1.系統(tǒng)概述
1.1.系統(tǒng)背景
隨著國民經濟快速發(fā)展，我國綜合國力不斷增強，交通基礎建設大為改善，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絡正在逐步形成，高速公路為交通事業(yè)跨越式發(fā)展奠定了堅實的基礎，在某種程度上緩解了交通在經濟建設中的瓶頸制約作用。但是，隨著經濟的持續(xù)快速增長，路網通過能力日益滿足不了交通量增長的需要，交通擁擠，阻塞現象日趨嚴重，尤其以高速收費站車輛擁擠堵塞現象更為突出。如何實現各類車輛的有效指揮、協調控制和管理已經成為交通運輸和安全管理部門面臨的一個重要問題。
經過長期和廣泛的研究，各發(fā)達國家已從主要依靠修建更多的公路，擴大路網規(guī)模來解決不斷增長的交通需求，轉移到用高科技技術來改造現有公路運輸系統(tǒng)及管理體系，從而達到大幅度提高路網通行能力和服務質量的目的。ETC電子不停車收費系統(tǒng)應運而生，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，減少車輛阻塞現象，行車更加安全，而且大大提高過路橋收費的通行效率。
圖一高速收費站擁擠車輛
1.2.現狀及分析
高速公路堵車現象時有發(fā)生，高速公路管理手段雖然越來越先進，但大部分已通車高速公路收費管理卻仍停留在比較低效的人工收費階段，這就給高速公路使用帶來諸多不便：
(1)車輛停車排隊交費等候通關的時間較長，在車流量增加時很容易造成擁堵;
(2)因停車等候交費的時間較長，降低了大橋的通行能力和服務水準;
(3)各收費站點的現金結算工作量巨大，所需工作人員較多，增加了人力使用成本;
(4)人工收費存在人員交接班的現金復核、稽查和統(tǒng)計工作量，同時還存在現金移交的資金安全問題;
(5)存在收費漏、交錢不給票或給假票的情況時有發(fā)生，甚至出現假鈔假幣方面損失;
(6)不便于路況和車流信息及時交流;
(7)由不同投資主體修建的公路收入分配問題日益嚴重;
(8)經過收費站時停車繳費造成的通行速度緩慢、頻繁制動引起的機械磨損、油耗、噪音和由此產生的大量有害尾氣等問題嚴重。
我國高速公路普遍采用封閉式收費制式，各省市在聯網收費系統(tǒng)中，普遍采用了基于IC卡作為通行券的人工現金收費(MTC)方式，公路收費中實現電子支付的主要方式有記帳卡、信用卡、預付卡、電子錢包等等。在各種公路收費的電子支付手段當中，基于專用短程通訊(DSRC)技術的ETC電子不停車收費技術，以其具有免除現金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務水平、簡化收費管理、降低環(huán)境污染等等明顯特點和優(yōu)勢廣為受人青睞。不停車收費系統(tǒng)又稱電子收費系統(tǒng)(Electronic
Toll Collection
System)，簡稱ETC系統(tǒng)。它利用車輛自動識別技術完成車輛與收費站之間的無線數據通訊，進行車輛自動識別和有關收費數據的交換，通過計算機網路對收費數據進行處理，實現不停車自動收費的全電子收費管理系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)介紹
2.1.系統(tǒng)原理
ETC電子不停車收費系統(tǒng)是基于RFID技術通過遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，實現車輛在快速移動狀態(tài)下的自動識別，從而實現目標的自動化管理。該系統(tǒng)產品集計算機軟硬件、無線通信、信息采集處理、數據傳輸、網絡通訊、自動控制和智能卡制作等技術綜合應用為一體，屬于先進的智能交通信息采集設備和高安全性的智能身份識別系統(tǒng)，是一種能有效對車輛進行自動識別和聯網監(jiān)管的重要技術手段。
該系統(tǒng)通過安裝在車輛擋風玻璃上或者車身其他部位的車載電子標簽(OBU)與在收費站ETC車道上的車道設備控制系統(tǒng)信號發(fā)射與接收裝置(稱為路邊讀寫設備，簡稱RSE)以專用短程通信(Dedicated
Short-Range
Communication，簡稱DSRC)方式交換信息，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。不停車收費系統(tǒng)主要利用車輛自動識別技術(AVI)，通過路側車道控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收裝置識別通過車輛的編號，自動從該用戶的專用賬戶中扣除通行費。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，實施圖象抓拍和識別，會同交警部門事后處理。
圖二收費站工作原理示意圖
2.2.系統(tǒng)結構
ETC電子不停車收費系統(tǒng)主要包括底層應用單元(車道計算機)、車道控制單元(包括工控機、車輛檢測器、道閘)、圖像采集單元(攝像機、視頻采集卡)、顯示告警單元(車道通行燈、聲光報警裝置、車道顯示屏)、射頻識別單元(RSE和OBU)，該系統(tǒng)主要實現的功能如下：
車輛自動識別
車輛自動收費
控制道閘、通行燈以示通行或放行
對當前車輛進行抓拍
對非正常車輛進行告警
圖三 ETC系統(tǒng)硬件結構圖
2.2.1.硬件系統(tǒng)構成
ETC電子不停車收費系統(tǒng)硬件包括收費站數據采集部分、數據傳輸部分、監(jiān)控管理部分三部分組成。
2.2.1.1.收費站數據采集部分
收費站數據采集設備主要是遠距離、非接觸采集車輛通過的時間、地點信息，收費站數據采集設備由若干個收費站組成局域網。數據采集系統(tǒng)主要實現不停車快速讀取通行車輛卡號，并上傳至收費管理中心，判斷通過車輛所持卡號的合法性，控制紅綠燈動作。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)出警報信號或抓拍車輛圖像。數據采集系統(tǒng)是系統(tǒng)中的基本管理單元，采集系統(tǒng)將車輛通行的相關資料通過計算機網絡實時傳輸至控制中心。圖像捕捉設備將自動捕捉、存儲車輛的圖像，以供核查。
2.2.1.2.收費站數據傳輸部分
數據傳輸主要是完成收費站與監(jiān)控室或收費管理中心之間的網絡連接。它由若干個收費站數據采集設備通過IP協議組成廣(局)域網，數據傳輸配置網絡通信接口設備、數字交換機、光收發(fā)設備、網絡終端設備。
2.2.1.3.監(jiān)控管理部分
監(jiān)控管理部分實時采集、存儲各監(jiān)控點處理計算機的通行數據，并進行邏輯判斷和處理;完成各種信息的存儲、備份以便稽核人員核查。自動生成各類數據、交通流量的統(tǒng)計報表供查詢和打印，并實時監(jiān)控車輛通行狀態(tài)，將數據存機備查;負責發(fā)放射頻卡、建立用戶檔案、修改卡片檔案庫資料，設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;設立卡片掛失、補卡、清卡、退卡、用戶服務查詢系統(tǒng);當車輛非法進入或不按規(guī)定通道通行時，系統(tǒng)報警。監(jiān)控管理配置網絡服務器、管理計算機、不間斷電源、系統(tǒng)軟件。
2.2.2.軟件系統(tǒng)構成
ETC電子不停車收費管理系統(tǒng)是由服務器、數據庫管理計算機、車道計算機通過混合網絡拓撲結構連接而成的具備實時數據監(jiān)視及采集、圖像監(jiān)視及采集、數據統(tǒng)計、信息檢索等多項功能的計算機綜合管理系統(tǒng)。其中包括由采用星型結構連接在一起的車道計算機為主，遠距離射頻識別系統(tǒng)設備、信號燈、顯示牌和紅外車輛檢測器等為輔而構成的車道收費系統(tǒng);由通過集線器連接的服務器、管理計算機、報表打印機組成的上端管理系統(tǒng);由通過數據通道與圖像信息通道與網絡連接在一起的以計算機為主，視頻采集設備為輔的多媒體采集系統(tǒng)。其各組成部分功能如下：
車道計算機：主要是完成車型的自動錄入，射頻卡的讀寫、網絡檢測、數據上傳、信號燈控制、紅外控制以及對各個收費車道特殊車輛(包括：無卡車、卡無效車、違章車等)的圖像信息進行捕獲并分類存入計算機以備隨時檢索使用等功能。
管理計算機：對原始數據進行交通流量、征費金額的統(tǒng)計并輸出各種文字和文字報表;通過各種條件對收費原始數據及圖像進行多條件復合查詢并匯總;進行射頻卡的發(fā)行、回收、掛失、恢復和充值操作;對系統(tǒng)進行各種初始設置等功能。
服務器：完成整個收費系統(tǒng)局域網絡的管理及作為數據庫服務器進行原始數據及圖像的存儲、備份工作。
圖四 ETC管理系統(tǒng)結構圖
2.3.系統(tǒng)功能
ETC電子不停車收費系統(tǒng)功能包括車輛檢測功能、自動收費處理功能、設備控制功能、圖像抓拍識別功能、異常車輛處理功能、數據庫管理功能、數據同步功能、日志管理功能、RSU配置功能和脫機工作功能等。
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入ETC車道的車輛，對經過車輛進行數量統(tǒng)計。并根據RSU的識別結果判斷車輛是否具有電子標簽(OBU)。
2.3.2.自動收費處理功能
系統(tǒng)提供自動收費處理功能，在沒有工作人員參與的情況下完成收費工作。
當安裝有OBU設備的車輛經過ETC車道入口時，系統(tǒng)會將入口信息寫入雙界面卡中，入口信息包括：通過區(qū)域號、路段號、站點號、車道號、入口時間、入口狀態(tài)標識、車型、車牌號碼。
當安裝有OBU設備的車輛經過標識站時，系統(tǒng)會將標識站信息寫入雙界面卡。
當安裝有OBU設備的車輛經過ETC車道出口時，系統(tǒng)根據從雙界面卡讀取的入口信息，查詢系統(tǒng)中的費率表，計算出收費額度，將出口信息寫入雙界面卡并進行扣款操作(如果是儲值卡)。出口信息包括：通過網絡號、站點號、車道號、時間、出口狀態(tài)標識、車型、車牌號碼。
完成自動收費以后，系統(tǒng)會產生收費記錄，記錄如下信息：車道序列號、卡編號、卡類型、入口名稱、入口日期時間、出口名稱、出口(交易)日期時間、出口車道類型、交易金額、雙界面卡余額、車型、車牌、脫機交易序號、終端機編號、終端交易序號、交易驗證碼等。
2.3.3.設備控制功能
系統(tǒng)能夠根據對車輛的收費處理情況正確控制車道設備的動作，包括：自動欄桿的升起下落、雨棚燈的切換、通行信號燈的切換、聲光報警器的開啟和關閉、費額顯示器的顯示等。
2.3.4.圖像抓拍識別功能
系統(tǒng)對經過ETC車道的當前車輛進行圖像抓拍，并將該抓拍圖像和處理信息關聯后保存以供事后追查。系統(tǒng)對車輛抓拍圖像具有車牌識別功能，可以將車牌識別結果與抓拍圖像關聯后保存，以供事后稽查。
2.3.5.異常車輛處理功能
對于經過ETC車道的異常車輛(未成功進行入口信息寫入或出口收費處理的車輛)，系統(tǒng)會使自動欄桿保持關閉狀態(tài)以攔截車輛，同時進行聲光報警，提醒工作人員進行處理。
2.3.6.數據庫管理功能
系統(tǒng)提供強大的數據庫管理功能，包括數據庫的參數配置、備份以及數據庫災難恢復等。
2.3.7.數據同步功能
系統(tǒng)具有數據同步功能，車道服務器可以獨立完成一次收費交易，交易信息可及時同步到收費站系統(tǒng)。系統(tǒng)也可以及時接收收費站下發(fā)的運行參數信息。
2.3.8.日志管理功能
系統(tǒng)具有日志管理功能，可自動記錄管理人員操作日志和系統(tǒng)運行信息日志，包括操作人員的個人信息、操作時間、地點、所進行的合法操作、所進行的非法操作、操作中產生的異常、系統(tǒng)運行中發(fā)生的異常等，也可以對日志進行查詢，便于系統(tǒng)的維護和事故的追查。
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、射頻參數、業(yè)務參數等信息。
2.3.10.脫機工作功能
系統(tǒng)提供脫機工作功能，當車道系統(tǒng)與收費站的通信出現異常時，系統(tǒng)可降級運行和脫機操作，獨立完成對經過車輛的收費處理操作，待網絡系統(tǒng)恢復正常后再將交易記錄等數據上傳給收費站。
2.4.系統(tǒng)工作流程
圖六 ETC車道系統(tǒng)工作流程
ETC電子不停車收費系統(tǒng)車道工作流程如下：
首先，車輛進入讀寫器天線覆蓋范圍，讀寫器天線與車輛上電子標簽進行通訊，車輛通過抓拍線圈時如果讀寫器天線仍然沒有檢測到電子標簽，證明車輛沒有電子標簽，則報警并保持車道關閉;
如果車輛裝有電子標簽，讀寫天線和電子標簽進行通訊交互，同時判斷電子標簽的合法性，包括是否含有CPU卡，卡內余額是否充足等，如果標簽有效則進行交易，如果標簽無效則報警并保持車道關閉;
在車輛觸發(fā)抓拍線圈時，啟動攝像機進行拍照，將車輛拍照信息以及車輛電子標簽信息同時保存到車道計算機，并可以進行信息比對，如果抓拍信息與電子標簽信息不符則報警;
如果車輛電子標簽與車輛拍照信息相符，則通行信號燈變綠，抬起欄桿放行;
車輛通過防砸車線圈后，欄桿自動回落，通行信號燈變紅;
系統(tǒng)保存交易記錄，并將其上傳至收費站服務器中，等待下一輛車進入。
ETC車輛典型通關流程如下圖所示：
圖七 ETC車輛典型通關流程
3.系統(tǒng)特點
基于RFID的ETC電子不停車收費系統(tǒng)具有如下特點：
更高的收費站通行能力
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。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。電子標簽采用雙片式(電子標簽+雙界面卡)。將雙界面卡插入ETC電子標簽中可以實現不停車通過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車道。組合收費模式可以很好的適應國內路網復雜、多數入口和出口收費站車流量小、車道少的現狀。
可有效提高道路的通行效率，降低環(huán)境污染
采用ETC電子不停車收費系統(tǒng)可有效縮短收費時間，提高公路的通行能力，降低對收費車道周圍環(huán)境的污染。在MTC方式下，服務時間小于8s(入口)、20s(出口)，在ETC方式下，服務時間均小于3s.
便捷的付費服務
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)具備嚴密的密鑰體系，符合PBOC金融卡交易規(guī)范，實現真正安全的電子錢包，數據安全通過采用訪問控制、認證、機密控制、數據完整性控制等措施來保證數據存儲和傳輸的安全。
更少的基建投入，更低的運營成本
ETC與MTC相比，按通行能力，可以節(jié)約40%基建費，運營成本節(jié)約50%.
4.其他應用領域
高速公路車輛追蹤
集裝箱管理
智能停車廠管理
