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ETC技術(shù)在80年代開始興起，90年代在世界各地使用，受到各國(guó)政府和企業(yè)的廣泛重視，世界許多著名公司，如Amtech、TI、Boash、Hitachi、Toyota等均競(jìng)相研制。因此ETC技術(shù)發(fā)展很快，其主要經(jīng)歷以下3個(gè)發(fā)展階段：
主要在ETC發(fā)展初期使用。但由于其投資大，存儲(chǔ)容量小，壽命短，保密性差，對(duì)環(huán)境要求苛刻，防潮、防污、防振、抗靜電能力差，而沒(méi)有得到很好應(yīng)用。
IC卡因其存儲(chǔ)容量大，保密性好，抗電磁干擾強(qiáng)，投資和維護(hù)費(fèi)用少，易實(shí)現(xiàn)智能功能而取代磁卡收費(fèi)。但由于需要接觸操作、易磨損、易受污、安全可靠性欠佳，從而使使用受到限制，主要應(yīng)用于公共交通收費(fèi)等半人工收費(fèi)系統(tǒng)。
它是在IC卡基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代射頻識(shí)別技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新一代收費(fèi)系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是免接觸，使得保密、安全性進(jìn)一步提高，而且沒(méi)有接觸磨損，壽命長(zhǎng)，抗惡劣環(huán)境性能好，適合于ETC系統(tǒng)的野外、全天候工作。一般工作在微波波段，識(shí)別距離長(zhǎng)，讀寫數(shù)據(jù)率高，適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，真正實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，是ETC系統(tǒng)發(fā)展的方向。目前各大公司正致力于微波非接觸式ID卡收費(fèi)系統(tǒng)的開發(fā)研制。
ETC系統(tǒng)是通過(guò)安裝于車輛上的車載裝置和安裝在收費(fèi)站車道上的天線之間進(jìn)行無(wú)線通信和信息交換。主要由車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施等組成。其中，車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)有車載單元(Onboardunit，OBU)又稱應(yīng)答器(Transponder)或電子標(biāo)簽(Tag)、路邊單元(Roadsideunit，RSU)、環(huán)路感應(yīng)器等組成。OBU中存有車輛的識(shí)別信息，一般安裝于車輛前面的擋風(fēng)玻璃上，RSU安裝于收費(fèi)站旁邊，環(huán)路感應(yīng)器安裝于車道地面下。中心管理系統(tǒng)有大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)大量注冊(cè)車輛和用戶的信息。
當(dāng)車輛通過(guò)收費(fèi)站口時(shí)，環(huán)路感應(yīng)器感知車輛，RSU發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，OBU做出響應(yīng)，并進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換;中心管理系統(tǒng)獲取車輛識(shí)別信息，如汽車ID號(hào)、車型等信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)信息進(jìn)行比較判斷，根據(jù)不同情況來(lái)控制管理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的動(dòng)作，如計(jì)算機(jī)收費(fèi)管理系統(tǒng)從該車的預(yù)付款項(xiàng)賬戶中扣除此次應(yīng)交的過(guò)路費(fèi)，或送出指令給其它輔助設(shè)施工作。其它輔助設(shè)施如：違章車輛攝像系統(tǒng)，自動(dòng)控制欄桿或其它障礙，交通顯示設(shè)備(紅，黃，綠燈等設(shè)備)指示車輛行駛。
ETC停車系統(tǒng)中車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是其中最重要的技術(shù)，它直接影響到系統(tǒng)的性能和應(yīng)用推廣，也是區(qū)別不同的ETC系統(tǒng)的主要標(biāo)志。目前，采用的識(shí)別技術(shù)主要有：①紅外線掃描識(shí)別技術(shù);②CCD攝像識(shí)別技術(shù);③激光掃描識(shí)別技術(shù);④IC卡識(shí)別技術(shù)等。但由于交通運(yùn)輸本身特點(diǎn)要求有一種能夠在全天候、惡劣環(huán)境下應(yīng)用，遠(yuǎn)距離作用(10m左右)，安全可靠性高，高速，壽命長(zhǎng)的系統(tǒng)。上述這些系統(tǒng)由于本身缺陷都不能全面滿足以上要求，而得不到有效的推廣應(yīng)用。微波非接觸式ID卡識(shí)別技術(shù)就是適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來(lái)的。由于微波透人性強(qiáng)，可以穿透濃霧、雨滴、風(fēng)沙等，工作距離遠(yuǎn)，適合于車輛全天候、惡劣環(huán)境條件下工作，它具有工作距離遠(yuǎn)、體積小，既可以有源發(fā)射方式(壽命可達(dá)10年以上)也可以無(wú)源反射方式(無(wú)壽命限制)工作，既可以主動(dòng)式，也可以被動(dòng)式工作，車輛以50—120km/h的正常速度通過(guò)收費(fèi)站等特點(diǎn)。工作波段主要有900MlHz、2.45GHz和5.8GHz頻段。
微波非接觸式ID卡(即OBU)接收RSU發(fā)出的詢問(wèn)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)解調(diào)送控制單元進(jìn)行處理，通過(guò)身份確認(rèn)，密碼驗(yàn)證后，控制單元對(duì)EEPROID進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作并經(jīng)編碼，加密后，再經(jīng)調(diào)制，送天線發(fā)射出去。處理控制單元主要用于密碼校驗(yàn)，編程模式檢查，數(shù)據(jù)加密解密，并控制對(duì)EEPROID的讀寫操作。EEPROID中存有車輛的ID號(hào)、車牌號(hào)、車型、司機(jī)等相關(guān)信息。RSU根據(jù)接收到的ID號(hào)等信息，而做出相應(yīng)的操作，從而達(dá)到對(duì)車輛的識(shí)別。
ETC系統(tǒng)中，OBU與RSU之間采用專用短程通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(DSRC)進(jìn)行半雙工通信，由于900IDHz和2.45GHz波段靠近移動(dòng)通信波段且背景噪聲干擾較大，國(guó)際上正趨于將5.8GHz的系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)ETC系統(tǒng)使用。如美國(guó)采用900MHz或5.8GHz，日本和歐洲均規(guī)定5.8GHz作為ETC的頻段。中國(guó)ISO/TC204技術(shù)委員會(huì)已提出將5.8GHz頻段分配給ITS領(lǐng)域的短程通信，包括ETC系統(tǒng)，并批準(zhǔn)在5.8GHz頻段上進(jìn)行ETC系統(tǒng)的試驗(yàn)，通信距離為10m。采用5.8GHz微波波段與中國(guó)ISID工業(yè)用波段一致，不受移動(dòng)通信影響。目前國(guó)內(nèi)使用的ETC系統(tǒng)頻段多為900IDHz和2.5GHz頻段。對(duì)于5.8GHz系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開發(fā)出相應(yīng)系統(tǒng)
中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)靠歐洲標(biāo)準(zhǔn)，目前只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其它層還有待進(jìn)一步完善。
歐洲最新開發(fā)了一種5.8GHzETC系統(tǒng)，介紹如下。
OBU及RSU的物理結(jié)構(gòu)：OBU亦即射頻識(shí)別應(yīng)答器，包括射頻探測(cè)器、電源控制電路、調(diào)制解調(diào)電路、CPU及讀/寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、射頻輸出級(jí)及發(fā)射天線等。由于成本和尺寸限制，應(yīng)答器一般做得很小(10×6×lcm)，應(yīng)答器前端大多采用微帶天線和微帶電路進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，后接數(shù)字電路，如脈碼發(fā)生器。工作方式采用被動(dòng)方式，即無(wú)射頻源方式，省去高昂的微波本振源，其射頻源直接來(lái)自于路邊天線發(fā)射的連續(xù)波。
通信鏈路：通信鏈路負(fù)責(zé)在收費(fèi)系統(tǒng)與發(fā)行系統(tǒng)之間、在各站口的收費(fèi)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。OBU與RSU間的通信分下行鏈路和上行鏈路。
下行鏈路(由RSU到OBU)：采用ASK調(diào)制，NRZI編碼方式，數(shù)據(jù)通信速率500kbit/s，RSU天線E.I.R.P.約+33dBM。
上行鏈路(OBU到RSU)：RSU的天線不斷向應(yīng)答器發(fā)射5.8GHz連續(xù)波，其中一部分作為應(yīng)答器的載波，將數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK調(diào)制后又反射回RSU。上行數(shù)據(jù)本身也是BPSK調(diào)制，載頻為2-10MHz。
邏輯鏈路層：路邊收費(fèi)站與管理中心通過(guò)局域網(wǎng)連接起來(lái)，采用Ⅲ)比協(xié)議。采用非平衡結(jié)構(gòu)，以管理中心為主站，各收費(fèi)站為從站。
下行鏈路廣播方式——主要用于中心向各收費(fèi)站發(fā)送交通信息等;上行鏈路廣播方式——用于應(yīng)答器第一次向中心發(fā)通信請(qǐng)求;
按地址訪問(wèn)方式——即當(dāng)車輛發(fā)生通信請(qǐng)求后，特定的從站和主站之間進(jìn)行雙向通信交換數(shù)據(jù)。
由于ETC通信實(shí)時(shí)性的要求，邏輯鏈路控制協(xié)議采用無(wú)連接方式，也沒(méi)有數(shù)據(jù)出錯(cuò)恢復(fù)功能，只有CRCl6位錯(cuò)誤檢測(cè)功能。
電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)可分為前臺(tái)和后臺(tái)系統(tǒng)：
(1)前臺(tái)系統(tǒng)
包括三種核心設(shè)備:車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Au-tomaticVehicleIdentification簡(jiǎn)稱AVI)、車輛自動(dòng)分類系統(tǒng)(AutomaticVehicleClassification簡(jiǎn)稱AVC)和錄像實(shí)施系統(tǒng)(VideoEnforcementSystem簡(jiǎn)稱VES)。車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用無(wú)線調(diào)頻設(shè)備(Ra-dioFrequency)識(shí)別用戶的身份標(biāo)識(shí)卡(TAG)及其有效性;車輛自動(dòng)分類系統(tǒng)借助傳感器組的信息確定車輛的收費(fèi)類別;錄像實(shí)施系統(tǒng)利用高速圖像處理設(shè)備自動(dòng)俘獲違章車輛的車牌號(hào)碼。核心設(shè)備與其他控制設(shè)備共同組成不停車系統(tǒng)的車道控制器。
①AVI
AVI分為兩大類:激光設(shè)備與無(wú)線電調(diào)頻設(shè)備。激光設(shè)備采用條碼技術(shù),掃描貼于車輛前端的條碼,獲取用戶的身份標(biāo)識(shí)(ID),缺點(diǎn)是易受環(huán)境條件、距離位置、條碼安裝與完整性等因素的影響。無(wú)線電調(diào)頻設(shè)備采用無(wú)線波來(lái)識(shí)別貼于車輛前端的用戶身份標(biāo)識(shí)卡來(lái)識(shí)別用戶身份,具有更高的可靠性;其中,無(wú)線頻率(RF)常用的頻率是5.8GHz。TAG分為只讀TAG、可讀寫TAG、多功能TAG(帶蜂鳴器、無(wú)線電信息收發(fā)等)三大類。
②AVC
AVC系統(tǒng)根據(jù)車輛的物理特性來(lái)確定車輛的收費(fèi)類別。AVC的物理特性依據(jù)包括∶車輛的體積、重量、裝載人數(shù)、車軸或車輪的數(shù)目、車輛的用途等等。AVC與一系列的車道傳感器相連,傳感器的信號(hào)提交事務(wù)處理系統(tǒng)后,由車輛分類單元判定收費(fèi)類型。AVC設(shè)備包括∶前置線圈、感應(yīng)踏板、發(fā)射光塔、掃描儀和高速攝像等設(shè)備。
③VES
VES利用光學(xué)字符識(shí)別(OCR)技術(shù)自動(dòng)獲取非法車輛的車牌號(hào)碼。VES攝錄方式包括照片、錄像帶和數(shù)字影像等等。VES利用模糊識(shí)別技術(shù),借助光學(xué)字符識(shí)別設(shè)備實(shí)現(xiàn)非法用戶的車牌號(hào)碼識(shí)別。VES過(guò)程包括∶感應(yīng)觸發(fā)、圖像俘獲、圖像識(shí)別、圖像儲(chǔ)存、圖像處理和圖像刪除等等。關(guān)鍵技術(shù):API編程技術(shù)(控制外部設(shè)備,包括通信卡、DI/DO卡和聲卡);單片機(jī)編程技術(shù);快速查詢算法;模糊識(shí)別;通信控制和圖像處理。
(2)后臺(tái)系統(tǒng)
收費(fèi)系統(tǒng)的后臺(tái)系統(tǒng)工作任務(wù)主要為向客戶發(fā)售車載標(biāo)識(shí)卡,并做標(biāo)識(shí)卡的初始化;接受客戶補(bǔ)交金額和查詢;接收前臺(tái)收費(fèi)數(shù)據(jù)文件;交易和結(jié)算;向前臺(tái)和客戶發(fā)送補(bǔ)交金額的黑名單指令和信息;存儲(chǔ)、管理抓拍圖像等。
它主要包括如下系統(tǒng):計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、道路運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)、結(jié)算中心管理系統(tǒng)、客戶服務(wù)中心管理系統(tǒng)、銀行管理系統(tǒng)。實(shí)際上是一個(gè)具有財(cái)務(wù)結(jié)算性質(zhì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)通過(guò)各個(gè)終端的工作,將數(shù)據(jù)文件迅速可靠地傳送,利用專用軟件正確地完成全部工作。
ETC系統(tǒng)可分為收費(fèi)站電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)和自由流不停車收費(fèi)系統(tǒng)。
(1)收費(fèi)站不停車收費(fèi)系統(tǒng)
收費(fèi)站不停車收費(fèi)一般采取混合收費(fèi)方式,既有不停車收費(fèi)車道,又保留半自動(dòng)收費(fèi)車道。其主要特征為:
①與半自動(dòng)收費(fèi)車道并列設(shè)置。在收費(fèi)車道中,根據(jù)使用情況開設(shè)部分ETC專用收費(fèi)車道;
②車輛通過(guò)收費(fèi)車道的車速較低,通常為30km/h一50km/h,通過(guò)率為600輛/h一1000輛/h;
③在車道出口端設(shè)置自動(dòng)欄桿,以防無(wú)卡車輛通過(guò)。
收費(fèi)車道入口設(shè)置不停車收費(fèi)車道標(biāo)志和信號(hào)燈。由于車輛密度不大，天線并不連續(xù)工作，無(wú)車輛通過(guò)時(shí)，天線處于休眠狀態(tài)。在天線輻射區(qū)外的車道，埋設(shè)一個(gè)環(huán)行線圈，當(dāng)車輛進(jìn)入線圈工作區(qū)時(shí)，線圈發(fā)出信號(hào)，激活天線進(jìn)入工作狀態(tài)。車輛進(jìn)入通信區(qū)，通過(guò)微波天線，車載標(biāo)識(shí)卡響應(yīng)天線的詢問(wèn)信息，將客戶身份與車型代碼上傳給車道天線，由天線轉(zhuǎn)送給車道控制機(jī)進(jìn)行核查，如為有效合法卡，車道放行，信號(hào)燈變綠，如果進(jìn)一步交換信息，讀寫數(shù)據(jù)，可繼續(xù)通信，直到收費(fèi)過(guò)程結(jié)束，如果進(jìn)入車道的車輛為非法無(wú)效卡車，或是無(wú)標(biāo)識(shí)卡的車輛，車道控制機(jī)將根據(jù)天線傳送的信息，指令自動(dòng)欄桿關(guān)閉，攔截非法車輛，并發(fā)出聲光警報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)人員將對(duì)其進(jìn)行處理。車道控制機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和清算等，并將需要發(fā)布的結(jié)果下傳車道。
這種方式適用于不停車收費(fèi)用戶在所有繳費(fèi)用戶中并非多數(shù)的情況。
(2)自由流不停車收費(fèi)系統(tǒng)
自由流不停車收費(fèi)系統(tǒng)在道路主線上每隔一定里程設(shè)置一個(gè)橫跨道路上空的龍門架,架上安裝不停車收費(fèi)設(shè)備,實(shí)施分段開放式不停車收費(fèi)。車輛無(wú)須減速,以正常行駛速度完成收費(fèi)工作。其主要特征為:
①無(wú)收費(fèi)島、亭之類設(shè)施;
②進(jìn)入收費(fèi)點(diǎn)時(shí)無(wú)須減速,車輛繼續(xù)高速行駛;
③需要建立一套高精度逃費(fèi)取證處理系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)抓拍捕捉車輛逃費(fèi)證據(jù),以便于以后依法處理,目前大多采用高速、高分辨率的攝像機(jī)對(duì)車輛牌照進(jìn)行抓拍;
④在收費(fèi)點(diǎn)附近,需建造一條與主線平行的普通收費(fèi)車道,以便對(duì)非法無(wú)效卡車或無(wú)標(biāo)識(shí)卡的車輛收費(fèi);
⑤車道天線控制器能控制多部天線并行工作,與多輛車載標(biāo)識(shí)卡同時(shí)通信。
此系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)為減少收費(fèi)站建設(shè)投資,車速高,無(wú)行車延誤,車輛通行能力接近2000輛/h。但設(shè)備投資大,技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度也較大,特別是如何防止和遏制逃費(fèi)車輛是關(guān)鍵技術(shù)。這種方式適用于不停車收費(fèi)用戶在所有繳費(fèi)用戶中已成為大多數(shù)的情況。
高速公路收費(fèi)的特點(diǎn)是不僅要按照車型分類標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi),而且按照入出口的距離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收費(fèi)。各種類型的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的收費(fèi)過(guò)程基本相同，其原理是在車輛上安裝一種標(biāo)識(shí)卡，在ETC收費(fèi)車道上安裝有車載標(biāo)識(shí)卡的讀寫設(shè)備，當(dāng)車輛進(jìn)入ETC收費(fèi)車道時(shí)，標(biāo)識(shí)卡以微波通信方式與該車道的天線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，從卡上讀取車牌照號(hào)、車型等數(shù)據(jù)，如需要也可向車載標(biāo)識(shí)卡上寫入信息，系統(tǒng)根據(jù)讀取的信息，識(shí)別車輛合法與否，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算收費(fèi)金額，并從其賬戶上扣除相應(yīng)金額，記錄交易數(shù)據(jù)，控制車道外部設(shè)備等，具體流程為:
(1)后臺(tái)系統(tǒng)初始化車載標(biāo)識(shí)卡，將車牌照號(hào)、車型、收費(fèi)率等數(shù)據(jù)寫入標(biāo)識(shí)卡，并發(fā)放給客戶，建立有關(guān)客戶檔案;
(2)車輛進(jìn)入ETC收費(fèi)車道,感應(yīng)天線激活線圈,進(jìn)而激活微波天線,讀取標(biāo)識(shí)卡上的信息,并傳送給車道控制機(jī)進(jìn)行核查;
(3)如為合法車輛,則進(jìn)行收費(fèi)交易,依據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)完成清算,通行燈將會(huì)變綠,顯示收費(fèi)額和余額,車輛通過(guò),記錄數(shù)據(jù);
(4)如為非法車輛,車道控制機(jī)觸發(fā)報(bào)警信號(hào),同時(shí)控制自動(dòng)欄桿下落,關(guān)閉車道,車道攝像機(jī)進(jìn)行圖像抓拍,車輛進(jìn)行人為處理。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外ETC的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),ETC系統(tǒng)的建設(shè)首先要作好ETC相關(guān)技術(shù)與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的選擇,在規(guī)范、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上進(jìn)行后臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)。ETC標(biāo)準(zhǔn)化工作是一項(xiàng)綜合性的基礎(chǔ)工作,是制定ETC技術(shù)法規(guī)的基礎(chǔ),對(duì)促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步,提高總體應(yīng)用效果,提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。
目前國(guó)際上在ETC相關(guān)技術(shù)與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作中已取得了顯著的成果。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)第204技術(shù)委員會(huì)第15工作組負(fù)責(zé)專用短程通信協(xié)議DSRC標(biāo)準(zhǔn)的制定,電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)中車道天線和車載電子標(biāo)簽所采用的通信協(xié)議就是DSRC。
