基于ETC和MTC高速公路组合式联网收费系统设计

　　1 引 言

　　高速公路因其“高速、高效、安全、舒适”等优点，已成为连接各主要城市和重要港口的交通枢纽。然而，随着我国经济与社会的发展，公路运输能力已经不能满足日益增长的交通运输需求。21世纪交通的发展趋势必将是由粗放型向集约型转变，即从单纯依靠政府投资新建公路向建设公路运输的配套设施及其软件转变，以提高公路的利用效率。

　　在高速公路收费方面，效率低下的传统收费方式(找零、回票、投币)在车流量较大时往往使车辆在收费站区域滞留，限制了高速公路快捷方便的服务优点。电子不停车收费系统(ElectrONic Ton Collection system，ETC)就是在这一矛盾中应运而生的。

　　目前国外和国内试点的ETC系统普遍采用单片式ETC技术。但是，由于与我国主流的IC卡收费方式完全独立，而建立ETC系统必须自身构成一个完整的封闭式系统，即在路网内所有的入口和出口，即使是大多数交通量小、车道数量少的收费站，都必须设置一条以上的专用ETC收费车道，这必将造成资源的极大浪费。因此要在我国联网收费的大背景下成功推行ETC收费，必须考虑ETC收费系统与已经建立的IC卡收费系统之间的整合问题，选择一种兼容ETC收费和IC卡收费的组合式收费技术，这就是基于ETC和MTC(Manual Ton Collection sySTem，人工半自动收费车道)相结合的高速公路组合式联网收费系统(下文简称组合式收费系统)。

　　2 组合式收费系统的总体结构设计

　　中收费站采用了ETC车道和MTC车道相结合的方式。对于采用刷卡付费或现金付费方式的车辆，由MTC车道通过。刷卡付费有接触式刷卡和非接触式刷卡两种模式，当车辆进入MTC车道时，驾驶员停车刷卡或缴纳现金，交易完成后，启动栏杆放行；对于采用电子标签或两片式电子标签付费方式的车辆，则由ETC车道直接通过。当车辆进入ETC车道时，电子不停车收费系统对安装在车上的电子标签进行付费操作，付费交易自动完成，实现车辆不停车付费。

　　ETC车道和MTC车道分别交易，互不干扰，两种付费方式最后由软件系统负责整合。

　　3 组合式收费系统各子系统的硬件设计

　　组合式收费系统的子系统硬件设计包括ETC车道设计和MTC车道设计。

　　3.1 ETC车道的设计

　　ETC是利用专用短程微波通讯技术，通过路侧单元(RSU)与车载单元(OBU)的信息交换，自动识别车辆，采用电子支付方式，自动完成车辆通行费扣除的全自动收费方式。当ETC系统检测到车辆进人ETC车道的时候，安装在龙门架上的微波天线与安装在汽车挡风玻璃上的电子标签自动进行信息交换，与微波天线相连接的ETC车道计算机根据电子标签中存储的信息识别出车辆信息，并根据车主的使用情况从其账号中扣除通行费。如果其银行账号中余额不足，则由显示设备提醒驾驶员进入MTC车道。整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过ETC收费车道。

　　ETC车道的硬件系统设计包括通信子系统设计、车辆自动分类子系统设计、视频监控子系统设计。

　　3.1.1 ETC车道通信子系统设计

　　(1) 短程通信标准的选取

　　《高速公路联网收费暂行技术要求》中第十三条明确指出：“电子不停车收费技术中车辆自动识别系统所采用的专用短程通信频率推荐5.8 GHz电子标签宜采用可读写的‘单片式’(可读写智能电子标签)或‘两片式’(带IC卡接口的电子签)。‘两片式’电子不停车收费系统应与人工半自动收费系统兼容。”因此依据该文件，选取5.8 GHz短程通信标准为专用短程通讯(Dedicated ShortRange communication，DSRC)标准。我国DSRC通信技术指标如下：

　　频段：5 795～5 815 GHz；输出功率：300 mW；调制方式：ASK，BPSK；通信距离：10 m。

　　选用5.8 GHz作为微波短程通信中心频段有3个优点：

　　①5.8 GHz频段背景噪声小，抗干扰性较好。

　　②5.8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本。

　　③有利于未来在此频段内开展智能运输系统的其他各项服务。

　　(2) 路侧设备(RSU)技术

　　路侧设备指安装在路侧的ETC设备及其辅助设备，其功能是与车载单元通信完成ETC收费交易、检测车辆和抓拍违章车辆图像等。RSU通常由以下部分组成：

　　① 路边设备控制器：是一台计算机设备，通常与天线及其控制器、抓拍系统、车辆检测器互联，对于具有收费岛的单车道ETC系统，与之互联的还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备的各种控制功能、通信功能和处理功能。

　　② 天线及其控制器：实现与车载OBU之间的通信。

　　③ 抓拍系统：抓拍系统是针对违章车辆以及无电子标签车辆的电子记录系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。

　　④ 车辆检测器：对车辆的到来进行检测，以及对来车车型进行分类。

　　⑤ 其他的辅助设备，如电源、照明等。

　　车道天线接收从天线控制器传来的数据信号，信号经调制和功率放大后经天线口面辐射出去。当ETC用户驾车经过ETC车道时，电子标签被车道天线信号激活，进人工作状态，根据接收到的命令向车道天线回送相应的响应数据。

　　车道天线通常由电源单元、RS 485／422通信接口、振荡器、发射单元、接收单元、数据处理单元、外部信号指示器、喇叭天线或微带天线构成。

　　天线控制器从车道控制计算机系统接受通信请求，形成符合DSRC标准通信协议的数据帧，通过车道天线将数据帧发给车道上的电子标签，并接收和解析从电子标签返回的数据，再上传给车道控制计算机系统。

　　天线控制器通常内置多块控制模块，每个控制模块可以控制一个车道天线。

　　天线控制模块通常由PC通信接口单元、双端口存贮器(DPRAM)、通信协议处理单元、RS 485／RS 422天线接口单元构成。PC通信接口单元负责天线控制模块与车道控制计算机的数据通信，他可以是PC总线接口，也可以是RS 232接口。

　　(3) 电子标签的选取

　　针对我国的具体国情，兼顾到大部分收费站采用IC卡交易方式，系统采用组合式电子标签。组合式电子收费是一种基于两片式电子标签的组合式收费技术。组合式电子标签是一种两片式电子标签，其带有标准的IC卡接口(通常为ISO7816规格的接触式IC卡接口或者ISO14443规格的非接触IC卡接口)，与IC卡共同组成一套完整的两片式ETC车载设备。采用该技术有两大优点：

　　① 系统是基于IC卡作为收费介质的收费系统，具有兼容人工半自动收费(MTC)和电子不停车收费(ETC)的能力。

　　② 适合我国的基本国情，组合式电子标签适合于已经建立起的ETC收费系统和MTC收费系统，为设计组合式收费系统创造了条件。