高速公路ETC计重收费系统关键技术分析

蔡燕震

（山西太旧高速公路管理有限责任公司，山西 太原 030031）

高速公路电子不停车收费系统就是所谓的ETC收费系统，是通过车载电子单元与收费岛内设置的自动识别系统组成[1-3]。高速公路ETC收费能够有效提高过车收费效率，保证高速公路收费系统稳定高效运行，目前广东省联网收费系统中已将组合式ETC收费系统推广应用，不仅提高了过车效率，而且对智能运输系统的发展起到一定推动作用。

1 高速公路ETC收费规划

1.1 收费基本原则

ETC计重收费基本原则也是根据货车实际轴重或者总重进行收费，并根据货车超载率规定收费档次和收费标准，按以下3个原则进行设计规划[4]。

1.1.1 实用性原则

实用性是在考虑ETC系统构架的基础上，尽量降低改造工程量，充分利用现有布局，完善相应设施，保证ETC运行，提高系统的实用性和可推广性。

1.1.2 稳定性原则

由于ETC自动收费体系是无人专门看管的全方位自动化系统，ETC计重收费中需增加计重系统和费用计算系统，目前使用的普通计重系统尚且不能充分满足ETC系统需要，因此需要增加高稳定性计重设备保证系统正常运行。

1.1.3 高效率原则

ETC不停车收费系统就是为了达到快速收费要求，减少收费导致的停车和堵车现象，在规划过程中，应当充分考虑过车效率和过车速度问题。

1.2 ETC车道布局与分区

根据ETC收费原则，结合系统处理逻辑，箱体车最大长度为16 m，平板车型最大长度为17.5 m，则需设置能保证货车称重的前置距离最小应为18 m，收费岛内需设置称量台，在现有ETC车道系统过车逻辑的基础上，将称台前置，能够减少一定的额外工作量，提高通行效率。

1.3 硬件设施规划

ETC计重收费系统主要分为A、B两个区域，并通过工控计算机总体控制，各区域硬件设施规划如表1所示。

表1 ETC计重收费系统各区域硬件设施

A区、B区均设置车辆识别、检测、抓拍设备。在B区设置弯板式称重设备。

2 DSRC车辆自动识别技术

2.1 DSRC体系

DSRC车辆识别系统就是由车载电子元件、卡片和DSRC天线组成[5]。当车载元件发出的OBU信息被天线读取后，进行身份验证和信息录入。DSRC系统可以通过后台系统、车道控制系统、RSE信息、OBU信息以及支付信息相互串联，完成车辆识别收费过程。

2.2 车载单元与缴费CPU卡

车载单元是装于车内用于过车时与DSRC设备进行信息互换的装置，车辆进入高速时会记录其车型、尺寸、车牌、车颜色等相关信息。而与其配套的是双界面CPU缴费卡，在ETC中，CPU卡是用于数据存储、费用支付的重要元素。

2.3 自动识别过程

a）入口识别 车辆进入收费站DSRC信号范围后便会读取车载单元中关于车辆的相关信息，然后写入入口站名和编码以及记录进入高速时间，是一个数据写入过程。

b）出口识别 出口识别是一个数据读取过程[6]。通过读取卡片中存储的车辆信息和入口信息，通过车辆验证和计费。

3 车辆动态称重技术

ETC中，动态车辆计重收费体系要求在无需停车的情况下完成车辆称量和费用计算。因此对称重设备的要求相对较高，其主要包括称重控制器、传感器、车辆分离器、车辆检测线圈等[7]。

如图1所示，在车辆驶入B区时，进入收费系统，通过称重终端将重量等信息传输到收费计算控制电脑，并对其数据进行存储，以便出口识别时候调出使用[8]，该称重终端属于动态感应系统，车辆在称重设备上时，迅速将车辆重量信息收集传递至收费电脑保存。

图1 称重识别与数据存储

3.1 弯板称重设备

称重设备主要采用弯板式传感器，通过称量器受压变形获取内部感应线圈的应变变化测量车辆重量。其主要特征包括进度高、稳定性好、耐久性和耐腐蚀性好，并且不受到刹车或加速引起的水平方向力影响，该弯板称重设备的称重精度能达到1%～1.5%，完全能够满足计重收费要求。

3.2 压电传感器

称量信息通过压电传感器获取信号累加并传送至称量控制器中进行分析。其设计较为简单，不过其寿命相对较短，受各方面因素影响较大。弯板式称重设备和压电传感器相比，弯板式称重设备更具有优势。因此，本研究也选用弯板式称重设备。

4 ETC计重收费过车效率分析

ETC计重收费系统的设计和实施，需要对过车效率进行综合评价，其主要采用过车速度指标来评价ETC收费效果。通过对试验车道的实际过车时各项指标的数据收集和记录，分析ETC计重收费系统的多车效率，主要采用过车速度和过车成功率来评价其过车效果。

4.1 通过速度分析

过车速度是用于评价过车效率的重要因素，当过车速度较快时，单位时间的过车总数就会增加，这样有利于减少车辆在收费站停留时间过长的现象。由于部分收费站承受着来自多条道路合并后的车流通行，过车压力很大，根据我国对ETC收费体系的设计要求，不停车收费需要满足平均通行速度达到20 km/h。由于计重收费不同于其他的ETC收费体系，其需设置更为复杂的数据采集传输设备以及更加复杂的数据处理终端，表2为采集的ETC计重收费体系中称重和过车速度情况。

表2 ETC计重收费过车速度分析表

从表2可知，总共对20次过车情况进行观测记录，平均称重为 1 872.5 kg，平均过车速度为21.65 km/h，已经超过了设计的过车速度为20 km/h的要求，从过车平均速度角度看，采用ETC计重收费优势较为明显。但是仔细分析收集结果可知，车辆称重情况与过车速度存在一定影响关系，从总体情况看，车辆重量越大，过车速度越小。称重的标准差为318.78 kg，而速度的标准差为3.54 km/h，其中最大过车速度为31 km/h，对应的车重为1 100 kg，最小过车速度为16 km/h，对应的车重为2 300 kg，而最大车重为2 350 kg，其对应的过车速度为18 km/h，这就说明，由于汽车司机的驾驶行为差异较大，并非完全满足车越重，过车速度越慢的规律，但是基本趋势较为明显。

4.2 过车成功率分析

过车成功率主要是指使用ETC收费后，车辆在不出现任何故障和差错的情况下顺利通过。总共测试了900次过车情况，其中出现异常情况统计如表3所示。

表3 特定条件下过车成功率统计表

由于ETC不停车收费系统受到许多不确定因素影响，因此设定集中特定条件下的过车情况进行分析。其中主要包括人为因素：未插卡、无电子标签、停留超时等，也设置了集中设备异常等因素。

从表3可知，在出现异常情况中，未插卡和无电子标签的车辆数量最多，其中未插卡出现了10次，警报无电子标签的情形出现了7次。人为拆卸电子标签2次，其余均只有1次。从这些因素看，2、5、6、7、8均属于人为因素。因此在计算通过成功率中，应当去除，序号为3、4、9的情形未成功过车。因此过车成功率=（900-3）/900=99.67%。由此可知，在特定故障发生条件下，该ETC计重收费的成功率能够达到99.5%以上，过车成功率较高，过车失败情形对过车效率造成的影响较小。

5 过车连续性分析

过车连续性是体现不停车收费系统在单位时长内通过车辆数和过车状态是否良好的指标。过车连续性越好，造成车辆滞留堵塞几率就越小，越有利于收费系统效率的提高。由于小车和货车差异较大，主要对小车过车效率和货车过车效率进行分析，其中货车需要通过A、B两个区域。

5.1 小车连续性分析

小车自重较小，操作灵活，在通过收费站时，车速通常会相对较快，车辆过车用时相对较短，此次测试总共测试了20辆小车连续通过收费站的情况。第1辆车的开始交易时间为上午11：05：22.629，最后第21辆车的开始交易时间为11：21：33.188，期间的20辆车的过车交易用时和过车时间如表4所示。

表4 小车过车连续性统计表

从表4可知，小车的平均交易时长为276.3 ms，平均过车时间为6.35 s，交易时间的标准差为55.63 ms，过车时间的标准差为2.20 s，由于交易用时均有系统控制，但是受影响的因素较多，因此其标准差较大。最长交易时间达到350 ms，而最短时间仅为170 ms，二者相差了180 ms，这就说明系统的识别功能稳定性仍有待提高。此外，影响交易时间的还有车载单元的放置位置，恰当的放置位置能够有效传输车载信号，使得DSRC天线能够迅速识别并获取相关信息，由于电脑控制系统的处理逻辑都是相同的，因此数据分析处理方面出现的时间差异不大，重点在于信号传输和信息识别过程。

5.2 货车连续性分析

货车通过ETC计重收费平台时，需要先通过A区识别车辆信息后进入B区进行计重，具体收费是在B区得以实现，就货车而言，其过车时间是包括A、B区的交易时长和在期间行驶所用时间。此次测试从14：20：35.545开始记录第1辆货车通行情况，并连续观测20辆货车的通行情况，在各区域交易时长以及总过车时间如表5所示。

表5 货车过车连续性统计表

从表5可知，货车在A区的平均交易时长为289.6 ms，交易时长的标准差为114.66 ms，然而在B区的平均交易时长则为1 336.05 ms，标准差为1 517.58 ms，标准差相当大，这就说明，在B区称重交易过车中，交易时长的波动性比较大。在A区的最大交易时长为760 ms，最小交易时长为242 ms。而在B区的最大交易时长为6 140 ms，最短交易时长为279 ms，虽然B区的最短交易时长比A区平均交易时长较短，但是，从现场情况看，在B区交易时长较短的货车，多为空车或者载货量相对较少的车辆。而从总过车时间看，货车平均过车时间为28.4 s，最大为49 s，最小为14 s。小车的平均过车时间仅为6.35 s，说明货车在通过收费站的时间和程序上均不如小车方便灵活。

5.3 连续过车优点

从收费站本身使用情况看，连续过车可以减少车辆在站内停车和起步的次数。由于汽车刹车和起步过车均会产生较大的摩阻力，路面受到水平方向力作用下，容易发生推移变形等破坏。目前大多数收费站均采用混凝土结构路面，但是，长期重复的荷载效应，对其使用寿命均会产生不良影响。连续不停车过车有利于减少汽车荷载对路面的破坏。

6 结语

通过对ETC计重收费系统的规划、DSRC车辆自动识别技术以及车辆动态称重技术的叙述与分析，对ETC计重收费系统的过车效率和连续性进行分析评价。结果表明：ETC计重收费系统平均过车速度为21.65 km/h，满足设计的过车速度为20 km/h的要求，车辆重量越大，过车速度越小；在特定条件下，ETC计重收费的成功率能够达到99.5%以上；小车的平均交易时长为276.3 ms，平均过车时间为6.35 s，交易时间的标准差为55.63 ms，主要时间差距位于信号传输和信息识别过程；货车在A区的平均交易时长为289.6 ms，在B区的平均交易时长为1 336.05 ms。货车平均过车时间为28.4 s。综上，组合式ETC计重收费系统的使用有利于提高收费站过车效率和连续性，而货车在通过收费站的时间和程序上均不如小车方便灵活。