四川ETC車道優(yōu)化技術(shù)研究

黃興中

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.196

摘 要：四川省高速公路ETC專用車道系統(tǒng)自隨著用戶量的逐漸擴(kuò)大，車輛在ETC專用車道不能正常通過的情況時(shí)有發(fā)生，個(gè)別ETC專用車道出現(xiàn)通過緩慢甚至擁堵的現(xiàn)象，使用戶在專用車道體驗(yàn)不佳。該文對所述問題分析考慮，從車道整體設(shè)計(jì)著手采取措施，在不改變現(xiàn)有ETC專用車道欄桿前置布局的情況下，制定出車道改動(dòng)較小、優(yōu)化成本低，能有效解決鄰道、跟車問題的ETC專用車道優(yōu)化技術(shù)方案，達(dá)到提高過車速度和過車成功率的目的。文章通過闡述研究的過程和研究的內(nèi)容，提出在原有車道布局方案基本不變，通過采用相控陣天線，提升關(guān)鍵設(shè)備性能以及優(yōu)化軟件處理邏輯的方式可以提高過車速度，提高交易成功率、較好地解決跟車干擾和鄰道干擾的問題，從而提高整個(gè)ETC專用車道的過車體驗(yàn)度。

關(guān)鍵詞：ETC專用車道 RSU車道布局欄桿機(jī) 技術(shù)研究

中圖分類號：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0196-03

四川省高速公路ETC（Electronic Toll Collection，電子不停車收費(fèi)）專用車道系統(tǒng)自2014年10月投入使用以來，至今已建ETC專用車道1005條，發(fā)展用戶約160萬。隨著ETC專用車道的投入使用和用戶量的逐漸擴(kuò)大，車輛在ETC專用車道不能正常通過的情況時(shí)有發(fā)生，個(gè)別ETC專用車道出現(xiàn)通過緩慢甚至擁堵的現(xiàn)象，這不僅對收費(fèi)站的運(yùn)營和管理帶來不便，也使用戶在專用車道體驗(yàn)不佳。如果不能有效提高ETC專用車道的過車體驗(yàn)度，將嚴(yán)重制約ETC用戶規(guī)模的擴(kuò)張和整體運(yùn)營效果。因此，如何提高ETC專用車道過車體驗(yàn)度已經(jīng)成為四川省交通主管部門和高速公路運(yùn)營單位關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 問題分析

作者調(diào)查收集了該省營運(yùn)公司及全國其他省份的ETC專用車道的使用情況，并對四川省高速公路ETC專用車道的布局技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了認(rèn)真分析。車輛由ETC專用車道經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)，由于各種故障導(dǎo)致車輛和車道系統(tǒng)交易緩慢甚至交易失敗，此時(shí)車輛不能正常通過收費(fèi)站，必須采取人工干預(yù)、倒車、重復(fù)交易、轉(zhuǎn)入MTC車道通行等措施，因此影響了ETC專用車道的過車體驗(yàn)度。

但究其根本原因，影響ETC專用車道過車體驗(yàn)度的主要因素有：車道設(shè)計(jì)不合理、用戶使用不合理、專用車道設(shè)備故障或RSU設(shè)備老化、鄰道干擾、跟車干擾等。

1.1 車道設(shè)計(jì)

ETC車道的土建基礎(chǔ)和設(shè)備眾多，其中最為關(guān)鍵的是線圈、欄桿和天線的布局。這三者之間最佳的布局關(guān)系是要保證車輛在觸發(fā)線圈（車輛進(jìn)入通訊區(qū)域）、天線交易、欄桿抬起、車輛離開等整個(gè)過車過程中保持平穩(wěn)順暢行駛，并且能夠保持一定的車速。

四川現(xiàn)有ETC專用車道布局標(biāo)準(zhǔn)：

車道采用欄桿前置方案；

車道采用了4 線圈布局；

穩(wěn)定通信區(qū)域?yàn)? m；

ETC平均交易時(shí)間為0.4 s；

欄桿機(jī)抬桿時(shí)間約0.7 s；

最快過車速度小于30 km/h；

現(xiàn)有ETC專用車道存在技術(shù)問題如下：

欄桿機(jī)距離天線立柱只有6.5 m，且現(xiàn)有欄桿機(jī)抬桿時(shí)間為0.7 s，車輛正常完成交易發(fā)出抬桿指令時(shí)，車輛到欄桿機(jī)的距離僅為10 m，因此過車速度較慢，容易出現(xiàn)用戶踩剎車減速現(xiàn)象。

ETC專用車道天線的通信區(qū)域?yàn)? m，對于個(gè)別OBU安裝位置不合理或信號衰減較大的車輛容易出現(xiàn)交易不成功的情況。

費(fèi)用顯示器布局靠前，用戶無法方便查看費(fèi)用顯示器信息，導(dǎo)致過車速度減慢，存在一定安全隱患。

1.2 RSU設(shè)備

車道上關(guān)鍵設(shè)備長期暴露在室外，在高溫、雨雪等特殊天氣，設(shè)備性能受環(huán)境變化影響會(huì)有所降低，這會(huì)影響到ETC專用車道通過率。此外，天線在受到大風(fēng)影響或過往車輛震動(dòng)影響時(shí)，其安裝角度會(huì)有細(xì)微變化，經(jīng)過相當(dāng)長一段時(shí)期使用后，天線角度的偏差越來越大，使交易區(qū)漂移，由此影響交易成功率和車道通過率。

1.3 用戶方面

用戶在進(jìn)入ETC專用車道時(shí)，沒有預(yù)先降低車速，在交易區(qū)以較高速度行駛，導(dǎo)致車輛OBU和天線交易失敗。此外，非ETC用戶誤入專用車道、一車多簽、OBU安裝不合理等因素也會(huì)降低車道通過率。

2 解決方案

提升ETC專用車道過車體驗(yàn)度，應(yīng)該從上文所述問題分析考慮，從車道整體設(shè)計(jì)著手采取措施，在不改變現(xiàn)有ETC專用車道欄桿前置布局的情況下，制定出車道改動(dòng)較小、優(yōu)化成本低，能有效解決鄰道、跟車問題的ETC專用車道優(yōu)化技術(shù)方案，達(dá)到提高過車速度和過車成功率的目的。比如提高關(guān)鍵設(shè)備硬件指標(biāo)、優(yōu)化天線布局模式、優(yōu)化車道軟件系統(tǒng)、對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化交通設(shè)施布局等，通過這些方法可以有效提升ETC專用車道過車體驗(yàn)度。

2.1 優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備硬件指標(biāo)

正如上文1.1中所描述，欄桿機(jī)抬桿速度是影響過車速度的一個(gè)重要因素。我省現(xiàn)普遍采用抬桿速度為0.7 s的單臂高速欄桿機(jī)，通過考察研究，建議采用抬桿速度為0.3 s的雙臂對開欄桿機(jī)，縮短抬桿時(shí)間。

2.2 優(yōu)化天線布局模式

天線通信區(qū)域大小及穩(wěn)定性是ETC過車速度和交易成功率的關(guān)鍵因素。由于當(dāng)前RSU技術(shù)所限，最佳通訊區(qū)域在6.5 m×3.0 m左右，它綜合兼顧了通車速度、交易成功率、跟車干擾和鄰道干擾，但由于天線通訊區(qū)域邊緣信號弱、載噪比和信噪比變差，當(dāng)車輛上的OBU處于天線信號邊緣時(shí)誤碼率將明顯升高。

當(dāng)通車速度超過40 km/h時(shí)，交易尚未完成車輛上的OBU已處于通訊區(qū)域邊緣，通訊區(qū)域邊緣信號較弱，載噪比C/N會(huì)降到10 dB以下，誤碼率已大于1.0E-4，所以交易成功率將明顯降低。結(jié)算中心嘗試采用三種方式優(yōu)化天線通信區(qū)域。第一，擴(kuò)大現(xiàn)有天線通信區(qū)域；第二，引入雙天線布局模式；第三，引入相控陣天線布局模式。

2.2.1 擴(kuò)大現(xiàn)有天線通信區(qū)域

將現(xiàn)有天線通信區(qū)域擴(kuò)大至12 m，增大通信區(qū)域，提高過車速度。

通訊區(qū)域長度達(dá)到12 m時(shí)，橫向?qū)挾葘⒋笥?.3 m，理論上過車速度和交易成功率將有所改善，但通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，過車速度有所提升，交易成功率沒有明顯改善，且跟車干擾將明顯增加，通訊區(qū)域?qū)挾却笥?.3 m時(shí)鄰道干擾將明顯增加。

2.2.2 引入雙天線布局模式

由于提高單天線通訊區(qū)域雖然可以解決過車速度問題，但使得鄰道干擾和跟車干擾問題更加嚴(yán)重，為了兼顧解決這幾個(gè)問題，引入了雙天線布局模式。這種布局構(gòu)成兩組通訊區(qū)域：一個(gè)遠(yuǎn)端通訊區(qū)（A區(qū)）和一個(gè)近端通信區(qū)（B區(qū)）。遠(yuǎn)端通信區(qū)通訊范圍較大，近端通信區(qū)通信范圍相對較小，僅可容納一輛車，且設(shè)于欄桿前附近。整個(gè)通訊區(qū)域前沿距車道欄桿機(jī)位置≥18 m。

雙天線通訊區(qū)域技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

車輛通行速度得到保證。雙通訊區(qū)域通訊區(qū)前沿距車道欄桿較遠(yuǎn)，駕駛員可在車道上游位置實(shí)現(xiàn)響應(yīng)甚至完成交易，通行環(huán)境優(yōu)越，有助于車速提高，使車輛最大安全通行速度可達(dá)35 km/h。

可通訊區(qū)域范圍更大。為車輛提供更為充足的交易區(qū)間，欄桿前也不存在通訊盲區(qū)，有利于車輛交易成功率提升。

兩組可獨(dú)立運(yùn)作天線大大提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。當(dāng)某一組車道天線產(chǎn)生故障時(shí)，另一組車道天線仍可對來車?yán)^續(xù)進(jìn)行處理，大大提高了系統(tǒng)對天線設(shè)備故障的容錯(cuò)能力。

雖然雙天線布局模式具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但通過實(shí)驗(yàn)及外省實(shí)際使用情況來看，還是存在以下問題：

雙天線通訊區(qū)域雖然可以達(dá)到18 m以上，但是通過兩條獨(dú)立的天線完成，并沒有擴(kuò)大單一天線的交易區(qū)域，只是通過V型立柱使前區(qū)的通訊區(qū)域更靠前。在單車或多車正常交易情況下能提高交易速度，但在連續(xù)過車時(shí)，車輛在前端通信區(qū)域交易未成功，切換至后端天線通信區(qū)域交易時(shí)，會(huì)降低過車速度。實(shí)驗(yàn)表明，在多車情況下對車道過車通行效率未有明顯提高。

雙天線ETC專用車道存在兩個(gè)通訊區(qū)域，即車輛通過時(shí)可以有兩次交易機(jī)會(huì)，從而提高了ETC車輛交易通過成功率。但系統(tǒng)需要控制車道的兩臺天線協(xié)同工作，協(xié)調(diào)邏輯較為復(fù)雜，增加了系統(tǒng)內(nèi)在錯(cuò)誤存在的可能性。

雙天線所采用的還是現(xiàn)在使用的普通天線，此天線所存在的技術(shù)缺陷在上文中已經(jīng)詳細(xì)描述，因此雙天線方案不能有效解決鄰道干擾和跟車干擾問題。

雙天線布局方案改造難度較大，需要更換天線立柱，且對收費(fèi)廣場要求更高，還需增加車道設(shè)備，使得建設(shè)造價(jià)、工程量和維護(hù)成本都有較大增長。

2.2.3 引入相控陣天線布局模式

相控陣天線通訊區(qū)域通過相控陣天線具有波束電子掃描的功能，對相控陣天線的波束方向調(diào)整，以達(dá)到對未完成交易車輛的跟蹤與定位。相控陣天線將天線信號形成掃描波束，3.3 m×6 m的通訊區(qū)域可動(dòng)態(tài)覆蓋25 m長的車道，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)長距離連續(xù)通訊，從而消除跟車干擾，同時(shí)可以通過定位實(shí)時(shí)獲得未完成交易車輛的位置，確定有效交易區(qū)域，防止鄰道干擾。

相控陣通訊區(qū)域技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

車輛通行速度得到保證。相控陣通訊區(qū)域前沿距車道欄桿最遠(yuǎn)可以達(dá)到30 m，為了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，通過軟件設(shè)置最大允許交易區(qū)域在21 m處，駕駛員可在車道上游位置實(shí)現(xiàn)響應(yīng)甚至完成交易，通行環(huán)境優(yōu)越，有助于車速的提高，使車輛最大安全通行速度可達(dá)45 km/h。

可通訊區(qū)域范圍更大。為車輛提供更為充足的交易區(qū)間，相控陣天線的波束方向調(diào)整跟蹤有利于車輛交易成功率提升。

通過相控陣天線的跟蹤定位功能可以有效解決跟車干擾和鄰道干擾問題。

2.3 優(yōu)化車道軟件系統(tǒng)

車道軟件系統(tǒng)是ETC專用車道過車穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵保證，車道軟件邏輯的嚴(yán)密性是過車可靠性的保障，但是如上文2.1所述，現(xiàn)有ETC專用車道交易時(shí)間為0.4s，同時(shí)存在不能刪除干擾車輛等車道軟件邏輯問題。針對現(xiàn)有ETC專用車道軟件系統(tǒng)問題，項(xiàng)目組從交易時(shí)間和車道邏輯兩個(gè)方面對其進(jìn)行了優(yōu)化處理。

2.3.1 交易時(shí)間

車道軟件交易時(shí)間優(yōu)化主要是優(yōu)化整個(gè)ETC專用車道交易流程，優(yōu)化車道軟件與天線通信處理流程，優(yōu)化車道軟件中的線程管理流程，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，從而達(dá)到縮短交易時(shí)間的目的。

2.3.2 車道邏輯

四川原有ETC專用車道為4線圈布局，1線圈為前觸發(fā)線圈，2線圈為后觸發(fā)線圈，3線圈為抓拍線圈，4線圈為落桿線圈。對此，項(xiàng)目組考慮增加3個(gè)線圈，采用建立車輛隊(duì)列和交易隊(duì)列的方式來處理過車邏輯，提高車輛通過成功率。

根據(jù)線圈布局，將5個(gè)線圈分為3個(gè)區(qū)域（線圈數(shù)從左到右）：

區(qū)域1：由觸發(fā)線圈1、觸發(fā)線圈2組成，用于統(tǒng)計(jì)過車計(jì)數(shù)，標(biāo)記車輛進(jìn)入交易區(qū)域及車輛位置。

區(qū)域2：由觸發(fā)線圈3組成，用于標(biāo)記車輛位置，及抓拍車輛圖片。

區(qū)域3：由觸發(fā)線圈4和觸發(fā)線圈5組成，用于統(tǒng)計(jì)過車計(jì)數(shù)，標(biāo)記車輛離開交易區(qū)域。

詳細(xì)參照圖5線圈布局圖。

三個(gè)區(qū)域中任一線圈被觸發(fā)，則認(rèn)為該區(qū)域有車（以1來表示有車，0來表示無車），區(qū)域車輛過車計(jì)數(shù)如下：

區(qū)域1線圈過車計(jì)數(shù)：線圈1狀態(tài)[1]&&線圈2狀態(tài)[0]→[1]時(shí)+1；

區(qū)域3線圈過車計(jì)數(shù)：線圈4狀態(tài)[1]&&線圈5狀態(tài)[0]→[1]時(shí)+1；

當(dāng)天線檢測到車輛上的OBU設(shè)備時(shí)既向隊(duì)列內(nèi)推送一輛ETC車輛，車道軟件系統(tǒng)根據(jù)隊(duì)列長度、區(qū)域1線圈過車計(jì)數(shù)、區(qū)域3線圈過車計(jì)數(shù)和線圈狀態(tài)結(jié)合來判斷OBU位置是否合法，是否需要推送干擾車進(jìn)入隊(duì)列。

詳細(xì)車道邏輯如下：

天線檢測到OBU信息（B2幀），向車輛隊(duì)列推送一輛ETC車輛（坐標(biāo)、交易狀態(tài)、收到D0時(shí)的線圈狀態(tài)、OBU信息）。

判斷OBU坐標(biāo)合法性，如果OBU坐標(biāo)非法，向車輛隊(duì)列推送ETC車輛時(shí)先推送一輛干擾車。

判斷車輛隊(duì)列中最后一輛車交易狀態(tài)是否異常，如果異常，后續(xù)車輛停止交易，返回第1步；如果隊(duì)列為空或狀態(tài)正常繼續(xù)交易。

非法ETC車輛中“未插卡”、“非法拆卸”等情況可以通過刷卡完成交易，干擾車輛之后的ETC車輛通過人工刷卡完成交易。

抬桿放行，當(dāng)隊(duì)列內(nèi)為空或首輛車的交易狀態(tài)異常時(shí)落桿。

2.4 對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控

可以考慮在全省范圍內(nèi)建設(shè)一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，對ETC專用車道關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在車道發(fā)生異常狀況時(shí)能及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，更重要的是系統(tǒng)能記錄異常狀況及其發(fā)生的原因，并能夠?qū)Ξ惓顩r的發(fā)生進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

當(dāng)某特定車道較頻繁發(fā)生異常情況時(shí)，可以初步判斷該車道存在某種潛在故障。特別是關(guān)鍵設(shè)備性能相較設(shè)計(jì)指標(biāo)有所偏差（例如可能是天線交易區(qū)漂移，異常天氣使設(shè)備性能降低等），此時(shí)可以主動(dòng)檢查關(guān)鍵設(shè)備并進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，保證系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備性能優(yōu)良，從而提升ETC專用車道車輛通過率。

當(dāng)某特定用戶較為頻繁出現(xiàn)通行故障時(shí)，可以初步判斷該用戶OBU及非現(xiàn)金支付卡可能出現(xiàn)潛在故障（如OBU電量低，或非現(xiàn)金支付卡未插好等），運(yùn)營單位可以對該用戶進(jìn)行主動(dòng)式客戶服務(wù)，以提高用戶在ETC專用車道的通過率。

2.5 合理布置交通設(shè)施

設(shè)置彩色路面防滑標(biāo)識。在現(xiàn)有國標(biāo)規(guī)范所要求設(shè)置的標(biāo)識基礎(chǔ)上，增加彩色路面防滑標(biāo)識。該方法可以提升ETC專用車道通道感，降低非ETC用戶誤入ETC專用車道的概率，由此提高通過效率。同時(shí)，該方法還具有車道誘導(dǎo)更直觀、路面更防滑等安全特點(diǎn)。

設(shè)置反光導(dǎo)引路標(biāo)。在光線不足的通行條件下（如夜間），反光導(dǎo)引路標(biāo)同樣起到提升通道感的作用，有效避免非ETC用戶誤入ETC車道的現(xiàn)象，同時(shí)這也是加強(qiáng)車道行駛安全防范措施之一。

調(diào)整費(fèi)顯位置。將原有費(fèi)用顯示器調(diào)整到欄桿機(jī)前1m出，同時(shí)調(diào)整費(fèi)用顯示器字符大小和亮度。該方式可以方便ETC專用車道用戶查看消費(fèi)情況，避免ETC專用車道用戶因?yàn)椴榭促M(fèi)用顯示器而主觀減速，由此提高通過效率。

3 方案驗(yàn)證及結(jié)論

3.1 方案驗(yàn)證說明

作者提出了三種布局解決方案，并分別進(jìn)行了車道改造及實(shí)車測試，在此基礎(chǔ)上對三種方案進(jìn)行了對比。方案一，不改變原有車道布局，增大原有天線通信區(qū)域；方案二，采用雙天線布局方式；方案三，采用相控陣天線布局方式。

通過比較，方案一可以有效提高ETC專用車道車輛通行速度，但存在交易成功率下降等諸多問題；方案二，可以提高ETC專用車道車輛通行速度和通行成功率，但軟件處理邏輯復(fù)雜，軟件修改工作量大，調(diào)試難度較大，且不能有效解決跟車和鄰道干擾問題；方案三，可以提高ETC專用車道車輛通行速度和通行成功率，同時(shí)能夠較好解決跟車和鄰道干擾問題，改造難度比方案二小，但投資較高。

3.2 結(jié)論

終上所述，在原有車道布局方案基本不變，通過采用相控陣天線，提升關(guān)鍵設(shè)備性能以及優(yōu)化軟件處理邏輯的方式可以提高過車速度，提高交易成功率、較好的解決跟車干擾和鄰道干擾的問題，從而提高整個(gè)ETC專用車道的過車體驗(yàn)度。