基于雙天線協同的改進型 ETC 車道方案研究與應用

陳大華 趙希逸

摘要：我國高速公路在取消省界收費站后，已經全面普及ETC收費。但很多原收費站的收費廣場相對狹小，通行車輛如果不能一次性通過ETC車道，就需要倒車進行二次交易，此時極易造成收費站更加擁堵的情況。文章對廣西地區收費站ETC車道通過異常的特殊情況數據進行統計，分析了影響ETC車道一次通過率的主要因素，提出了一種在車道后端欄桿位置處加入一個帶費額顯示功能的低成本小功率天線的收費方案，并通過南寧東收費站與安吉收費站實地測試應用，證明該方案可明顯提高ETC車道的一次通過率，并能更加有效地降低擁堵問題。

關鍵詞：高速公路;ETC收費;雙天線協同

文獻標識碼：U491.1+22-A-49-172-4

0 引言

2020-01-01，隨著全國省界收費站全部改造完成，高速公路的ETC用戶大幅度增加。ETC系統在我國高速公路的全面覆蓋，不僅給用戶出行帶來了更便捷的出行體驗，還減緩了擁堵，降低了能耗，符合我國綠色可持續發展戰略。根據交通運輸部信息顯示，截止到2019年年底，全國累計ETC用戶高達2.04億，ETC車道覆蓋率達到95%以上，高速公路不停車快速收費率高達90%以上。依據相關數據，目前廣西ETC用戶累計達到600萬以上，同時正在全面推進貨車ETC使用。在可預見的一段時間里ETC車輛將大量增加，因此ETC的通過成功率成為避免收費站擁堵的關鍵指標。通過改進現有方案來提升提高ETC車道的一次通過率，并提高ETC車道通行效率成為當前ETC使用中亟須解決的問題。大量高校、企業對ETC車道的優化設計也在不斷進行中。例如潘鼎如[1]探討了取消全國高速公路省界收費站工程關鍵技術應用與智慧交通建設的發展前景。林智勇[2]闡述了高速公路ETC的發展情況以及迫切需要解決的問題，并分析了收費站ETC車道的通行現狀以及問題形成的原因，提出了基于手持終端的高速公路應急收費系統解決方案。同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室[3]針對目前路網中ETC與MTC（Manual Toll Collection）車輛混行的情況，考慮ETC的普及率，結合多用戶路網均衡模型和排隊論方法，建立基于雙層規劃模型的高速路網ETC車道優化布設方法，該方法成功地提高了通行效率。然而，上述文獻均沒有針對廣西特殊情況具體地進行分析。除此之外，ETC系統必須減少收費站業主的人力成本，減少收費站人工干預ETC車道的情況發生。

本文首先通過對廣西全區的ETC車道特殊情況（文中稱為“特情”）數據進行統計分析，篩選出影響ETC車道通行效率的異常類型。其次，提出了一種采用后置小功率天線進行補充，進而形成車道雙天線ETC協同收費的方案，有效提高了收費站ETC車道的通行率和一次通過率，大大避免了車輛倒車進行二次交易帶來的擁堵問題，具有一定的工程實踐價值。

1 系統方案研究設計

1.1 原系統方案統計分析

在廣西地區常規采用的ETC車道設計方案如圖1所示。ETC車道設計方案中一般包括：車道分流屏、霧燈、相控陣RSU天線、車牌識別相機、光柵車輛分離器、綜合收費顯示屏、車道控制工控機、高速自動欄桿、通過線圈車檢器等。當車輛出收費站時車道分流屏用于指導車輛按照指示進行行駛，相控陣RSU天線自動讀取OBU的信息識別 ETC、MTC車輛以及車牌號、車牌顏色、車型等信息，通過車牌識別相機進行采集比對，再利用光柵車輛分離器進行車輛有效分離，消除跟車的現象。車道工控機RSU讀取車輛OBU信息，對相關運算合計出費用等信息進行顯示，高速欄桿對通行車輛進行控制。

整個ETC車道的設計中，最主要的目的是提高車輛的通行效率。如圖1所示，設計方案中的通信區域為整個車道進行交易的一個區域，能否成功通信的最大瓶頸在于該區域的成功率，由于存在各種各樣的情況，部分車輛在駛入ETC車道后未能一次通過時，需要采取人工干預、倒車出車道多次駛入（重復交易）或者更換車道等措施，嚴重影響了ETC車道的通過效率、用戶體驗和車道安全。目前，本文收集了2020年4月廣西高速公路收費站ETC特情數據，將各個特情分類統計，并計算出各種特情占比，繪制帕累托圖進行原因分析，如圖2所示。

根據ETC車道相關特情分類，各種特情比例為：車型與OBU不符占比31%;未識別到OBU占比25%;交易超時占比17%;黑名單占比16%;讀取或操作ETC卡片文件失敗占3%;OBU未插卡占比2%;

其他占比4%。剔除必須進行人工干預的特情有：

（1）車輛與OBU不符;（2）未識別OBU（未安裝OBU）;（3）黑名單;（4）其他原因。通過進一步分析能夠通過反復交易OBU完成車輛通行的特情有：（1）ETC交易超時;（2）OBU未插卡;（3）未識別到OBU（已安裝OBU）。通過進一步交易數據分析，將特情分為必須退出車道和反復交易能夠通過兩大類，并進行了相關數據統計，得到如圖3所示的兩類特情占比圖。其中必須退出車道特情占比53%，反復交易能夠通過特情占比47%。

針對第一類必須退出車道的特情中車型與OBU不符的情況，主要原因在于OBU發行過程中人為錄入錯誤，后續可進行修正，經過較長一段時間的修正是可以進一步減少錯誤的，而屬于這一類的其他特情可以通過有效的管理進一步提高。因此，本文主要通過技術方案以解決反復交易OBU能解決的這一特情。經過進一步研究分析，本文創新性地提出通過增加一臺ETC天線與原有相控陣天線協同工作交易的方式，使進入ETC車道的具有正常OBU的車輛能進行多次交易，直到車輛能夠順利通過ETC車道。

1.2 本文提出的改進型雙天線方案

經過具體分析，由于ETC車道位置在設計時采用欄桿機后置方案，導致未能正常交易的ETC車輛會進入車道內部。因此，本文提出將第二個后置應急ETC天線（見下頁圖4）安裝在欄桿機前，確保ETC車輛在車道內部也可以進行交易。后置ETC天線采用軟件自動控制，能夠在發生特定情況時自動開啟，允許ETC車輛在車道內進行讀取交易，直到車輛交易完成。所提出的改進型雙天線方案如圖4所示。

除了改進天線的布設方案外，本文還對交易流程進行了設計，其流程控制如圖5所示。在ETC車輛通過ETC車道時，判斷出現未能正常通過特情代碼，確定為后置小功率天線處理特情代碼時，后置小功率天線開啟讓進入車道的車輛進行交易，直到小功率天線完成交易，車輛通過后返回ETC車道的正常工作模式。

2 實際場景與應用效果

本方案在安吉和南寧東收費站各選取一條ETC車道作為試點試驗。經過對試點從2020年6月至2020年12月連續6個月的數據統計分析，得出如表1和表2所示的實際測試數據。

由表1和表2的數據統計及相關計算得出：南寧東收費站試點ETC車道后置小功率天線方案能處理約40%的特情車輛，安吉收費站試點的ETC車道后置小功率天線方案能夠處理約42%的特情車輛，實際試點的車道數據稍微低于前期理論分析的47%的占比，但整體上達到了較好的效果。通過采用本文提出的方案，試點ETC車道的車輛的一次通過率保持在98%以上，相比于原方案整體提升了1%，達到預期的效果。在可預測的將來，隨著ETC系統中不符特情的車型逐漸減少及通過管理手段減少黑名單，采用本文提出的雙天線協同進行交易的方案，車道整體的通行成功率將保證在99%以上。

3 結語

本文對ETC車輛在ETC車道不能正常通行的特情進行分析，將不能正常通行的特情分為必須退出車道和反復交易能夠通行兩大類，并針對反復交易能夠通行這一大類，提出了通過增加一個后置小功率天線與原有相控陣天線進行雙天線協同工作交易的方案，提高ETC車輛在車道內的通行效率。理論分析與實際試點的測試結果表明，本文所提出的雙天線協同工作的方案，較好地解決了ETC車道通過反復交易能夠通行的特情，具有較好的效果。本文方案能減少收費站運營業主的人力成本，同時提高ETC用戶使用通過效率。此外，采用的后置小功率天線具有成本低、易于安裝維護的特點，使得該方案具有更優越的工程實踐價值。

參考文獻

[1]潘鼎如. 取消省界收費站關鍵技術拓展與應用[J].中國交通信息化，2021（2）：33-35.

[2]林智勇. 基于手持終端的高速公路應急收費系統解決方案[J]. 計量與測試技術，2020，47（12）：86-88.

[3]劉成龍，陶 莎，趙 聰，等. 高速路網不停車收費車道優化布設方法[J/OL]. 中國公路學報，2021-03-08.

收稿日期：2021-03-18

基金項目：中央引導地方科技發展專項“廣西智慧道路機電系統新技術綜合平臺建設”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：

陳大華（1985—），碩士，工程師，研究方向：智能交通產品研發與課題申報;

趙希逸（1989—），工程師，研究方向：智能交通產品研發與測試。