高速公路不停车收费系统的研究

1高速公路不停车收费系统的研究【摘要】高速公路不停车收费系统（ETC）利用远距离有源无线射频识别技术（RFID）来完成车辆与收费站之间的无线数据通信，从而实现了高速公路收费口不停车收费，提高了高速公路收费口的通行效率，同时降低了环境污染和能源消耗。本文首先给出了ETC系统的整体架构，以及ETC中信息交互的流程；接着讨论了ETC的工作原理——无线射频识别（RFID）以及目前国际上ETC使用的主流通信频段；最后明确了使用ETC的优缺点。【关键词】：ETC；无线射频识别（RFID）；无线数据通信1.引言近年来，中国的私家车数量呈爆发式增长，导致交通拥堵不堪，尤其是在高速公路收费口处。一到高峰期，由于采取人工收费的方式，高速公路收费口会排起长长的车队，等待缴费通过。传统的人工收费方式要求通过的每一辆车都在收费口停下，待司机缴费后，工作人员再将其放行通过。这种人与人之间的交互是非常耗时，耽误了人们的时间，也引发了环境污染，能源损耗等一系列的问题。所以基于无线刷卡的高速公路关口不停车收费（ETC）方案应运而生，ETC采用了远距离有源无线射频识别技术（RFID）来完成车辆与收费站之间的无线数据通信，使得车辆在比较顺畅地通过收费口的情况下自动完成缴费工作，ETC很有效地解决了高速公路收费口因人工收费而引起的时间延误、环境污染和能源损耗等问题。2.ETC系统整体架构ETC系统主要是利用无线射频识别技术，通过路侧ETC天线与车载电子标签进行相互通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用账户中扣除通行费，从而实现高速公路口的不停车自动收费。ETC系统构成如图1所示，在该系统中最重要的组成部分就是路侧ETC天线和车载电子标签：其中车载电子标签中存放着车辆的识别信息，如车牌号、汽车ID号，以及IC卡的访问接口，通过该接口可自动进行费用的支付。车载电子标签一般安放在汽车的挡风玻璃上，以便能与路侧ETC天线进行信息交互；路侧etc天线相当于RFID中的读写器，它会持续向固定范围内的区域发送广播信号，当车辆通过进入到那个固定范围内时，车载电子标签会对广播信号做出响应，从而两者建立起专用通信链路进行双向通信和数据交换。其他的如通行信号灯、数额显示器以及车牌自动识别系统等等都是辅助电子设施，它们都与后台系统互联了。当然，图中所显示的仅仅只是ETC的前端系统，完整的系统必须要有后台处2理系统，后台系统必须与大型数据库相连，负责对路侧ETC天线所采集的车辆信息进行验证和存档，在收费环节需要负责所需缴纳金额的计算和负责和银行系统的交互，如果车辆验证通过并且已顺利缴费，后台系统还需控制自动栏杆的升起，允许车辆通过；如果车辆验证没通过或者缴费失败，后台系统还需要保持自动栏杆，阻止车辆通过等等。3.ETC中的无线通信流程ETC中的无线电通信流程如下图2所示，当车辆进入ETC车道有效通信范围后，电子标签监听到路侧ETC天线发出的有效询问信号后被激活，由休眠状态进入工作状态，应答返回存储在电子标签中的车辆信息；ETC天线接收到车辆信息后，将其传入到后台控制系统中，后台控制系统需要对车辆信息进行验证，并且将车辆信息存档；若验证没通过，则后台控制系统不会升起控制栏杆，从而阻止违规的车辆通过；若验证通过，接下来后台控制系统控制ETC天线发送支付辅助信息的请求信号，车载电子标签通过其IC卡接口返回其支付辅助信息，支付辅助信息指的是IC卡的一些信息，同样，后台控制系统将对其进行验证；若验证没通过，会阻止其通过；若验证通过，后台控制系统计算出车辆此图表1ETC系统整体架构图表2ETC中无线通信流程3次应缴纳的费用，并将其通过电子标签传输到IC卡中，进行存储；而后台控制系统会将此次收费的数据进行存储，最后转送到结算中心进行结算。ETC中这些信息交互都是ETC天线和车载电子标签通过无线射频识别技术自动完成的，无须人为干预，而且在车载电子标签中会记录下每次缴纳费用的信息，车主可以在网上或者固定地点统一查账。4.ETC中的无线通信技术4.1通信频段的选择在ETC中，用到了无线射频识别技术来完成车辆与收费站之间的无线数据交互，国际上ETC系统使用的通信频段主要有3种:915MHz，2.4GHz，5.8GHz．其中915MHz和2.4GHz频段在移动通信、医疗、科研等领域具有广泛应用，其频率争用严重，背景噪声较大，并且没有有效的安全机制，通信能力也较低，特别是2.4GHz频段是全球免许可频段，其问题更为严重。从已经建成的应用系统来看，915MHz系统主要应用于北美地区。5.8GHz专用通信系统主要应用于欧洲、亚洲及大洋洲地区。2.4GHz系统应用相对较少，没有形成主流。而我国已有的ETC系统应用中，3种通信频段并存．鉴于专用短程通信(dedicatedshort-rangecommunication，DSRC)协议标准发展趋势和国内ETC系统应用现状，2007年5月实施的ETC&DSRC中国国家标准GB/T20851—2007以及2007年10月国家交通部颁布的《收费公路联网收费技术要求》，规定了我国ETC系统的短程通信频段为5．8GHz。这样可以满足ETC系统所要求的抗干扰能力强以及适应恶劣环境的要求。4.2无线射频识别技术（RFID）无线射频识别技术(RFID，既RadioFrequencyIdentification，也称为微波射频识别技术)是从上世纪80年代起走向成熟的一项非接触式的自动识别技术。由于大规模集成电路技术的成熟，无线射频识别系统的体积大大缩小，所以才进入实用化的阶段它利用射频方式进行非接触方式进行非接触双向通信，以达到识别的目的并且可以交换数据。RFID与目前广泛应用的条码技术不同，它可以提供自动的数据采集，不需要人的干预RFID有效地替代了文书操作，可以提供无可辩驳的电子数据验证和时间戳，因此其应用更加广泛。无线射频识别系统包括电子标签(又称为RFID标签)和读写器(Reader)两部分。电子标签的几个主要模块集成到一块芯片中，完成与读写器通信，芯片上内存部分用来储存识别号码或其他数据:内存容量从1bit到64kb不等芯片外围仅需连接天线(和电池)。读写器主要包含收发天线、收发模组及控制电路。读写器在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于工作频率和天线尺寸，当电子标签经过这个区域时检测到读写器的信号时会将读写器发射的电磁波能量储存起来作为电子标签所需的电能，而此时电子标签将卡内的信息以无线电波的方式传送给读写器，读写器接受到卡的数据后，解码并进行错4误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232，RS422，RS485或无线方式将数据传送到计算机网络，而有些RFID系统，其标签内的电源由电池提供，这样可读的范围更大。相比之前常用的条形码，无线射频技术有以下主要特点：(1)无须特定角度:RFID是通过无线电波传输信息，不同于条码有角度等要求(2)非接触性:RFID不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据，能够适应恶劣环境，可以在流动的化学环境中应用。(3)安全可靠性高:电子标签的数据存取有密码保护，安全性更高。(4)同时识读多个标签:在一个RFID识读领域内，可以同时读大量的标签，有一些读卡器可以每秒读取200个标签的数据，这比传统扫描方式要快超过1000倍。(5)电子标签是可读写的：可以写入及存取数据，写入时间相比打印条形码更少；标签的内容可以动态改变；(6)可远距离读写：RFID可读写的距离远达5—10米。5.ETC的优缺点到目前为止，国内已经有一大批省市采取了ETC系统来取代原先的人工收费系统，包括北京、上海、江苏、福建、江西等。在实践中，我们发现ETC能够充分体现它非接触、长距离识别的优势，使得车辆在高速通过收费站的同时自动完成收费，解决交通拥堵的问题。总的来说，ETC具有的优点如下：（1）收费效率高—单次收费为3秒，是人工收费速度的5-6倍，这可以有效防止高速公路收费口交通拥堵的问题，保证了通行效率，降低了环境污染和能源损耗。（2）降低运营成本—在运行时无需人工干预、无人值守，最大限度减少营运成本，有效避免了错收、漏收及收费作弊等行为。（3）抗干扰性好—通过采用5.8GHz的通信频段和无线射频识别技术，能够有效防止其他信号的干扰，能够适应恶劣的天气环境。（4）安全可靠性高—在收费过程中会进行交易安全认证，保证收费系统的安全可靠性。但是ETC也存在一些不足：由于采用短波通信，其传送距离不能太远，而且不能有阻挡物，造成误报警较多，有些车辆需几次进出才能读卡；跟车干扰时有发生；使用率的提高还有待统一电子标签的推广普及。虽然现在各个省市都在尝试使用ETC代替人工收费路口，但这仅是小范围的试运行，还没有全面展开。参考文献[1]谢子亮，张有光，戴陇咸.高速公路车道收费系统通用化设计与实现[J].计算机工程与技术，2003，（23）：221-223.[2]王震宇.ETC系统标准化和技术选择[D].西安公路交通大学交通信息工程及控制系，1999.[3]郇鹏,张仲义.基于射频技术的高速公路不停车收费系统[J].交通运输系5统工程与信息，2004，4(2)：121-124.[4]吴晓东.无线射频技术在高速公路不停车收费系统中的应用[D].河南省新乡市公路局,2010.