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基于RFID的不停车收费系统研究
不停车收费系统的研究
****2014/12/5
摘要:
我国高速公路建设近来得到了快速的发展,高速公路建设的本意是提高车辆的通行效率,收费站的建设一定程度上影响其通行能力,特别节假口期间,收费站经常引发车辆拥塞,成为高速公路上的通行瓶颈。
因此,建设具有快速通行能力的ETC系统成为当前解决收费站拥塞、提高通行能力的重要手段。
电子不停车收费技术(ETC)能够保证车辆以20km/h以上的速度通过收费站,该系统是一种被证明能有效提高快速通行能力的收费技术,己在国内外得到了广泛应用。
ETC系统的最大特点是能自动实现对车辆身份的识别,不需要收费员的参与可由计算机系统自主获取车辆的唯一标识,并从相应的介质中获取到车型、入口等信息。
自动车辆识别的关键是ETC系统中存在一个非接触的路侧微波通讯设备(DSRC)。
本文介绍了基于DSRC的不停车收费系统的构成以及应用。
首先简单的介绍了ETC系统,然后对于该系统在国内外的发展情况进行了介绍,然后ETC系统设计原理及构成。
关键字:
ETC,收费,DSRC,设计原理
目录
1.ETC系统简介1
2.ETC系统的国内外发展现状2
3.系统设计原理4
4.系统构成及功能实现6
4.1车载电子单元6
4.2路侧单元7
4.3系统内子系统功能7
5.总结9
参考文献10
1.ETC系统简介
ETC(ElectronicTollCollection)不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式。
通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯,利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理,从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。
ETC车道通行能力比普通车道提高3~6倍,有效的提高了收费道口通行能力与收费效率。
ETC是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统,该技术在国外已有较长的发展历史,美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。
我国以IC卡、磁卡等射频标签为介质,采用人工收费方式为主的公路联网收费方式无疑也受到这一潮流的影响。
不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。
在传统采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统,在无车道隔离情况自由交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。
实施不停车收费,可以允许车辆高速通过(几十公里甚至100公里),故可大大提高公路的通行能力;公路收费走向电子化,可降低收费管理的成本,有利于提高车辆的营运效益;同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放,更加环保。
由于通行能力得到大幅度的提高,所以可以缩小收费站的规模,节约基建费用和管理费用。
对于交通繁忙的大桥、隧道,不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点,有效提高这些市政设施的资金回收能力。
ETC系统能够自动完成车辆的识别,并实现自动扣费以及自动放行等动作,自动车辆识别的关键是ETC系统中存在一个非接触的路侧微波通讯设备,这种设备采用专用短程通信技术(DSRC,DedicatedShortRangeCommunications)的方式实现车辆与收费站控制系统之间的通信。
在我国,国家规定将5.8GHz的频段作为智能交通运输中使用,所以ETC收费系统中采用5.8GHz频段作为载波频率。
另外目前国内均采用被动式通信的方式,即5.8GHZ载波频率是由路侧单元(RSU,RoadSideUnit)产生发射。
总得来说ETC系统大大提高了公路特别是收费站附件的同性能力。
2.
ETC系统的国内外发展现状
ETC是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。
ETC技术在国外已有较长的发展历史,美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。
其中日本ETC系统几乎遍及所有的高速公路,且日本绝大部分的商业运营车辆已经装备了ETC车载单元。
我国很多地区已经开始使用ETC系统对高速公路收费管理系统进行升级。
国际上,美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究,并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案,欧洲和日本提出的标准较为成熟,获得了较广泛的厂商支持。
美国的最著名的联网运行电子不停车收费系统是E-Zpass系统。
l997年“E-Zpass”工程就开始付诸实施和运行。
E-ZPass系统采用了专用车道、混合车道两种模式,都有收费员值班。
葡萄牙的ViaVarde电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收费系统之一。
该收费系统采用封闭式和开放式相结合的模式。
ViaVardeETC车道的显著特点是没有自动栏杆,车辆能以不低于80km/h的速度通行。
日本采取的是接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案,车道设双向打开的高速栏杆,无人职守,具有很高的安全性和车道通行能力,有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系,但车道系统投资和电子标签成本都高,与我国的公众消费水平有较大差距。
尽管国外ETC系统运行很成功,具有一定特色,但有些技术特点和运营方法能否适合中国,需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。
以车道部分为例,有专用车道、混合车道两种模式,有收费员值班管理和无人值班管理两种模式,有设高速栏杆和不设栏杆两种模式,有低速通行模式和高速通行模式。
从违章逃费行为的处理看,有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。
如果ETC运营模式不能很好地提供免停车快速通行服务、不能减少收费值班员,将无法体现出明显的吸引力,推广应用的前景将无疑受到影响。
目前,国内公路电子不停车收费系统仍处于试验和探索阶段,个别路段正在进行试点,大范围和大规模的推广ETC,特别是联网运行,条件仍不具备。
其主要原因是:
交通量的需求不迫切;道路使用者的需求不迫切;现有的收费设施,尤其是收费广场和收费车道不能满足或适应ETC的需要;系统造价比较高,关键设备需要引进等。
因而目前我国的公路电子收费系统主要停留在省内收费联网和跨省高速公路联网收费的阶段上,并且在将来的一定时间内重点仍是联网收费,同时这也是实施ETC的重要基础和步骤。
目前,国内不停车收费系统正处在一个从探索到试点的重要发展时期。
ETC系统已经成为智能运输系统的一个重要组成部分。
ETC是国际上正在努力开发并推广的一种用干公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。
ETC技术在国外已有较长的发展历史,美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。
我国以IC卡、磁卡为介质,采用人工收费方式为主的公路联网收费方式无疑也受到达一潮流的影响。
截止到2014年11月底,中国高速公路ETC系统已经有华北5省区市和长三角6省份加上湖南、陕西、辽宁14省实现区域联网。
到2015年9月底,中国基本实现全国联网的ETC系统;届时,中国将建成全世界里程最长的高速公路ETC联网系统。
中国目前采用的ETC收费方式一般为信用卡扣费,即使用户的余额已经不足扣费额度,这是可以再信用额度内,暂时由银行代为支付,之后再由用户还款。
可以直接到各个银行网点申请相关信用卡以及相关OBU设备(OnboardUnit,车载单元)。
图1收费站ETC专用车道
3.
系统设计原理
1)射频自动识别不停车收费系统不需要专门的收费员进行操作,它利用微波自动识别技术,完全通过设备本身来完成对通行车辆的收费工作。
2)存储有车型、车号、金额、有效期等信息的射频电子标签卡被安装在汽车上(一般安装在前方挡风玻璃内侧),如图2就是一套OBU设备,包含了ETC的IC卡(现在信用卡比较常见)和射频电子标签(有源标签)两部分。
当持卡车辆进入不停车收费车道时,车辆感应器的EnterLOOP线圈产生来车信号,激发射频自动识别读写器读取该车射频电子标签卡上的信息(车型、车号、剩余金额和有效期等),同时光栅、高度检测器和轴数检测器等车型差别设备,自动检测来车的实际车型。
射频自动识别原理如图1所示。
图2射频自动识别原理
图3车载电子标签
3)从车载射频电子标签卡读取的信息,以及车型判别设备所采集到的数据均被送到车道控制计算机内进行分析比较,如电子卡中所记录的车型与设备所判别的车型一致、卡中车号不在黑名单内、应缴金额小于等于可扣除金额、车辆通过时间在卡的有效期范围内,则该卡被认为是有效卡;如前述4项比较中,有一项不符合,则该卡被认为是无效卡。
4)如来车所持射频电子标签卡为有效卡,则通行信号灯由红色变为绿色,偏叉信号灯呈绿色直行标志,自动栏杆抬起;当来车驶离EXITLOOP的检测范围后,通行信号灯由绿色变为红色,偏叉信号灯熄灭,自动栏杆关闭。
驶离EXITLOOP的检测范围后,通行信号灯由绿色变为红色,偏叉信号灯熄灭,自动栏杆关闭。
5)如来车所持射频电子标签卡为无效卡,则通行信号灯呈红色,偏叉信号灯呈黄色左转通行标志,自动栏杆关闭;当来车左行驶离无卡车辆转向人工收费车道的车辆感应器的“ESCLOOP”线圈的检测范围后,偏叉信号灯熄灭;如来车没有转向人工收费道(有些场合不设此转向旁道),而依然向前行驶,当其抵达车辆感应器线圈“ENTERLOOP的”检测范围时,警铃报警,将有收费员前来人工收费处理后,人工放行。
6)射频电子标签卡的销售和费用结算均在收费中心进行。
为适应不同用户的需要,一般发行两种电子卡,一种是预付费电子标签卡,一种是信用式电子标签卡。
7)预付费电子标签卡,顾名思义是必须先付费后通行的电子卡,该卡的发行面向整个社会。
用户仅需直接到购卡中心购买存有一定金额的电子卡,即可使用不停车收费车道。
在每次使用时,系统将自动从电子卡中扣除该车的应缴金额。
该电子卡可以重复使用,当卡中剩余金额很少或没有时,用户可以到购卡中心重新存入一定的金额到电子卡中,以保证其继续有效。
8)信用式电子标签卡,是一种允许用户先通行后付款的电子卡,该卡的发行对象主要是一些由银行信用卡为结算手段的用户,或企业形象很好的国家机关和企事业单位,费用结算采用银行托收的方式。
4.
系统构成及功能实现
射频自动识别不停车收费系统按其功能可分为自动识别控制子系统、自动判断型子系统、数据采集子系统、车辆检测子系统、闭路电视子系统和信号控制子系统等。
系统的构成如图4所示。
图4系统构成
4.1车载电子单元
车载电子单元(简称:
OBU)是ETC自动缴费中的一个关键设备,OBU通常安装在车辆的前档风玻璃左上角。
在过车时RSU设备与OBU进行交互,获取相关的车辆信息,并且通过OBU来读取卡片信息和向卡片写入扣款和过站信息。
OBU在使用前必须经过发行,把相关的信息记录到OBU之中。
发行通常分为初始化发行和个性化发行两个步骤。
初始化发行主要写入服务提供商代码、协约类型、合同版本、合同序列号等信息;并更新应用维护、应用加密和应用认证密钥。
个性化发行则写入电子标答的发行口期、终止口期、防拆标志、车牌号、车牌颜色、车型和车辆尺寸和轴型信息。
图5一种OBU设备
图3是一种车载电子标签,图5展示了一般的车载电子标签的结构。
整个设备一般由电池供能,在光照充足的时候可以由太阳电池板对超级电容充电,然后再由超级电容保存能量,替代电池功能,整个设备虽然是有源标签,但设备处在工作状态的时间并不长,所以设备对于能量的损耗是非常少的。
设备必须贴在汽车上才能够使用,一般都贴在汽车挡风玻璃的内壁上,3M双面胶保证了整个设备不会脱落的同时也保证了防拆导杆被按下,一旦脱落,防拆导杆弹起,设备处于断电状态,这也保证了OBU设备的安全性。
国内的DSRC标准均采用被动式5.8GHz载波通信,OBU设备用来接收RSU发送来的信号,并执行相应命令。
4.2路侧单元
路测单元(简称:
RSU)是ETC自动缴费中的另一个关键设备,OBU通常安装在收费站ETC车道的路旁。
与车载单元(OBU)进行通讯,实现车辆身份识别,电子扣分的装置。
RSU的设计,通讯频率为5.8GHz。
RSU由高增益定向束控读写天线和射频控制器组成。
高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块,负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密;射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。
RSU设备由公路管理部门安装,与车道控制器以及车道收费后台终端相连。
当有OBU设备接近时,达到检测范围,RSU设备所发射的微波会激活OBU设备与之通信,从而完成识别扣费放行等动作。
只要调节RSU设备的功率就可以控制OBU可被识别的范围,通过这种方式避免了电子标签的碰撞问题。
在实际应用中,如果ETC车道车流量不大,不会出现车辆拥塞的情况下,仅修改RSU设备的功率即可满足精准识别的要求。
4.3系统内子系统功能
1)自动识别控制子系统主要由射频自动识别读写器、UHF射频自动识别卡,微波天线、车道道闸控制机、收费员计算机终端等组成,它是整个不停车收费系统的核心,负责控制不停车收费车道所有设备的运行、收费业务操作的管理以及与收费站计算机的通信和数据交换。
2)自动判断型子系统主要由光栅、高度检测器、轴数检测器等组成,它通过采集车辆的高度和轴数等参数,经综合分析比较来判别车辆的车型。
该子系统至少可以判别3种以上车型。
自动判断型子系统在有些场合可以由用户选择使用,比如可以设定重型卡车不得通过等。
3)数据采集子系统主要由射频天线和射频电子标签卡构成。
射频电子标签被安装在汽车挡风玻璃内侧的上方,在电子标签上写有标签编号、车号、车主、车型、应缴金额、剩余金额和有效期等信息;微波天线被安装在收费站的前端,它通过微波技术从射频电子标签卡上读取有关信息,并同步传送给车道控制主机。
4)闭路电视子系统主要由车道摄像机和收费站的监视器等组成。
车道摄像机被安装在收费站的前端,主要用于拍摄非法通过的违章车辆。
并用来识别需要通过的车辆是否和读取OBU得到的数据相一致,包括车牌号、车型等信息。
5)信号控制子系统主要由通行信号灯、偏叉信号灯和自动栏杆等组成,用于提醒驾驶员正确使用不停车收费车道。
6)车辆检测子系统主要由3组环形线圈组成。
第一组环形线圈(ENTERLOOP)被安装在收费站的入口处,用于激活天线读取电子标签的信息;第二组环形圈(ESCLOOP)被安装在收费站的中间出口处,用于控制通行信号灯和偏叉信号灯的状态;第三组环形线圈(EXITLOOP)被安装在收费站的出口端,用于统计车流量,并控制自动栏杆、通行信号灯和偏叉信号灯的工作状态。
5.
总结
本文就ETC系统进行了简单的介绍,讲述了ETC系统的工作流程,特别讲述了基于DSRC通信技术的ETC系统的设计原理,并且简单介绍了ETC系统的构成以及基本实现方法,但由于水平限制,本文未涉及到整个系统设计细节。
总得来说ETC系统大大提高了公路的通行能力。
目前我国的ETC系统仍然存在着一些缺陷,特别是各个ETC系统还是分立的,没有联网,各个系统不能联网扣费仍旧是ETC系统得不到普及的主要因素。
随着我国公路事业的发展和不停车收费系统的开发应用,也会随着增长的交通需求,相信不停车收费系统一定会被国家、被企业、被消费者广泛接受。
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