ETC工作原理及技术浅析

一、ETC技术发展

　　ETC技术在80年代开始兴起，90年代在世界各地使用，受到各国政府和企业的广泛重视，世界许多著名公司，如Amtech、TI、Boash、Hitachi、Toyota等均竞相研制。因此ETC技术发展很快，其主要经历以下3个发展阶段：

1、磁卡收费。

主要在ETC发展初期使用。但由于其投资大，存储容量小，寿命短，保密性差，对环境要求苛刻，防潮、防污、防振、抗静电能力差，而没有得到很好应用。

2、接触式IC卡收费。

IC卡因其存储容量大，保密性好，抗电磁干扰强，投资和维护费用少，易实现智能功能而取代磁卡收费。但由于需要接触操作、易磨损、易受污、安全可靠性欠佳，从而使使用受到限制，主要应用于公共交通收费等半人工收费系统。

3、非接触式ID卡收费。

　　它是在IC卡基础上，利用现代射频识别技术而发展起来的新一代收费系统。最大特点是免接触，使得保密、安全性进一步提高，而且没有接触磨损，寿命长，抗恶劣环境性能好，适合于ETC系统的野外、全天候工作。一般工作在微波波段，识别距离长，读写数据率高，适合于对高速运动的物体进行识别，真正实现不停车收费，是ETC系统发展的方向。目前各大公司正致力于微波非接触式ID卡收费系统的开发研制。

二、ETC系统组成及工作原理

　　ETC系统是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助设施等组成。其中，车辆自动识别系统有车载单元(Onboardunit，OBU)又称应答器(Transponder)或电子标签(Tag)、路边单元(Roadsideunit，RSU)、环路感应器等组成。OBU中存有车辆的识别信息，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。

　　当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，RSU发出询问信号，OBU做出响应，并进行双向通信和数据交换;中心管理系统获取车辆识别信息，如汽车ID号、车型等信息和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作。其它辅助设施如：违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它障碍，交通显示设备(红，黄，绿灯等设备)指示车辆行驶。

1、车辆自动识别技术

　　ETC系统中车辆自动识别技术是其中最重要的技术，它直接影响到系统的性能和应用推广，也是区别不同的ETC系统的主要标志。目前，采用的识别技术主要有：①红外线扫描识别技术;②CCD摄像识别技术;③激光扫描识别技术;④IC卡识别技术等。但由于交通运输本身特点要求有一种能够在全天候、恶劣环境下应用，远距离作用(10m左右)，安全可靠性高，高速，寿命长的系统。上述这些系统由于本身缺陷都不能全面满足以上要求，而得不到有效的推广应用。微波非接触式ID卡识别技术就是适应这一需要而发展起来的。由于微波透人性强，可以穿透浓雾、雨滴、风沙等，工作距离远，适合于车辆全天候、恶劣环境条件下工作，它具有工作距离远、体积小，既可以有源发射方式(寿命可达10年以上)也可以无源反射方式(无寿命限制)工作，既可以主动式，也可以被动式工作，车辆以50—120km/h的正常速度通过收费站等特点。工作波段主要有900MlHz、2.45GHz和5.8GHz频段。

　　微波非接触式ID卡(即OBU)接收RSU发出的询问信号，经数据解调送控制单元进行处理，通过身份确认，密码验证后，控制单元对EEPROID进行数据读写操作并经编码，加密后，再经调制，送天线发射出去。处理控制单元主要用于密码校验，编程模式检查，数据加密解密，并控制对EEPROID的读写操作。EEPROID中存有车辆的ID号、车牌号、车型、司机等相关信息。RSU根据接收到的ID号等信息，而做出相应的操作，从而达到对车辆的识别。

2、OBU与RSU间的通信

　　ETC系统中，OBU与RSU之间采用专用短程通信标准协议(DSRC)进行半双工通信，由于900IDHz和2.45GHz波段靠近移动通信波段且背景噪声干扰较大，国际上正趋于将5.8GHz的系统作为标准ETC系统使用。如美国采用900MHz或5.8GHz，日本和欧洲均规定5.8GHz作为ETC的频段。中国ISO/TC204技术委员会已提出将5.8GHz频段分配给ITS领域的短程通信，包括ETC系统，并批准在5.8GHz频段上进行ETC系统的试验，通信距离为10m。采用5.8GHz微波波段与中国ISID工业用波段一致，不受移动通信影响。目前国内使用的ETC系统频段多为900IDHz和2.5GHz频段。对于5.8GHz系统，国内还没有开发出相应系统

　　中国标准靠欧洲标准，目前只定义了物理层和数据链路层，其它层还有待进一步完善。
　　

三、ETC的技术

1、一种实用的5.8GHzETC系统

　　欧洲最新开发了一种5.8GHzETC系统，介绍如下。

　　OBU及RSU的物理结构：OBU亦即射频识别应答器，包括射频探测器、电源控制电路、调制解调电路、CPU及读/写数据存储器、射频输出级及发射天线等。由于成本和尺寸限制，应答器一般做得很小(10×6×lcm)，应答器前端大多采用微带天线和微带电路进行调制解调，后接数字电路，如脉码发生器。工作方式采用被动方式，即无射频源方式，省去高昂的微波本振源，其射频源直接来自于路边天线发射的连续波。

　　通信链路：通信链路负责在收费系统与发行系统之间、在各站口的收费系统之间传输数据。OBU与RSU间的通信分下行链路和上行链路。

　　下行链路(由RSU到OBU)：采用ASK调制，NRZI编码方式，数据通信速率500kbit/s，RSU天线E.I.R.P.约+33dBM。

　　上行链路(OBU到RSU)：RSU的天线不断向应答器发射5.8GHz连续波，其中一部分作为应答器的载波，将数据进行BPSK调制后又反射回RSU。上行数据本身也是BPSK调制，载频为2-10MHz。

　　逻辑链路层：路边收费站与管理中心通过局域网连接起来，采用Ⅲ)比协议。采用非平衡结构，以管理中心为主站，各收费站为从站。

　　下行链路广播方式——主要用于中心向各收费站发送交通信息等;上行链路广播方式——用于应答器第一次向中心发通信请求;

　　按地址访问方式——即当车辆发生通信请求后，特定的从站和主站之间进行双向通信交换数据。

　　由于ETC通信实时性的要求，逻辑链路控制协议采用无连接方式，也没有数据出错恢复功能，只有CRCl6位错误检测功能。

2、系统构成

　　电子不停车收费系统可分为前台和后台系统：

　　(1)前台系统

　　包括三种核心设备:车辆自动识别系统(Au-tomaticVehicleIdentification简称AVI)、车辆自动分类系统(AutomaticVehicleClassification简称AVC)和录像实施系统(VideoEnforcementSystem简称VES)。车辆自动识别系统采用无线调频设备(Ra-dioFrequency)识别用户的身份标识卡(TAG)及其有效性;车辆自动分类系统借助传感器组的信息确定车辆的收费类别;录像实施系统利用高速图像处理设备自动俘获违章车辆的车牌号码。核心设备与其他控制设备共同组成不停车系统的车道控制器。

　　①AVI

　　AVI分为两大类:激光设备与无线电调频设备。激光设备采用条码技术,扫描贴于车辆前端的条码,获取用户的身份标识(ID),缺点是易受环境条件、距离位置、条码安装与完整性等因素的影响。无线电调频设备采用无线波来识别贴于车辆前端的用户身份标识卡来识别用户身份,具有更高的可靠性;其中,无线频率(RF)常用的频率是5.8GHz。TAG分为只读TAG、可读写TAG、多功能TAG(带蜂鸣器、无线电信息收发等)三大类。

　　②AVC

　　AVC系统根据车辆的物理特性来确定车辆的收费类别。AVC的物理特性依据包括∶车辆的体积、重量、装载人数、车轴或车轮的数目、车辆的用途等等。AVC与一系列的车道传感器相连,传感器的信号提交事务处理系统后,由车辆分类单元判定收费类型。AVC设备包括∶前置线圈、感应踏板、发射光塔、扫描仪和高速摄像等设备。

　　③VES

　　VES利用光学字符识别(OCR)技术自动获取非法车辆的车牌号码。VES摄录方式包括照片、录像带和数字影像等等。VES利用模糊识别技术,借助光学字符识别设备实现非法用户的车牌号码识别。VES过程包括∶感应触发、图像俘获、图像识别、图像储存、图像处理和图像删除等等。关键技术:API编程技术(控制外部设备,包括通信卡、DI/DO卡和声卡);单片机编程技术;快速查询算法;模糊识别;通信控制和图像处理。

　　(2)后台系统

　　收费系统的后台系统工作任务主要为向客户发售车载标识卡,并做标识卡的初始化;接受客户补交金额和查询;接收前台收费数据文件;交易和结算;向前台和客户发送补交金额的黑名单指令和信息;存储、管理抓拍图像等。

　　它主要包括如下系统:计算机管理系统、道路运营管理系统、结算中心管理系统、客户服务中心管理系统、银行管理系统。实际上是一个具有财务结算性质的计算机网络,网络通过各个终端的工作,将数据文件迅速可靠地传送,利用专用软件正确地完成全部工作。

3、ETC系统的类型

　　ETC系统可分为收费站电子不停车收费系统和自由流不停车收费系统。

　　(1)收费站不停车收费系统

　　收费站不停车收费一般采取混合收费方式,既有不停车收费车道,又保留半自动收费车道。其主要特征为:

　　①与半自动收费车道并列设置。在收费车道中,根据使用情况开设部分ETC专用收费车道;

　　②车辆通过收费车道的车速较低,通常为30km/h一50km/h,通过率为600辆/h一1000辆/h;

　　③在车道出口端设置自动栏杆,以防无卡车辆通过。

　　收费车道入口设置不停车收费车道标志和信号灯。由于车辆密度不大，天线并不连续工作，无车辆通过时，天线处于休眠状态。在天线辐射区外的车道，埋设一个环行线圈，当车辆进入线圈工作区时，线圈发出信号，激活天线进入工作状态。车辆进入通信区，通过微波天线，车载标识卡响应天线的询问信息，将客户身份与车型代码上传给车道天线，由天线转送给车道控制机进行核查，如为有效合法卡，车道放行，信号灯变绿，如果进一步交换信息，读写数据，可继续通信，直到收费过程结束，如果进入车道的车辆为非法无效卡车，或是无标识卡的车辆，车道控制机将根据天线传送的信息，指令自动栏杆关闭，拦截非法车辆，并发出声光警报，现场人员将对其进行处理。车道控制机将收集到的数据上传至后台系统，进行数据交换和清算等，并将需要发布的结果下传车道。

　　这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中并非多数的情况。

　　(2)自由流不停车收费系统

　　自由流不停车收费系统在道路主线上每隔一定里程设置一个横跨道路上空的龙门架,架上安装不停车收费设备,实施分段开放式不停车收费。车辆无须减速,以正常行驶速度完成收费工作。其主要特征为:

　　①无收费岛、亭之类设施;

　　②进入收费点时无须减速,车辆继续高速行驶;

　　③需要建立一套高精度逃费取证处理系统,现场抓拍捕捉车辆逃费证据,以便于以后依法处理,目前大多采用高速、高分辨率的摄像机对车辆牌照进行抓拍;

　　④在收费点附近,需建造一条与主线平行的普通收费车道,以便对非法无效卡车或无标识卡的车辆收费;

　　⑤车道天线控制器能控制多部天线并行工作,与多辆车载标识卡同时通信。

　　此系统主要优点为减少收费站建设投资,车速高,无行车延误,车辆通行能力接近2000辆/h。但设备投资大,技术上实现难度也较大,特别是如何防止和遏制逃费车辆是关键技术。这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中已成为大多数的情况。

4、系统工作流程

　　高速公路收费的特点是不仅要按照车型分类标准收费,而且按照入出口的距离标准进行收费。各种类型的不停车收费系统的收费过程基本相同，其原理是在车辆上安装一种标识卡，在ETC收费车道上安装有车载标识卡的读写设备，当车辆进入ETC收费车道时，标识卡以微波通信方式与该车道的天线进行双向数据交换，从卡上读取车牌照号、车型等数据，如需要也可向车载标识卡上写入信息，系统根据读取的信息，识别车辆合法与否，进行数据处理，计算收费金额，并从其账户上扣除相应金额，记录交易数据，控制车道外部设备等，具体流程为:

　　(1)后台系统初始化车载标识卡，将车牌照号、车型、收费率等数据写入标识卡，并发放给客户，建立有关客户档案;

　　(2)车辆进入ETC收费车道,感应天线激活线圈,进而激活微波天线,读取标识卡上的信息,并传送给车道控制机进行核查;

　　(3)如为合法车辆,则进行收费交易,依据后台系统完成清算,通行灯将会变绿,显示收费额和余额,车辆通过,记录数据;

　　(4)如为非法车辆,车道控制机触发报警信号,同时控制自动栏杆下落,关闭车道,车道摄像机进行图像抓拍,车辆进行人为处理。

5、技术及其标准化

　　根据国内外ETC的建设经验,ETC系统的建设首先要作好ETC相关技术与设备标准的选择,在规范、统一的标准平台上进行后台系统的建设。ETC标准化工作是一项综合性的基础工作,是制定ETC技术法规的基础,对促进技术进步,提高总体应用效果,提高社会经济效益具有重要作用。

　　目前国际上在ETC相关技术与设备标准的研究和制定工作中已取得了显著的成果。国际标准化组织(ISO)第204技术委员会第15工作组负责专用短程通信协议DSRC标准的制定,电子不停车收费系统中车道天线和车载电子标签所采用的通信协议就是DSRC。