譚裕安，張建文，羅慶異

(廣州華工信息軟件有限公司，廣東 廣州 510650)

基于兩階段機(jī)制的公路自由流ETC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

譚裕安，張建文，羅慶異

(廣州華工信息軟件有限公司，廣東 廣州 510650)

針對我國現(xiàn)有ETC的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合當(dāng)前DSRC通信設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，提出一套兩階段機(jī)制的公路自由流ETC系統(tǒng)解決方案，以解決當(dāng)前制約自由流ETC技術(shù)大范圍推廣應(yīng)用的技術(shù)問題。

公路；自由流；ETC

1 公路自由流ETC現(xiàn)存問題分析

1.1 難點(diǎn)分析

(1)在自由流運(yùn)行狀態(tài)下，車輛的通行車速普遍較高，例如在高速公路通行環(huán)境下，車輛的通行車速往往不低于120 km/h，在這種高速的車輛通行環(huán)境下，如何確保車輛在有限的處理時空條件下完成交易所需的信息交互，是確保系統(tǒng)交易成功率的關(guān)鍵。

(2)在自由流運(yùn)營環(huán)境下，車輛行駛的狀態(tài)較存有導(dǎo)流措施的收費(fèi)車道會更為隨意，車輛變速、跟車、并馳、跨道、變道等均是車自由流狀態(tài)下的車輛常見駕駛行為，如何確保這些通行行為不對車輛交易造成干擾，且可避免交易失序等均是系統(tǒng)難點(diǎn)所在。

(3)無人值守是ETC技術(shù)的其中一項(xiàng)優(yōu)勢所在，為此可預(yù)期這些自由流收費(fèi)節(jié)點(diǎn)往往也是無人看守，因此若系統(tǒng)容錯力較低，或單點(diǎn)故障影響嚴(yán)重時，必然會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的實(shí)用效果。

2 現(xiàn)存制約的解決思路

2.1 高速行駛車輛處理時間限制問題的解決

對于高速自由行駛的ETC車輛而言，若要保證其交易的成功率，就必須讓其在通過天線投射的通信區(qū)的時段內(nèi)完成各項(xiàng)必要的交易處理操作，由此可見當(dāng)中通信區(qū)長度和交易所需時間均是車輛交易成功率的關(guān)鍵。假設(shè)天線通信區(qū)長度為L，交易操作時間為T，則保證車輛在給定通信區(qū)內(nèi)完成交易處理的限制速度為Vmax≤L/T。若車輛車速超過限制速度Vmax時，則意味車輛不具備足夠時間完成交易，存在失敗風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)GB/T20851-2007《電子收費(fèi)專用短程通信》的ETC國標(biāo)體系，若微波天線在標(biāo)準(zhǔn)要求的功率范圍內(nèi)，投影在車道上穩(wěn)定通信區(qū)長度一般不超過15 m；考慮到當(dāng)前電子標(biāo)簽(即OBU)因車輛擋風(fēng)玻璃及產(chǎn)品性能的非一致性而存在處理耗時差異，其處理耗時往往接近秒級。雖然用戶通過調(diào)整天線角度可獲更長的通信區(qū)，但此時通信區(qū)中信號將無法保持穩(wěn)定，反而會造成天線與OBU的通信不穩(wěn)定而增加交易耗時。

鑒于此，提出可通過設(shè)置兩組微波天線的方式以確保在通信區(qū)信號穩(wěn)定的前提下大大提高車道的通信區(qū)覆蓋長度，即是給ETC車輛具有更充足的交易空間；同時，考慮到按照國標(biāo)體系， ETC車輛OBU的處理可劃分為OBU喚醒和OBU交易兩個階段，因而可通過界定前端天線和后端天線的職能，讓OBU處理具備更充裕的時間條件，如前端通信區(qū)負(fù)責(zé)完成OBU的喚醒工作，后端通信區(qū)既可接續(xù)完成已喚醒OBU的交易處理工作，也可對未喚醒OBU提供完整的喚醒和交易處理工作?；谏鲜鏊悸罚瑹o疑可大大提高車輛交易處理時的限制速度Vmax，即Vmax=Min{L前端/t喚醒，L后端/t交易}(當(dāng)中L前端=L后端=L，t喚醒+t交易=T)，鑒于t喚醒、t交易均小于T，為此，該應(yīng)用場景下的車輛限制速度較前述僅在一組通信區(qū)完成所有交易步驟時的車輛限制速度高，更符合自由流環(huán)境下高車速的通行環(huán)境要求。

2.2 自由行駛車輛處理適應(yīng)性問題的解決

考慮到自由流狀態(tài)下行駛的車輛存有變道、并弛、跨道等駕駛特征，按照GB/T20851-2007《電子收費(fèi) 專用短程通信》標(biāo)準(zhǔn)，微波天線在同一時間內(nèi)只處理一個OBU的信號。為此，當(dāng)出現(xiàn)車輛跟弛、跨道、變道行為時，必然容易影響到微波天線與OBU間的通信鏈路建立效率，甚至容易因產(chǎn)生失序?qū)е鲁晒β氏陆?，例如車輛OBU剛與本車道天線建立鏈路時，作出變道行為，這時本車道天線通信鏈路被占用，須一定時間方可恢復(fù)，從而影響后車的處理效率。

同時，為滿足對并排車輛通行的處理要求，當(dāng)前在自由流應(yīng)用環(huán)境下，微波天線設(shè)備往往須采用時分控制微波信號發(fā)射的方式避免兩者間信號的干擾，也即各車道上方的微波天線將通過時分控制方式定時在對應(yīng)車道上發(fā)射微波信號，屆時會存在一條車道存有信號，相鄰車道信號暫時關(guān)閉的情況。該種處理方式，也意味著多車道環(huán)境下，車道通信區(qū)非持續(xù)存在，因而車輛交易須更長的處理區(qū)間和時間充裕度。

對此，仍可借助上述的兩組微波天線布局方式給予應(yīng)對，一方面，兩組微波天線方式和各司其職的控制模式，可解決天線通信區(qū)長度和交易時間裕度限制問題，從而為多車道環(huán)境下的車道天線時分控制應(yīng)用提供必要支撐；另一方面，因?yàn)镺BU喚醒和交易階段的相分離，也致使車輛的變道行為并不會對后續(xù)交易造成較大影響，因?yàn)镺BU喚醒時間一般較短，因此其完成效率無疑較須完成喚醒和交易兩項(xiàng)步驟的模式高，為此，車輛盡管產(chǎn)生變道，也不會造成明顯影響，因其可對喚醒標(biāo)簽繼續(xù)提供接續(xù)處理服務(wù)。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備單點(diǎn)故障問題的解決

對于自由流ETC系統(tǒng)而言，外場微波天線無疑是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，所有交易處理的動作均源于微波天線，其運(yùn)行狀態(tài)必然將直接決定整個自由流ETC系統(tǒng)的處理持續(xù)性和質(zhì)量。

所提出的兩組天線布設(shè)技術(shù)，既滿足前述的車輛在高速、自由的通行環(huán)境下進(jìn)行交易處理的需求，也可以基于兩組設(shè)備的相對獨(dú)立性，并且組成互備架構(gòu)。當(dāng)一臺微波天線產(chǎn)生故障時，仍可通過另一臺天線接管全部處理工作的方式，讓車道處理服務(wù)持續(xù)運(yùn)行，大大提高整個系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的容錯能力和可靠性。雖然當(dāng)中會存在成功率的下降等問題，但是因其具備保障節(jié)點(diǎn)服務(wù)的能力，為故障設(shè)備修復(fù)爭取了緩沖時間，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中不可或缺。

3 基于兩階段機(jī)制的自由流ETC系統(tǒng)

3.1 布局特點(diǎn)

基于兩階段機(jī)制的公路自由流ETC系統(tǒng)主要部署在車道沿線的橫截面處，車道天線一般采用龍門架方式架設(shè)，并通過前后擺設(shè)方式，確保兩排天線能在車道上投射出兩組微波天線通信區(qū)，實(shí)現(xiàn)對車輛處理的分管控制。另外，相關(guān)的系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備，如車道控制、配電設(shè)備等均可通過外場機(jī)柜進(jìn)行部署放置。其車道布局可如圖1所示。

圖1 基于兩階段處理機(jī)制公路自由流ETC車道系統(tǒng)布局圖

3.2 功能特點(diǎn)

(1)實(shí)現(xiàn)車道上前、后兩排微波天線的分職能控制，其中前端天線負(fù)責(zé)對ETC車輛OBU進(jìn)行喚醒處理；后端天線則負(fù)責(zé)對喚醒OBU進(jìn)行交易處理，或?qū)ξ茨茉谇岸颂炀€中被喚醒的OBU提供二次的完整處理服務(wù)，即OBU的喚醒和交易處理工作。

(2)前、后兩排微波天線構(gòu)成互備的機(jī)制，當(dāng)某天線出現(xiàn)故障時，其同一車道上的另外一臺天線不受影響，仍可對ETC車輛提供完整的交易處理服務(wù)。

4 應(yīng)用實(shí)例與分析

目前，基于兩階段機(jī)制的自由流ETC系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在高速公路實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，主要服務(wù)于ETC車輛路徑標(biāo)識處理，即車輛以自由流狀態(tài)通過該標(biāo)識點(diǎn)時，系統(tǒng)將標(biāo)識信息寫入至電子標(biāo)簽和所插的支付卡中。以采用該項(xiàng)方案的廣東省高速公路某自由流標(biāo)識點(diǎn)數(shù)據(jù)(完整3個月)為分析對象，其實(shí)際應(yīng)用效果情況如表1所示。

表1 某路段標(biāo)識點(diǎn)應(yīng)用的實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)概況

由表1可得，系統(tǒng)通過天線布設(shè)方式投射出的兩個肩負(fù)不同處理職能的通信區(qū)，可大大保障ETC車輛自由流狀態(tài)下接受處理的時間和空間充裕度，以此確保整個系統(tǒng)的處理成功率，滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下車輛交易精確性和可靠性要求；并且兩階段的接續(xù)處理功能也符合自由流環(huán)境下車輛可能存在的變道、超車等實(shí)際情況，其存在不會對標(biāo)識成功率造成影響。

5 結(jié) 論

公路自由流ETC車道技術(shù)是我國ETC發(fā)展過程中的必然方向，本文所提出基于兩階段處理機(jī)制的公路自由流ETC車道系統(tǒng)有效地對自由流ETC技術(shù)現(xiàn)存問題作出應(yīng)對和處理，既提高車輛的交易成功率也確保了系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的容錯能力，是將該項(xiàng)技術(shù)推廣至公路收費(fèi)、道路收費(fèi)和交通管控等應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

[1] 葉紅蕓，張健.ETC多車道自由流實(shí)現(xiàn)方案[J].中國交通信息化，2013，(9).

[2] 郭海濤，鐘勇.基于國標(biāo)DSRC的多車道自由流應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國交通信息化，2011，(11).

[3] 陳燮奇，潘勇.國標(biāo)雙片式電子標(biāo)簽在多車道自由流的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2011，(2).

Implementation of the highway free flow ETC system based on two stage mechanism

TAN Yu-an, ZHANG Jian-wen, LUO Qing-yi

(Guangzhou Huagong Information Software Co., Ltd.，Guangzhou,Guangdong 510650,China)

Aiming at the existing standard specification ETC, combined with the current DSRC communication equipment technical characteristics, puts forward a set of two stage mechanism of highway free flow ETC system solutions, in order to solve the current restricting free stream ETC technology widespread application and dissemination of technical problems.

highway;free flow; ETC

2015-11-07

譚裕安(1981-)，男，工程師。

U495

C

1008-3383(2016)02-0136-02