ETC技术与智能卡技术的相融合

     作为当今世界研发热点的智能交通系统(简称ITS)重要组成部分的ETC技术是解决收费道路上交通拥挤、堵塞和其它弊端，提高现有道路运行安全和效率的重要手段，也是日益增长的环保需要。目前，世界各地都在大量修建高等级收费公路，到2000年底我国高等级收费公路达10 000km。事实证明，单纯依靠扩大道路基础设施的方法，不仅需要大量的人力、物力和资源，而且收效有限，满足不了日益增长的交通需求，且对环保造成很大压力。若采用ETC系统可使现有收费道路通行能力提高4～5倍，这样可节省大量的人力、物力和财力。

    据统计我国仅广州地区每年由此可节省的停车等待交费所损失的汽油费就超亿元。目前，我国ITS协调领导小组已成立，科技部将把ITS列为十五计划中的一个重大课题，制定ITS的发展框架，其中ETC是重要内容之一，也是目前最紧迫的任务之一。
　　
    1 ETC技术发展
　　
    ETC技术在80年代开始兴起，90年代在世界各地使用，受到各国政府和企业的广泛重视，世界许多著名公司，如Amtech、TI、Boash、　　Hitachi、Toyota等均竞相研制。因此ETC技术发展很快，其主要经历以下3个发展阶段：
　　
    1.磁卡收费。主要在ETC发展初期使用。但由于其投资大，存储容量小，寿命短，保密性差，对环境要求苛刻，防潮、防污、防振、抗静电能力差，而没有得到很好应用。
　　
    2.接触式IC卡收费。IC卡因其存储容量大，保密性好，抗电磁干扰强，投资和维护费用少，易实现智能功能而取代磁卡收费。但由于需要接触操作、易磨损、易受污、安全可靠性欠佳，从而使使用受到限制，主要应用于公共交通收费等半人工收费系统。
　　
    3.非接触式ID卡收费。它是在IC卡基础上，利用现代射频识别技术而发展起来的新一代收费系统。最大特点是免接触，使得保密、安全性进一步提高，而且没有接触磨损，寿命长，抗恶劣环境性能好，适合于ETC系统的野外、全天候工作。一般工作在微波波段，识别距离长，读写数据率高，适合于对高速运动的物体进行识别，真正实现不停车收费，是ETC系统发展的方向。目前各大公司正致力于微波非接触式ID卡收费系统的开发研制。
　　
    2 ETC系统组成及工作原理
　　
    ETC系统是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助设施等组成。其中，车辆自动识别系统有车载单元(On board unit，OBU)又称应答器(Transponder)或电子标签(Tag)、路边单元(Road side unit，RSU)、环路感应器等组成。OBU中存有车辆的识别信息，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，RSU发出询问信号，OBU做出响应，并进行双向通信和数据交换；中心管理系统获取车辆识别信息，如汽车ID号、车型等信息和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作。其它辅助设施如：违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它障碍，交通显示设备(红，黄，绿灯等设备)指示车辆行驶。
　　
    2.1车辆自动识别技术
　　
    ETC系统中车辆自动识别技术是其中最重要的技术，它直接影响到系统的性能和应用推广，也是区别不同的ETC系统的主要标志。目前，采用的识别技术主要有：1.红外线扫描识别技术；2.CCD摄像识别技术；3.激光扫描识别技术；4.IC卡识别技术等。但由于交通运输本身特点要求有一种能够在全天候、恶劣环境下应用，远距离作用(10m左右)，安全可靠性高，高速，寿命长的系统。上述这些系统由于本身缺陷都不能全面满足以上要求，而得不到有效的推广应用。微波非接触式ID卡识别技术就是适应这一需要而发展起来的。由于微波透人性强，可以穿透浓雾、雨滴、风沙等，工作距离远，适合于车辆全天候、恶劣环境条件下工作，它具有工作距离远、体积小，既可以有源发射方式(寿命可达10年以上)也可以无源反射方式(无寿命限制)工作，既可以主动式，也可以被动式工作，车辆以50 — 120km／h的正常速度通过收费站等特点。工作波段主要有900MlHz、2.45GHz和5.8GHz频段。它的工作原理如衅1所示。

    微波非接触式ID卡(即OBU)接收RSU发出的询问信号，经数据解调送控制单元进行处理，通过身份确认，密码验证后，控制单元对EEPROID进行数据读写操作并经编码，加密后，再经调制，送天线发射出去。处理控制单元主要用于密码校验，编程模式检查，数据加密解密，并控制对EEPROID的读写操作。EEPROID中存有车辆的ID号、车牌号、车型、司机等相关信息。RSU根据接收到的ID号等信息，而做出相应的操作，从而达到对车辆的识别。
　　
    2.2 OBU与RSU间的通信
　　
    ETC系统中，OBU与RSU之间采用专用短程通信标准协议(DSRC)进行半双工通信，由于900IDHz和2.45GHz波段靠近移动通信波段且背景噪声干扰较大，国际上正趋于将5.8GHz的系统作为标准ETC系统使用。如美国采用900MHz或5.8GHz，日本和欧洲均规定5.8GHz作为ETC的频段。我国ISO／TC204技术委员会已提出将5.8GHz频段分配给ITS领域的短程通信，包括ETC系统，并批准在5.8GHz频段上进行ETC系统的试验，通信距离为10m。采用5.8GHz微波波段与我国ISID工业用波段一致，不受移动通信影响。目前国内使用的ETC系统频段多为900IDHz和2.5GHz频段。对于5.8GHz系统，国内还没有开发出相应系统。
　　
    我国标准靠欧洲标准，目前只定义了物理层和数据链路层，其它层还有待进一步完善。

    3 ETC的技术　　

    1.物理层
　　　　
    2.数据链路层 采用HDLC协议进行通信。
　　
    3 一种实用的5.8GHzETC系统
　　
    欧洲最新开发了一种5.8GHzETC系统，介绍如下。
　　
    3.1 OBU及RSU的物理结构
　　
    OBU亦即射频识别应答器，包括射频探测器、电源控制电路、调制解调电路、CPU及读／写数据存储器、射频输出级及发射天线等。由于成本和尺寸限制，应答器一般做得很小(10×6×lcm)，应答器前端大多采用微带天线和微带电路进行调制解调，后接数字电路，如脉码发生器。工作方式采用被动方式，即无射频源方式，省去高昂的微波本振源，其射频源直接来自于路边天线发射的连续波。
 
    3.2通信链路
　　
    通信链路负责在收费系统与发行系统之间、在各站口的收费系统之间传输数据。OBU与RSU间的通信分下行链路和上行链路。
　　
    下行链路(由RSU到OBU)：采用ASK调制，NRZI编码方式，数据通信速率500kbit／s，RSU天线E.I.R.P.约+33dBM。
　　
    上行链路(OBU到RSU)：RSU的天线不断向应答器发射5.8GHz连续波，其中一部分作为应答器的载波，将数据进行BPSK调制后又反射回RSU。上行数据本身也是BPSK调制，载频为2～10MHz。
　　　　
    3.3逻辑链路层
　　
    路边收费站与管理中心通过局域网连接起来，采用Ⅲ)比协议。采用非平衡结构，以管理中心为主站，各收费站为从站。
　　
    下行链路广播方式 —— 主要用于中心向各收费站发送交通信息等； 上行链路广播方式 —— 用于应答器第一次向中心发通信请求；
　　
    按地址访问方式 —— 即当车辆发生通信请求后，特定的从站和主站之间进行双向通信交换数据。
　　
    由于ETC通信实时性的要求，逻辑链路控制协议采用无连接方式，也没有数据出错恢复功能，只有CRCl6位错误检测功能。
　　
    4 影响系统性能的因素和安全性问题
　　
    影响ETC系统性能主要因素有：天线的方向性、增益，同频干扰，传输的误码率，数据的安全性。