基于ETC和MTC高速公路组合式联网收费系统设计

　　1 引 言

　　高速公路因其“高速、高效、安全、舒适”等优点，已成为连接各主要城市和重要港口的交通枢纽。然而，随着我国经济与社会的发展，公路运输能力已经不能满足日益增长的交通运输需求。21世纪交通的发展趋势必将是由粗放型向集约型转变，即从单纯依靠政府投资新建公路向建设公路运输的配套设施及其软件转变，以提高公路的利用效率。

　　在高速公路收费方面，效率低下的传统收费方式(找零、回票、投币)在车流量较大时往往使车辆在收费站区域滞留，限制了高速公路快捷方便的服务优点。电子不停车收费系统(ElectroNIc Ton Collection system，ETC)就是在这一矛盾中应运而生的。

　　目前国外和国内试点的ETC系统普遍采用单片式ETC技术。但是，由于与我国主流的IC卡收费方式完全独立，而建立ETC系统必须自身构成一个完整的封闭式系统，即在路网内所有的入口和出口，即使是大多数交通量小、车道数量少的收费站，都必须设置一条以上的专用ETC收费车道，这必将造成资源的极大浪费。因此要在我国联网收费的大背景下成功推行ETC收费，必须考虑ETC收费系统与已经建立的IC卡收费系统之间的整合问题，选择一种兼容ETC收费和IC卡收费的组合式收费技术，这就是基于ETC和MTC(Manual Ton Collection system，人工半自动收费车道)相结合的高速公路组合式联网收费系统(下文简称组合式收费系统)。

　　2 组合式收费系统的总体结构设计

　　中收费站采用了ETC车道和MTC车道相结合的方式。对于采用刷卡付费或现金付费方式的车辆，由MTC车道通过。刷卡付费有接触式刷卡和非接触式刷卡两种模式，当车辆进入MTC车道时，驾驶员停车刷卡或缴纳现金，交易完成后，启动栏杆放行;对于采用电子标签或两片式电子标签付费方式的车辆，则由ETC车道直接通过。当车辆进入ETC车道时，电子不停车收费系统对安装在车上的电子标签进行付费操作，付费交易自动完成，实现车辆不停车付费。

　　ETC车道和MTC车道分别交易，互不干扰，两种付费方式最后由软件系统负责整合。

　　3 组合式收费系统各子系统的硬件设计

　　组合式收费系统的子系统硬件设计包括ETC车道设计和MTC车道设计。

　　3.1 ETC车道的设计

　　ETC是利用专用短程微波通讯技术，通过路侧单元(RSU)与车载单元(OBU)的信息交换，自动识别车辆，采用电子支付方式，自动完成车辆通行费扣除的全自动收费方式。当ETC系统检测到车辆进人ETC车道的时候，安装在龙门架上的微波天线与安装在汽车挡风玻璃上的电子标签自动进行信息交换，与微波天线相连接的ETC车道计算机根据电子标签中存储的信息识别出车辆信息，并根据车主的使用情况从其账号中扣除通行费。如果其银行账号中余额不足，则由显示设备提醒驾驶员进入MTC车道。整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过ETC收费车道。

　　ETC车道的硬件系统设计包括通信子系统设计、车辆自动分类子系统设计、视频监控子系统设计。

　　3.1.1 ETC车道通信子系统设计

　　(1) 短程通信标准的选取

　　《高速公路联网收费暂行技术要求》中第十三条明确指出：“电子不停车收费技术中车辆自动识别系统所采用的专用短程通信频率推荐5.8 GHz电子标签宜采用可读写的‘单片式’(可读写智能电子标签)或‘两片式’(带IC卡接口的电子签)。‘两片式’电子不停车收费系统应与人工半自动收费系统兼容。”因此依据该文件，选取5.8 GHz短程通信标准为专用短程通讯(Dedicated ShortRange communication，DSRC)标准。我国DSRC通信技术指标如下：

　　频段：5 795～5 815 GHz;输出功率：300 mW;调制方式：ASK，BPSK;通信距离：10 m。

　　选用5.8 GHz作为微波短程通信中心频段有3个优点：

　　①5.8 GHz频段背景噪声小，抗干扰性较好。

　　②5.8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本。

　　③有利于未来在此频段内开展智能运输系统的其他各项服务。

　　(2) 路侧设备(RSU)技术

　　路侧设备指安装在路侧的ETC设备及其辅助设备，其功能是与车载单元通信完成ETC收费交易、检测车辆和抓拍违章车辆图像等。RSU通常由以下部分组成：

　　① 路边设备控制器：是一台计算机设备，通常与天线及其控制器、抓拍系统、车辆检测器互联，对于具有收费岛的单车道ETC系统，与之互联的还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备的各种控制功能、通信功能和处理功能。

　　② 天线及其控制器：实现与车载OBU之间的通信。

　　③ 抓拍系统：抓拍系统是针对违章车辆以及无电子标签车辆的电子记录系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。

　　④ 车辆检测器：对车辆的到来进行检测，以及对来车车型进行分类。

　　⑤ 其他的辅助设备，如电源、照明等。

　　车道天线接收从天线控制器传来的数据信号，信号经调制和功率放大后经天线口面辐射出去。当ETC用户驾车经过ETC车道时，电子标签被车道天线信号激活，进人工作状态，根据接收到的命令向车道天线回送相应的响应数据。

　　车道天线通常由电源单元、RS 485/422通信接口、振荡器、发射单元、接收单元、数据处理单元、外部信号指示器、喇叭天线或微带天线构成。

　　天线控制器从车道控制计算机系统接受通信请求，形成符合DSRC标准通信协议的数据帧，通过车道天线将数据帧发给车道上的电子标签，并接收和解析从电子标签返回的数据，再上传给车道控制计算机系统。

　　天线控制器通常内置多块控制模块，每个控制模块可以控制一个车道天线。

　　天线控制模块通常由PC通信接口单元、双端口存贮器(DPRAM)、通信协议处理单元、RS 485/RS 422天线接口单元构成。PC通信接口单元负责天线控制模块与车道控制计算机的数据通信，他可以是PC总线接口，也可以是RS 232接口。

　　(3) 电子标签的选取

　　针对我国的具体国情，兼顾到大部分收费站采用IC卡交易方式，系统采用组合式电子标签。组合式电子收费是一种基于两片式电子标签的组合式收费技术。组合式电子标签是一种两片式电子标签，其带有标准的IC卡接口(通常为ISO7816规格的接触式IC卡接口或者ISO14443规格的非接触IC卡接口)，与IC卡共同组成一套完整的两片式ETC车载设备。采用该技术有两大优点：

　　① 系统是基于IC卡作为收费介质的收费系统，具有兼容人工半自动收费(MTC)和电子不停车收费(ETC)的能力。

　　② 适合我国的基本国情，组合式电子标签适合于已经建立起的ETC收费系统和MTC收费系统，为设计组合式收费系统创造了条件。

　　3.1.2 车辆自动分类子系统的设计(AVC)

　　为了对不同车型按照不同的费率实施收费，必须对车辆进行分类。分类系统设计为前分类系统(Pre-Classifi-cation)和后分类系统(Post-Classification)。前分类系统能够使收费系统计算通过车辆的正确费率;后分类系统用于核实所通过车辆是否按照车型实施了正确收费。

　　通过传感器对车辆高度、轴数、是否装备双胎以及车重等要素进行检测，检测结果通过数据采集卡送入软件系统进行判断比较，从而确定收费金额。该项技术已经广泛应用于各收费站，传感器和数据采集卡的选择也非常广泛。

　　3.1.3 视频监控系统(VES)

　　VES不依赖于ETC的电子标签，而是以摄取车牌的图像来获取车牌号码、车籍资料等信息，并将缴费通知寄给车主。用于事后追踪逃费者，追回漏征费用并实施罚款的依据，以减少漏征费用损失并起到威慑作用，该系统已经广泛应用于实际。

　　3.2 MTC车道的设计

　　MTC车道是由汽车自动分类系统(AVC)、读卡装置、显示设备、视频临控、自动栏杆和计算机软件系统组成，读卡器可以采用接触式或非接触式。当汽车进入MTC车道时，汽车自动分类系统(AVC)将车辆信息自动分类，然后告诉软件系统该车属于哪一类型的车辆，软件系统根据此信息告诉读卡器应该收取多少数额的通行费，当交易完成后，软件系统向自动栏杆发出命令，让车辆通过，完成收费。由于MTC收费系统已经大规模地应用于实际，而且技术也已经相当成熟，在这里不做太多的叙述。

　　4 软件系统设计

　　组合式收费系统不仅要使ETC和MTC两种收费方式分别进行互不干扰，还要使两种收费方式相互统一相互协调，这在硬件上是无法统一的，因此软件系统就担负了这个任务。组合式收费的软件系统包括：ETC车道收费子系统、MTC车道收费子系统、收费站服务器系统、中心服务器系统和用户服务子系统，其网络拓扑结构图如图4所示。

　　4.1 ETC车道收费子系统设计

　　ETC车道收费子系统包括：认证交易模块、车型分类库模块、账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等。设计要求如下：

　　认证交易模块 对于进入ETC车道通信区的车辆，交易认证模块负责向硬件没备发出通信命令，对安装在车辆上的电子标签进行读写操作以获得车辆的账户信息和余额查询，如果账户无效或余额不足，则向显示设备发出命令，通过显示设备告诉驾驶员由MTC车道通过。如果账户和余额都没有问题，则根据车型分类库模块提供的收费标准对车辆实施收费，并确认交易是否成功。如果交易不成功，则通知硬件设备再次进行收费操作，当车辆已经通过通讯区仍然没有完成交易，则将收费不成功信息发送给中心服务器，将在下一个收费站或者出口收费。如果交易成功，则报告给账户管理模块，由账户管理模块向中心服务器报告此次收费操作细节。

　　车型分类库模块 负责接收由AVC提供的车辆信息，再与车型分类库中的车辆参数相比较，确定收费标准。并通知交易认证模块，准备收取多少数额的通行费。

　　账户管理模块 负责对新卡的初始化、黑名单管理、向中心服务器核对车辆信息及报告收费细节，包括收费的用户账号、收费金额、收费时间、收费地点等信息。

　　数据管理模块 负责本车道的车辆收费数据管理、数据备份与恢复。

　　账务管理模块 负责统计本车道的财务管理和向收费站服务器汇报财务信息。

　　系统管理模块 负责系统维护、参数设置、密码管理、断点保护等。

　　统计查询和报表打印模块 负责本车道的数据统计、查询及报表打印。

　　4.2 MTC车道收费子系统

　　MTC车道子系统的软件设计与ETC基本一样，也是由车型分类库模块、交易认证模块、账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等组成。

　　在设计要求上，MTC车道收费子系统除认证交易模块以外，账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块的设计要求与ETC车道收费子系统一样。

　　在MTC车道收费子系统中认证交易模块功能是：对于进入MTC车道的车辆，交易认证模块负责向读卡器发出命令，根据车型分类库模块提供的收费参数对车辆实施收费，并确认交易是否成功。如果交易不成功，则提示工作人员改用现金交易，交易完成后，启动自动栏杆，让车辆通行。同时报告给账户管理模块，由账户管理模块向中心服务器报告此次收费操作细节。

　　4.3 收费站服务器系统

　　收费站服务器系统与收费站内各车道的收费子系统互联，实现ETC收费方式与MTC收费方式相融合。主要由监控模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等。设计要求如下：

　　监控模块 负责监控各车道向中心服务器发出的账户信息和交易细节，如果中心服务器没有响应，则该模块记录这些信息，并不断查询中心服务器的状态，当中心服务器不忙时，再重新发送，并对发出信息进行记录。同时实现车道收费子系统故障和异常数据报警、断点保护等。

　　数据管理模块 负责整个收费站的数据统计，实现对ETC收费方式和MTC收费方式的融合、数据备份与恢复。

　　账务管理模块 负责整个收费站的财务管理。

　　系统管理模块 负责整个收费站的系统维护和参数设置。

　　4.4 中心服务器系统

　　中心服务器是连接各收费站，对各收费站的信息实行统一管理。中心服务器系统包括认证交易模块、账户管理模块、数据管理模块、财务管理模块、系统管理模块、查询统计和报表打印模块。设计要求如下：

　　认证交易模块 负责验证来自各收费站发送过来的账户信息，并对账户信息进行确认，把是否同意交易信息返回给各个收费车道，同时通知账户管理模块准备接收数据。认证交易模块还负责与外部银行的认证交易。

　　账户管理模块 负责整个区域的账户信息统一管理，包括卡号、密码、余额、收费时间、收费地点、收费金额，以避免重复收费。同时完成对于外来车辆或新车信息的初始化、注销账户，还负责自动生成新的卡号和密码，送至用户服务子系统。

　　数据管理模块 负责中心服务器的数据管理、数据备份和恢复。

　　财务管理模块 负责整个地区的收费站的财务管理，包括现金交易量、电子交易量(包括ETC和IC卡收费方式交易量)、与银行的交易量、各收费站交易量、各业主交易量等。

　　系统管理模块 负责维护系统安全、设置系统参数。

　　统计查询和报表打印模块 负责数据统计和查询、报表打印等业务。

　　4.5 用户服务子系统设计

　　用户服务子系统是面向用户的，他负责接受中心服务器的新卡号和密码、新建用户账户信息、账号充值等对外服务项目。

　　5 结 语

　　本文对高速公路组合式联网收费系统作了初步的轮廓性的设计。笔者认为，在倡导可持续发展的今天，高速公路组合式联网收费系统对于提高高速公路利用效率、节省社会资源是有实际意义的。但是，高速公路组合式联网收费还只是停留在理论阶段，与实际应用还有一定距离。