公路聯(lián)網(wǎng)ETC系統(tǒng)OBU設(shè)備檢測方法分析

摘要 隨著科技的日新月異，公路聯(lián)網(wǎng)ETC系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代交通管理的重要組成部分。ETC系統(tǒng)通過電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛的高速公路不停車?yán)U費(fèi)，極大地提高了道路通行效率，緩解了交通擁堵問題。文章首先闡述了公路聯(lián)網(wǎng)ETC系統(tǒng)OBU設(shè)備的檢測設(shè)備要求及OBU設(shè)備的技術(shù)要求，并系統(tǒng)地介紹了OBU的測試方法，通過對現(xiàn)有方法的分析，探討其特性，以期為相關(guān)技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 公路聯(lián)網(wǎng)；ETC系統(tǒng)；OBU設(shè)備；檢測方法

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0010-03

0 引言

隨著ETC（Electronic Toll Collection Device，電子收費(fèi)裝置）系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，OBU（On Board Unit，車載單元）設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，如設(shè)備脫落、交易失敗等問題，這些問題不僅影響了ETC系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也給車主帶來了諸多不便。如何確保OBU設(shè)備的正常運(yùn)行，成為亟待解決的問題[1]。該文旨在分析公路聯(lián)網(wǎng)ETC系統(tǒng)OBU設(shè)備的檢測方法，以期為ETC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障，為ETC系統(tǒng)的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 檢測設(shè)備要求

1.1 通用測試儀器

（1）發(fā)射端技術(shù)規(guī)格：頻率范圍為5.6～6.0 GHz，以確保信號的穩(wěn)定傳輸；擁有至少30 MHz的實(shí)時(shí)帶寬，以滿足高速數(shù)據(jù)的傳輸需求；頻率準(zhǔn)確度高達(dá)±1 ppm，確保信號的精確性和穩(wěn)定性；調(diào)諧速度在2 ms以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速頻率調(diào)整；10 kHz偏置相位噪聲低于?90 dBc/Hz，確保清晰的信號傳輸，減少干擾。

（2）接收端技術(shù)規(guī)格：接收頻率范圍覆蓋5.6 GHz至6.0 GHz，與發(fā)射端匹配，確保信號接收的廣泛性；擁有不少于30 MHz的實(shí)時(shí)帶寬，適應(yīng)多種數(shù)據(jù)的傳輸場景；頻率準(zhǔn)確度維持在±1 ppm，保證接收信號的準(zhǔn)確性；調(diào)諧速度在2 ms以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)接收狀態(tài)的迅速調(diào)整；輸入功率范圍為?110～+20 dBm，適應(yīng)不同強(qiáng)度的信號輸入。

（3）發(fā)射與接收端共享技術(shù)規(guī)格：輸出功率范圍從?110 dBm至+7 dBm，適應(yīng)不同的通信環(huán)境；輸出功率的步進(jìn)為0.1 dB，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的功率控制；功率絕對準(zhǔn)確度為±1 dB，確保輸出信號的穩(wěn)定性。

1.2 環(huán)形器

環(huán)行器的頻率范圍應(yīng)為5.7～5.9 GHz，其插入損耗應(yīng)<2 dB，隔離度應(yīng)達(dá)到30～40 dB，VSWR（駐波比）≤1.5：1，而最大輸入功率≥10 dBm。

1.3 參考天線

1.3.1 全向天線

天線頻率范圍應(yīng)為5.7 GHz至5.9 GHz，天線增益能夠達(dá)到1 dBi至3 dBi。該天線設(shè)計(jì)注重定向性能，能夠精準(zhǔn)地指向特定方向，確保信號的穩(wěn)定傳輸和接收；其性能要求應(yīng)滿足高頻范圍的需求，確保在接收和傳輸信號時(shí)擁有高效的能量吸收和良好的輻射能力，增益范圍應(yīng)恰到好處，不僅滿足對定向性的需求，還能保證用戶在實(shí)際使用中的舒適度和接收信號的穩(wěn)定性[2]。

1.3.2 定向天線

頻率范圍應(yīng)符合5.7～5.9 GHz，天線增益需不高于15 dBi，右旋圓極化。該天線設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)對天線增益的限制，天線增益不超過15 dBi，確保在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效地對抗干擾和提升信號質(zhì)量，還需考慮圓極化技術(shù)的運(yùn)用，確保信號在傳輸過程中的穩(wěn)定性和方向性，提高信號的接收效率和準(zhǔn)確性。

1.4 高低溫試驗(yàn)箱

該試驗(yàn)可在極端溫度條件下進(jìn)行，溫度范圍為?60～130℃。在此范圍內(nèi)，能夠確保溫度的穩(wěn)定性，波動度精確控制在±0.5℃以內(nèi)。同時(shí)，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，溫度均勻度也被精細(xì)地調(diào)節(jié)至±2℃的范圍內(nèi)，這樣精密的溫度控制，為試驗(yàn)提供了穩(wěn)定且可靠的環(huán)境，保障了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性和一致性。

1.5 直流電源分析儀

針對直流電源分析儀的各項(xiàng)參數(shù)要求，具體內(nèi)容改寫如下：該直流電源分析儀的電壓設(shè)定為20 V，其精度標(biāo)準(zhǔn)極為精確，范圍控制在±0.025%以內(nèi)，誤差電流不超過±12 mA；對于電流的測試能力，該儀器表現(xiàn)強(qiáng)勁，可支持高達(dá)3 A的電流測量。在這一范圍內(nèi)，其精度控制同樣出色，誤差范圍被嚴(yán)格控制在±0.03%以內(nèi)，誤差值不超過±250 μA；當(dāng)電流降至100 mA時(shí)，該分析儀依然能夠保持高精度的測量表現(xiàn)，其誤差范圍控制在±0.025%以內(nèi)，誤差電流低至±10 μA。即便是微小的電流，如10 μA，其精度也很精準(zhǔn)，誤差范圍精確地控制在±0.025%以內(nèi)，誤差值僅±8 nA。

2 OBU技術(shù)要求

2.1 OBU物理技術(shù)要求

部分物理層參數(shù)的不統(tǒng)一問題在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)了諸多困擾，以O(shè)BU的喚醒靈敏度和接收靈敏度為例，盡管某省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 53/T 2008—2015對此作出了相關(guān)規(guī)定，但國家標(biāo)準(zhǔn)僅對其單邊值加以限制，這導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的OBU天線在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)鄰道干擾、跟車干擾等問題，而相控陣天線的出現(xiàn)則很好地解決了這一問題。

2.2 OBU數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)要求

隨著科技的不斷發(fā)展，公路收費(fèi)和不停車收費(fèi)正逐漸朝著多路徑收費(fèi)的方向發(fā)展。在OBU無隨機(jī)延時(shí)的情況下，降低RSU（Remote Surveillance Unit，遠(yuǎn)程監(jiān)控單元）與OBU交易時(shí)間，可提高道路通行效率，降低擁堵程度。在高速行駛的車輛中，OBU如何實(shí)現(xiàn)零喚醒，這需要OBU具備快速識別和處理信號的能力，通過對信號的處理和分析，OBU可準(zhǔn)確判斷是否需要喚醒，實(shí)現(xiàn)零喚醒功能。OBU還需要具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，保障在不同車速下均能實(shí)現(xiàn)高效的零喚醒。實(shí)現(xiàn)零喚醒功能的實(shí)施將帶來諸多積極影響，這將大大提高交易時(shí)間。因OBU可以在車輛行駛過程中自動識別并處理信號，無需駕駛員干預(yù)，因此交易時(shí)間將得到顯著縮短；由于OBU可以實(shí)現(xiàn)零喚醒，車輛在通過收費(fèi)站時(shí)不需要停留等待喚醒，從而節(jié)省了通行時(shí)間；因交易時(shí)間和通行時(shí)間的縮短，道路上的車輛數(shù)量將得到有效控制，從而降低擁堵程度。最后，通過實(shí)現(xiàn)零喚醒功能，OBU可以更高效地完成不停車收費(fèi)任務(wù)，從而提高道路通行效率。

2.3 OBU設(shè)備技術(shù)要求

2.3.1 OBU功耗

為了確保OBU內(nèi)部供電電池的持久效能并避免過度消耗，應(yīng)制定一系列嚴(yán)格的功耗規(guī)定及詳細(xì)的功耗參數(shù)要求。為了便于理解，這些功耗參數(shù)對于特定情況下的內(nèi)部電池供電OBU具有深遠(yuǎn)意義（詳見表1）。這些規(guī)定明確給出了節(jié)能指導(dǎo)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）針對太陽能板正常工作時(shí)的電流要求，這一數(shù)據(jù)代表在日照充足時(shí)，OBU利用太陽能資源為內(nèi)部供電的能力，其嚴(yán)格控制是為了確保電池在充足的陽光下保持高效的充電狀態(tài)，從而延長電池使用壽命。

（2）存儲電流方面的規(guī)定也是出于多重考慮，這些數(shù)據(jù)體現(xiàn)了在無需大量能量輸入的情況下，電池內(nèi)部的電量得以妥善保存的特性。因此，即使在電量消耗相對較低的環(huán)境下，OBU也能夠有效地維持運(yùn)行，從而減少不必要的能源浪費(fèi)。

（3）針對那些長期停放在室內(nèi)、導(dǎo)致OBU電池耗盡的車輛，這些功耗規(guī)定更是顯得尤為重要，不僅是為了滿足特定情境下的電池使用需求，更是為了確保OBU能夠在關(guān)鍵時(shí)刻提供穩(wěn)定的供電服務(wù)，避免因電池耗盡而導(dǎo)致的設(shè)備故障或中斷。

2.3.2 OBU交易的時(shí)間特性

為了優(yōu)化交易流程，提高交易效率，減少單次交易時(shí)間，該文特意設(shè)定一系列參數(shù)，

主要是滿足單次交易時(shí)間小于270 ms這一標(biāo)準(zhǔn)，而此參數(shù)主要關(guān)注的是處于B1幀至B5幀之間的交易過程，以確保交易的快速、高效進(jìn)行，這樣的設(shè)定旨在通過技術(shù)手段提高交易操作的便捷性和效率，從而提升整體交易流程的流暢性和用戶體驗(yàn)。在配置這些參數(shù)的過程中，為保證交易的安全、可靠，應(yīng)盡可能減少交易時(shí)間，可采用先進(jìn)的技術(shù)手段和優(yōu)化措施，確保每一筆交易的順利進(jìn)行，從而提升整個(gè)交易系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.3.3 OBU電源要求

為了全面評估車載單元（OBU）的電池供電能力，針對內(nèi)部電池供電的OBU電源制定了具體要求。這些要求主要涉及在特定環(huán)境下，OBU電源應(yīng)具備的性能和穩(wěn)定性，通過這些要求確保OBU在實(shí)際使用過程中能夠保持穩(wěn)定的電力供應(yīng)，以滿足用戶需求。在進(jìn)行測試時(shí)，要求OBU在ETC連續(xù)正常交易的情況下，交易放電次數(shù)應(yīng)大于3 000次，該要求旨在測試OBU在高速交易場景下的電池續(xù)航能力，保障其在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在OBU發(fā)行后出現(xiàn)首次低電報(bào)警時(shí)，應(yīng)要求它具備至少進(jìn)行300次連續(xù)交易的能力，該要求是為了檢驗(yàn)OBU在面臨緊急情況時(shí)的應(yīng)急處理能力，保障用戶在遇到低電情況時(shí)仍然能夠順利完成交易。在2 000次交易中，錯(cuò)誤次數(shù)不應(yīng)大于1次，該要求是為了保證OBU在日常使用中的穩(wěn)定性和可靠性，降低因系統(tǒng)故障導(dǎo)致的交易中斷風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 OBU環(huán)境適應(yīng)性

針對全國各地多變的天氣環(huán)境，對OBU的環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)格的要求，以確保其性能穩(wěn)定。OBU應(yīng)具備良好的耐低溫存儲和工作性能，在達(dá)到?20°C的極端低溫環(huán)境下，OBU需經(jīng)受至少8 h的考驗(yàn)。若條件更為苛刻，?40°C下的低溫環(huán)境同樣要求OBU能夠持續(xù)正常工作8 h。此外，在高溫環(huán)境下，同樣對OBU的耐高溫存儲和工作性能有著高標(biāo)準(zhǔn)，在70°C的高溫環(huán)境中，OBU需要經(jīng)受8 h的嚴(yán)峻考驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，其性能仍能保持穩(wěn)定，確保正常工作。只有經(jīng)過這些嚴(yán)格測試的OBU，才能滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際需求，提供穩(wěn)定、可靠的性能。

2.3.5 人機(jī)界面

為了提升OBU的用戶體驗(yàn)，確保駕駛員能夠直觀且清晰地了解車輛的各種工作狀態(tài)，該文精心設(shè)計(jì)了OBU顯示界面并制定了人機(jī)界面規(guī)范，同時(shí)加入了聲音提示功能。這一規(guī)定不僅關(guān)系界面的視覺呈現(xiàn)，也涉及聲音提示的聲響強(qiáng)度。通過清晰的圖標(biāo)、文字及色彩搭配，力求為駕駛員提供一個(gè)友好且易于操作的人機(jī)交互環(huán)境。OBU的蜂鳴器應(yīng)能提供足夠清晰的聲音提示，從而提高收費(fèi)管理的效率和安全性。經(jīng)分析研究，確定60 dB（A）為一個(gè)合適的閾值，既能確保駕駛員在各種環(huán)境下都能聽到清晰的提示音，又不會因聲音過大而造成聽覺不適，這一規(guī)定的實(shí)施將極大地提升OBU設(shè)備的用戶體驗(yàn)，為駕駛員提供更加安全、便捷的駕駛環(huán)境。

3 OBU測試方法

3.1 OBU物理層測試方法

在電子收費(fèi)系統(tǒng)中，短程通信的物理層參數(shù)測試是一項(xiàng)關(guān)鍵工作。測試工作將按照《電子收費(fèi)專用短程通信》第5部分“物理層主要參數(shù)測試方法”及《收費(fèi)+bubhC/JDV+FJZdEPqhN+g==公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)技術(shù)要求》第14部分規(guī)定的方法進(jìn)行。

3.2 OBU零喚醒

OBU零喚醒是精密而獨(dú)特的組件，全面守護(hù)著安全與效率。該裝置由矢量信號收發(fā)儀和精密參考天線組成，其卓越性能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，該裝置的精密設(shè)計(jì)體現(xiàn)了其精密與獨(dú)特性，每一個(gè)組件都經(jīng)過精心挑選和組裝，使其性能穩(wěn)定可靠，無任何瑕疵；該精密性不僅體現(xiàn)在設(shè)備的構(gòu)造上，更體現(xiàn)在其對各項(xiàng)功能的全面保障上。其次，該裝置的應(yīng)用場景廣泛。為了確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，該裝置的測試過程采用了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和方法，在測試過程中，采用先進(jìn)的輻射方式，使被測OBU能夠快速、準(zhǔn)確地接收信號并處理數(shù)據(jù)。測試裝置的設(shè)計(jì)理念旨在確保在各種環(huán)境下都能有效應(yīng)對數(shù)據(jù)幀的防碰撞和零喚醒的需求，矢量信號收發(fā)儀通過精確控制信號的生成和采集，確保在各種情況下都能準(zhǔn)確識別和處理數(shù)據(jù)幀，從而有效防止碰撞；通過優(yōu)化喚醒過程，確保在測試過程中不會干擾正常的通信活動。

3.3 OBU功耗

將OBU設(shè)置在特定狀態(tài)，確保其處于正常工作狀態(tài)，使用測試接口進(jìn)行三次測試，取平均值作為最終的參考數(shù)據(jù)。在測試過程中，使用直流電源分析儀測量OBU的工作電壓。設(shè)定目標(biāo)值為DC 3.5 V，確保OBU在此電壓下能夠正常工作并與附近的RSU進(jìn)行交易，使用電流表采集OBU的功耗數(shù)據(jù)，通過采集數(shù)據(jù)可全面了解OBU的電流消耗情況。經(jīng)過詳細(xì)的測試和分析，發(fā)現(xiàn)在此時(shí)間段的耗電量均符合或低于60 mAs的交易耗電要求，OBU在特定條件下表現(xiàn)出良好的性能和穩(wěn)定性。

3.4 OBU環(huán)境適應(yīng)性

在微波暗箱內(nèi)，構(gòu)建了一個(gè)交易環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，OBU與RSU之間的距離被精準(zhǔn)地設(shè)置為25 cm，這是為了確保二者之間能夠進(jìn)行有效的信息交流和傳輸，再使用了一款專用軟件模擬連續(xù)不斷的正常交易過程，并在每次交易后保持1 s的交易間隔，該操作在這種設(shè)定條件下成功地記錄了能夠進(jìn)行的交易次數(shù)，每一次交易都與實(shí)際環(huán)境一樣，嚴(yán)謹(jǐn)而有序，這不僅是對系統(tǒng)性能的一次全面檢驗(yàn)，也是為了確保OBU與RSU的交易在真實(shí)環(huán)境中能夠順利進(jìn)行。

在耐低溫性能測試中，樣品需先進(jìn)行2 h的室溫環(huán)境恢復(fù)，再在模擬交易環(huán)境中進(jìn)行10次交易操作，這一測試主要驗(yàn)證OBU在低溫環(huán)境下的正常交易能力。在耐低溫工作性能測試中，樣品需在低溫環(huán)境溫度下進(jìn)行10次的模擬交易操作，其主要驗(yàn)證OBU在規(guī)定環(huán)境溫度下能否正常工作。在耐高溫存儲的性能測試中，樣品需先進(jìn)行1 h的高溫環(huán)境處理，隨后在室溫環(huán)境下恢復(fù)2 h，再進(jìn)行10次的模擬交易操作，這一測試主要驗(yàn)證OBU在高溫存儲環(huán)境下的穩(wěn)定性。耐高溫工作性能測試則與耐低溫測試類似，樣品需在高溫環(huán)境溫度下進(jìn)行10次的模擬交易操作，主要驗(yàn)證OBU在規(guī)定環(huán)境溫度下能否正常工作。

4 結(jié)束語

該文總結(jié)了與OBU的零喚醒、功耗、環(huán)境適應(yīng)性等相關(guān)的技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)方法，并對其過程和要求進(jìn)行了說明。通過對現(xiàn)有方法的分析，闡述了特定關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，可為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。同時(shí)，這些指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)方法對于確?，F(xiàn)場發(fā)行的OBU產(chǎn)品質(zhì)量的檢測具有重要意義，為提高OBU的產(chǎn)品一致性提供了參考，同時(shí)也為未來支持多路徑收費(fèi)的OBU提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)

[1]陳碩.高速公路ETC門架系統(tǒng)考核指標(biāo)及運(yùn)維探討[J].中國交通信息化，2022（10）：92-96.

[2]郭亞喆.高速公路ETC相鄰車道中天線的實(shí)際應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2023（4）：42-44.

收稿日期：2024-06-10

作者簡介：王昌偉（1979—），男，本科，工程師，研究方向：智能交通。