李奇峰

（廣東聯(lián)合電子服務股份有限公司，廣州510610）

1 引言

2019 年5 月，國務院辦公廳印發(fā)《深化收費公路制度改革取消高速公路省界收費站實施方案》，交通運輸部緊跟印發(fā)《取消高速公路省界收費站總體技術方案》[1]（交辦公路函〔2019〕320 號），明確“實現(xiàn)電子不停車收費（ETC）、輔以車牌圖像識別、多種支付手段融合應用”的技術路徑，用以指導取消高速公路省界收費站相關工作開展。ETC 門架系統(tǒng)作為總體技術方案支撐不停車快捷收費的核心關鍵，應考慮ETC 門架關鍵設備（RSU、車牌圖像識別設備等）的冗余設置。

為貫徹落實國務院和交通運輸部的決策部署，廣東省啟動了ETC 門架RSU 天線的冗余設置模式研究。主要研究內(nèi)容有以下4 個方面：

1）廣東RSU 天線微波通信參數(shù)指標調(diào)研分析；

2）廣東RSU 天線自由流交易成功率調(diào)研分析；

3）ETC 門架系統(tǒng)RSU 天線冗余方案研究；

4）研究結論。

2 指導思想及研究目標

2.1 指導思想

堅持以交通運輸發(fā)展戰(zhàn)略需求為導向，以高速公路機電工程為依托，以構建廣東省高速公路交通運輸體系為重點，從廣東省高速公路收費系統(tǒng)現(xiàn)狀出發(fā)，深入分析、總結管理部門存在的需求，構建完善的收費系統(tǒng)架構，明確工程建設的目標與主要任務；充分借鑒取消省界收費站試點省份的建設經(jīng)驗，以融合成熟信息技術為基礎，在充分考慮可承受的成本前提下，緊緊圍繞“以人為本”的建設和服務理念，以需求為導向。

2.2 研究目標

ETC 門架系統(tǒng)是取消高速公路省界收費站任務的主要實施工程，其工程的完成度直接影響整個任務的完成情況，為更好地完成國務院、交通運輸部、廣東省政府下達的任務，開展本項目研究，為全省提供ETC 門架系統(tǒng)關鍵性設備的RSU 天線冗余設置方案，確保ETC 門架系統(tǒng)安全、暢通、高效地發(fā)揮作用。

3 廣東省ETC門架系統(tǒng)RSU天線冗余設置方案研究

按總體技術方案要求，RSU 是ETC 門架系統(tǒng)的關鍵設備之一，需要進行冗余設置，當主設備發(fā)生故障時，備用設備應立即啟用工作。

3.1 RSU天線場強測試

1）測試思路及方法。微波場強無法直接測定，可利用專業(yè)儀器儀表從微波電場的幾個方面進行點陣式+線性采集相關數(shù)據(jù)，然后通過計算公式得出場強數(shù)值。參照行業(yè)檢測機構的相關規(guī)程，測試方法針對性做了簡化。高空作業(yè)車把測試RSU天線樣本距離地面凈空630mm，如圖1 所示，清空天線微波發(fā)射角度對應地面并標線距離（橫向575mm，縱向4000mm），等分切割為小格區(qū)域并標記，采用“米”字形態(tài)對微波地面輻射區(qū)域進行專業(yè)儀器Agilent Spectrum Analyzer（安捷倫頻譜分析儀）采集標定測試數(shù)據(jù)，然后整理形成RSU 天線樣本的一幅平面微波電場指標圖，如圖2 所示。

圖1 RSU天線場強測試高空車裝備實景

圖2 樣本RSU天線A場強測試結果平面微波電場指標圖

2）測試樣本。現(xiàn)場測試了3 個DSRC 設備廠家提供的廣東省內(nèi)高速公路3 款通用RSU 天線。

3）RSU 天線設備布設指標。凈空高度630mm，天線角度45°～78°，發(fā)射功率15～21dBm。

4）測試結果。3 款樣本RSU 天線現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示，天線懸空630mm 狀態(tài)下，微波可實現(xiàn)橫向覆蓋區(qū)域5.75m，縱向覆蓋區(qū)域40m，天線垂直正下方信號最弱時-70dBm。

RSU 天線微波場強研究分析結論：

3 個DSRC 設備廠家所提供的3 款RSU 天線樣本，結合產(chǎn)品自身特性，至少可以滿足橫向1.5 個車道，縱向35m 區(qū)域內(nèi)的ETC 車輛交易需求。

3.2 RSU天線ETC電子標簽（OBU）捕獲率、交易成功率測試

為更深入實際，技術專項研究組開展了自由流虛擬站試點測試工作。通過試點項目實現(xiàn)對系統(tǒng)方案、軟件功能、設備選型及系統(tǒng)安裝調(diào)試等各方面應用進行綜合評估，以提供參考意見。

1）場地選點及斷面特點。綜合考慮收費場景條件，分別選取廣珠西線高速公路南丫主線ETC 自由流（如圖3 所示，簡稱南丫主線ETC 自由流）和京珠北高速公路粵北省界主線ETC自由流預交易點（如圖4 所示，簡稱粵北省界ETC 自由流）開展ETC 門架系統(tǒng)試點研究工作。

圖3 南丫主線ETC自由流實況

南丫主線ETC 自由流斷面特點為車道為“3+1”（3 條行車道，1 條應急車道）模式，限速100km/h。

圖4 粵北省界ETC自由流實況

粵北省界ETC 自由流斷面特點為車道為“4+1”（4 條行車道，1 條應急車道）模式，限速120km/h。

2）斷面技術驗證方法。南丫主線ETC 自由流斷面模擬ETC 門架分段式計費采用0 元扣費方式；粵北省界主線ETC自由流斷面采用實際路徑還原精確收費預交易方案。

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計時段。南丫主線ETC 自由流系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計時段為2019 年5 月21 日0 時0 分～2019 年6 月10 日24 時60分，粵北省界ETC 自由流系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計時段為2019 年5 月18 日0 時0 分～2019 年6 月10 日24 時60 分。

4）統(tǒng)計計算公式：

式中，用戶異常流水數(shù)量包括：未插卡、非有效卡、OBU 拆卸、OBU 超出有效期。

注：僅收費站獲取的OBU 數(shù)量，是指在門架系統(tǒng)未讀到、但在出口收費站讀到的OBU 數(shù)（由于MTC 車道未裝OBU 識別設備，出口收費站讀到的OBU 數(shù)量僅統(tǒng)計ETC 車道OBU 數(shù)量）。

5）測試統(tǒng)計結果：

經(jīng)統(tǒng)計并分析粵北省界47516 車次、南丫主線409406 車次的交易數(shù)據(jù)，2 個ETC 自由流斷面OBU 捕獲率均達到99.8%以上。南丫主線交易成功率超過99.5%；粵北省界“交易未完成離開”及“寫ETC 卡文件出錯”車輛較多，交易成功率僅96.2%。

進一步分析，影響粵北省界ETC 自由流測試斷面交易成功率的因素主要有3 點：（1）斷面的車速較高。在同樣的RSU天線微波覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，客觀導致粵北省界ETC 自由流RSU天線與ETC 車輛OBU 通信交互時間窗口時長小，一定程度上影響了交易成功率。（2）斷面采用實際路徑還原精確收費預交易模式進行測試，客觀上增加了車輛實際通行路徑還原和精確費率計算等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)耗時（據(jù)不完全統(tǒng)計約50ms），該部分耗時在微波通信區(qū)域和車輛高速通行等有限條件下，一定程度上提高了該斷面ETC 交易成功的技術要求和指標，進而影響到整體交易成功率。（3）客觀存在部分省份OBU 產(chǎn)品在質(zhì)量、性能上的指標低于廣東本省發(fā)行的產(chǎn)品相關要求，粵北省界ETC 自由流斷面處于廣東與湖南兩省交界處，其斷面經(jīng)駛的外省ETC 車輛數(shù)量占比總車流較高，一定程度上影響到整體交易成功率。

3.3 RSU 冗余設置研究

3.3.1 方案一：硬件double 冗余

每車道設置2 個RSU，1 主1 備。RSU 有發(fā)射接收狀態(tài)檢測，2 臺控制器互為主備連接在一起（見圖5）。當主設備發(fā)現(xiàn)有天線報故障，即可切換至備機工作。

3.3.2 方案二：硬件互為備份冗余

每車道設置1 個RSU。結合RSU 產(chǎn)品自身特性及RSU 天線樣本數(shù)據(jù)，每個RSU 至少可以滿足橫向1.5 個車道（見圖

6）。當一個天線發(fā)生故障時，可通過相鄰車道天線實現(xiàn)對天線損壞車道的覆蓋，實現(xiàn)冗余。

3.3.3 小結

方案一冗余性能好，保證正常交易成功率高，但工程造價高。

方案二造價低，冗余性能相比方案一略差，但基本滿足冗余需求。

圖5 RSU天線硬件doubl e 冗余示意圖

圖6 RSU天線硬件互為備份冗余示意圖

建議采用方案二，根據(jù)高速公路服務水平進行RSU 冗余設置，服務水平小于或等于四級時，按每車道1 臺RSU 設置，進行互備。服務水平達到五級的路段在最內(nèi)側超車道額外增設1 臺RSU，作為冗余補充。

4 結語

根據(jù)目前各廠家RSU 指標的基本情況，以及目前根據(jù)交通運輸部所規(guī)定的基本參數(shù)要求，RSU 天線均具備和滿足1.5個車道的微波通信區(qū)域覆蓋，門架RSU 天線均采用分時時序工作模式，相鄰RSU 天線彼此已經(jīng)形成了一定程度的互為冗余設備。為了保障RSU 在單點故障情況下的交易成功率，建議可對于流量較大的路段，在超車道和快車道之間加裝1 套RSU 天線，可實現(xiàn)車道RSU 天線故障時的系統(tǒng)冗余，且較為經(jīng)濟。

在《高速公路ETC 門架系統(tǒng)技術要求》[2]（交辦公路函〔2019〕856 號）中明確RSU 與車牌識別技術已經(jīng)互為系統(tǒng)冗余情況下，單點設備故障所造成的通行費損失與工程建設費用比較，單點設備冗余經(jīng)濟性也明顯缺乏。