基于ETC技術(shù)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王偉麗

摘要：在現(xiàn)有ETC的OBU基礎(chǔ)上，加入移動(dòng)通信模塊，形成COBU，整合LBS技術(shù)，既可以滿足ETC收費(fèi)方式，也可以滿足傳統(tǒng)收費(fèi)方式，同時(shí)有效解決了高速公路收費(fèi)多路徑問(wèn)題。由于只是在OBU上進(jìn)行了復(fù)合，對(duì)收費(fèi)軟件還沒(méi)進(jìn)行改進(jìn)，ETC功能與路徑識(shí)別功能還相對(duì)獨(dú)立，ETC的收費(fèi)與清分還沒(méi)實(shí)現(xiàn)按實(shí)際路徑計(jì)算，后續(xù)將對(duì)收費(fèi)軟件進(jìn)行研究改進(jìn)，將路徑識(shí)別相關(guān)數(shù)據(jù)直接運(yùn)用到ETC收費(fèi)系統(tǒng)中，作為收費(fèi)、清分和監(jiān)控依據(jù)，完全實(shí)現(xiàn)ETC與路徑識(shí)別功能的融合。

關(guān)鍵詞：ETC技術(shù) 高速公路收費(fèi)系統(tǒng) 應(yīng)用

Abstract: Based on the existing OBU of ETC, adding mobile communication module, the formation of COBU, integrate LBS technology, both to meet the ETC toll way, but also to meet the traditional charging method, while effectively solve the problem of multi-path highway toll. Since only the OBU on a composite of the billing software yet to improve, ETC function and path recognition feature also relatively independent, ETC and clearing fees not realize the actual path calculation, billing software will conduct follow-up research to improve, the path to identify the relevant data directly applied to the ETC toll collection system, as the charges, clearing and monitoring based on the full realization of the path ETC recognition function integration.Keywords: ETC technology highway toll system applications

中圖分類號(hào)：U412.36+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1.引言

目前，全國(guó)絕大部分?。ㄊ小^(qū)）都實(shí)現(xiàn)了高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，從國(guó)家層面，也提出了高速公路全國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)規(guī)劃，但伴隨著高速公路的快速發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)二義性路徑在很多省市已經(jīng)出現(xiàn)，并迅速增多，如何有效識(shí)別車輛行駛路徑，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確清分，正成為各省市高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)主管部門(mén)著力解決的重要問(wèn)題。

2.路徑識(shí)別技術(shù)

路經(jīng)識(shí)別技術(shù)就是將移動(dòng)通信終端集成到高速公路通行卡或車載單元（onboard unit，OBU）中，當(dāng)車輛攜帶集成有移動(dòng)通信終端的通行卡或OBU在高速公路行駛時(shí)，移動(dòng)通信終端就會(huì)在無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。為保障無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性，當(dāng)所處的移動(dòng)通信網(wǎng)服務(wù)基站信號(hào)強(qiáng)度衰減到一定程度時(shí)，移動(dòng)通信終端將選擇新的基站作為當(dāng)前的服務(wù)基站，即產(chǎn)生了服務(wù)基站的服務(wù)切換（handover）。在切換完成后，移動(dòng)通信終端將獲取到代表當(dāng)前服務(wù)基站的新的基站小區(qū)識(shí)別碼（cellID），并將該cellID記錄在移動(dòng)通信終端內(nèi)，根據(jù)cellID對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，即可還原出該移動(dòng)通信終端對(duì)應(yīng)車輛的真實(shí)行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路車輛行駛路徑的準(zhǔn)確識(shí)別，達(dá)到有效解決二義性路徑識(shí)別問(wèn)題的目的。

按照中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部（2011年第13號(hào)公告）中的收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)技術(shù)要求，在現(xiàn)有ETC所使用的OBU基礎(chǔ)上加入移動(dòng)通信模塊，形成復(fù)合車載終端（composite onboard unit，COBU），利用路徑識(shí)別技術(shù)，整合路徑識(shí)別功能，就可以實(shí)現(xiàn)電子不停車收費(fèi)與路徑識(shí)別功能的融合。整合后的COBU包括移動(dòng)通信模塊、CPU、電源管理、光伏電池、語(yǔ)言播報(bào)等模塊，具有獨(dú)立運(yùn)算和存儲(chǔ)功能。由于只是通過(guò)加入模塊來(lái)整合功能，所以整合后的COBU持有方式與現(xiàn)有ETC管理模式一致，可以兼容傳統(tǒng)收費(fèi)模式。

3方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有ETC功能和路徑識(shí)別要求，COBU需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）ETC基本功能；

2）基于GSM制式，板載SIM卡IC或直接燒號(hào)，可以和基站保持聯(lián)系；

3）能夠向固定接收號(hào)碼發(fā)送預(yù)設(shè)短消息；

4）能夠接收固定主叫號(hào)碼發(fā)出的固定格式短消息，并根據(jù)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)設(shè)的操作；

5）能夠向固定被叫號(hào)碼發(fā)送呼叫；

6）能夠接收固定主叫號(hào)碼發(fā)起的呼叫；

7）運(yùn)行、電量低、充電、錯(cuò)誤等狀態(tài)通過(guò)LED和LCD進(jìn)行顯示；

8）在路側(cè)單元（road side unit，RSU）激活OBU時(shí)，能根據(jù)RSU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向IC卡內(nèi)寫(xiě)入進(jìn)出站標(biāo)識(shí)；

9）在RSU激活OBU時(shí)，能根據(jù)IC卡內(nèi)的進(jìn)出站標(biāo)識(shí)和卡類型（如記賬卡需要同步開(kāi)關(guān)機(jī)、工作卡不需要同步關(guān)機(jī)）同步實(shí)現(xiàn)通信模塊的進(jìn)站開(kāi)機(jī)和出站關(guān)機(jī)；

10）當(dāng)RSU因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障等原因不能通知智能交通系統(tǒng)OBU的進(jìn)出站狀態(tài)時(shí)，OBU可通過(guò)預(yù)設(shè)短消息或呼叫與智能交通系統(tǒng)同步狀態(tài)；

11）通過(guò)人工車道進(jìn)出站，IC卡會(huì)被寫(xiě)入進(jìn)出站標(biāo)識(shí)，當(dāng)IC卡被插入OBU時(shí)，能根據(jù)IC卡內(nèi)的進(jìn)出站標(biāo)識(shí)和卡類型同步實(shí)現(xiàn)通信模塊的進(jìn)站開(kāi)機(jī)和出站關(guān)機(jī)；

12）OBU能根據(jù)接收到的特定短消息或特定呼叫實(shí)現(xiàn)通信模塊的關(guān)閉，以滿足測(cè)試期間關(guān)閉通信模塊的需求和OBU駛出路網(wǎng)后因管理需求關(guān)閉通信模塊的需求；

13）能將OBU途經(jīng)基站的cellID等數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則記錄到IC卡上；

14）在通信模塊運(yùn)行期間，若IC卡被拔出或電量低時(shí)，能進(jìn)行定時(shí)聲光提醒；

15）可根據(jù)接收到的短消息播放或組合播放語(yǔ)音片段，語(yǔ)音片段數(shù)量不小于400條；

3.2硬件設(shè)計(jì)

完整的ETC系統(tǒng)由OBU，RSU，ESAM（embedded secure access module）、雙界面CPU卡、OBU初始化編程器等多部分組成。因此，COBU的設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)在兼容當(dāng)前ETC系統(tǒng)所有部件的基礎(chǔ)上，整合通信模塊的功能，設(shè)計(jì)需遵循以下基本性能要求。

3.2.1物理與電氣需求

1）物理尺寸：無(wú)特定尺寸限制，具備1個(gè)接觸式IC讀卡器插槽，能完全插入1張IC通行卡；

2）無(wú)線參數(shù)：整合GSM 900/1 800 MHz制式無(wú)線模塊、5.8 G微波模塊和13.56 M讀卡器模塊；

3）電池容量與循環(huán)周期：可更換電池設(shè)計(jì)，單一電池容量不小于2 000 mAH，且具備不小于1 000次的充放電循環(huán)，可擴(kuò)展光伏電池充電功能。

3.2.2接口與管理需求

1）5.8 G微波接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

2）接觸式讀卡器接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

3）13.56 M讀卡器接口，遵循ETC技術(shù)規(guī)范；

4）GSM無(wú)線接口，支持向特定目標(biāo)號(hào)碼發(fā)送和接收ASCII編碼短消息，支持向特定目標(biāo)號(hào)碼發(fā)起語(yǔ)音呼叫，支持接收特定主叫號(hào)碼發(fā)起的語(yǔ)音呼叫；

5）具有1個(gè)按鈕，其功能可配置為觸發(fā)呼叫或短消息，或者觸發(fā)關(guān)閉通信模塊事件；

6）1個(gè)激活感應(yīng)開(kāi)關(guān)，位于OBU安裝工作面，用于物理激活OBU的工作狀態(tài)；

7）1個(gè)IC卡插入感應(yīng)開(kāi)關(guān)，位于IC卡槽內(nèi)部，用于感應(yīng)是否已插入IC卡；

8）顯示能力，1個(gè)單色LCD顯示屏，帶背光，具備至少1行固定圖標(biāo)和1行漢字（不少于7個(gè)字符）的顯示能力；

9）LED指示，至少1個(gè)3色LED，用于顯示電量和工作狀態(tài)；

10）語(yǔ)音提示，具有揚(yáng)聲器，可播放固定語(yǔ)音片段或組合語(yǔ)音片段；

11）有線充電接口，用于車載充電器進(jìn)行充電；

12）可擴(kuò)展光伏電池充電。

3.2.3模塊劃分

COBU終端系統(tǒng)可劃分為三大部分。

1）普通OBU模塊部分，5.8 G收發(fā)模塊、天線和ESAM模塊；

2）通訊模塊部分，GSM射頻模塊、天線和SIM卡；

3）公用模塊部分，包括CPU，電源部分（電源管理、充電電路、鋰電池和光伏電池等），接觸式與非接觸式讀卡器，LED指示，LCD顯示，揚(yáng)聲器和可配置按鈕。

上述模塊劃分中以GSM模塊中的CPU為系統(tǒng)主CPU，若GSM模塊中的CPU功耗、喚醒時(shí)間不能滿足OBU交易的需求，或該CPU接口不足，再增加專屬于OBU功能的CPU。

3.3軟件設(shè)計(jì)

3.3.1主要功能實(shí)現(xiàn)

1）接收短信處理。

①M(fèi)MI task注冊(cè)接收短信的處理函數(shù)；

②接收短信產(chǎn)生中斷，激活CPU core，且修改相應(yīng)的寄存器；

③低級(jí)中斷激活高級(jí)中斷，高級(jí)中斷產(chǎn)生event；

④messageRcv task 等待事件，收到event，讀取寄存器，確認(rèn)收到短信，發(fā)送message 到 MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊(cè)的該接收短信的處理函數(shù)，執(zhí)行以下相應(yīng)的動(dòng)作：檢查短信內(nèi)容，確認(rèn)是否合法短信，如不是，則刪除該短信并退出短信接收操作；如是合法短信，則根據(jù)短信內(nèi)容，控制某個(gè)GPIO點(diǎn)亮紅色LED燈，維持3 s，并檢查感應(yīng)寄存器是否被置位，是否需要？最后，刪除該短信，同時(shí)啟動(dòng)電源管理處理函數(shù)。

2）開(kāi)機(jī)。

①M(fèi)MI task注冊(cè)開(kāi)機(jī)處理函數(shù)；

②開(kāi)機(jī)后（實(shí)際上是通過(guò)監(jiān)測(cè)特定GPIO產(chǎn)生的中斷喚醒sleep狀態(tài)的CPU），檢查相應(yīng)的GPIO寄存器確認(rèn)為開(kāi)機(jī)動(dòng)作；

③低級(jí)中斷激活高級(jí)中斷，高級(jí)中斷產(chǎn)生event；

④open card task等待事件，收到event，發(fā)送message到MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊(cè)的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作——啟動(dòng)電源管理處理函數(shù)，啟動(dòng)待機(jī)處理函數(shù)。

3）待機(jī)。

①M(fèi)MI task注冊(cè)待機(jī)處理函數(shù)；

②檢查相應(yīng)的GSM通信寄存器，確認(rèn)為待機(jī)成功；

③低級(jí)中斷激活高級(jí)中斷，高級(jí)中斷產(chǎn)生event；

④standby task 等待事件，收到event，發(fā)送message 到 MMI task；

⑤MMI framework 找到MMI注冊(cè)的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作——啟動(dòng)點(diǎn)管理函數(shù)，輪詢檢查寄存器，確認(rèn)同基站的聯(lián)系狀態(tài)。

4）電源管理。

①M(fèi)MI task注冊(cè)電源管理函數(shù)；

②系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后、關(guān)機(jī)前以及充電狀態(tài)下，收發(fā)短信時(shí)，產(chǎn)生event；

③PMU task 等待事件，收到event，發(fā)送message 到 MMI task；

④MMI framework 找到MMI注冊(cè)的處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作：檢查電池電量，檢查系統(tǒng)（包括CPU內(nèi)部）電源狀況，根據(jù)event類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

關(guān)機(jī)前，event同時(shí)計(jì)算從開(kāi)始進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)的電池電量到結(jié)束待機(jī)狀態(tài)的電池電量，除以對(duì)應(yīng)的時(shí)間，如果大于某個(gè)特定的值則表示電池需要更換，然后控制GPIO，使紅燈常亮；如果小于特定的值但電池電量低于50%，則閃爍紅色LED提醒充電，否則關(guān)閉除CPU內(nèi)核外的其它電源供應(yīng)。

開(kāi)機(jī)后，event則確認(rèn)電量是否大于50%電池容量，如大于5%，則紀(jì)錄電池電量并點(diǎn)亮綠色LED，維持3 s，退出處理進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)；如小于50%，則控制某個(gè)GPIO點(diǎn)亮紅色LED燈，維持3 s，表示需要充電。

如需充電，event則判斷剩余電量是否小于70%，小于70%開(kāi)始充電，并常亮紅色燈表示開(kāi)始充電；剩余電量大于70%或充電滿，則常亮綠色燈，表示充電結(jié)束。

待機(jī)時(shí)，event打開(kāi)CPU和pSRAM電源，打開(kāi)MT8139和RF天線處于接收信號(hào)狀態(tài)，收到基站信號(hào)則閃爍綠燈（每5 s亮200 ms），關(guān)閉其他不必要的電源供應(yīng)。

按鍵event，則打開(kāi)CPU和pSRAM電源，打開(kāi)MT8139和RF天線，處于發(fā)送信號(hào)狀態(tài)。

3.3.2系統(tǒng)工作原理

OBU隨對(duì)應(yīng)車輛進(jìn)出ETC通道時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常的開(kāi)關(guān)機(jī)激活流程①，并完成標(biāo)準(zhǔn)的ETC數(shù)據(jù)交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)站激活通信模塊，出站關(guān)閉通信模塊。若RSU與智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路②通訊正常，在激活或者關(guān)閉通信模塊的過(guò)程中，不需要短消息網(wǎng)關(guān)③④⑤的參與；若RSU與智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路②斷開(kāi)，通信模塊則通過(guò)預(yù)定義短消息⑤④③告知智能交通系統(tǒng)是否已進(jìn)站或者出站，以便實(shí)現(xiàn)后臺(tái)的同步監(jiān)控。

將5個(gè)FOBU終端分別裝車，在高速公路相關(guān)單位的支持與配合下，有針對(duì)性地選擇傳統(tǒng)收費(fèi)車道和現(xiàn)有ETC車道進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：按原有收費(fèi)方式測(cè)試，刷卡正常；按現(xiàn)有ETC方式測(cè)試，抬桿正常，路徑識(shí)別正常，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能。

長(zhǎng)/msFOBU01正常40非二義性—正常260FOBU02正常30二義性正常正常380FOBU03正常40二義性正常正常390FOBU04正常40二義性正常正常405FOBU05正常50二義性正常正常400

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙祎.RFID在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J]. 科技信息. 2010(25)

[2] 牛翔.淺談高速公路自動(dòng)化收費(fèi)系統(tǒng)[J]. 廣東科技. 2007(08)