張劍勇，周尚儒，楊　軍

（1.山西萬立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024）

ETC模式貨車計重收費系統(tǒng)設(shè)計

張劍勇1，周尚儒2，楊軍2

（1.山西萬立科技有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024）

為解決高速公路收費口貨車放行效率低、車輛擁堵嚴重等問題，結(jié)合先進的動態(tài)稱重技術(shù)和DSRC短程鏈路通信技術(shù)，提出一種基于ETC模式的貨車計重收費方案。該方案采用雙臺面動態(tài)衡作為稱重系統(tǒng)和射頻識別技術(shù)對貨車的基本信息進行讀寫，從而實現(xiàn)貨車不停車計重收費。其中，采用多傳感器綜合推理技術(shù)對稱量數(shù)據(jù)進行補償和異常檢測。實驗表明：該收費方式的車道放行時間為7.49s，整個系統(tǒng)運行的平均時間16.99s，與人工半自動化收費方式相比大大提高貨車的放行效率，緩解車輛的擁堵問題。

動態(tài)稱重；DSRC短程鏈路通信；貨車ETC；交通擁堵

0　引　言

如何提高收費站通行效率，有效緩解直至解決收費站區(qū)擁堵問題，成為高速公路運營管理領(lǐng)域的重要課題［1-2］。電子不停車收費系統(tǒng)能夠提高收費車道的快速通行能力，加快收費速度，并減少車輛剎車的時候所產(chǎn)生的機件損耗和車輛尾氣排放污染［3］。對電子不停車系統(tǒng)的研究，大多數(shù)論文已進行全面詳細的研究和設(shè)計［4-5］，而電子不停車計重收費系統(tǒng)的研究大多都處于探討和淺析階段。

本文以已實現(xiàn)計重收費的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)為依托，利用已有的ETC不停車收費技術(shù)與計重收費技術(shù)，提出了一站式雙秤臺前置單天線方式的ETC計重收費方案［6］。

1　貨車ETC計重收費系統(tǒng)方案

1.1方案的組成及原理

一站式雙秤臺前置單天線方式的ETC計重收費方案布局圖如圖1所示，主要由雙秤臺動態(tài)稱重系統(tǒng)和ETC收費系統(tǒng)組成。車輛從ETC車道稱重區(qū)進入，秤臺稱重并計算、顯示載重量；車輛稱重后，系統(tǒng)把當前稱重車輛的數(shù)據(jù)加入到車輛隊列的最后，并增加已稱重的車輛數(shù)。當車輛進入通信區(qū)域并與天線交易時，系統(tǒng)從車輛隊列中取第一輛車的稱量結(jié)果結(jié)合天線讀到的其他通行數(shù)據(jù)進行費額計算，并向OBU發(fā)送扣款、寫卡指令，交易成功后放行。欄桿打開，車輛通過欄桿并離開落桿線圈后系統(tǒng)清除車輛隊列中的第一臺車。如果車輛稱重后交易不成功，則從前端豁口處離開，此時同樣要清除質(zhì)量隊列中的第一臺車。

基本過車處理流程如下：當車輛駛?cè)朐揈TC計重收費車道時，首先對車輛進行動態(tài)稱重處理，稱重完畢后，稱重顯示控制器將汽車的重量和軸型傳送給車道信息控制器；當車輛駛?cè)隕TC通信區(qū)域時，ETC路側(cè)單元對車載電子標簽OBU進行喚醒和識別，識別成功后將車輛信息（如車型、車牌號碼和高速公路入口地點等）上傳到車道機中，同時車道信息控制器將稱重信息上傳到車道機中；車道機將稱重信息和ETC路側(cè)單元的信息進行融合與綜合處理并計算出將收取的費用后控制RSU對車輛的OBU進行扣費，收費成功后自動欄桿抬起，車輛放行。如遇到RSU對車輛的OBU信息讀取失敗、最終收費失敗或者非貨車ETC車輛等非正常流程，則通過顯示大屏提示車輛駛?cè)隡TC通道進行人工收費，此時車道控制器控制豁口處的自動欄桿（豁口處留有5 m寬的無障礙區(qū)域，小型車輛可以直接從豁口處轉(zhuǎn)至MTC車道而不需要豁口處的欄桿抬起）放行車輛，處理完畢后車道信息控制器將車輛轉(zhuǎn)移完畢的信息交給車道機，提示車道機準備進行下一輛車的處理［7-8］。

1.2ETC車道長度的計算

ETC車道長度是指ETC車道中ETC識別裝置至車道自動欄桿的距離。在本方案中，ETC車道長度的影響因素有5個：1）ETC車輛過站時允許的最大速度；2）車輛自身長度；3）ETC系統(tǒng)對一輛車的收費處理時間；4）電動欄桿的動作時間；5）駕駛員對路邊信息顯示屏上有關(guān)信息的識讀時間。汽車長度一般不超過18m，速度為30km/h，ETC識別時間不超過300ms，高速自動欄桿，欄桿運行時間在0.5～0.8s，由此可計算出距離為27m?？紤]到場地條件限制，本系統(tǒng)中動態(tài)稱重系統(tǒng)到ETC天線距離為23 m，天線識別區(qū)域中兩地感線圈的中心距為4m，天線到識別區(qū)域1號地感的距離為9m。

圖1　系統(tǒng)布局圖

2　動態(tài)稱重技術(shù)

貨車ETC計重收費實施面臨最大的難點是稱重的準確度，本系統(tǒng)中的雙秤臺動態(tài)稱重系統(tǒng)采用了多傳感器信息綜合推理技術(shù)對稱量狀態(tài)進行智能識別和數(shù)據(jù)補償，并使用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對稱重數(shù)據(jù)進行濾波處理，實現(xiàn)了車輛在正常通行情況下的高準確度稱重，動態(tài)準確度等級達到國標2級指標（檢定準確度為±1.0%）。

多傳感器信息綜合推理技術(shù)需要同時采集過秤時多只傳感器的數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)的CPU中進行數(shù)據(jù)融合推理，利用信息互補，提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃的科學性，反應(yīng)的快速性和準確性。本系統(tǒng)在稱重臺面的不同位置安裝了稱重（拉力）傳感器，并將傳感器進行分組排列，每組傳感器可推斷出一種或多種異常現(xiàn)象，然后根據(jù)專家系統(tǒng)中補償數(shù)據(jù)庫對各類數(shù)據(jù)按屬性權(quán)重進行補償，最終得到車輛的稱量結(jié)果。系統(tǒng)的稱重部分主要有：2個稱重臺面、8只稱重傳感器、2只拉桿傳感器、8只輪軸識別傳感器和處理稱重數(shù)據(jù)的儀表。傳感器位置分布如圖2所示，8只稱重傳感器分別放置于2個稱重臺面的4個角，用于采集施加在稱重臺面上的壓力，并且可根據(jù)行車方向上不同位置傳感器的波形計算出車輛過秤的速度以及加速度；2只拉桿傳感器分別放置在一個稱重臺面的左右側(cè)，其輸出信號與稱重臺面水平方向的位移成一定的線性關(guān)系，實際中可根據(jù)輸出信號的大小判定車輛拖磅現(xiàn)象的嚴重程度，該傳感器的信號是對拖磅現(xiàn)象進行補償重要依據(jù)；稱重臺面中間放置8只輪軸識別傳感器，主要用于識別車軸的輪胎數(shù)量。

本系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則對秤臺的傳感器進行綜合推理，產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其形式為：P→Q或者 IF E THEN H。其中，P是產(chǎn)生式的證據(jù)，指出該產(chǎn)生式可用的條件；Q是一組結(jié)論，用于指出當前提P所指條件被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論。產(chǎn)生式的IF（如果）被稱為條件、前項或產(chǎn)生式的左邊；它說明應(yīng)用這條規(guī)則必須滿足的條件；THEN（那么）部分被稱為操作、結(jié)果、后項或產(chǎn)生式的右邊。在產(chǎn)生式系統(tǒng)的執(zhí)行過程中，如果某條規(guī)則的條件滿足了，那么，這條規(guī)則就可以被應(yīng)用；本文所設(shè)計的控制模塊是基于產(chǎn)生式規(guī)則的，基本邏輯結(jié)構(gòu)為：｛IF（事實項集）THEN（結(jié)論）規(guī)則體部分 ……結(jié)束｝。

在該系統(tǒng)中，按圖2所示將傳感器編號，并根據(jù)實際現(xiàn)象建立如下規(guī)則：

圖2　傳感器位置分布圖

R1：IF 1～8號傳感器數(shù)據(jù)有效，THEN得到車輛單軸重初值。

R2：IF 1、3、5、7號傳感器數(shù)據(jù)有效，THEN得到車輛單軸的速度及加速度。

R3：IF 1～8號傳感器數(shù)據(jù)不一致，THEN分析出故障傳感器并及時剔除該組傳感器數(shù)據(jù)。

R4：IF 9、10號傳感器超過閾值A(chǔ)ND車輛有明顯加減速THEN車輛拖磅。

R5：IF 1～8號傳感器正常AND 1～8號傳感器波形不一致THEN車輛跳磅。

R6：IF 1～8號傳感器正常AND 1～8號傳感器波形不一致AND 9、10號傳感器波形不一致且超過閾值THEN車輛走“S”型路線過磅。

以上的規(guī)則庫建立之后，當車輛過秤時，具體結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3　規(guī)則庫結(jié)構(gòu)流程圖

3　異常邏輯解決方案

為防止車輛在未稱重情況下從側(cè)面進入ETC收費車道，把車道兩側(cè)的ETC收費引導(dǎo)部分適當加長，形成“稱重區(qū)”。如圖4所示，為方便部分不能正常交易的車輛離開ETC車道，如：無OBU電子標簽、OBU電子標簽識別錯誤、路側(cè)單元識別的軸型與稱重顯示控制器識別的軸型不匹配、OBU電子標簽內(nèi)費用不夠、車輛違章或超重不允許出站等原因，在靠近天線交易區(qū)一側(cè)的收費島留有豁口，以便這部分車輛疏散。同時，為了精確判斷稱重區(qū)與豁口之間車輛的數(shù)量，在豁口處設(shè)置一臺自動欄桿和光柵，當ETC收費失敗后，豁口處自動欄桿抬起，放行車輛。通過光柵檢測車輛是否駛過豁口，并及時的提示車道信息控制器控制豁口處欄桿放下，禁行車輛。這樣不僅保證了與天線交易的車輛和已稱重的車輛的一一對應(yīng)關(guān)系，防止稱重和交易不對應(yīng)造成的誤收費，而且能有效防止車輛在未經(jīng)過稱重的情況下駛?cè)隕TC道。

圖4　故障處理方案

4　實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)在安裝后進行了全面的測試，主要的目的是保證關(guān)鍵設(shè)備之間的兼容性良好，軟硬件之間的交互性良好，邏輯判斷無誤，數(shù)據(jù)交互準確，整體系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，整體系統(tǒng)功能完善，主要技術(shù)指標達到設(shè)計要求。實驗內(nèi)容包括：設(shè)備獨立測試和設(shè)備間兼容性測試、四軸貨車連續(xù)100次場地測試和不同車型連續(xù)過車測試。圖5所示為100次測試的稱重偏差統(tǒng)計，從圖中可以看出，雙秤臺動態(tài)汽車衡設(shè)備的稱重誤差小于±1%，能滿足山西省高速公路管理局對貨車ETC項目提出的稱重指標 （誤差＜±1.5%）。

表1所示為連續(xù)100次場地測試部分測試結(jié)果，表2為技術(shù)指標測試結(jié)果。從表中可以看出，使用貨車ETC計重收費系統(tǒng)，車輛的整個交易與放行時間為7.49s，遠小于現(xiàn)在的人工半自動化收費方式規(guī)定的30s放行時間（實際由于各種情況，人工收費的車輛平均放行時間＞60s）。

圖5　場地測試稱重誤差統(tǒng)計圖

表1　四軸貨車場地試驗數(shù)據(jù)

表2　四軸貨車場地試驗數(shù)據(jù)主要技術(shù)指標匯總1）

5　結(jié)束語

實驗表明，本文提出的貨車ETC計重收費系統(tǒng)不僅可以滿足貨車不停車計重收費的技術(shù)要求，還能有效降低收費站擁堵狀況，提高通行能力，節(jié)約能源消耗，減少溫室氣體排放，節(jié)省建設(shè)和運營管理成本，經(jīng)濟效益和社會效益顯著［9］。

但是要實現(xiàn)全面推廣貨車不停車計重收費方式還將面臨諸多問題。在本系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗中發(fā)現(xiàn)RSU路側(cè)單元與各個廠家的車載OBU的通信有時會受到車速、RSU的發(fā)射功率和OBU放置的高度影響。無論是目前已有的ETC收費系統(tǒng)還是本文提出的貨車ETC計重收費系統(tǒng)的交易成功率均存在RSU天線與與車載OBU匹配性問題。

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（編輯：李剛）

Design of truck weighing toll system based on ETC mode

ZHANG Jianyong1，ZHOU Shangru2，YANG Jun2
（1.Shanxi Wanli Technology Company，Taiyuan 030032，China；2.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to solve the highway toll gate truck low release efficiency，and serious traffic congestion problems，combined with advanced dynamic weighing technology and short link DSRC communications technology，we propose a scheme based on ETC truck weight fees.The program realizes the non-stop truck weight fees，through the use of the double dynamic weighing scale platform as a weighing system and radio frequency identification technology used to read and write the basic information of the truck.The weighing system uses multi-sensor integrated reasoning techniques to compensate for the weighing data and detect anomaly.The experiments have showed that the release time of such toll lane is 7.49s；the average time of the whole system operation is 16.99s.Comparing with manual semi-automatic charge mode，the charging method greatly improves the efficiency of trucks release and relieves congestion of the vehicle.

dynamic weighing；DSRC short-range link communication；truck ETC；traffic congestion

A

1674-5124（2016）07-0084-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.017

2015-10-27；

2015-12-12

張劍勇（1978-），男，山西原平市人，工程師，主要從事自動化系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)研究。