ETC系统实施方案.docx

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ETC系统实施方案

ETC系统简介

1前言

高速公路电子不停车收费系统（ETC）是为了减少道路收费口处的交通拥挤，加快车辆通过收费口的速度而建设的。

不停车收费系统采用车载装置纪录代付款协议等信息，插入IC卡后，当通过电子收费口时，利用收费口通信天线与车载设备之间的通信，在计算机收费系统和IC卡双方均完成对通行费的纪录，从而实现电子结算收费。

高速公路不停车收费系统具有全路段封闭型、智能卡车载、电子托收、联网分账等特点。

通行效率比人工缴费显著提高。

系统特点：

24小时无人监管不间断工作；车道过车和银行托收都是由系统自动实现；在收费站不设服务器，通过网络浏览器打印报表，降低成本，提高系统的安全性；银行托收一般在一分钟内完成；提供互联网服务，电子标签用户可以在网上查询过车费用。

ETC系统是利用微波（或红外或射频）技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息技术、传感技术、图象识别技术等高新技术的设备和软件（包括管理）所组成的先进系统，以实现车辆无需停车既可自动收取道路通行费用。

目前，大多数ETC系统均采用微波技术，所以本文主要针对此类系统进行综述。

  不停车收费系统通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置（称为路边读写设备，简称RSE），识别车辆上设备（称为车载器，简称OBU）内特有编码，判别车型，计算通行费用，并自动从车辆用户的专用帐户中扣除通行费。

对使用ETC车道的未安装车载器或车载器无效的车辆，则视作违章车辆，实施图象抓拍和识别，会同交警部门事后处理。

与传统人工收费（ManualTollCollection，简称MTC）方式不同，ETC带来的好处有:

无需收费广场，节省收费站的占地面积；节省能源消耗，减少停车时的废气排放和对城市环境的污染；降低车辆部件损耗；减少收费人员，降低收费管理单位的管理成本；实现计算机管理，提高收费管理单位的管理水平；对因缺乏收费广场而无条件实施停车收费的场合，有实施收费的可能；无需排队停车，可节省出行人的时间等；避免因停车收费而造成收费口堵塞，形成新的瓶颈等。

高速公路电子不停车收费系统（ElectronicTollcollection，简称为ETC）是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。

系统通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通信，在不需要司机停车和其他收费人员操作的情况下，自动完成收费处理过程。

近年来，随着国民经济和交通运输业务的快速增长，特别是公路交通拥堵和环境污染问题日益严重，ETC电子不停车收费系统的应用已经受到越来越多的国家和地区的相关部门的关注。

ETC电子不停车收费方式，具有全自动、快速便捷、非现金交易、大容量等特点，在当前高速公路收费站点车辆拥堵问题日益突出、扩建收费车道涉及大量征地拆迁及繁琐的上报审批工作和建设资金投入、收费运营管理成本不断增加等情况下，逐步发展和实施ETC是解决这些问题的较为有效的手段。

    ETC电子不停车收费系统建成后，车主自行到公司指定的地点或代理机构购置车载电子标签，交纳储值费用，由发行系统向电子标签输入车辆识别码（ID）与密码，并在数据库中存入该车辆的全部有关信息：

识别码、车主姓名、联系电话、车牌号、车型、颜色、储值金额等。

发行系统通过通信网络将上述车主及车辆信息输入收费计算机系统。

车主将电子标签贴在车内前窗玻璃上即可；当车辆进入ETC收费车道即LI天线的发射区时，处于休眠的电子标签受到微波激励而苏醒，随即开始工作，电子标签以微波方式发出电子标签标示和车型代码，天线接收确认电子标签有效后，以微波发出车道代码和时间信号，写入电子标签的存储器内，进口车道栏杆打开，车辆即可驶入高速公路；到达出口收费站时，当车辆驶入出口收费车道天线发射范围，经过唤醒、相互认证有效性等过程，天线读出车型代码以及LI代码和时间，传送给车道控制机，车道控制器存储原始数据并编辑成数据文件，上传给收费站管理子系统并转送收费结算中心，经过验证，出口车道栏杆打开，车辆驶出高速公路；同时，收费结算中心从各个用户的账号中扣除通行费和算出余额，核对账户剩余金额是否低于预定的临界阈值，如果低于则及时通知用户补交费用，并将此名单（灰名单）下发给各收费站。

如灰名单用户不补交金额，继续通行高速公路，导致剩余金额低于危险门限值，则将其划归无效电子标签，编入黑名单，并通知收费站，拒绝无效电子标签车辆通行ETC专用车道，由内保人员引导改走人工收费车道。

      对于持无效标示卡或无卡的车辆，若其在收费车道上高速冲卡而过，天线在确认无效性的同时，将启动快速自动栏杆，关闭收费车道，当场将冲卡车辆拦截。

下图为ETC车道布局示意图。

2概述

路侧单元（RSU）是新兴的ETC产品。

它由ＲＳＵ天线和RSU控制器组成。

其中，ＲＳＵ天线是一个微波收发模块，负责数据的调制和解调；RSU控制器控制数据的接收和发送，生成并处理协议栈信息单元。

RSU以DSRC无线通信的方式，和车载电子标签（OBU）进行信息交换，采集和更新标签中的收费数据，实时发送给车道收费机。

因此，RSU是ETC车道系统的主要标志设备。

3ETC系统构成

ETC系统由前端系统和后台数据库系统组成，其中前端系统包括ETC车道控制系统、ETC路侧单元（RSU）、ETC车载单元（OBU）以及电子标签、用户IC卡的发行系统。

ØETC车道控制系统：

由检测线圈、高速栏杆机、车辆抓拍摄像机和车道计算机等组成，它负责对车道状态进行控制，并完成信息处理。

ØETC路侧单元（RSU）：

由微波天线和天线控制器组成。

内含PSAM消费安全访问模块，对车载单元进行安全认证并完成信息采集。

ØETC车载单元（OBU）：

车载单元OBU安装在用户车辆上，装载用户身份信息和ESAM嵌入式安全模块，在交易时进行安全认证，对用户IC卡进行读写并将信息发送至路侧设备（RSU）。

Ø电子标签、用户IC卡的发行系统：

完成ETC安全密钥的发放、用户个人信息（包括车辆物理信息和IC卡帐户信息）的录入。

3.1RSU与ETC车道系统

ETC车道布局

由于ETC收费系统刚刚在国内实施，并且没有被大多数所熟知，所以在实际使用中不可避免的会出现非ETC车辆闯入ETC车道的情况，进而降低了ETC车道的高通行效率。

为了避免这种情况的出现，管理部门在ETC收费系统实施之时，要加大向用户的宣传力度、在车道前端设置相应提示标志，以尽量避免这种情况的出现。

为了从根本上杜绝这种情况，需要根据自身区域特点合理规划ETC车道布局。

目前常用的车道布局有两种：

（1）前置式车道布局：

布局特点分析：

ØETC车道无需人为干预，ETC车辆交易成功后，栏杆机抬起，车辆直接从ETC车道通过；

Ø非ETC车辆或未正常交易ETC车辆可直接转向MTC车道进行人工收费处理，可较好解决误入ETC车道的非ETC车辆问题，误入车辆不需倒车，直接转向MTC车道即可；

Ø前置ETC车道方式通讯区域为10米，高速栏杆机与通信区域距离较近，车辆通行速度一般；

Ø基础施工量较大，需做收费岛延长。

（2）后置式车道布局：

布局特点分析：

Ø栏杆机置于通信区域后一定距离，ETC车辆交易成功后，栏杆机抬起，车辆可快速通过ETC车道；

Ø当非ETC车辆误入ETC车道或未正常交易ETC车辆需人工干预处理，指导车辆通行；

Ø增加ETC车道设备即可，基础施工简便。

在实际的工程施工中，需根据现场的实际工程条件进行以上两种方案的选择。

3.2RSU的参考安装方法

3.2.1在收费站的入、出口，设置ETC专用车道。

通常按照“专用、前置、低速”的原则布置RSU等ETC车道外场设备。

3.2.2在ETC车道中，RSU读写天线、车牌识别摄像机、电动栏杆、通行信号灯、黄色闪光报警器等安装在车道前部，并依次排列触发线圈、抓拍线圈和落杆线圈。

费额显示器可适当置后，以保证司乘人员在一定行驶速度下可顺利观察。

3.2.3RSU读写天线通常采用悬臂杆安装，固定在车道中心上方5.5m高处。

通过安装支架中的万向调节装置调整天线角度，使RSU的通信区域设定在前方6.5-7.5m的范围内。

3.2.4考虑到ETC交易的安全性，车辆在ETC车道的通行速度应小于40km/h。

3.2.5RSU读写天线与RSU控制器之间采用专用线缆传输，支持传输距离100m。

3.3ETC设备安装注意事项

当装有OBU车辆由于种种原因驶入MTC车道（其相邻车道设置了ETC设备）进行缴费时，则该车辆有可能会被相邻车道的ETC设备扣费，进而可能造成该车辆的重复缴费或加大收费工作量；车辆行驶在两条或者多条并行的ETC车道中的某条车道上时，如果相邻车道存在邻道干扰问题，则该车辆有可能会被相邻车道的ETC设备扣费，进而造成该车辆的重复缴费，这即为邻道干扰现象；在同一ETC车道内前后相跟的两辆车中的后车提前交易，同时对未交易的前车进行放行现象称之为车道内跟车。

ETC车道上出现的邻道干扰和跟车现象是由于RSU天线工程安装不规范、RSU天线设计不合理和OBU设计不合、一致性不好理造成的。

所以，在ETC收费系统项目实施时，要严格按照施工规范进行施工，优化完善RSU天线辐射器的设计与生产，严控OBU的生产和检测，避免个体OBU接收灵敏度、发射功率异常，完善OBU应用程序，以避免以上问题的出现，打造高效的ETC车道，真正提高收费系统的收费效率。

3.4ETC车道典型操作流程

ØETC工作流程

1）车辆驶入通讯区域，安装在车辆上的OBU与RSU成功交易后，栏杆机自动抬杆，车辆通过ETC车道。

2）当RSU未能与OBU成功交易或识别出车辆为安装OBU，系统禁止车辆直行，并诱导至相邻的MTC车道，取出OBU中的双界面IC卡刷卡通行或按MTC操作后通行。

ØETC车道交易流程：

整个过程分为5个步骤：

1.得到VST信息；

2.得到OBU信息；

3.得到IC卡信息；

4.入口仅写过站信息，出口写过站信息和消费信息；

5.等待应答结果。

抬竿放行车辆，保存交易流水。

4ETC系统工程实施

4.1MTC车道改造ETC

在我国现行收费模式中，在现有MTC（人工收费）车道中扩建ETC车道符合实际情况，能够最大限度上保护原有资源，原有收费系统的绝大部本设备都可以利用，ETC前端系统只需改造一条MTC车道，增加ETC车道硬件设备，并在MTC车道中增加IC卡读写机和PSAM模块。

实施的具体项目：

Ø增加入口ETC收费车道和出口ETC收费车道，改造出口ETC收费车道收费岛，增加通行标志、标线等交通标识。

Ø购置ETC收费车道相关的硬件设备。

Ø改造原有MTC车道收费机、使其能够读写ETC电子标签的用户支付卡功能，收费流程如原MTC收费流程。

Ø增加收费站ETC车道监控设备、开发ETC收费车道监控软件和数据服务软件。

ØETC收费管理中心，购置电子标签OBU发行设备、充值机、结算服务器等设备。

开发电子标签和支付卡发行系统、充值系统、结算系统、管理系统。

项目

具体实施

ETC车道

●在原MTC车道增加或改造ETC车道，增加路侧单元RSU，在出口对原有MTC车道收费岛、交通标志进行改造。

●购置ETC相关的硬件设备。

MTC车道

●更换IC卡读卡器，使其能够读写ETC电子标签的用户支付卡功能和原有通行卡。

监控系统

●增加或改造原监控系统，提供ETC车道监控功能。

数据传输

●开发ETC收费数据服务软件、MTC车道收费软件对ETC支付卡读写处理功能。

管理中心

●电子标签发行，购置电子标签发行设备、开发相关发行管理软件。

●支付卡充值，购置支付卡充值设备、开发充值管理软件。

●费用结算，开发支付卡费用结算软件系统。

4.2新建ETC车道

由于ETC车道的明显优势，新建高速大多都设计了ETC车道，收费岛都是按照ETC车道的要求进行。

所有的设备都是以ETC车道的要求配置，实施的具体项目：

Ø购置ETC收费车道相关的硬件设备。

Ø购置收费站ETC车道监控设备、开发ETC收费车道监控软件和数据服务软件。

ØETC收费管理中心，购置电子标签OBU发行设备、充值机、结算服务器等设备。

开发电子标签和支付卡发行系统、充值系统、结算系统、管理系统。

5工程施工组织

5.1优化设计

签订合同入场后要进行工艺优化设计，依据招标文件及合同针对土建、厂家设备性能、省收费管理中心及收费软件的要求对设备的配置、施工图纸及工艺进行细化及优化，确保系统实施的可行性及可靠性。

5.2施工组织

5.2.1施工计划编制

收费系统的施工进度和房建及路面等单位的施工进度密切相关，施工进度编制前要落实房建施工单位对收费岛的施工进度安排以及路面施工单位对收费车道的施工进度安排，依据以上两家的安排，合理安排收费设备及立柱的进场及施工时间，及检测线圈及设备安装等人员、机械的进场施工时间，确保不窝工。

5.2.2施工方案

ETC收费系统设备安装同MTC一样出入口设备配置有所不同，但是又都包括厅内设备和车道设备。

厅内设备安装包括车道控制器、监控摄像机等设备的安装，要求设备布局合理，安装稳定，布线横平竖直，接线牢靠。

厅外设备安装主要包括以下几项：

1）.ETC天线安装：

（1）.立柱安装：

基础可靠，立柱高度符合要求；

（2）.RSU天线安装：

固定角度符合要求，接线可靠；

（3）.RSU控制器安装：

安装固定牢靠，接线可靠；

2）.线圈切割：

（1）.线圈切割严格按照图纸切割；

（2）.采用高压水枪冲出切缝内灰土，并用风机吹干；

（3）.采用镀银高温线压实敷设，用环氧树脂灌缝；

（4）.线圈区域要求路面无伸缩缝；

（5）.线圈区域要求路面下无钢筋及钢管等金属物品。

6ETC系统常见问题解决方案

6.1ETC车道邻道干扰问题

分析：

RSU采用5.8G微波信号与OBU进行通讯，如果RSU通信区域控制不好，即其通信区域过宽或副瓣过大，造成ETC车道实际应用中会存在邻道干扰问题。

邻道干扰问题造成的后果如下：

ØOBU在入口车道进行信息交换后，接着与出口车道RSU交易，造成U转扣费；

ØOBU到达下一个出口时无入口信息；

ØRSU与邻道OBU发生交易或接收到其数据，造成车道误报警或误抬杆等现象，扰乱车道正常逻辑；

解决措施：

1、完善RSU性能

天线阵列：

根据《中华人民共和国国家标准GB/T20851.1-2007电子收费专用短程通信》中的规定，天线频带上行5.790-5.800GHz，下行5.830-5.840GHz，半功率波瓣宽度在水平面<38°，垂直面<45°。

发射右旋圆极化信号，圆极化天线的交叉极化鉴别率XPD在最大增益方向RSU不小于15dB（对应轴比3.13dB），-3dB区域RSU不小于10dB（对应轴比5.69dB）。

天线的尺寸控制在190mm*100mm。

另外，增益应不低于10dBi以保证系统其他部分的良好运行。

单元贴片的仿真结果显示，其3dB圆极化带宽为3%，在5.8GHz轴比为0.2dB。

经中国泰尔实验室检测，我公司RSU天线通信区域覆盖特性好，区域稳定.，旁瓣电平低，完全满足ETC应用要求。

利用RSU设备的应用软件调节RSU天线的发射功率（发射功率可多级精确调节、每级调节信号的实际发射功率经过专业仪器的定量校准），同时通过调整RSU的安装支架来调整天线安装角度（与水平方向夹角35°～60°范围内可调），可灵活调整通信区域，控制在车道通行范围内，通信区域宽度可以有效控制在3m之内。

区域外OBU无法交易。

2、采用信道分离技术

通过采用PLL（锁相环）结合高稳定度温度补偿晶体参考源等技术手段，可以很好的实现RSU天线发射信号的精确定频和信道分离。

在实际使用中，通过应用软件对RSU天线的工作信道可进行设置，使相邻车道的RSU天线工作在不同信道，可有效降低相互的信号干扰，从而避免邻道干扰。

6.2车道内跟车的解决方案

6.2.1车道内跟车问题

在ETC系统的实际使用过程中，不可避免的会遇到车道内跟车的问题。

车道内跟车问题将会造成在同一ETC车道内前后相跟的两辆车中的后车提前交易，同时对未交易的前车进行放行，进而扰乱整个车道的工作逻辑。

6.2.2车道内跟车问题解决方案

车道内跟车问题的解决单靠ETC设备是不能解决的，这是一个需要车道收费系统各个设备密切配合，同时采用合理的逻辑控制才能解决的问题。

在实际的ETC系统应用中，利用RSU设备的应用软件调节RSU天线的发射功率（发射功率可多级精确调节、每级调节信号的实际发射功率经过专业仪器的定量校准），同时通过调整RSU的安装支架来调整天线安装角度（与水平方向夹角35°～60°范围内可调），实现RSU有效通信区域长度的精确控制（控制在10m以内），这样就保证了在RSU有效通信区域长度内最多有两辆车同时存在。

同时根据RSU有效通信区域的首末端设置的检测线圈检测到的车辆通过信号：

在RSU有效通信区域首端设置的检测线圈用于激活RSU设备，同时使缴费车辆形成缴费队列，引导RSU设备进行缴费操作；而设置在RSU有通信效区域末端的检测线圈则是辅助收费系统进行工作，如当缴费队列中的先行车辆在后行车辆进入RSU通信区域后仍未完成交易，则不会对先行车辆进行放行等。

6.3RSU对各厂商OBU兼容问题解决方案

在各厂商均通过国家交通部ITS中心ETC系统物理层专业测试认证和国家交通部ITS中心ETC系统互换性测试专业测试认证的基础上，各厂商OBU与RSU的兼容问题得到了统一框架下的解决方式，但由于协议及物理层细节的区别仍会造成交易不稳定问题。

解决措施：

1、在产品协议层设计中将严格遵守国家规范及陕西省相关规范，并精确控制RSU天线的载波频率、位速率、调制系数（限制在0.7-0.8，提高RSU天线对不同调制系数的微波信号的兼容性）等物理层特性指标。

2、在严格遵循国家规范及陕西省相关规范的基础上，严格控制RSU天线发送数据的波形，以有助于多厂商OBU的数据接收；同时提高RSU数据接收能力，提高对多厂商OBU所发送数据的兼容能力。

我公司车载电子标签（OBU）在北京、湖南、湖北、江苏、山东、云南、武汉等省市ETC测试中，对各厂商OBU具有很强的兼容性。

6.4软件兼容性问题解决方案

分析：

提高软件协议层兼容性及接口稳定性，是保证可靠交易的必要条件。

解决方案：

1、RSU软件引入“模块化”和“分层”的设计理念，把业务逻辑和底层服务彻底分开，从而使软件具有良好的可扩充性，软件整体遵循“稳定、可靠、灵活、简便”的设计思路。

2、同时软件基于嵌入式可裁剪的实时内核实现，充分利用了嵌入式处理器的强大处理能力，极大提高ETC设备的响应速度。

3、考虑到系统升级、功能扩展等不同需求，可以通过串口和网络进行程序的在线升级。

6.5ETC收费方式与MTC收费方式混合使用解决方案

分析：

在ETC收费系统推广初期，安装车载电子标签的车辆较少，ETC专用车道的使用率较低，在车流量高峰期时，ETC专用车道不但不能起到方便快捷的效果，而且还占用车道资源。

这就要求车道应具有ETC收费方式与MTC收费方式方便切换的功能。

解决方案：

1、鉴于ETC车道布局采用前置式布局方式，ETC收费方式与MTC收费方式相对独立，因此为解决ETC收费方式与MTC收费方式混合使用，需车道机软件增加当ETC收费方式与MTC收费方式相互切换功能；

2、在原有的MTC系统中添加能够读取CPU卡的读卡机。

实现在收费方式切换后配置有车载电子标签的车辆仍可方便通行，实现无现金支付，方便ETC用户。

6.6缩短交易时间解决方案

ETC系统的方便快捷体现在车辆以不停车状态快速通行，影响车辆通行速度的因素较多，其中ETC交易时间是影响车辆通行速度的重要因素。

提高交易时间是提高系统整体性能的关键。

实现车辆在较高速度下通过车道，有利于解决跟车等多种问题。

解决措施：

我公司通过技术创新及不断升级改善，在遵循国家相关标准的基础上，RSU天线的典型交易时间已可达到小于200ms。

1、程序流程的优化设计

车道机、RSU和OBU要进行多次数据交互，才能完成一次交易。

OBU一般设计为被动方式，即交易流程由RSU或者车道机来控制，目前应用比较多是RSU主控方式，因此RSU设计人员面临着符合ETC交易规范的交易流程设计问题，该交易流程的性能直接影响到ETC交易时间。

RSU的程序流程在符合ETC交易规范的前提下，有很多细节可以进行优化。

2、RSU与车道机交互通信的优化

在ETC交易流程中，RSU天线、RSU控制器以及车道机之间的通信占用了很可观的一部分时间。

从当前各厂家的实现方案来看，RSU与车道机之间的交互基本上采用RS232串行通信方式，而RSU天线与RSU控制器之间多采用RS422串行通信方式。

因此，在满足通信距离及可靠性要求的情况下，尽量提高RS422总线的通信速率，能大幅度缩减交易时间。

另外，RSU控制器与车道机之间采用以太网通信也可在一定程度上缩短交易时间，在相同的交易流程下，采用以太网通信较RS232串口通信要快30—50ms，因此在确保具有可靠的网络连接的前提下，RSU控制器与车道机之间的交互可尝试采用以太网通信方式。

3、卡片操作速度的提高

提高卡片的操作速度首先要最大限度地提高卡片工作时钟。

其次，通过PPS指令提高卡片的通信波特率来提高卡片的操作速度。

4、DSRC协议层的优化

我公司通过合理划分状态，优化RAM的使用和管理，加快通信数据的编解码速度，采用数据帧拼接等方式缩短交易时间。

5、DSRC数据桢的拼接

在ETC的交易过程中，专用短程通讯的链路建立时间在整个空中的数据传输中占据了相当一部分的时间，因此减少空中的交互次数，能减少一定的交易时间，通过APDU的拼接可有效减少数据的空中交互次数。

6.7提高通行速度解决方案

为充分发挥ETC车道系统特点，应保证车辆在较快速度下可靠通行，提高车道车辆通行效率。

解决措施：

我公司RSU在采用前置式安装方式（拦杆机与RSU均在岛前布置）仍可保证车辆在0-40公里可靠通行。

1、通过缩短RSU典型交易时间，现已可实现小于200ms。

即在车辆在40km/h（11.11m/s）的速度下通过时，在通讯区域的前3m即可完成交易，从而也为进一步提高车辆的通行速度提供了可能。

2、通过合理安装RSU天线，并通过调整安装角度，使通讯区域覆盖范围功率点连续，无间断点，提高交易成功率，减少RSU天线指令的重发次数，进而提高车辆的通行速度。

6.8提高交易成功率解决方案

在ETC车道实际运行中，ETC交易的成功率直接影响到整个ETC车道的通行效率。

解决措施：

1、通过采用PLL（锁相环）结合高稳定度温度补偿晶体参考源等技术手段，使RSU天线在高、低温恶劣环境下可稳定工作。

良好的外壳密封性能,保证RSU天线在雨雪天气下的正常运行。

2、通过合理安装RSU天线，并通过调整安装角度，使通讯区域覆盖范围功率点连续，无间断点，提高交易成功率，减少RSU天线指令的重发次数，进而提高车辆的通行速度。

3、高效、可靠的软件设计，确保实时处理数据。

6.9异常情况报警及处理

为了保证整个ETC车道的通行效率，除了要保证ETC设备的运行稳定性，还要保证如果车道出现异常情况，车道系统可以及时报警，以便故障的解决。

解决措施：

1、RSU故障的报警。

RSU天线实时地对自身内部的关键器件进行状态检查，如果出现器件故障，RSU天线将把故障信息添加到用于表明RSU天线处于工作状态的心跳包中，而后上传给上位机，进行报警通知收费站人员进行相应处理。

2、RSU与上位机通信故障的