基于紅外光柵及相控陣定位技術(shù)的ETC車道系統(tǒng)

□ 文/邱曉東　鄭　文

作者單位：上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司

本文總結(jié)分析了上海市現(xiàn)有ETC車道系統(tǒng)的不足之處，并根據(jù)相控陣智能定位天線性能特征，在保留現(xiàn)有系統(tǒng)優(yōu)勢的前提下，合理改造了ETC車道布局，優(yōu)化了車道軟件邏輯，有效解決了跟車干擾、臨道道干擾等問題，大大簡化的車道系統(tǒng)主要設(shè)備組成，降低了系統(tǒng)故障率，并進(jìn)一步提升了交易成功率。

概述

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，已成為提高高速公路管理的科技含量和通行效率的重要手段，它能夠最大限度地緩解收費(fèi)站的交通瓶頸，避免因收費(fèi)效率低而引起的交通堵塞和車輛延誤，達(dá)到了高速公路通行快速、便捷的目的。

上海市高速公路ETC系統(tǒng)自2008年初開始建設(shè)，歷經(jīng)一、二、三期工程，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速公路收費(fèi)斷面的ETC全覆蓋，全市開通運(yùn)行的ETC車道超過310根；截止到2017年10月，上海市已發(fā)展ETC用戶逾100萬，ETC日均流量達(dá)38.5萬輛次，約占整個(gè)高速公路網(wǎng)總流量的35%，極大地緩解了高速公路道口擁堵現(xiàn)象。

現(xiàn)有上海市高速公路ETC車道系統(tǒng)設(shè)計(jì)于2012年，其具有車輛通行速度較快（主線車道不低于40Km/h，匝道車道不低于30Km/h）、一定程度上解決了跟車干擾等優(yōu)點(diǎn)；但是，隨著ETC用戶及交易數(shù)量的不斷增長，ETC車道的使用率不斷提高以及新出現(xiàn)的應(yīng)用需求，這些車道系統(tǒng)的問題逐步顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，故障排查耗時(shí)較長、不能徹底杜絕跟車干擾問題、天線通信區(qū)域較短，無法進(jìn)一步提升交易成功率、不能滿足三根及以上同方向車道并排布設(shè)應(yīng)用需求等多個(gè)方面。

為了解決這些問題，準(zhǔn)備引入相控陣天線取代普通天線，減少車道硬件，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，并重新調(diào)整車道布設(shè)及軟件流程，解決現(xiàn)有車道系統(tǒng)的不足，同時(shí)，滿足新增的應(yīng)用需求。

本文從現(xiàn)有ETC專用車道系統(tǒng)存在的不足、改進(jìn)措施、ETC專用車道系統(tǒng)原理等多個(gè)方面闡述了基于相控陣天線的ETC專用車道系統(tǒng)。

現(xiàn)有ETC專用車道系統(tǒng)存在的不足

現(xiàn)有上海市高速公路ETC車道系統(tǒng)設(shè)計(jì)于2012年，分為欄桿前置和欄桿后置兩種模式：所謂“欄桿前置”，是指與相鄰的MTC車道相比，電動(dòng)欄桿被移到原MTC車道島頭的位置，并在欄桿附近設(shè)置收費(fèi)亭，所謂“欄桿后置”，是指將欄桿設(shè)置在收費(fèi)車道的中后端，與原MTC車道一致，不設(shè)與相鄰MTC車道之間連接道，收費(fèi)亭設(shè)置也與原MTC車道一致。（車道布設(shè)方案如圖1所示）

▲圖1

其具有車輛通行速度較快（主線車道不低于40Km/h，匝道車道不低于30Km/h）、一定程度上解決了跟車干擾等優(yōu)點(diǎn)；但是，隨著ETC用戶及交易數(shù)量的不斷增長，ETC車道的使用率不斷提高以及新出現(xiàn)的應(yīng)用需求，這些車道系統(tǒng)的問題逐步顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，故障排查耗時(shí)較長、不能徹底杜絕跟車干擾問題、天線通信區(qū)域較短，無法進(jìn)一步提升交易成功率、不能滿足三根及以上同方向車道并排布設(shè)應(yīng)用需求等多個(gè)方面，下文詳細(xì)闡述了造成這些問題的原因。

車道系統(tǒng)構(gòu)成過于復(fù)雜

現(xiàn)有的ETC專用車道系統(tǒng)設(shè)計(jì)于2012年，為了解決跟車干擾問題，并克服地感線圈無法正確區(qū)分車輛的技術(shù)難題，引入了紅外光柵車輛分離器，通過電子標(biāo)簽的喚醒與車輛到達(dá)紅外光柵的前后時(shí)序，并結(jié)合天線通信區(qū)域、車輛行駛方向等因素，盡可能降低跟車干擾對車道交易流程的影響。

受適時(shí)技術(shù)條件所限，該車道系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三對光柵、六對光開圈，隨著設(shè)備老化，故障率逐漸增加，且由于設(shè)備眾多，給故障排查、定位增加了困難，即影響了車道的正常使用，也無形中增加了車道日常維護(hù)的成本。

未徹底杜絕跟車干擾問題

現(xiàn)有的ETC專用車道系統(tǒng)是通過天線與車載電子標(biāo)簽通信，從而喚醒電子標(biāo)簽完成ETC交易；通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區(qū)分車輛，形成車輛的通行順序隊(duì)列；車道軟件將根據(jù)電子標(biāo)簽的喚醒時(shí)序、交易完成時(shí)序、交易完成情況等，確定電子標(biāo)簽在通信區(qū)域中的位置，與車輛通行順序隊(duì)列相結(jié)合并一一匹配，從而形成整體車輛隊(duì)列，并根據(jù)此隊(duì)列控制欄桿機(jī)的抬桿、落桿、放行、攔截車輛。

隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，RSU天線在使用過程中由于器件老化、工藝、安裝位置變化等原因，其射頻質(zhì)量逐步下降，天線交易區(qū)域、功率等與建成時(shí)有所變化，造成車道軟件匹配形成車輛隊(duì)列錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)跟車干擾問題，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)欄桿落桿砸車。

無法進(jìn)一步提升交易成功率

通過對交易失敗原因的統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)有較大一部分OBU，其交易失敗的原因是由于設(shè)備老化或者前擋風(fēng)玻璃對微波信號阻隔較大，造成喚醒較晚或不喚醒，導(dǎo)致交易時(shí)間不夠或者不交易。通過統(tǒng)計(jì)分析，如果能夠解決這一問題，車道交易成功率可以超過99.8%。

現(xiàn)有ETC專用車道系統(tǒng)在，在交易流程及系統(tǒng)控制方面，已經(jīng)做了最大程度的優(yōu)化，如果想進(jìn)一步提升交易成功率，必須增長天線通信區(qū)域，并且集中天線功率。但是，為了適應(yīng)應(yīng)用、管理等需求，并綜合考慮相關(guān)技術(shù)因素，現(xiàn)有的ETC專用車道系統(tǒng)天線通信區(qū)域長度設(shè)定為6米，無法滿足此應(yīng)用需求。

無法滿足三車道及以上并排布設(shè)需求

現(xiàn)有的ETC專用車道系統(tǒng)受技術(shù)條件所限，僅僅能夠支持兩車道并排布設(shè)應(yīng)用，無法支持三車道及以上并排布設(shè)應(yīng)用。隨著ETC用戶的增加，多車道并排布設(shè)在提高車道利用率、提升車輛通行效率方面的優(yōu)勢明顯，必須能夠支持。

新一代ETC專用車道系統(tǒng)

相控陣天線技術(shù)的應(yīng)用可行性

相控陣天線是目前移動(dòng)通信系統(tǒng)中最重要的一種天線形式，由三個(gè)部分組成：天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制器?；驹硎俏⑻幚砥鹘邮盏桨ㄐ欧较虻目刂菩畔⒑螅鶕?jù)控制軟件提供的算法計(jì)算出各個(gè)鑒相器的相位量，然后通過天線控制器來控制饋電網(wǎng)絡(luò)完成移相過程。

相控陣天線發(fā)送有效信號喚醒OBU并接收到OBU回復(fù)有效信號后，最終經(jīng)過電路過濾，軟件編碼整合優(yōu)化，將鑒相支路所獲得的信號進(jìn)行多次的信號糾正整合，獲得各個(gè)支路的相位差，再經(jīng)過FPGA一系列的復(fù)雜算法轉(zhuǎn)換成空間二維坐標(biāo)系統(tǒng)，從而獲得OBU反射回來的信號的二維坐標(biāo)值。其車行方向定位精度小于1米，縱向定位精度小于0.5米。

通過以上原理分析，利用相控陣天線的定位技術(shù)，代替現(xiàn)有根據(jù)電子標(biāo)簽的喚醒時(shí)序、交易完成時(shí)序、交易完成情況等，確定電子標(biāo)簽在通信區(qū)域中的位置的方法，解決由于天線在使用過程中由于器件老化、工藝、安裝位置變化等原因，造成位置判斷錯(cuò)誤的問題，并且可以進(jìn)一步加長天線通信區(qū)域，解決臨道干擾，支持三車道及以上并排布設(shè)應(yīng)用需求。

系統(tǒng)方案

綜合上文所述，在保留現(xiàn)有車道的系統(tǒng)優(yōu)勢如：能夠正確判斷車行方向、能夠精確分離車輛等的基礎(chǔ)上，重新調(diào)整系統(tǒng)硬件架構(gòu)、軟件流程、車道布設(shè)方式，研發(fā)了新一代基于紅外光柵及相控陣定位技術(shù)的ETC車道系統(tǒng).（布設(shè)如圖2所示）

新一代ETC專用車道系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有ETC專用車道系統(tǒng)的存在的不足之處：

▲圖2

■簡化了ETC車道系統(tǒng)的架構(gòu)

新一代ETC專用車道系統(tǒng)，在維持現(xiàn)有車道系統(tǒng)功能需求不變，技術(shù)指標(biāo)不降低的前提下，將車道系統(tǒng)主要硬件設(shè)備由原先的三對光柵、六對光開圈，調(diào)整為兩對光柵、兩對光開，主要設(shè)備組成大大簡化，降低了系統(tǒng)故障率，更利于故障排查和故障定位，降低了車道日常維護(hù)的成本。

■解決了跟車干擾問題

由于考慮到軟件流程的知識產(chǎn)權(quán)問題，在此并不能將具體的處理流程全部展現(xiàn)出來，只對基本原理進(jìn)行簡單介紹。

新一代ETC專用車道系統(tǒng)，在解決跟車干擾問題時(shí)，主要是利用紅外車輛分離器對進(jìn)入通信區(qū)域的車輛進(jìn)行精確計(jì)數(shù)，利用相控陣天線的定位技術(shù)電子標(biāo)簽在通信區(qū)域中的位置，將兩者相互匹配并與車輛通行順序隊(duì)列相結(jié)合，從而形成整體車輛隊(duì)列，并根據(jù)此隊(duì)列控制欄桿機(jī)的抬桿、落桿、放行、攔截車輛，從而杜絕了跟車干擾現(xiàn)象。

■進(jìn)一步提升了交易成功率

新一代ETC專用車道系統(tǒng)將天線通信區(qū)域由原先的6米加長為8米，給車輛更多的交易時(shí)間。并且，本車道所采用的相控陣天線有遠(yuǎn)、中、近三個(gè)區(qū)域，車道系統(tǒng)會根據(jù)車輛位置自動(dòng)切換，近區(qū)域是功率和場強(qiáng)最集中的區(qū)域，提高了微波信號的穿透性，通過統(tǒng)計(jì)分析，在去除人為原因及OBU故障后，該車道系統(tǒng)的交易成功率可以達(dá)到99.85%。

■實(shí)現(xiàn)了三車道及以上并排布設(shè)需求

利用相控陣天線的定位功能，動(dòng)態(tài)設(shè)置通信區(qū)域，非本車道通信區(qū)域的均可設(shè)置為鄰道。利用智能定位技術(shù)可以直接將鄰道的OBU干擾信號排除，只與本車道OBU進(jìn)行正常交互，從而解決了臨道干擾問題，實(shí)現(xiàn)了三車道及以上并排布設(shè)需求。