高速公路ETC全国联网后的多义性路径识别研究∗

刘春华，韩广广，谢仕智，刘伟铭，唐玮杰

（1.广西壮族自治区高速公路管理局，广西　南宁　530021；2.华南理工大学土木交通学院，广东　广州　510640）

高速公路ETC全国联网后的多义性路径识别研究∗

刘春华1，韩广广2，谢仕智1，刘伟铭2，唐玮杰1

（1.广西壮族自治区高速公路管理局，广西南宁530021；2.华南理工大学土木交通学院，广东广州510640）

目前中国高速公路已基本实现了电子不停车收费（ETC）全国联网，ETC收费已逐渐取代人工收费成为高速公路收费的主流方式，如何识别车载单元（OBU）车辆和普通人工收费（MTC）车辆的行驶路径是目前ETC全国联网收费后亟待解决的主要问题。文中在对部分省份基于433 MHz射频识别（RFID）技术的MTC车辆路径识别方案进行比较分析的基础上，提出了基于5.8 GHz专用短程通信（DSRC）技术的统一多义性路径识别的双频通行卡方案，该方案的5.8 GHz路径标识站可同时标识OBU车辆和MTC车辆，可实现标识站与车辆OBU和双频通行卡的双向通信功能，在不更换MTC车道现有读写器的情况下就能读写双频通行卡中的路径信息，具有能平稳过渡、标识率高、串标率低和成本低等特点。

公路交通；高速公路；ETC联网收费；多义性路径识别；射频识别（RFID）；专用短程通信（DSRC）；双频通行卡

2015年底中国将基本实现高速公路电子不停车收费（ETC）全国联网，全国ETC用户数量将达到2 000万个，ETC已成为高速公路收费的主流模式，正逐渐取代人工收费（MTC）。如何精确识别ETC车辆和MTC车辆在路网中的实际路径是全国ETC联网收费后亟待解决的关键问题。

目前国内有广东、四川、浙江省已实施射频识别（RFID）的路径识别方案，其中广东省采用“按实际路径收费、按实际路径拆分”的基本收费模式，选用“433 MHz RFID复合通行卡（CPC）+433 MHz电子路标+高清卡口防逃费稽查，OBU+5.8 GHz ETC标识点+高清卡口防逃费稽查”的技术路线，四川省选用“433 MHz RFID复合通行卡+433 MHz电子路标+复合OBU（433 MHz+5.8 GHz）+高清卡口防逃费稽查”的技术路线。广东省方案虽然能满足全国ETC联网收费的需要，但设备成本高；易发生串标现象而使其信息传递可靠性和精确性不高；433 MHz频段不是国家规定的高速公路收费专用频段，不利于长久发展；其复合通行卡易造成读写卡时间长、读写卡失败率高、车道通行能力降低和复合通行卡寿命短等问题。四川省方案虽然可大大节约成本，但不能满足全国联网收费的需要，其复合通行卡存在与广东省方案同样的缺陷。

2007年5月公布的GB/T 20851.1-2007《电子收费专用短程通信》正式要求在中国电子收费中使用5.8 GHz微波进行数据交换。该文在分析和比较目前多义性路径识别技术的基础上，探讨全国高速公路ETC联网收费后ETC作为收费主体方式下的多义性路径识别问题，提出基于5.8 GHz专用短程通信（DSRC）统一识别多义性路径技术的双频通行卡方案。

1　现有技术方案对比

目前，精确路径识别技术有停车标识站法、车牌识别技术、移动定位法、RFID法等。其中：停车标识站法不但运行成本高昂，而且严重影响车道通行能力，是未来必须停止使用的方案；车牌识别技术对高速行驶的车辆实时识别难度大，失败率高，难以满足实际需求；移动定位法和现行收费方式相差甚远，除使用目前通行卡外，每辆车还需配备移动定位装置或GPS定位装置，成本造价很高，不适合目前实际情况和国情；RFID法的识别率高、成本较低、适应性强、可重复使用、数据易读写、与现有收费方式匹配性高，将是未来ETC收费的主要方式。

射频识别法主要通过RFID电子标签与标识站通信连接，其基本原理是利用RFID技术，在多义性路段的合适位置设置路侧标识站（RSU），当车辆经过时，通过RFID技术实现车辆通行卡（OBU和复合通行卡）与路侧标识站RSU之间的数据通信和交换，将路径标识站信息写入OBU和复合通行卡中。到达收费站时，通过复合读卡器读取入、出口信息和标识站信息，达到精确识别车辆行驶路径和按实际行驶里程收费的目的。目前国内有广东、四川、浙江省已实施基于RFID的路径识别方案。

1.1广东省多义性路径识别方案

广东省目前采用“按实际路径收费、按实际路径拆分”的基本收费模式，选用“433 MHz RFID复合通行卡+433 MHz电子路标+高清卡口防逃费稽查，OBU+5.8 GHz ETC标识点+高清卡口防逃费稽查”的技术路线。其高速公路多义性路径标识方案通过复合通行卡和车载OBU分别标识MTC车辆和ETC车辆实现路径定位。MTC用户在收费站入口取复合通行卡获得入口信息，在多义性路径上通过433 MHz RFID电子路标获得路径信息，在收费站出口读出入口及路径信息；ETC用户通过车载OBU在收费站入口不停车获得入口信息，在多义性路径上通过5.8 GHz ETC标识点获得路径信息，至收费站出口读出入口及路径信息；高清卡口主要用于漏标车辆的路径还原、防逃费稽查和威慑不法分子。

广东省多义性路径识别方案采用的复合通行卡由非接触IC卡（13.56 MHz短距离射频标签）和RFID卡（433 MHz长距离射频标签）物理复合而成，前者记录收、发卡信息，后者接收路径信息，两种卡物理合并到一起，非接触IC卡和RFID卡之间没有内部电路连接。MTC用户通过复合通行卡获得路径信息，ETC用户通过车载OBU获得路径信息（如图1所示）。

图1　广东省多义性路径识别方案示意图

非接触IC卡为13.56 MHz无源Mifare-one 卡，RFID卡为有源可读写433 MHz卡，入口和出口收费站、车型等信息保存在非接触IC卡内，而路径信息保存在RFID卡内。由于两卡之间无任何电路连接，在出口收费站需采用复合读卡器（13.56和433 MHz）分别读出复合通行卡内的非接触IC卡入口发卡信息和RFID卡的路径信息。

广东省的RFID方案虽然能实现路径标识，但因原收费系统和现有系统不能兼容，该方案的软件更新工作量很大，成本投入很高。因需要同时在多义性路径上设置433 MHz标识站和5.8 GHz标识站，造成不必要的浪费且导致系统可靠性降低。433 MHz频段绕射能力强，信号传输距离远，容易受到其他频段信号的干扰，串标率高，并且433 MHz不属于国家规定的交通频段，存在很大风险且不利于长远发展。同时，复合通行卡由非接触IC卡和RFID卡物理合并在一起，需要双频读写器各自读写入口信息和路径信息，容易造成读写卡时间长、读写卡失败率高、车道通行能力降低和复合通行卡寿命短等问题，且无法实现将现有系统（非基于RFID技术的多义性路径识别）平稳过渡到基于RFID技术的多义性路径识别系统。

1.2四川省多义性路径识别方案

四川省目前实施的方案选用“433 MHz RFID复合通行卡+433 MHz电子路标+复合OBU（433 MHz+5.8 GHz）+高清卡口防逃费稽查”的技术路线，其车载OBU卡包括433 MHz和5.8 GHz两个频段。ETC用户通过收费站入口时，车载OBU通过5.8 GHz频段与5.8 GHz收发器连接，将入口收费站的信息写到车载OBU内；在多义性路径上行驶时，通过433 MHz频段与433 MHz路侧标识站传递信息，将多义性路径信息写入车载OBU内；到达收费站出口时，用5.8 GHz收发器接收发卡信息和路径信息。MTC用户在收费站入口领取复合通行卡，通过多义性路径时接收433 MHz路侧标识站传递的路径信息，到达收费站出口时，读出发卡信息和路径信息（如图2所示）。

四川省多义性路径方案虽然目前比广东方案成本低，但车载OBU中包括433 MHz和5.8 GHz两种不同射频频段，不符合国家相关OBU标准。采用433 MHz路侧标识站，容易产生串标现象。另外，省外车辆的5.8 GHz车载OBU无法在四川境内实现路径标识，不能满足全国ETC联网收费的要求，全国联网后需再增加5.8 GHz标识站和更换OBU，导致建设成本投入增加。同时，433 MHz频段不是国家标准的高速公路专用频段，不具有长远的应用前景。

图2　四川省多义性路径识别方案示意图

2　基于5.8 GHz DSRC统一识别路径技术的双频通行卡方案

DSRC是专用于交通领域的短程通信系统，能对各种车辆进行跟踪、监控、调度和导航，为车辆与路边设施提供单向或双向交互式通信，从而使车辆能享用交通信息网络中的各种资源。该技术起源于20世纪90年代，目前已成功应用于电子收费、停车管理、交通控制等领域。

2.1技术路线

全国高速公路ETC“一张网”联网收费采用“按实际路径收费、按实际路径拆分”的模式。双频通行卡方案采用“5.8 GHz RFID双频通行卡+5.8 GHz ETC标识点+高清卡口防逃费稽查+必要行政管理手段”的基本技术路线，在公平、公正、公开的原则下，出口车道根据入口信息、ETC路径标识信息精确还原车辆在高速公路网中的实际路径，实现高速公路通行费的精确征收与拆分。其中：“5.8 GHz RFID双频通行卡+5.8 GHz ETC标识点”用于解决MTC车辆的多义性路径标识问题，“车载OBU +5.8 GHz ETC标识点”用于解决ETC车辆的多义性路径标识问题，“高清卡口防逃费稽查+必要行政管理手段”是联网收费防逃费中有效的稽查手段，并可用于漏标车辆的路径还原和遏制恶意屏蔽RFID双频通行卡的行为。

5.8GHz ETC路径标识采用“读写双频通行卡+读写OBU”的技术方案，车辆在高速公路上行驶时，MTC用户和ETC用户均可通过5.8 GHz路侧标识点双向通信获得多义性路径信息和相关的入、出口信息，实现车辆按实际行驶路径精确收费和交通信息采集等目的。

2.2系统整体框架

多义性路径识别系统是联网收费系统的一个子系统，主要由省（区、市）联网收费结算管理中心系统、路段收费中心系统、收费站系统、标识点系统、收费车道系统、ETC车载设备OBU、双频通行卡等构成（如图3所示）。

图3　多义性路径识别系统构成示意图

基于双频通行卡的多义性路径识别系统联网收费平台包括联网收费结算中心、路段收费分中心系统、收费站系统、MTC和ETC入出口系统及5.8 GHz标识站监控系统（如图4所示）。

当车辆在收费站入口进入高速公路时，通过读写器获得入口信息；经过多义性路段时，通过5.8 GHz标识天线获得路径信息；至收费站出口形成流水数据上传至收费站系统、路段分中心和结算管理中心，通过与标识站监控系统的数据记录进行比较，可测试系统的标识率、读写卡成功率和串标率。

2.35.8GHz RFID双频通行卡方案

该方案使用的双频通行卡由卡内部电路将非接触IC卡（13.56 MHz）和RFID卡（5.8 GHz）连成一个统一的整体，通过5.8 GHz天线接收路径信息直接写入通行卡的存储器内，在收费站出口可用现有读卡器（非接触IC卡13.56 MHz读卡器）读出双频通行卡中的入口、出口信息和路径信息。双频通行卡与复合通行卡的本质区别在于卡内的非接触IC卡和RFID卡的双频接口共享存储单元。双频通行卡内部非接触IC卡与RFID卡之间有电路连接，通行卡双频接口共享存储单元的设计方式，使发卡站、收卡站和双频卡之间能通过双频卡直接进行通信，无需进行卡内信息转换，也无需进行发卡站和收卡站的改造，较为经济合理。

图4　基于双频通行卡的多义性路径识别系统联网收费平台

该方案采用5.8 GHz信号频段进行信息识别与通信，不同于普通复合通行卡的433 MHz信号频段。在多义性路段上设置5.8 GHz标识站，对通过的车辆传输信息，接收路径信息并存储到双频通行卡内（如图5所示）。MTC用户的双频通行卡和ETC用户的车载单元OBU均可通过5.8 GHz标识站获得相应路径信息。

图5　5.8 GHz标识站方案示意图

在多义性路径识别应用中，该方案通过5.8 GHz信号频段完成信息交换。对于MTC用户使用双频通行卡，在收费站入口处写入入口信息，路侧标识站处通过5.8 GHz频段写入路径标识信息，在收费站出口处读出入、出口信息和路径标识点信息，由此确定车辆在收费站入口、路径标识点和收费站出口的一条线路；对于ETC用户，在收费站入口通过ETC车道时，入口信息通过5.8 GHz频段传输至车载OBU，不停车通过收费站入口，在车辆接近多义性路径标识站时，路侧标识设备通过5.8 GHz频段将标识站信息写入车载OBU中，在出口处读出多义性路径信息和入口信息，进行费用精确征收与拆分。同时通过标识站与OBU和双频通行卡的双向通信功能，获取OBU和双频通行卡内的车辆信息、驾驶员信息，传递给管理中心。

2.4系统技术参数

2.4.1双频通行卡的主要参数指标

（1）外观尺寸：长×宽为85.5 mm×54 mm，厚度不大于5 mm，误差为±0.2 mm；外壳呈直倒角，有加强筋，不少于6个支柱点。

（2）5.8 GHz载波频率为5.79和5.80 GHz。

（3）频率容限为±200 PPM，占用宽度≤5 MHz。

（4）有效全向辐射功率≤10 d Bm，邻道功率泄漏比为-30 dB。

（5）双频通行卡与IC卡读写器之间的通信符合ISO/IEC 14443 TYPE-A标准的相关规定。

（6）平均无故障时间至少为45 000 h。

（7）双频通行卡的13.56 MHz非接触IC卡的物理层参数指标符合ISO/IEC 14443 TYPE-A标准的相关规定。

（8）双频通行卡的使用寿命不少于5年。

2.4.2标识路侧单元的主要参数指标

（1）在车速0～160 km/h时，单点标识成功率≥99.5％。

（2）标识路侧单元的载波频率为5.83和5.84 GHz。

（3）频率容限为±10 PPM，占用宽度≤5 MHz。

（4）有效全向辐射功率≤33 dBm，邻道功率泄漏比为-30 dB。

（5）平均无故障时间至少为10 000 h。

（6）标识RSU与OBU之间的DSRC符合GB/T 20851.2、GB/T 20851.3及《收费公路联网电子不停车收费技术要求》的相关规定。

2.5投资成本与技术性能比较

2.5.1投资成本估算比较

广西位于中国西南地区，是中国5个少数民族自治区之一。根据《广西高速公路网规划（2010-2020）》，近期规划至2015年，广西境内高速公路总里程将突破6 000 km；远期规划至2020年，努力实现广西高速公路总里程突破8 000 km，实现“六横、七纵、八支线”的目标。下面以广西为例，进行上述研究方案的投资估算。假定全区车道数3 000条（MTC车道），收费站400个，路段中心80个，全网通行卡200万张，路侧标识站74个，按照高速公路机电设备5年为一个更换周期计算。

目前广西多义性路径标识站方案采用双频通行卡和车载OBU，通过433 MHz和5.8 GHz路侧标识站实现多义性路径识别。该方案的5年全省一次性软件、硬件投资费用如表1所示。后期运营费用包括卡片损耗费用、设备维护费用和人员管理费用三部分。由于系统主要对标识设备进行维护，全区只要一个监控点，维护便利、成本很低，预计系统维护每年需100万元、人员费用为100万元，即后期维护运行费用每年约为200万元，5年合计1 000万元。目前广西多义性路径标识站方案系统5年投资估算总计23 878万元。

表1　目前广西多义性路径标识站方案5年全省一次性软、硬件投资

文中方案使用双频通行卡和车载OBU，通过5.8 GHz频段实现多义性路径识别。该方案5年全省一次性软件、硬件投资费用如表2所示。后期运营费用预计系统维护每年100万元、人员100万元，即后期维护运行费用每年约为200万元，5年合计1 000万元。该多义性路径标识站方案系统5年投资估算总计15 280万元。

与广西目前多义性路径方案对比，文中多义性路径方案减少了433 MHz标识站的设置，简化了车道设置，不需更换现有收费站读写器，且车道软件能兼容现有系统，升级费用少，同时该方案可通过通行卡与标识站双向通信获得交通流量、车型等信息，节省了交通流量调查站的建设费用，大大降低了系统的总投资成本，具有更广阔的应用前景。

表2　文中多义性路径标识站方案5年全省一次性软、硬件投资

2.5.2技术性能比较

目前广东省的“433 MHz电子路标和5.8 GHz ETC标识站”方案和四川省的复合OBU方案都需要使用433 MHz和5.8 GHz两个频段进行信息传递。433 MHz RFID识别技术虽然在MTC车道的应用非常成功，但它无法兼容5.8 GHz的OBU车辆，需另外开发5.8 GHz标识设备，导致成本增加。国家标准规定中国电子收费中使用5.8 GHz微波进行数据交换，433 MHz不属于电子收费专用频段，不是交通专有频段，无相关标准计划，应用前景单一。同时，433 MHz频段是长距离传输，绕射能力强，在信息传递中，长距离容易受到其他频段的干扰，造成不同车辆之间的串标，降低了多义性路径识别的准确性和可靠性。另外，复合通行卡由IC卡和RFID卡独立连接，在复合读卡器读写信息时需延长1～2 s接触时间，导致读写时间长、读写失败率高等。在信息传递中，广东省和四川省的方案只能单向地接收多义性路径信息，不能双向通信，不具有互动性。

而文中研究的5.8 GHz DSRC统一识别路径技术的双频通行卡方案，MTC用户和ETC用户均可使用5.8 GHz标识站，保证了设施的一致性，节约了建设成本。采用5.8 GHz作为信息传递频段，符合国家标准要求，无其他信号干扰，频段统一，后续的维护技术体制统一。双频通行卡体积轻便，方便用户使用、存储及调拨管理，不需更换读写器，读写时间短，节约成本。同时，5.8 GHz标识站和双频通行卡、车载OBU之间实现双向传输数据，一方面，标识站把多义性路径信息传送给双频通行卡、车载OBU，实现车辆的路径定位；另一方面，双频通行卡、车载OBU把记录的车辆和驾驶员信息（如驾驶员、车辆类型、轮轴数等）反馈给标识站，并传递给高速公路管理中心，可实现交通流量预测、驾驶员违章记录及车辆信息识别等功能，对高速公路的控制和管理、道路收费具有重要意义。

3　结语

在高速公路ETC全国联网的大环境下，多义性路径识别问题已成为联网收费的关键性技术问题。该文通过5.8 GHz DSRC统一识别技术，结合双频通行卡和5.8 GHz RFID标识站，实现了MTC用户和ETC用户通过5.8 GHz标识站获得多义性路径信息的功能，在对ETC车辆实现路径识别的同时兼顾MTC车辆的路径标识问题，解决了联网收费后车辆费用的精确征收与拆分问题，为ETC成为高速公路主流收费方式奠定了基础。该方案只需在多义性路径上设置5.8 GHz标识站，节省了433 MHz标识站的费用，并且可实现标识站与OBU和双频通行卡的双向通信功能，在不更换MTC车道读写器的情况下就可读写双频通行卡中的路径信息，具有平稳过渡、标识率高、串标率低、成本低和不影响现有车道通行能力等特点。此外，5.8 GHz工作频段属于交通专用频段，是未来ETC收费发展的必然选择，具有更好的发展空间。从未来的发展角度来看，考虑到路径识别精度的要求及ETC车辆路径识别的重要性，5.8 GHz统一路径识别技术具有其他识别技术不具备的优势，是今后解决高速公路路径识别和费用征收问题的理想方案。

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U495

A

1671-2668（2016）01-0054-06

2015-12-06

广西壮族自治区交通运输厅科研项目（GXEWASFKY2013001）