提升电子不停车收费(ETC)系统整体性能的工程实践
摘要：总结了上海市高速公路电子不停车收费（ETC）系统应用中的经验，介绍了提升ETC系统整体性能的工程建设主要内容，重点讨论了提高ETC车辆通行速度、制定ETC车道设备布设的原则、解决跟车干扰等关键技术措施。
关键词：ETC系统 技术措施 通行速度 车道设备布设原则 跟车干扰
中图分类号: U412文献标识码： A
随着上海市电子不停车收费（ETC）系统的不断发展用户数量的不断增加，需要提升ETC系统的整体性能，以适应用户对ETC系统服务水平的更高要求。在原有ETC系统一期工程、二期工程的基础上，上海市开始实施ETC系统三期工程。
1电子不停车收费（ETC）系统建设概况
2008年底，在各相关部门的努力下，上海市高速公路电子不停车收费（ETC）系统一期工程建成运行。一期工程开通了部分ETC车道，建成了ETC结算系统、发行系统及客户服务系统。
在后续的ETC系统二期工程实施过程中，上海与江苏在全国率先实现了跨省市的高速公路ETC联网收费，2009年11月28日，完成了与安徽省的跨省ETC联网，2010年7月完成了江西省ETC联网，2011年12月福建省加入了长三角ETC联网收费系统，2012年8月浙江省ETC联网成功，实现了包括沪苏浙赣皖闽五省一市的泛长三角地区ETC联网收费。
ETC系统自一期、二期工程竣工开通运行以来，在缓解交通拥堵、节约土地、降低油耗、减少环境污染等方面的效益正逐步显现，同时用户数量的不断增加对ETC系统的整体性能以及服务水平有了更高的要求。截至2012年底，上海市高速公路网ETC车道分布在19个主线收费站和个匝道收费站，其中主线收费站实现了ETC车道全覆盖，匝道收费站的覆盖率为%，内仍有45座匝道收费站未建设ETC车道；ETC车道系统设计样式不一，导致ETC车道车辆通行速度偏低，通行时跟车干扰现象时有发生，容易造成交易混乱；上海市联网收费中心的ETC管理应用功能方面，中心未能建成与路段收费分中心和各个收费站的ETC车道状态信息和交易信息的实时互通。
为进一步提升高速公路收费道口通行能力和运营服务水平，推动上海市高速公路ETC车道系统的标准化，促进上海市ETC的发展，在总结上海市ETC系统（一期）、（二期）工程实施经验的基础上，上海市于2013年开始推动“ETC系统三期工程”的建设。
2上海市ETC系统总体架构
上海市高速公路ETC系统的总体架构如图1所示：
图1 上海市高速公路ETC系统总体架构图
上海高速公路ETC系统从业务逻辑上分为用户层、操作层及管理层三层架构。ETC车辆上需安装车载设备（OBE）和车载单元（OBU），ETC系统还包括车道系统、收费站系统、收费中心系统、高速公路ETC联网收费清算系统、ETC客服系统、卡结算系统以及结算银行、各路段业主、其他省市结算中心和其他省市清算银行等外部系统。
3ETC系统三期工程主要内容
ETC系统三期工程的主要内容在ETC系统一期、二期工程的基础上，对路网所有收费站实施ETC车道的全覆盖，并对前两期工程已建的车道的样式进行统一改造，使得通行速度提升、解决跟车干扰等问题，同时对ETC管理系统软件进行升级，提升ETC系统的整体性能和服务水平，具体包括三个方面：
1）ETC系统一期、二期工程建设完成后全上海市高速公路网内主线收费站均配置了ETC车道，但还有%的匝道收费站未配置ETC车道。ETC系统三期工程在这些收费站分别新建ETC车道，从而实现上海市高速公路全网收费站ETC系统设施的全面覆盖，确保ETC系统用户在上海市内进出高速公路都能享受到不停车收费的方便与快捷；
2）ETC系统一期、二期工程中建设的ETC车道，由于建设的时间不同、设计方案不同，所以各条车道系统设计样式并不统一，有很多车道还是ETC和人工收费（MTC）混合的运营方式，导致ETC车道车辆通行速度偏低，通行时跟车干扰现象时有发生，容易造成交易混乱等状况。ETC系统三期工程对已经建设完成的ETC车道进行设备布设统一标准化的设计，并完成改造。通过改造实现ETC车道的专道专用大幅提高通行速度，解决跟车干扰问题大幅度提高ETC交易成功率和通行秩序，使ETC用户可以充分享受便捷畅行的VIP待遇，提升上海ETC系统的整体性能和服务水平；
3）ETC系统一期、二期工程的建设中，上海市联网收费中心的ETC管理应用功能方面，中心与各个路段可以实时通信交易信息，但是中心与路段收费分中心和各个收费站的ETC车道状态信息和运营信息并未实现实时通信，车道运营
出现故障时不能及时发现和处理，容易引起ETC用户的不满和投诉。ETC系统三期工程对收费站、路段收费分中心和市联网清算中心的ETC应用管理功能进行升级改造，可以在联网清算中心内实时监测到各条ETC车道的运营状态信息，有问题及时发现及时处理及时解决，进一步改善提高ETC系统管理效率以及ETC系统整体社会形象和服务水平。
4ETC系统三期工程的主要技术措施
在ETC系统三期工程建设过程中所采取的技术措施有很多，本文重点就提高车辆通行速度、制定车道设备布设原则、解决跟车干扰这三个方面措施进行分析和介绍。
4.1提高ETC车道车辆通行速度
ETC系统一期、二期工程建设完成后，ETC车道的最高通行速度理论可达到20km/h，但是实际使用过程中往往通行速度达不到理论数值。经过分析研究，通行速度偏低主要是由于ETC车道的路侧设备天线（RSU）的交易区域距离车道电动栏杆机距离为5m（如图2所示），且电动栏杆机的抬杆速度较慢，车辆驾驶员出于安全考虑习惯性得在看到电动栏杆抬起动作之前踩刹车踏板减慢车速，待看到电动栏杆抬起动作之后再踩油门踏板加速通过车道，如果电动栏杆抬杆速度较慢的话，驾驶员也不敢大幅度加速。这样的驾驶方式使得ETC车辆的实际通行速度远低于设计通行速度。
图2ETC三期工程实施前的ETC车道布置图
由此分析，制约ETC车道通行速度的最主要因素是ETC车道RSU的交易区域与电动栏杆机的间距，次要因素是电动栏杆的操作时间，同时RSU交易区域的大小也是制约因素之一。
理论上RSU交易区域与电动栏杆机的间距越大越有利于通行速度的提高，但是增大间距势必将拉长ETC车道的长度将会影响到收费广场其他车道的正常通行。根据现场实地勘察调研，各个主线收费站的道路线性较为理想，基本有条件改造拉长ETC车道，保证RSU交易区域与电动栏杆机的间距≥12m，各个匝道收费站的道路线性不甚理想，基本有条件改造拉长ETC车道，保证RSU交易区域与电动栏杆机的间距≥9m。
ETC系统三期工程对原有的电动栏杆进行了更换和改造，主线收费站ETC电动栏杆抬杆速度由0.6秒提高到0.38秒，匝道收费站ETC电动栏杆抬杆速度由0.9秒提高到0.58秒。
ETC系统三期工程对原有的RSU也进行了优化改造，使得RSU的交易区域由4.5m扩大到6m。
下面来分析RSU交易区域与电动栏杆机间距分别为12m和9m的情况，车辆的通行速度情况。
根据上海市所采用的ETC车道系统交易模式和流程，对于交易一次成功的车辆，理论最大车速 = （交易区域长度+交易区域到电动栏杆距离）/（交易耗时+电动栏杆抬杆时间），ETC交易流程耗时一般为240ms。
因此，对于天线到栏杆距离为12m的ETC车道，理论最大车速为67.8km/h(0.58s栏杆)和80km/h(0.38s栏杆，通行速度受制于交易时间)；对于天线到栏杆距离为9m的ETC车道，理论最大车速为55.1km/h(0.58s栏杆)和72.0km/h(0.38s栏杆)。
但是，对于交易不成功或者设备有故障的车辆，当车辆行驶到ETC车道的RSU位置时，如果电动栏杆还没有抬杆的动作，则驾驶员的本能反应会立即采取制动措施。安全的ETC车道应能够保证交易不成功的车辆在栏杆前平稳停车。因此，ETC车道的安全通过车速Vs应为车辆可以在天线到栏杆之间完成车辆制动停车的最大速度。
按照GB7258- 2004《机动车运行安全技术条件》的要求，一般乘用车制动时达到充分发出平均减速度的时间t为0.45s（空载）和0.5s（满载），在车轮与路面的最大附着系数为0.7，并且在空挡制动条件下，对于天线到栏杆距离为12m的ETC车道，乘用车能够保证在栏杆前稳定停车的车速为40.77km/h(空载)和40.32km/h（满载）；对于天线到栏杆距离为9m的ETC车道，乘用车能够保证在栏杆前稳定停车的车速为34.77km/h(空载)和34.34km/h（满载）。
综上所述，ETC系统三期工程在主线收费站采用RSU交易区域与电动栏杆机间距为12m的ETC车道设计，匝道收费站采用RSU交易区域与电动栏杆机间距为9m的ETC车道设计，可以较高幅度提高车辆的通过速度。
4.2制定主线收费站ETC车道设备布设原则
ETC车道设备主要包括分车光幕、检测线圈、RSU、LED车道指示屏、龙门架、交易信息显示牌、电动栏杆、车道摄像机等设备。ETC系统一期、二期工程中建设的ETC车道，由于建设的时间不同、设计方案不同，所以各条车道系统设计样式并不统一。
由此分析，不同的车道设备布设样式会给ETC用户在不同车道通行时产生不同的使用感受从而带来困扰，比如不同车道的交易信息显示牌有的安装在左侧有的在右侧，且安装位置前后不一，用户在快速通过车道时可能会错过重要的交易信息；又比如不同车道的RSU安装位置和交易区域，以及电动栏杆的安装位置和电动栏杆的操作时间均不相同，用户在不同车道通行时，有时候会感觉交易
过程比较顺畅，电动栏杆响应速度较快，有时候甚至会感觉车都快要撞到电动栏杆了，栏杆才开始响应，这时车辆已经基本刹停了。
为了从根本上解决不同车道设备布设样式给ETC用户带来的不良用户体验， ETC系统三期工程根据为提高通行速度设定的RSU交易区域与电动栏杆机间距，制定了ETC车道设备布设原则。下面先分析主线收费站ETC车道。
我们假定装备OBU的测试车辆以40km/h速度通过主线ETC车道，当车头或OBU等位置分别到达图3中的①、②、③、④各点时，ETC车道上各设备均会有不同的响应。具体分析如下：
图3主线收费站ETC车道设备布设图
① ETC车辆以40km/h的时速行驶，当车载OBU到达该点时，开始交易，整个交易处理完成时间平均时间约240ms。按照时速40km/h计算，车辆前进约2.67m。
②当车头到达该点时，ETC交易应处理完毕，听到OBU发出的交易信息完成提示音，电动栏杆在视觉上有明显抬起动作，并且交易费额显示牌显示交易信息。费额显示牌安装于车行道左侧收费岛上龙门架后方2.5m处，安装角度为车行方向夹角40°，驾驶员可用眼角余光看清卡内余额和车牌号码等主要信息。按照时速40km/h计算，车辆行驶长度约为4.5m，总共用时不超过400ms。
③ 当车头到达该点时，还未看到栏杆有抬起动作，应立即采取制动，并安全刹停。车辆在时速40km/h时刹车至完全停止，总刹车距离约9.23m，在该点完成制动过程。
④车辆通尾部过该点后，电动栏杆复位下降。
由上述分析计算可知，主线ETC车道基本可实现40km/h的通行速度，如果通行队列中某辆车交易失败（或混入非ETC车辆），只要与前车距离保持在12m以上的可以避免发生电动栏杆砸车、车辆追尾等安全事故。
这种主线收费站ETC车道布设的原则，可以保证ETC用户有一致的良好的用户体验。
4.3制定匝道收费站ETC车道设备布设原则
为了从根本上解决不同车道设备布设样式给ETC用户带来的不良用户体验， ETC系统三期工程根据为提高通行速度设定的RSU交易区域与电动栏杆机间距，制定了ETC车道设备布设原则。下面再来分析匝道收费站ETC车道。
我们先假定装备OBU的测试车辆以30km/h速度通过匝道ETC车道，当车头或OBU等位置分别到达图4中的①、②、③、④各点时，ETC车道上各设备均会有不同的响应。具体分析如下：
图4匝道收费站ETC车道设备布设图
① ETC车辆以30km/h的时速行驶，当车载OBU到达该点时，开始交易，整个交易处理完成时间平均时间约240ms。按照时速30km/h计算，车辆前进约2.00m。
②当车头到达该点时，ETC交易应处理完毕，听到OBU发出的交易信息完成提示音，电动栏杆在视觉上有明显抬起动作，并且交易费额显示牌显示交易信息。费额显示牌安装于龙门架后方2.5m处，安装角度为车行方向夹角40°，驾驶员可用眼角余光看清卡内余额和车牌号码等主要信息。按照时速30km/h计算，车辆行驶长度约为4.5m，总共用时不超过550ms。
③当车头到达该点时，还未看到栏杆有抬起动作，应立即采取制动，并安全刹停。车辆在时速30km/h时刹停，总刹车距离约5.5m，在该点完成制动过程。
④车辆通尾部过该点后，电动栏杆复位下降。
由上述分析计算可知，匝道ETC车道基本可实现30km/h的通行速度，如果通行队列中某辆车交易失败（或混入非ETC车辆），只要与前车距离保持在9m以上的可以避免发生电动栏杆砸车、车辆追尾等安全事故。
这种匝道收费站ETC车道布设的原则，可以保证ETC用户有一致的良好的用户体验。
4.4解决跟车干扰
ETC车辆通行时的跟车干扰问题主要分为两种情况：
情况一是两辆车相继进入RSU通信区域（两车同处交易有效区域），前车交易失败甚至是非ETC车辆，而后车顺利交易成功，电动栏杆操作抬起，前车通过ETC车道，而后车则被栏杆拦下；
情况二是两辆车相继进入RSU通信区域（两车同处交易有效区域），前车顺利完成交易，栏杆抬起，但后车未交易成功甚至是非ETC车辆，后车在栏杆没有落下瞬间紧紧尾随前车一起通过ETC车道。这两种情况都被称为跟车干扰，会造成交易成功率下降，引起纠纷和交易混乱并影响通行秩序。
ETC系统一期、二期工程中建设的ETC车道，由于建设的时间不同、设计
方案不同，所以各条车道系统设计样式并不统一，也没有针对性的为解决跟车干扰问题而采取特别措施。
ETC系统三期工程建设过程中，为了解决ETC车道跟车干扰正常交易的问题，在每根车道均配备3对光幕，第一道第二道光幕设置在天线龙门架前方交易区内，第三道光幕设置在电动栏杆机后，以及在车道上设置了7组线圈，交易线圈1、2位于收费岛前部，交易线圈1作为触发线圈，存在线圈1位于RSU正下方，作为交易截至线圈，存在线圈2、3作为判断存在线圈，过车线圈作为判断过车，连接道线圈为旁道逃逸线圈。光幕和线圈的布设见图5。车道控制器通过光幕和线圈等检测手段能正确识别并且分隔进入车道的车辆类型（类型分为：正确交易的ETC车辆、交易失败的ETC车辆、非ETC车辆），及其进入车道的先后顺序，从而解决ETC车道跟车带来的干扰问题。
图5ETC车道光幕和线圈布设图
情况一的解决：前车交易失败（或非ETC车辆）
当前车进入交易线圈1，将该车列入未交易队列，打开RSU扫描OBU。设定扫描超时时间（1s），若超时未扫描到OBU，则将该车状态置为无OBU车辆，如有后续车辆进入交易线圈1，则继续将车辆放入未处理队列，不扫描OBU，不再进行交易；若未超时时，前车进入存在线圈1，此时关闭天线，将该车状态置为无OBU车辆，如有后续车辆进入交易线圈1，则继续将车辆放入未处理队列，不扫描OBU，不再进行交易。
无论何种情况，在前车无标签的情况下，都能及时准确的判断出来，第一时间关闭RSU并报警，不会对后车继续交易，从而解决跟车干扰问题。
情况二的解决：后车交易失败（或非ETC车辆）
这种情况关键是要准确判断后车是否成功交易，如果后车属于非法车辆则不再交易，同时车道报警，当前车通过过车线圈后迅速落杆拦截后车。本工程选用的电动栏杆为响应时间为0.3s的高速栏杆。当车速为30km/h时，0.3s内车辆位移2.5m，，因此理论上在车速≤30km/h时，后车非法跟车距离不小于2.5m时就能被电动栏杆拦截，从而解决跟车干扰问题。
5结语
上海市每年的交通流量都呈10%左右的递增。作为上海城市交通基础设施的重要组成部分，上海的高速公路一直承载着巨大的交通负荷。据2014年5月份
统计报告显示，上海市高速公路日均流量已经达近80万辆次，上海市ETC用户已超过37万，其中周一至周五ETC日均流量已达近20万辆次，约占整个高速公路网总流量的25%，极大地缓解了高速公路道口拥堵现象。
ETC系统三期工程新建79根ETC车道，实现上海市高速公路全网收费设施的ETC全覆盖，同时对已建的1根ETC车道进行标准化升级改造，实现车道整体形象“三统一”，即统一车道设备布设、统一车道布设位置、统一车道附属设施，全面提升上海市高速公路ETC系统的整体性能、社会形象和服务水平。
ETC三期工程还对243条ETC专用车道的LED指示牌、LED费额显示屏、天线门架、标志标线等附属设施进行了统一规范的更新，同时调整了129块ETC车道指示牌，不仅改善了ETC车道的外观形象，还大幅提升了ETC车道的通行辨识度，使ETC车辆驶入高速公路收费站后，司乘人员能够一目了然按照标牌指引快速通过ETC专用车道。
ETC系统三期工程建设完成并开通试运行的半年多时间内，完成了各个路段的初步验收，并做好了进行整体工程竣工验收移交的准备工作。
在这半年多的工程实践中，经过实际测试，ETC系统整体性能有了显著提升：在改造车道拉长RSU交易区域与电动栏杆机的间距后，主线收费站ETC车道的平均通过时速约为40km/h，匝道收费站ETC车道的平均通过时速约为29km/h，均比ETC系统三期工程实施前的车辆通行速度有了大幅度提升；在制定了ETC车道设备布设标准，同时有效解决了跟车干扰问题后， ETC车道交易成功率有了大幅提高，各个路段ETC车道交易成功率均≥99.7%，满足国家规范要求，处于全国领先地位。
