取消高速公路省界收費站ETC門架系統RSU天線冗余設置研究

李奇峰

（廣東聯合電子服務股份有限公司，廣州510610）

1 引言

2019 年5 月，國務院辦公廳印發《深化收費公路制度改革取消高速公路省界收費站實施方案》，交通運輸部緊跟印發《取消高速公路省界收費站總體技術方案》[1]（交辦公路函〔2019〕320 號），明確“實現電子不停車收費（ETC）、輔以車牌圖像識別、多種支付手段融合應用”的技術路徑，用以指導取消高速公路省界收費站相關工作開展。ETC 門架系統作為總體技術方案支撐不停車快捷收費的核心關鍵，應考慮ETC 門架關鍵設備（RSU、車牌圖像識別設備等）的冗余設置。

為貫徹落實國務院和交通運輸部的決策部署，廣東省啟動了ETC 門架RSU 天線的冗余設置模式研究。主要研究內容有以下4 個方面：

1）廣東RSU 天線微波通信參數指標調研分析；

2）廣東RSU 天線自由流交易成功率調研分析；

3）ETC 門架系統RSU 天線冗余方案研究；

4）研究結論。

2 指導思想及研究目標

2.1 指導思想

堅持以交通運輸發展戰略需求為導向，以高速公路機電工程為依托，以構建廣東省高速公路交通運輸體系為重點，從廣東省高速公路收費系統現狀出發，深入分析、總結管理部門存在的需求，構建完善的收費系統架構，明確工程建設的目標與主要任務；充分借鑒取消省界收費站試點省份的建設經驗，以融合成熟信息技術為基礎，在充分考慮可承受的成本前提下，緊緊圍繞“以人為本”的建設和服務理念，以需求為導向。

2.2 研究目標

ETC 門架系統是取消高速公路省界收費站任務的主要實施工程，其工程的完成度直接影響整個任務的完成情況，為更好地完成國務院、交通運輸部、廣東省政府下達的任務，開展本項目研究，為全省提供ETC 門架系統關鍵性設備的RSU 天線冗余設置方案，確保ETC 門架系統安全、暢通、高效地發揮作用。

3 廣東省ETC門架系統RSU天線冗余設置方案研究

按總體技術方案要求，RSU 是ETC 門架系統的關鍵設備之一，需要進行冗余設置，當主設備發生故障時，備用設備應立即啟用工作。

3.1 RSU天線場強測試

1）測試思路及方法。微波場強無法直接測定，可利用專業儀器儀表從微波電場的幾個方面進行點陣式+線性采集相關數據，然后通過計算公式得出場強數值。參照行業檢測機構的相關規程，測試方法針對性做了簡化。高空作業車把測試RSU天線樣本距離地面凈空630mm，如圖1 所示，清空天線微波發射角度對應地面并標線距離（橫向575mm，縱向4000mm），等分切割為小格區域并標記，采用“米”字形態對微波地面輻射區域進行專業儀器Agilent Spectrum Analyzer（安捷倫頻譜分析儀）采集標定測試數據，然后整理形成RSU 天線樣本的一幅平面微波電場指標圖，如圖2 所示。

圖1 RSU天線場強測試高空車裝備實景

圖2 樣本RSU天線A場強測試結果平面微波電場指標圖

2）測試樣本。現場測試了3 個DSRC 設備廠家提供的廣東省內高速公路3 款通用RSU 天線。

3）RSU 天線設備布設指標。凈空高度630mm，天線角度45°～78°，發射功率15～21dBm。

4）測試結果。3 款樣本RSU 天線現場測試數據顯示，天線懸空630mm 狀態下，微波可實現橫向覆蓋區域5.75m，縱向覆蓋區域40m，天線垂直正下方信號最弱時-70dBm。

RSU 天線微波場強研究分析結論：

3 個DSRC 設備廠家所提供的3 款RSU 天線樣本，結合產品自身特性，至少可以滿足橫向1.5 個車道，縱向35m 區域內的ETC 車輛交易需求。

3.2 RSU天線ETC電子標簽（OBU）捕獲率、交易成功率測試

為更深入實際，技術專項研究組開展了自由流虛擬站試點測試工作。通過試點項目實現對系統方案、軟件功能、設備選型及系統安裝調試等各方面應用進行綜合評估，以提供參考意見。

1）場地選點及斷面特點。綜合考慮收費場景條件，分別選取廣珠西線高速公路南丫主線ETC 自由流（如圖3 所示，簡稱南丫主線ETC 自由流）和京珠北高速公路粵北省界主線ETC自由流預交易點（如圖4 所示，簡稱粵北省界ETC 自由流）開展ETC 門架系統試點研究工作。

圖3 南丫主線ETC自由流實況

南丫主線ETC 自由流斷面特點為車道為“3+1”（3 條行車道，1 條應急車道）模式，限速100km/h。

圖4 粵北省界ETC自由流實況

粵北省界ETC 自由流斷面特點為車道為“4+1”（4 條行車道，1 條應急車道）模式，限速120km/h。

2）斷面技術驗證方法。南丫主線ETC 自由流斷面模擬ETC 門架分段式計費采用0 元扣費方式；粵北省界主線ETC自由流斷面采用實際路徑還原精確收費預交易方案。

3）數據統計時段。南丫主線ETC 自由流系統數據統計時段為2019 年5 月21 日0 時0 分～2019 年6 月10 日24 時60分，粵北省界ETC 自由流系統數據統計時段為2019 年5 月18 日0 時0 分～2019 年6 月10 日24 時60 分。

4）統計計算公式：

式中，用戶異常流水數量包括：未插卡、非有效卡、OBU 拆卸、OBU 超出有效期。

注：僅收費站獲取的OBU 數量，是指在門架系統未讀到、但在出口收費站讀到的OBU 數（由于MTC 車道未裝OBU 識別設備，出口收費站讀到的OBU 數量僅統計ETC 車道OBU 數量）。

5）測試統計結果：

經統計并分析粵北省界47516 車次、南丫主線409406 車次的交易數據，2 個ETC 自由流斷面OBU 捕獲率均達到99.8%以上。南丫主線交易成功率超過99.5%；粵北省界“交易未完成離開”及“寫ETC 卡文件出錯”車輛較多，交易成功率僅96.2%。

進一步分析，影響粵北省界ETC 自由流測試斷面交易成功率的因素主要有3 點：（1）斷面的車速較高。在同樣的RSU天線微波覆蓋區域范圍內，客觀導致粵北省界ETC 自由流RSU天線與ETC 車輛OBU 通信交互時間窗口時長小，一定程度上影響了交易成功率。（2）斷面采用實際路徑還原精確收費預交易模式進行測試，客觀上增加了車輛實際通行路徑還原和精確費率計算等環節的系統耗時（據不完全統計約50ms），該部分耗時在微波通信區域和車輛高速通行等有限條件下，一定程度上提高了該斷面ETC 交易成功的技術要求和指標，進而影響到整體交易成功率。（3）客觀存在部分省份OBU 產品在質量、性能上的指標低于廣東本省發行的產品相關要求，粵北省界ETC 自由流斷面處于廣東與湖南兩省交界處，其斷面經駛的外省ETC 車輛數量占比總車流較高，一定程度上影響到整體交易成功率。

3.3 RSU 冗余設置研究

3.3.1 方案一：硬件double 冗余

每車道設置2 個RSU，1 主1 備。RSU 有發射接收狀態檢測，2 臺控制器互為主備連接在一起（見圖5）。當主設備發現有天線報故障，即可切換至備機工作。

3.3.2 方案二：硬件互為備份冗余

每車道設置1 個RSU。結合RSU 產品自身特性及RSU 天線樣本數據，每個RSU 至少可以滿足橫向1.5 個車道（見圖

6）。當一個天線發生故障時，可通過相鄰車道天線實現對天線損壞車道的覆蓋，實現冗余。

3.3.3 小結

方案一冗余性能好，保證正常交易成功率高，但工程造價高。

方案二造價低，冗余性能相比方案一略差，但基本滿足冗余需求。

圖5 RSU天線硬件doubl e 冗余示意圖

圖6 RSU天線硬件互為備份冗余示意圖

建議采用方案二，根據高速公路服務水平進行RSU 冗余設置，服務水平小于或等于四級時，按每車道1 臺RSU 設置，進行互備。服務水平達到五級的路段在最內側超車道額外增設1 臺RSU，作為冗余補充。

4 結語

根據目前各廠家RSU 指標的基本情況，以及目前根據交通運輸部所規定的基本參數要求，RSU 天線均具備和滿足1.5個車道的微波通信區域覆蓋，門架RSU 天線均采用分時時序工作模式，相鄰RSU 天線彼此已經形成了一定程度的互為冗余設備。為了保障RSU 在單點故障情況下的交易成功率，建議可對于流量較大的路段，在超車道和快車道之間加裝1 套RSU 天線，可實現車道RSU 天線故障時的系統冗余，且較為經濟。

在《高速公路ETC 門架系統技術要求》[2]（交辦公路函〔2019〕856 號）中明確RSU 與車牌識別技術已經互為系統冗余情況下，單點設備故障所造成的通行費損失與工程建設費用比較，單點設備冗余經濟性也明顯缺乏。