多车道自由流不停车收费中DSRC技术与应用

　　DSRC专用短程通信设备包括安装于车辆上的车载电子标签(On—board Unit，简称OBU)以及安装在道路上的固定路侧设备——电子标签读写天线(Road—side Unit，简称RSU)。DSRC设备既是高速公路车道ETC系统的关键设备之一，也是多车道自由流不停车收费系统的核心。

　　本文介绍的DSRC设备包括RSU~OBU，可同时应用于多车道自由流不停车收费和高速公路ETC收费。

　　技术特色

　　一、采用多种技术提高交易成功率

　　自由流应用要求DSRC设备具有较高的交易成功率。主要原因是，自由流应用场合与高速路ETC的收费车道不同，属于无障碍通行，没有自动栏杆等设施，一旦交易失败，就可能造成税费流失。其难点在于，由于自由流应用中存在车流量大、车辆行驶速度范围大，车速从0—2O0公里/小时均有可能。车速较高意味着车辆在交易区域内停留的时间短，此时留给RSU与OBU进行交易的时间也很短。同时车辆行驶状态多样，跨道行驶和变道行驶均会出现。在这种场景下要保证交易成功率比较困难。

　　主要应用下列技术手段加以解决，首先为了让高速行驶的车辆有足够时间进行可靠交易可以适当加大DSRC设备的微波交易区域。通过对5.8GHz微波信号传输特眭进行研究，建立RSU天线微波发射功率与OBU接收灵敏度之间的数学关系模型，找到在增大RSU天线微波信号覆盖区域和提高OBU接收灵敏度之间的平衡点;其次保证整个交通断面内的RSU天线发射微波信号质量的均一胜，这样可以避免车辆行驶路径多样化导致的交易不可靠情况。在设计产品时采用微波信号自动补偿技术，克服由于设备运行条件变化引起的系统微波信号质量降低。图1给出了微波信号自动补偿的流程。

　　二、基于RSSI的OBU定位技术实现车辆精确定位

　　自由流应用中要求RSU能够精确计算OBU在车道中的位置。多车道自由流系统非常重要的问题是解决未安装OBU车辆的识别问题，系统需要精确计算出交易车辆的位置，为后续执法提供证据，配合车辆位置跟踪等系统，将抓拍图片中正常交易车辆去除，这样大大降低了对违章车辆的稽查取证难度和工作量。系统的定位分辨率要达到5米以内才能满足实际应用的需要。

　　通过在交易过程中检NOBU发射微波信号的强度结合有效的定位算法来进行OBU的精确定位。依据微波信号的强度随着传输距离的增大而衰减的原理，同一OBU发射的微波信号被系统中不同位置的接收装置接收到信号强度RSSI具有明显的特征，这些特征就可以作为OBU定位的依据。图2中横坐标为不同接收装置的横向安装位置，纵坐标为每个接收装置采集到的RSSI数值。OBU位于正对4米处接收装置的位置。通过对大量数据进行分析，设计了基于非线性权值调整技术的OBU定位算法，经过上千次实际过车测试验证，横向定位分辨率达到0.5米的置信度为100%。

　　三、采用兼容设计实现ETC车辆两种应用自由切换

　　追求更自由的通行要求多车道自由流不停车系统与已有的高速路ETC收费系统能够实现兼容，即用户只需要安装一片OBU就可以在两套系统中的自由通行。由于目前高速路ETC收费系统多为各高速路业主投资兴建，多车道自由流不停车系统则主要面向城市应用，两套系统能否实现无缝链接，将成为制约基于DSRC的多车道自由流不停车收费系统大面积推广的重要因素。

　　设备在平台设计完全满足国标要求的基础上，对高速路ETC中的双片式电子标签进行优化设计，把其作为自由流收费系统中的OBU，采用“计次收费”的方式，对车辆进行先通行后收费或者先充值后消费，由后台系统进行通行费的统计汇总。特别为自由流应用设计与高速公路ETC不同的流程，OBU通过BST中的A ID来区分不同的应用。装有OBU的车辆在自由流交易流程中只要RSU与OBU之间的双向认证通过，系统就进行次数记录，当该车辆进入高速公路ETC车道时，仍然用电子钱包的方式从CPU卡中扣费。这样，通过双片式电子标签实现自由流不停车收费系统与高速路ETC系统的兼容。图3是双片式电子标签中的处理流程。

　　四、满足自由流应用的DSRC路侧单元主要技术特点

　　采用上述技术开发出的路侧单元具有如下特点：1.RSU天线采用宽天线设计，实现交通断面信号全覆盖；2.采用集中控制技术，统一调度备RSU天线，确保相邻RSU发射信号不干扰，完全避免出现微波信号碰撞；3.应用OBU轨迹跟踪技术，避免通信区域边缘交易；4.车辆精确定位，分辨率达到0.5米，为稽查提供有效证据，产品参见图4。

　　设备应用

　　一 、城市交通拥堵治理

　　伴随着社会和经济的发展，城市的规模不断扩大，私人机动车保有量持续增加，世界上众多大城市都面临着交通拥挤的问题。交通拥挤不仅制约了城市的运转速度和经济发展，同时也带来了环境、噪声污染等一系列问题。把道路拥挤收费作为一种有效交通需求管理手段的研究最早源于欧洲，并陆续在世界上10个以上的城市加以实施并取得了良好的效果，成为解决城市交通拥挤问题的一个有效途径。

　　将基于DSRC技术的多车道自由流不停车收费系统用于缓解城市城区交通压力，在国际上已经有成功的先例，最为典型的就是新加坡的ERP系统。

　　二、智能停车管理系统

　　通过在停车场及其周边部署多车道自由流DSRC路侧单元，其与车载电子标签之间进行实时信息交互，可以实现停车场的智能化。例如可以实现主动停车诱导，智能车位引导以及反向寻车等功能。

　　三、高速公路不停车收费

　　用允许车辆自由通行的多车道自由流不停车收费系统来取代现有的人工通行费征收系统，能够大幅度提升现有高速公路收费站点的通行能力，并可以逐步扩展到服务区的商场、饭堂、修理场、加油站等，对于高速公路的服务质量提高和运营模式产生深远的影响。

　　类似地，该系统还可以广泛应用于城市陕速路、机场高速以及城际高速等场合。

　　四、城市桥隧通行费征收系统

　　武汉市已经实施的多车道自由流系统是以DSRC技术为主耍手段，辅以图像抓拍、车牌识别等其他技术手段组成的一整套完善的系统，该系统本着“谁使用谁付费，多使用多付费”的原则，已经取代目前使用的路桥通行费年票征收系统。

　　五、构建车联网，实现车路通信、车车通信前期

　　车联网，是指装载在车辆上的电子标签通过微波通信技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。随着多车道自由流DSRC路侧单元在城市内的不断安装，以及车载电子标签在机动车中的不断普及，就具备了构建车联网的硬件平台，通过该平台可以实现基于DSRC的车路通信与车车通信，最终实现城市交通智能化。

　　结束语

　　基于DSRC的多车道自由流不停车收费系统在国际智能交通领域得到了广泛应用，它的普及与应用对提高我国交通设施使用效率，提升城市交通智能化水平具有重要意义。随着国家对智能交通领域的投入以及车联网产业化的不断进行，兼容多车道自由流与高速ETC两种应用模式的DSRC设备必将得到越来越广泛的应用，并发挥越来越重要的作用。