高速公路ETC計重收費系統關鍵技術分析

蔡燕震

（山西太舊高速公路管理有限責任公司，山西 太原 030031）

高速公路電子不停車收費系統就是所謂的ETC收費系統，是通過車載電子單元與收費島內設置的自動識別系統組成[1-3]。高速公路ETC收費能夠有效提高過車收費效率，保證高速公路收費系統穩定高效運行，目前廣東省聯網收費系統中已將組合式ETC收費系統推廣應用，不僅提高了過車效率，而且對智能運輸系統的發展起到一定推動作用。

1 高速公路ETC收費規劃

1.1 收費基本原則

ETC計重收費基本原則也是根據貨車實際軸重或者總重進行收費，并根據貨車超載率規定收費檔次和收費標準，按以下3個原則進行設計規劃[4]。

1.1.1 實用性原則

實用性是在考慮ETC系統構架的基礎上，盡量降低改造工程量，充分利用現有布局，完善相應設施，保證ETC運行，提高系統的實用性和可推廣性。

1.1.2 穩定性原則

由于ETC自動收費體系是無人專門看管的全方位自動化系統，ETC計重收費中需增加計重系統和費用計算系統，目前使用的普通計重系統尚且不能充分滿足ETC系統需要，因此需要增加高穩定性計重設備保證系統正常運行。

1.1.3 高效率原則

ETC不停車收費系統就是為了達到快速收費要求，減少收費導致的停車和堵車現象，在規劃過程中，應當充分考慮過車效率和過車速度問題。

1.2 ETC車道布局與分區

根據ETC收費原則，結合系統處理邏輯，箱體車最大長度為16 m，平板車型最大長度為17.5 m，則需設置能保證貨車稱重的前置距離最小應為18 m，收費島內需設置稱量臺，在現有ETC車道系統過車邏輯的基礎上，將稱臺前置，能夠減少一定的額外工作量，提高通行效率。

1.3 硬件設施規劃

ETC計重收費系統主要分為A、B兩個區域，并通過工控計算機總體控制，各區域硬件設施規劃如表1所示。

表1 ETC計重收費系統各區域硬件設施

A區、B區均設置車輛識別、檢測、抓拍設備。在B區設置彎板式稱重設備。

2 DSRC車輛自動識別技術

2.1 DSRC體系

DSRC車輛識別系統就是由車載電子元件、卡片和DSRC天線組成[5]。當車載元件發出的OBU信息被天線讀取后，進行身份驗證和信息錄入。DSRC系統可以通過后臺系統、車道控制系統、RSE信息、OBU信息以及支付信息相互串聯，完成車輛識別收費過程。

2.2 車載單元與繳費CPU卡

車載單元是裝于車內用于過車時與DSRC設備進行信息互換的裝置，車輛進入高速時會記錄其車型、尺寸、車牌、車顏色等相關信息。而與其配套的是雙界面CPU繳費卡，在ETC中，CPU卡是用于數據存儲、費用支付的重要元素。

2.3 自動識別過程

a）入口識別 車輛進入收費站DSRC信號范圍后便會讀取車載單元中關于車輛的相關信息，然后寫入入口站名和編碼以及記錄進入高速時間，是一個數據寫入過程。

b）出口識別 出口識別是一個數據讀取過程[6]。通過讀取卡片中存儲的車輛信息和入口信息，通過車輛驗證和計費。

3 車輛動態稱重技術

ETC中，動態車輛計重收費體系要求在無需停車的情況下完成車輛稱量和費用計算。因此對稱重設備的要求相對較高，其主要包括稱重控制器、傳感器、車輛分離器、車輛檢測線圈等[7]。

如圖1所示，在車輛駛入B區時，進入收費系統，通過稱重終端將重量等信息傳輸到收費計算控制電腦，并對其數據進行存儲，以便出口識別時候調出使用[8]，該稱重終端屬于動態感應系統，車輛在稱重設備上時，迅速將車輛重量信息收集傳遞至收費電腦保存。

圖1 稱重識別與數據存儲

3.1 彎板稱重設備

稱重設備主要采用彎板式傳感器，通過稱量器受壓變形獲取內部感應線圈的應變變化測量車輛重量。其主要特征包括進度高、穩定性好、耐久性和耐腐蝕性好，并且不受到剎車或加速引起的水平方向力影響，該彎板稱重設備的稱重精度能達到1%～1.5%，完全能夠滿足計重收費要求。

3.2 壓電傳感器

稱量信息通過壓電傳感器獲取信號累加并傳送至稱量控制器中進行分析。其設計較為簡單，不過其壽命相對較短，受各方面因素影響較大。彎板式稱重設備和壓電傳感器相比，彎板式稱重設備更具有優勢。因此，本研究也選用彎板式稱重設備。

4 ETC計重收費過車效率分析

ETC計重收費系統的設計和實施，需要對過車效率進行綜合評價，其主要采用過車速度指標來評價ETC收費效果。通過對試驗車道的實際過車時各項指標的數據收集和記錄，分析ETC計重收費系統的多車效率，主要采用過車速度和過車成功率來評價其過車效果。

4.1 通過速度分析

過車速度是用于評價過車效率的重要因素，當過車速度較快時，單位時間的過車總數就會增加，這樣有利于減少車輛在收費站停留時間過長的現象。由于部分收費站承受著來自多條道路合并后的車流通行，過車壓力很大，根據我國對ETC收費體系的設計要求，不停車收費需要滿足平均通行速度達到20 km/h。由于計重收費不同于其他的ETC收費體系，其需設置更為復雜的數據采集傳輸設備以及更加復雜的數據處理終端，表2為采集的ETC計重收費體系中稱重和過車速度情況。

表2 ETC計重收費過車速度分析表

從表2可知，總共對20次過車情況進行觀測記錄，平均稱重為 1 872.5 kg，平均過車速度為21.65 km/h，已經超過了設計的過車速度為20 km/h的要求，從過車平均速度角度看，采用ETC計重收費優勢較為明顯。但是仔細分析收集結果可知，車輛稱重情況與過車速度存在一定影響關系，從總體情況看，車輛重量越大，過車速度越小。稱重的標準差為318.78 kg，而速度的標準差為3.54 km/h，其中最大過車速度為31 km/h，對應的車重為1 100 kg，最小過車速度為16 km/h，對應的車重為2 300 kg，而最大車重為2 350 kg，其對應的過車速度為18 km/h，這就說明，由于汽車司機的駕駛行為差異較大，并非完全滿足車越重，過車速度越慢的規律，但是基本趨勢較為明顯。

4.2 過車成功率分析

過車成功率主要是指使用ETC收費后，車輛在不出現任何故障和差錯的情況下順利通過。總共測試了900次過車情況，其中出現異常情況統計如表3所示。

表3 特定條件下過車成功率統計表

由于ETC不停車收費系統受到許多不確定因素影響，因此設定集中特定條件下的過車情況進行分析。其中主要包括人為因素：未插卡、無電子標簽、停留超時等，也設置了集中設備異常等因素。

從表3可知，在出現異常情況中，未插卡和無電子標簽的車輛數量最多，其中未插卡出現了10次，警報無電子標簽的情形出現了7次。人為拆卸電子標簽2次，其余均只有1次。從這些因素看，2、5、6、7、8均屬于人為因素。因此在計算通過成功率中，應當去除，序號為3、4、9的情形未成功過車。因此過車成功率=（900-3）/900=99.67%。由此可知，在特定故障發生條件下，該ETC計重收費的成功率能夠達到99.5%以上，過車成功率較高，過車失敗情形對過車效率造成的影響較小。

5 過車連續性分析

過車連續性是體現不停車收費系統在單位時長內通過車輛數和過車狀態是否良好的指標。過車連續性越好，造成車輛滯留堵塞幾率就越小，越有利于收費系統效率的提高。由于小車和貨車差異較大，主要對小車過車效率和貨車過車效率進行分析，其中貨車需要通過A、B兩個區域。

5.1 小車連續性分析

小車自重較小，操作靈活，在通過收費站時，車速通常會相對較快，車輛過車用時相對較短，此次測試總共測試了20輛小車連續通過收費站的情況。第1輛車的開始交易時間為上午11：05：22.629，最后第21輛車的開始交易時間為11：21：33.188，期間的20輛車的過車交易用時和過車時間如表4所示。

表4 小車過車連續性統計表

從表4可知，小車的平均交易時長為276.3 ms，平均過車時間為6.35 s，交易時間的標準差為55.63 ms，過車時間的標準差為2.20 s，由于交易用時均有系統控制，但是受影響的因素較多，因此其標準差較大。最長交易時間達到350 ms，而最短時間僅為170 ms，二者相差了180 ms，這就說明系統的識別功能穩定性仍有待提高。此外，影響交易時間的還有車載單元的放置位置，恰當的放置位置能夠有效傳輸車載信號，使得DSRC天線能夠迅速識別并獲取相關信息，由于電腦控制系統的處理邏輯都是相同的，因此數據分析處理方面出現的時間差異不大，重點在于信號傳輸和信息識別過程。

5.2 貨車連續性分析

貨車通過ETC計重收費平臺時，需要先通過A區識別車輛信息后進入B區進行計重，具體收費是在B區得以實現，就貨車而言，其過車時間是包括A、B區的交易時長和在期間行駛所用時間。此次測試從14：20：35.545開始記錄第1輛貨車通行情況，并連續觀測20輛貨車的通行情況，在各區域交易時長以及總過車時間如表5所示。

表5 貨車過車連續性統計表

從表5可知，貨車在A區的平均交易時長為289.6 ms，交易時長的標準差為114.66 ms，然而在B區的平均交易時長則為1 336.05 ms，標準差為1 517.58 ms，標準差相當大，這就說明，在B區稱重交易過車中，交易時長的波動性比較大。在A區的最大交易時長為760 ms，最小交易時長為242 ms。而在B區的最大交易時長為6 140 ms，最短交易時長為279 ms，雖然B區的最短交易時長比A區平均交易時長較短，但是，從現場情況看，在B區交易時長較短的貨車，多為空車或者載貨量相對較少的車輛。而從總過車時間看，貨車平均過車時間為28.4 s，最大為49 s，最小為14 s。小車的平均過車時間僅為6.35 s，說明貨車在通過收費站的時間和程序上均不如小車方便靈活。

5.3 連續過車優點

從收費站本身使用情況看，連續過車可以減少車輛在站內停車和起步的次數。由于汽車剎車和起步過車均會產生較大的摩阻力，路面受到水平方向力作用下，容易發生推移變形等破壞。目前大多數收費站均采用混凝土結構路面，但是，長期重復的荷載效應，對其使用壽命均會產生不良影響。連續不停車過車有利于減少汽車荷載對路面的破壞。

6 結語

通過對ETC計重收費系統的規劃、DSRC車輛自動識別技術以及車輛動態稱重技術的敘述與分析，對ETC計重收費系統的過車效率和連續性進行分析評價。結果表明：ETC計重收費系統平均過車速度為21.65 km/h，滿足設計的過車速度為20 km/h的要求，車輛重量越大，過車速度越小；在特定條件下，ETC計重收費的成功率能夠達到99.5%以上；小車的平均交易時長為276.3 ms，平均過車時間為6.35 s，交易時間的標準差為55.63 ms，主要時間差距位于信號傳輸和信息識別過程；貨車在A區的平均交易時長為289.6 ms，在B區的平均交易時長為1 336.05 ms。貨車平均過車時間為28.4 s。綜上，組合式ETC計重收費系統的使用有利于提高收費站過車效率和連續性，而貨車在通過收費站的時間和程序上均不如小車方便靈活。