统设定的交易覆盖区域，在这个情况下，即使RSU设备同时接收到了2个不同OBU的信号，但由于其中的OBU2不处于交易覆盖区域内，故RSU设备不会与其进行后续交易，只会与处于交易覆盖区域内的OBU1进行交易。

图4 相控阵天线运行情况示意图

与此同时，相控阵天线具有同步功能，由主控制器产生同步信号，从备控制器接收主控制器的同步信号，天线检测到同步信号的时候，才发送BST，OBU只能在同一时刻解调一个信号，当多天线发送BST的时候，OBU会自动滤掉弱的信号，解调强的信号。

相控阵天线控制器还能实现组网共享功能，可将所有的天线控制器接入同一个局域网，其中主控制器为核心，所有RSU设备接收到的数据会首先在局域网中共享并互相查询，若其所访问的OBU之前已被其他RSU访问并完成交易，则在一段时间内不会再次与其进行交易，以避免多次交易同一个OBU而导致的扣费错误。

与传统RSU天线方案相比，相控阵天线方案更加全面优秀，其性能对比如表1所示。

表1 相控阵天线方案与传统天线方案对比项目相控阵天线方案传统天线方案交易区域15 m范围内可任意调整15 m范围内可调整范围较小通行速度≤70 km/h≤40 km/h交易成功率交易成功率高交易成功率一般邻道干扰具备OBU定位能力,能有效避免邻道干扰无OBU定位能力,无法有效避免邻道干扰

2.3 使用毫米波定位雷达进行数据交互

毫米波雷达是指工作波段在毫米波频域的雷达，其具有穿透力强、抗干扰能力强、空间分辨率高的特点，常用于需要进行近距离高精度空间定位的场景。在收费站ETC车道应用场景中，毫米波雷达能够有效分离前后跟车，精准判断车辆类型，提高RSU设备识别准确率。

针对收费站ETC车道邻道干扰问题，可以通过定制毫米波雷达与RSU设备、车牌识别设备相结合的方式。当车辆进入RSU设备识别范围时，RSU设备会将读取到的车辆OBU信息传输至系统后台，与车牌识别相机所获取的车辆数据进行对比，同时毫米波雷达会对目标车辆进行精确定位，获取车辆的空间坐标信息和车型信息，若各项信息均符合，则会继续交易流程。此方案能够通过确定RSU设备所接收到的车辆OBU坐标信息和车型信息来判断其是否为邻道车辆，从而避免出现邻道干扰现象。整体系统构成如图5所示。

图5 毫米波雷达系统方案图

在毫米波雷达工作过程中，需根据现场情况调整好摄像机视场角，并根据RSU设备所配置的覆盖区域设置相应雷达上报的距离点。对于不同情景需求，雷达覆盖区域内可以设置多个不同距离的抓拍点。毫米波雷达系统布局见图6。当本车道车辆进入预先设置好的抓拍点时，毫米波雷达即可发送触发信号，指示相应车牌识别相机进行抓拍，同一车辆将根据设置的抓拍数量，获得相应数量的抓拍图像。与此同时，毫米波雷达将会实时获取车辆的位置坐标信息，当雷达检测到车辆驶入RSU设备的覆盖区域时，会立即给RSU设备发出触发信号，指示RSU设备读取车辆OBU信息，然后在后台软件系统中将车牌识别信息、雷达定位信息、车辆OBU信息三者进行对比检查，确认无误后则继续进行交易流程。