高速公路电子收费系统的优化方案

不停车收费系统ETC（Electronic Toll Collection）是智能交通系统中一个重要的领域和应用环节。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专门进行短程通信，利用计算机联网技术与银行系统进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站时不需停车便能交纳路桥费的目的。通过电子收费的技术手段，可以提高公路的交通能力、车辆的运行效率，并降低了油耗和车辆损耗，减少了尾气排放，达到了节约能源和保护环境的目的。

收费系统是经营高速公路的重要组成部分，是我国“贷款修路，收费还贷”政策落实的重要举措。高速公路收费制式有开放式和封闭式两种。开放式收费仅按车型一次性收取通行费；封闭式收费则按车型和行驶里程收取通行费。收费系统具有财务管理功能，能及时做好收费结算、系统核算等功能。

高速公路收费方式有人工收费、半自动收费和全自动收费方式。目前，我国90%以上的高速公路的收费方式还是采用人工收费或半自动收费方式。原始的人工收费、半自动收费方式已成为我国道路发展的主要瓶颈，存在以下几个方面的弊端：

1）收费设施及技术落后，收费站出入口容易形成交通拥挤；

2）各路段收费方式、标准的不统一，给车主交费造成混乱；

3）财务管理混乱，票款流失严重；

4）收费停车，停车排队浪费时间和燃油，汽车尾气对环境造成污染。

因此，采用更加先进的收费系统才能更好的解决当前收费系统的诸多问题。ETC是利用RFID技术并综合计算机网络技术用于解决当前交通收费效率低下的情况而发展起来的。ETC特别适用于高速公路或交通繁忙的桥隧。实施不停车收费，一方面可以允许车辆高速通过，减少车辆在收费口因缴费、找零钱等动作而引起的排队等候。据测算，较人工收费车道，ETC车道的通行能力提高了四至六倍。另一方面，ETC可使公路收费走向电子化，以降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益，同时也大幅降低了收费口的噪声和废气排放，并可以杜绝少数不法收费员的贪污路费，从而减少国家损失。

与原来的人工收费和人工电脑收费方式相比，实行不停车收费后具有明显的改观，不仅极大地改善了路上密集车辆所造成的环境污染，减少了车辆阻塞现象，使行车更加安全，更为主要的是将大大提高收费效率。

1.ETC系统简介

ETC是电子不停车收费的简称，是一种利用专用短程微波通信的技术，通过路边的射频读写器单元与车载系统的信息交换，自动识别车辆，通过计算机联网技术与银行系统的后台结算处理，实施电子支付，完成车辆通行费扣除的全自动收费。

（1）工作原理

ETC的工作原理如图3-21所示，当车辆通过ETC收费站时，地感线圈检测到车辆进入车道，触发安装在ETC天线架的射频读写器，射频读写器开始与安装在汽车挡风玻璃上的车载系统进行双向通信和信息交换，将数据传送给ETC收费站PC，ETC收费站PC根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，并送出指令给其他辅助设施工作，如交易成功后，挡车器自动升起，放行车辆；车辆通过后，挡车器自动放下。整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过ETC收费站。

图3-21 ETC工作原理简图

（2）系统功能模块

射频自动识别不停车收费系统按其功能可分为自动识别控制子系统、自动判断型子系统、数据采集子系统、车辆检测子系统、闭路电视子系统和信号控制子系统，如图3-22所示。

各子系统功能简述如下：

1）自动识别控制子系统主要由射频自动识别读写器、射频自动识别卡、车道栏杆控制机、收费员计算机终端等组成，它是整个不停车收费系统的核心，负责控制不停车收费车道所有设备的运行、收费业务操作的管理以及与收费站计算机的通信和数据交换。

2）自动判断型子系统主要由光栅、高度检测器、轴数检测器等组成，它通过采集车辆的高度和轴数等参数，经综合分析比较来判别车辆的车型。

3）数据采集子系统主要由射频自动识别读写器和射频电子标签卡构成。射频电子标签被安装在汽车挡风玻璃内侧的上方，在电子标签上写有标签编号、车号、车主、车型、应缴金额、剩余金额和有效期等信息。射频自动识别读写器被安装在收费岛的前端，它通过微波技术从射频电子标签卡上读取有关信息，并同步传送给车道控制主机。

4）闭路电视子系统主要由车道摄像机和收费站的监视器等组成。车道摄像机被安装在收费岛的前端，主要用于拍摄非法通过的违章车辆。

5）信号控制子系统主要由通行信号灯、偏叉信号灯和自动栏杆等组成。它用于提醒驾驶员正确使用不停车收费车道。

6）车辆检测子系统主要由三组环形线圈组成。第一组环形线圈（ENTER LOOP）被安装在收费岛的入口处，用于激活天线读取电子标签的信息；第二组环形圈（ESC LOOP）被安装在收费岛的中间出口处，用于控制通行信号灯和偏叉信号灯的状态；第三组环形线圈（EXIT LOOP）被安装在收费岛的出口端，用于统计车流量，并控制自动栏杆、通行信号灯和偏叉信号灯的工作状态。

图3-22 ETC车道控制系统功能模块图

（3）关键技术

ETC主要包括自动识别技术（Automatic Vehicle Identification，AVI）、车辆抓拍和车道控制几部分。车辆自动识别技术是其最重要的技术，它直接影响到系统的性能和应用推广，它也是区别不同的ETC系统的主要标志。交通运输本身的特点是一种能够在全天候、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。由于微波透入性强，可以穿透浓雾、雨滴、风沙等，适合于车辆在全天候、恶劣的环境条件下工作。它还具有工作距离远、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）工作等特点，因此射频识别技术刚好满足交通运输的要求。工作波段主要有900MHz、2.45GHz和5.8GHz频段，ETC系统中应用最广泛的是5.8GHz频段。微波射频车辆自动识别系统的工作原理如图3-23所示。

图3-23 微波射频车辆自动识别系统的工作原理

从图3-23可知，射频标签收到射频读写器发出的信号，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EEPROM进行数据读写操作，并经编码、加密后，再经调制发射出去。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，并可控制对EEPROM的读写操作。EEP-ROM中存有车辆的ID号、车牌号、车型、司机等相关信息。射频读写器接收到ID号等信息后通过接口电路与计算机系统进行数据交换，做出相应的操作，从而实现对车辆的自动识别。

（4）系统的关键设备

射频通信设备是ETC系统的关键设备，它主要由射频读写器（包括天线）和车载系统两部分组成。其中车载系统按形态可分为单片式和两片式两种。(www.xing528.com)

射频读写器负责与车载系统进行数据交换，并将数据传送给计算机进行处理。

单片式车载系统在物理结构上是一个不可拆分的整体，既存储了车牌号、车型等车辆物理参数，也记录了用户的消费账号、账户金额等信息。

两片式车载系统则由固定安装的车载机和可插拔的支付卡（双界面CPU卡）两部分组成，车载机里存储了车牌号、车型等车辆物理参数，而用户的消费账号、账户金额等信息则存储在支付卡里面。

①单片式收费系统

单片式收费系统要求进入路网的所有ETC车辆全部安装车载系统，所有路口全部实现不停车收费。单片式收费系统为车辆在路网中的高速通过提供了必要的条件，极大地减少了道路阻塞的现象，提高了道路的通行能力。这种收费模式已经在美国、日本、西欧、新加坡等国家的少量路段进行了实施，并取得了良好的效果。但是，采用这种收费方式要求所有出入口车道全部安装统一接口标准的射频读写器。由于目前研发射频读写器技术的门槛高，导致其成本居高不下。如果要在所有的出入口车道安装路侧射频读写器，再加上充值所需要的射频读写器，所需要的路侧射频读写器的数量会巨大，投资大风险高，因此也限制了这种ETC收费模式的推广，导致ETC收费技术无法充分利用在我国的道路收费系统中，降低了路网的使用率。

②两片式收费系统

两片式收费系统是由车载机和可插拔的支付卡（双界面CPU卡）组成。在路网联网状况下，装有两片式收费系统的车辆可以在ETC车道进行不停车收费，同时也可以使用金融IC卡在MTC（停车收费）车道进行刷卡，并完成缴费。没有安装两片式收费系统的其他车辆仍然可通过MTC车道进出，完成缴费。由于两片式收费系统很好地涵盖了各种车辆的通行要求，而且只需在车流量大的收费站开辟ETC专用车道，投资资金相对单片式收费系统大幅降低，因此能很好地解决高速公路缴费堵塞的问题，保证了路网的高使用率。两片式收费系统是我国目前建立ETC收费系统比较实际而且有效的建设方案。

（5）系统工作流程

ETC收费系统是一个庞大的收费管理系统，不仅涉及到RFID无线射频技术，还需利用计算机网络技术及银行系统进行后台结算处理。收费系统整体流程如图3-24所示。

图3-24 ETC系统整体流程图

车载系统进入车道入口，触发入口处的地感线圈、摄像机等辅助设备，地感线圈将检测信号发送至ETC收费站PC，ETC收费站PC将收费参数和控制指令发送至ETC读写器，打开读写器，与车载系统进行数据交换；车载系统将交易信息以及车辆信息传送给读写器。读写器将这些信息传送给ETC收费站PC，同时摄像机则将图形信息传送给ETC收费站PC，用来核实车辆身份的真实性；ETC收费站PC将收费数据、图形信息传给收费站系统，由收费站系统汇总，传给ETC数据管理中心，管理中心做出相应决策后，将命令通过收费站系统回传至ETC收费站PC。如果该车身份可靠，则扣费放行，否则，拦截该车辆。

2.ETC系统总体结构

随着市场经济的发展，交通基础设施建设的步伐加快，一家办交通的格局已经逐步被多家办交通的格局所替代。而网络环境下不停车收费系统的开发应用必须依托一定规模的路网，因此系统应根据特定交通基础设施建设的实际而定，并考虑建设情况与“一卡通”的兼容性。

3.国内外ETC标准

（1）国外发展情况

国际上，美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较多厂商的支持。

1988年自美国Lincon隧道首开不停车收费系统以来，目前美国已有十多个运输管理机构在进行这方面的工作，大量的不停车收费车道已在美国国内的高速公路上开通。不停车收费系统已经成为美国回收公路投资的有效手段。

三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者，并在世界各地广泛地开展不停车收费系统验证实验。1995年，日本建设省和公路管理公司组织国内10多家单位在全国各地进行不停车收费系统的现场实验。1997年，编制了不停车收费标准草案并提交给国际标准化组织ISO/204委员会，并于1998年在全国推广不停车收费系统。

欧洲在不停车收费方面起步更早，1986年自挪威的Bergen首次开设不停车收费系统以来，意大利、西班牙、英国、法国等国先后在国内开始了ETC的应用。1997年在欧洲标准化委员会（CEN）的协调工作下，欧洲的不停车标准草案顺利通过。

（2）我国ETC国家标准的制定

最近几年来，随着我国高速公路联网收费的发展，国内众多省市高速公路已开通电子不停车收费（ETC）车道。区域内联网收费已很成熟，但区域间联网收费却存在系统兼容问题，这阻碍了我国高速公路的健康发展。

2007年3月19日，电子不停车收费系统国家标准正式出炉，该标准由交通部公路科学研究院牵头制定，国内ETC设备认证也由其负责。该标准系列从物理层、数据链路层、应用层、设备应用及物理层主要参数测试方法五方面做出了相应规定。ETC国家标准见表3-4。

表3-4 电子收费标准

该标准的出炉填补了我国电子收费标准的空白，为我国高速公路区域联网收费乃至全国联网奠定了坚实的基础，改善了我国ETC系统互不兼容的局面，极大促进了我国ETC系统的发展与大范围应用。

4.900MHz无源标签与5.8GHz有源标签的ETC系统优越性的比较

除5.8GHz频段可用于ETC系统之外，900MHz频段同样适用于ETC系统。早在我国ETC标准出台之前，欧洲和日本就规定把5.8GHz频段作为ETC系统的工作频段，并获得了广泛的应用。但是900MHz频段ETC系统在北美也获得了广泛的应用。900MHz无源标签与5.8GHz有源标签的ETC系统各有其优越性，但很多地方在建设ETC系统时，对于该选用哪种工作频段仍然存在争议。下面对这两种不同工作频段的标签及其对应的系统优越性做一比较，以供相关单位和人士参考。5.8GHz与900MHz频段ETC系统的优越性比较见表3-5。

表3-5 900MHz与5.8GHz频段ETC系统的优越性比较

（续）