1.系統(tǒng)概述
1.1.系統(tǒng)背景
隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國綜合國力不斷增強(qiáng)，交通基礎(chǔ)建設(shè)大為改善，尤其以高速公路為主骨架的覆蓋全國范圍的高等級公路網(wǎng)絡(luò)正在逐步形成，高速公路為交通事業(yè)跨越式發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在某種程度上緩解了交通在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的瓶頸制約作用。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，路網(wǎng)通過能力日益滿足不了交通量增長的需要，交通擁擠，阻塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，尤其以高速收費(fèi)站車輛擁擠堵塞現(xiàn)象更為突出。如何實(shí)現(xiàn)各類車輛的有效指揮、協(xié)調(diào)控制和管理已經(jīng)成為交通運(yùn)輸和安全管理部門面臨的一個(gè)重要問題。
經(jīng)過長期和廣泛的研究，各發(fā)達(dá)國家已從主要依靠修建更多的公路，擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模來解決不斷增長的交通需求，轉(zhuǎn)移到用高科技技術(shù)來改造現(xiàn)有公路運(yùn)輸系統(tǒng)及管理體系，從而達(dá)到大幅度提高路網(wǎng)通行能力和服務(wù)質(zhì)量的目的。ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，ETC特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境下采用。ETC系統(tǒng)不僅極大的改善了路上密集車輛所造成的環(huán)境污染，減少車輛阻塞現(xiàn)象，行車更加安全，而且大大提高過路橋收費(fèi)的通行效率。
圖一高速收費(fèi)站擁擠車輛
1.2.現(xiàn)狀及分析
高速公路堵車現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，高速公路管理手段雖然越來越先進(jìn)，但大部分已通車高速公路收費(fèi)管理卻仍停留在比較低效的人工收費(fèi)階段，這就給高速公路使用帶來諸多不便：
(1)車輛停車排隊(duì)交費(fèi)等候通關(guān)的時(shí)間較長，在車流量增加時(shí)很容易造成擁堵;
(2)因停車等候交費(fèi)的時(shí)間較長，降低了大橋的通行能力和服務(wù)水準(zhǔn);
(3)各收費(fèi)站點(diǎn)的現(xiàn)金結(jié)算工作量巨大，所需工作人員較多，增加了人力使用成本;
(4)人工收費(fèi)存在人員交接班的現(xiàn)金復(fù)核、稽查和統(tǒng)計(jì)工作量，同時(shí)還存在現(xiàn)金移交的資金安全問題;
(5)存在收費(fèi)漏、交錢不給票或給假票的情況時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)假鈔假幣方面損失;
(6)不便于路況和車流信息及時(shí)交流;
(7)由不同投資主體修建的公路收入分配問題日益嚴(yán)重;
(8)經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)停車?yán)U費(fèi)造成的通行速度緩慢、頻繁制動(dòng)引起的機(jī)械磨損、油耗、噪音和由此產(chǎn)生的大量有害尾氣等問題嚴(yán)重。
我國高速公路普遍采用封閉式收費(fèi)制式，各省市在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中，普遍采用了基于IC卡作為通行券的人工現(xiàn)金收費(fèi)(MTC)方式，公路收費(fèi)中實(shí)現(xiàn)電子支付的主要方式有記帳卡、信用卡、預(yù)付卡、電子錢包等等。在各種公路收費(fèi)的電子支付手段當(dāng)中，基于專用短程通訊(DSRC)技術(shù)的ETC電子不停車收費(fèi)技術(shù)，以其具有免除現(xiàn)金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務(wù)水平、簡化收費(fèi)管理、降低環(huán)境污染等等明顯特點(diǎn)和優(yōu)勢廣為受人青睞。不停車收費(fèi)系統(tǒng)又稱電子收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic
Toll Collection
System)，簡稱ETC系統(tǒng)。它利用車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成車輛與收費(fèi)站之間的無線數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)行車輛自動(dòng)識(shí)別和有關(guān)收費(fèi)數(shù)據(jù)的交換，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)路對收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)的全電子收費(fèi)管理系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)介紹
2.1.系統(tǒng)原理
ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)通過遠(yuǎn)距離、非接觸采集射頻卡的信息，實(shí)現(xiàn)車輛在快速移動(dòng)狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)化管理。該系統(tǒng)產(chǎn)品集計(jì)算機(jī)軟硬件、無線通信、信息采集處理、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)控制和智能卡制作等技術(shù)綜合應(yīng)用為一體，屬于先進(jìn)的智能交通信息采集設(shè)備和高安全性的智能身份識(shí)別系統(tǒng)，是一種能有效對車輛進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管的重要技術(shù)手段。
該系統(tǒng)通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上或者車身其他部位的車載電子標(biāo)簽(OBU)與在收費(fèi)站ETC車道上的車道設(shè)備控制系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射與接收裝置(稱為路邊讀寫設(shè)備，簡稱RSE)以專用短程通信(Dedicated
Short-Range
Communication，簡稱DSRC)方式交換信息，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺(tái)結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費(fèi)站不需停車而能交納路橋費(fèi)的目的。不停車收費(fèi)系統(tǒng)主要利用車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(AVI)，通過路側(cè)車道控制系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射與接收裝置識(shí)別通過車輛的編號(hào)，自動(dòng)從該用戶的專用賬戶中扣除通行費(fèi)。對使用ETC車道未安裝車載器或車載器無效車輛，則視作違章車輛，實(shí)施圖象抓拍和識(shí)別，會(huì)同交警部門事后處理。
圖二收費(fèi)站工作原理示意圖
2.2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)主要包括底層應(yīng)用單元(車道計(jì)算機(jī))、車道控制單元(包括工控機(jī)、車輛檢測器、道閘)、圖像采集單元(攝像機(jī)、視頻采集卡)、顯示告警單元(車道通行燈、聲光報(bào)警裝置、車道顯示屏)、射頻識(shí)別單元(RSE和OBU)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：
車輛自動(dòng)識(shí)別
車輛自動(dòng)收費(fèi)
控制道閘、通行燈以示通行或放行
對當(dāng)前車輛進(jìn)行抓拍
對非正常車輛進(jìn)行告警
圖三 ETC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
2.2.1.硬件系統(tǒng)構(gòu)成
ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)硬件包括收費(fèi)站數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、監(jiān)控管理部分三部分組成。
2.2.1.1.收費(fèi)站數(shù)據(jù)采集部分
收費(fèi)站數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要是遠(yuǎn)距離、非接觸采集車輛通過的時(shí)間、地點(diǎn)信息，收費(fèi)站數(shù)據(jù)采集設(shè)備由若干個(gè)收費(fèi)站組成局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)不停車快速讀取通行車輛卡號(hào)，并上傳至收費(fèi)管理中心，判斷通過車輛所持卡號(hào)的合法性，控制紅綠燈動(dòng)作。對持有效卡的車輛綠燈放行，持無效卡的車輛紅燈禁行，對無卡車輛向控制中心發(fā)出警報(bào)信號(hào)或抓拍車輛圖像。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是系統(tǒng)中的基本管理單元，采集系統(tǒng)將車輛通行的相關(guān)資料通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。圖像捕捉設(shè)備將自動(dòng)捕捉、存儲(chǔ)車輛的圖像，以供核查。
2.2.1.2.收費(fèi)站數(shù)據(jù)傳輸部分
數(shù)據(jù)傳輸主要是完成收費(fèi)站與監(jiān)控室或收費(fèi)管理中心之間的網(wǎng)絡(luò)連接。它由若干個(gè)收費(fèi)站數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過IP協(xié)議組成廣(局)域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸配置網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)備、數(shù)字交換機(jī)、光收發(fā)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。
2.2.1.3.監(jiān)控管理部分
監(jiān)控管理部分實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)各監(jiān)控點(diǎn)處理計(jì)算機(jī)的通行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行邏輯判斷和處理;完成各種信息的存儲(chǔ)、備份以便稽核人員核查。自動(dòng)生成各類數(shù)據(jù)、交通流量的統(tǒng)計(jì)報(bào)表供查詢和打印，并實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛通行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存機(jī)備查;負(fù)責(zé)發(fā)放射頻卡、建立用戶檔案、修改卡片檔案庫資料，設(shè)定用戶查詢密碼等工作，保障發(fā)卡操作的合法性及安全性;設(shè)立卡片掛失、補(bǔ)卡、清卡、退卡、用戶服務(wù)查詢系統(tǒng);當(dāng)車輛非法進(jìn)入或不按規(guī)定通道通行時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。監(jiān)控管理配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、不間斷電源、系統(tǒng)軟件。
2.2.2.軟件系統(tǒng)構(gòu)成
ETC電子不停車收費(fèi)管理系統(tǒng)是由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫管理計(jì)算機(jī)、車道計(jì)算機(jī)通過混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成的具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視及采集、圖像監(jiān)視及采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、信息檢索等多項(xiàng)功能的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)。其中包括由采用星型結(jié)構(gòu)連接在一起的車道計(jì)算機(jī)為主，遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備、信號(hào)燈、顯示牌和紅外車輛檢測器等為輔而構(gòu)成的車道收費(fèi)系統(tǒng);由通過集線器連接的服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、報(bào)表打印機(jī)組成的上端管理系統(tǒng);由通過數(shù)據(jù)通道與圖像信息通道與網(wǎng)絡(luò)連接在一起的以計(jì)算機(jī)為主，視頻采集設(shè)備為輔的多媒體采集系統(tǒng)。其各組成部分功能如下：
車道計(jì)算機(jī)：主要是完成車型的自動(dòng)錄入，射頻卡的讀寫、網(wǎng)絡(luò)檢測、數(shù)據(jù)上傳、信號(hào)燈控制、紅外控制以及對各個(gè)收費(fèi)車道特殊車輛(包括：無卡車、卡無效車、違章車等)的圖像信息進(jìn)行捕獲并分類存入計(jì)算機(jī)以備隨時(shí)檢索使用等功能。
管理計(jì)算機(jī)：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行交通流量、征費(fèi)金額的統(tǒng)計(jì)并輸出各種文字和文字報(bào)表;通過各種條件對收費(fèi)原始數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行多條件復(fù)合查詢并匯總;進(jìn)行射頻卡的發(fā)行、回收、掛失、恢復(fù)和充值操作;對系統(tǒng)進(jìn)行各種初始設(shè)置等功能。
服務(wù)器：完成整個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的管理及作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行原始數(shù)據(jù)及圖像的存儲(chǔ)、備份工作。
圖四 ETC管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.3.系統(tǒng)功能
ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)功能包括車輛檢測功能、自動(dòng)收費(fèi)處理功能、設(shè)備控制功能、圖像抓拍識(shí)別功能、異常車輛處理功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、數(shù)據(jù)同步功能、日志管理功能、RSU配置功能和脫機(jī)工作功能等。
圖五 系統(tǒng)功能模塊
2.3.1.車輛檢測功能
系統(tǒng)能夠通過地感線圈檢測到進(jìn)入ETC車道的車輛，對經(jīng)過車輛進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。并根據(jù)RSU的識(shí)別結(jié)果判斷車輛是否具有電子標(biāo)簽(OBU)。
2.3.2.自動(dòng)收費(fèi)處理功能
系統(tǒng)提供自動(dòng)收費(fèi)處理功能，在沒有工作人員參與的情況下完成收費(fèi)工作。
當(dāng)安裝有OBU設(shè)備的車輛經(jīng)過ETC車道入口時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將入口信息寫入雙界面卡中，入口信息包括：通過區(qū)域號(hào)、路段號(hào)、站點(diǎn)號(hào)、車道號(hào)、入口時(shí)間、入口狀態(tài)標(biāo)識(shí)、車型、車牌號(hào)碼。
當(dāng)安裝有OBU設(shè)備的車輛經(jīng)過標(biāo)識(shí)站時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將標(biāo)識(shí)站信息寫入雙界面卡。
當(dāng)安裝有OBU設(shè)備的車輛經(jīng)過ETC車道出口時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)從雙界面卡讀取的入口信息，查詢系統(tǒng)中的費(fèi)率表，計(jì)算出收費(fèi)額度，將出口信息寫入雙界面卡并進(jìn)行扣款操作(如果是儲(chǔ)值卡)。出口信息包括：通過網(wǎng)絡(luò)號(hào)、站點(diǎn)號(hào)、車道號(hào)、時(shí)間、出口狀態(tài)標(biāo)識(shí)、車型、車牌號(hào)碼。
完成自動(dòng)收費(fèi)以后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生收費(fèi)記錄，記錄如下信息：車道序列號(hào)、卡編號(hào)、卡類型、入口名稱、入口日期時(shí)間、出口名稱、出口(交易)日期時(shí)間、出口車道類型、交易金額、雙界面卡余額、車型、車牌、脫機(jī)交易序號(hào)、終端機(jī)編號(hào)、終端交易序號(hào)、交易驗(yàn)證碼等。
2.3.3.設(shè)備控制功能
系統(tǒng)能夠根據(jù)對車輛的收費(fèi)處理情況正確控制車道設(shè)備的動(dòng)作，包括：自動(dòng)欄桿的升起下落、雨棚燈的切換、通行信號(hào)燈的切換、聲光報(bào)警器的開啟和關(guān)閉、費(fèi)額顯示器的顯示等。
2.3.4.圖像抓拍識(shí)別功能
系統(tǒng)對經(jīng)過ETC車道的當(dāng)前車輛進(jìn)行圖像抓拍，并將該抓拍圖像和處理信息關(guān)聯(lián)后保存以供事后追查。系統(tǒng)對車輛抓拍圖像具有車牌識(shí)別功能，可以將車牌識(shí)別結(jié)果與抓拍圖像關(guān)聯(lián)后保存，以供事后稽查。
2.3.5.異常車輛處理功能
對于經(jīng)過ETC車道的異常車輛(未成功進(jìn)行入口信息寫入或出口收費(fèi)處理的車輛)，系統(tǒng)會(huì)使自動(dòng)欄桿保持關(guān)閉狀態(tài)以攔截車輛，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行處理。
2.3.6.數(shù)據(jù)庫管理功能
系統(tǒng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理功能，包括數(shù)據(jù)庫的參數(shù)配置、備份以及數(shù)據(jù)庫災(zāi)難恢復(fù)等。
2.3.7.數(shù)據(jù)同步功能
系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)同步功能，車道服務(wù)器可以獨(dú)立完成一次收費(fèi)交易，交易信息可及時(shí)同步到收費(fèi)站系統(tǒng)。系統(tǒng)也可以及時(shí)接收收費(fèi)站下發(fā)的運(yùn)行參數(shù)信息。
2.3.8.日志管理功能
系統(tǒng)具有日志管理功能，可自動(dòng)記錄管理人員操作日志和系統(tǒng)運(yùn)行信息日志，包括操作人員的個(gè)人信息、操作時(shí)間、地點(diǎn)、所進(jìn)行的合法操作、所進(jìn)行的非法操作、操作中產(chǎn)生的異常、系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生的異常等，也可以對日志進(jìn)行查詢，便于系統(tǒng)的維護(hù)和事故的追查。
2.3.9. RSU配置功能
系統(tǒng)提供RSU配置功能，可通過專用配置管理工具配置RSU的通信口參數(shù)、射頻參數(shù)、業(yè)務(wù)參數(shù)等信息。
2.3.10.脫機(jī)工作功能
系統(tǒng)提供脫機(jī)工作功能，當(dāng)車道系統(tǒng)與收費(fèi)站的通信出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可降級運(yùn)行和脫機(jī)操作，獨(dú)立完成對經(jīng)過車輛的收費(fèi)處理操作，待網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)恢復(fù)正常后再將交易記錄等數(shù)據(jù)上傳給收費(fèi)站。
2.4.系統(tǒng)工作流程
圖六 ETC車道系統(tǒng)工作流程
ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)車道工作流程如下：
首先，車輛進(jìn)入讀寫器天線覆蓋范圍，讀寫器天線與車輛上電子標(biāo)簽進(jìn)行通訊，車輛通過抓拍線圈時(shí)如果讀寫器天線仍然沒有檢測到電子標(biāo)簽，證明車輛沒有電子標(biāo)簽，則報(bào)警并保持車道關(guān)閉;
如果車輛裝有電子標(biāo)簽，讀寫天線和電子標(biāo)簽進(jìn)行通訊交互，同時(shí)判斷電子標(biāo)簽的合法性，包括是否含有CPU卡，卡內(nèi)余額是否充足等，如果標(biāo)簽有效則進(jìn)行交易，如果標(biāo)簽無效則報(bào)警并保持車道關(guān)閉;
在車輛觸發(fā)抓拍線圈時(shí)，啟動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行拍照，將車輛拍照信息以及車輛電子標(biāo)簽信息同時(shí)保存到車道計(jì)算機(jī)，并可以進(jìn)行信息比對，如果抓拍信息與電子標(biāo)簽信息不符則報(bào)警;
如果車輛電子標(biāo)簽與車輛拍照信息相符，則通行信號(hào)燈變綠，抬起欄桿放行;
車輛通過防砸車線圈后，欄桿自動(dòng)回落，通行信號(hào)燈變紅;
系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費(fèi)站服務(wù)器中，等待下一輛車進(jìn)入。
ETC車輛典型通關(guān)流程如下圖所示：
圖七 ETC車輛典型通關(guān)流程
3.系統(tǒng)特點(diǎn)
基于RFID的ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
更高的收費(fèi)站通行能力
1條ETC車道=3～5條MTC車道，大大提高了交通通行能力。
支持組合式收費(fèi)模式
本系統(tǒng)兼容ETC系統(tǒng)的雙界面卡，可以支持組合收費(fèi)。支持ETC雙界面卡用戶的ETC入MTC出、MTC入ETC出、MTC入MTC出等通行方式，最大限度的滿足不同用戶的要求。電子標(biāo)簽采用雙片式(電子標(biāo)簽+雙界面卡)。將雙界面卡插入ETC電子標(biāo)簽中可以實(shí)現(xiàn)不停車通過ETC專用車道，使用雙界面卡采用普通刷卡方式可以通過人工收費(fèi)車道。組合收費(fèi)模式可以很好的適應(yīng)國內(nèi)路網(wǎng)復(fù)雜、多數(shù)入口和出口收費(fèi)站車流量小、車道少的現(xiàn)狀。
可有效提高道路的通行效率，降低環(huán)境污染
采用ETC電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)可有效縮短收費(fèi)時(shí)間，提高公路的通行能力，降低對收費(fèi)車道周圍環(huán)境的污染。在MTC方式下，服務(wù)時(shí)間小于8s(入口)、20s(出口)，在ETC方式下，服務(wù)時(shí)間均小于3s.
便捷的付費(fèi)服務(wù)
支持多種電子支付方式，提高車道通行能力。
具備完備的安全體系
ETC系統(tǒng)具備嚴(yán)密的密鑰體系，符合PBOC金融卡交易規(guī)范，實(shí)現(xiàn)真正安全的電子錢包，數(shù)據(jù)安全通過采用訪問控制、認(rèn)證、機(jī)密控制、數(shù)據(jù)完整性控制等措施來保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)陌踩?/p>
更少的基建投入，更低的運(yùn)營成本
ETC與MTC相比，按通行能力，可以節(jié)約40%基建費(fèi)，運(yùn)營成本節(jié)約50%.
4.其他應(yīng)用領(lǐng)域
高速公路車輛追蹤
集裝箱管理
智能停車廠管理
