取消高速公路省界收費(fèi)站ETC門(mén)架系統(tǒng)RSU天線冗余設(shè)置研究

李奇峰

（廣東聯(lián)合電子服務(wù)股份有限公司，廣州510610）

1 引言

2019 年5 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《深化收費(fèi)公路制度改革取消高速公路省界收費(fèi)站實(shí)施方案》，交通運(yùn)輸部緊跟印發(fā)《取消高速公路省界收費(fèi)站總體技術(shù)方案》[1]（交辦公路函〔2019〕320 號(hào)），明確“實(shí)現(xiàn)電子不停車(chē)收費(fèi)（ETC）、輔以車(chē)牌圖像識(shí)別、多種支付手段融合應(yīng)用”的技術(shù)路徑，用以指導(dǎo)取消高速公路省界收費(fèi)站相關(guān)工作開(kāi)展。ETC 門(mén)架系統(tǒng)作為總體技術(shù)方案支撐不停車(chē)快捷收費(fèi)的核心關(guān)鍵，應(yīng)考慮ETC 門(mén)架關(guān)鍵設(shè)備（RSU、車(chē)牌圖像識(shí)別設(shè)備等）的冗余設(shè)置。

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院和交通運(yùn)輸部的決策部署，廣東省啟動(dòng)了ETC 門(mén)架RSU 天線的冗余設(shè)置模式研究。主要研究?jī)?nèi)容有以下4 個(gè)方面：

1）廣東RSU 天線微波通信參數(shù)指標(biāo)調(diào)研分析；

2）廣東RSU 天線自由流交易成功率調(diào)研分析；

3）ETC 門(mén)架系統(tǒng)RSU 天線冗余方案研究；

4）研究結(jié)論。

2 指導(dǎo)思想及研究目標(biāo)

2.1 指導(dǎo)思想

堅(jiān)持以交通運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，以高速公路機(jī)電工程為依托，以構(gòu)建廣東省高速公路交通運(yùn)輸體系為重點(diǎn)，從廣東省高速公路收費(fèi)系統(tǒng)現(xiàn)狀出發(fā)，深入分析、總結(jié)管理部門(mén)存在的需求，構(gòu)建完善的收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)，明確工程建設(shè)的目標(biāo)與主要任務(wù)；充分借鑒取消省界收費(fèi)站試點(diǎn)省份的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以融合成熟信息技術(shù)為基礎(chǔ)，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(shè)和服務(wù)理念，以需求為導(dǎo)向。

2.2 研究目標(biāo)

ETC 門(mén)架系統(tǒng)是取消高速公路省界收費(fèi)站任務(wù)的主要實(shí)施工程，其工程的完成度直接影響整個(gè)任務(wù)的完成情況，為更好地完成國(guó)務(wù)院、交通運(yùn)輸部、廣東省政府下達(dá)的任務(wù)，開(kāi)展本項(xiàng)目研究，為全省提供ETC 門(mén)架系統(tǒng)關(guān)鍵性設(shè)備的RSU 天線冗余設(shè)置方案，確保ETC 門(mén)架系統(tǒng)安全、暢通、高效地發(fā)揮作用。

3 廣東省ETC門(mén)架系統(tǒng)RSU天線冗余設(shè)置方案研究

按總體技術(shù)方案要求，RSU 是ETC 門(mén)架系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，需要進(jìn)行冗余設(shè)置，當(dāng)主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備應(yīng)立即啟用工作。

3.1 RSU天線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

1）測(cè)試思路及方法。微波場(chǎng)強(qiáng)無(wú)法直接測(cè)定，可利用專業(yè)儀器儀表從微波電場(chǎng)的幾個(gè)方面進(jìn)行點(diǎn)陣式+線性采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算公式得出場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值。參照行業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的相關(guān)規(guī)程，測(cè)試方法針對(duì)性做了簡(jiǎn)化。高空作業(yè)車(chē)把測(cè)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(fā)射角度對(duì)應(yīng)地面并標(biāo)線距離（橫向575mm，縱向4000mm），等分切割為小格區(qū)域并標(biāo)記，采用“米”字形態(tài)對(duì)微波地面輻射區(qū)域進(jìn)行專業(yè)儀器Agilent Spectrum Analyzer（安捷倫頻譜分析儀）采集標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)，然后整理形成RSU 天線樣本的一幅平面微波電場(chǎng)指標(biāo)圖，如圖2 所示。

圖1 RSU天線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試高空車(chē)裝備實(shí)景

圖2 樣本RSU天線A場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果平面微波電場(chǎng)指標(biāo)圖

2）測(cè)試樣本。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了3 個(gè)DSRC 設(shè)備廠家提供的廣東省內(nèi)高速公路3 款通用RSU 天線。

3）RSU 天線設(shè)備布設(shè)指標(biāo)。凈空高度630mm，天線角度45°～78°，發(fā)射功率15～21dBm。

4）測(cè)試結(jié)果。3 款樣本RSU 天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，天線懸空630mm 狀態(tài)下，微波可實(shí)現(xiàn)橫向覆蓋區(qū)域5.75m，縱向覆蓋區(qū)域40m，天線垂直正下方信號(hào)最弱時(shí)-70dBm。

RSU 天線微波場(chǎng)強(qiáng)研究分析結(jié)論：

3 個(gè)DSRC 設(shè)備廠家所提供的3 款RSU 天線樣本，結(jié)合產(chǎn)品自身特性，至少可以滿足橫向1.5 個(gè)車(chē)道，縱向35m 區(qū)域內(nèi)的ETC 車(chē)輛交易需求。

3.2 RSU天線ETC電子標(biāo)簽（OBU）捕獲率、交易成功率測(cè)試

為更深入實(shí)際，技術(shù)專項(xiàng)研究組開(kāi)展了自由流虛擬站試點(diǎn)測(cè)試工作。通過(guò)試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)方案、軟件功能、設(shè)備選型及系統(tǒng)安裝調(diào)試等各方面應(yīng)用進(jìn)行綜合評(píng)估，以提供參考意見(jiàn)。

1）場(chǎng)地選點(diǎn)及斷面特點(diǎn)。綜合考慮收費(fèi)場(chǎng)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(jiǎn)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(yù)交易點(diǎn)（如圖4 所示，簡(jiǎn)稱粵北省界ETC 自由流）開(kāi)展ETC 門(mén)架系統(tǒng)試點(diǎn)研究工作。

圖3 南丫主線ETC自由流實(shí)況

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

圖4 粵北省界ETC自由流實(shí)況

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

2）斷面技術(shù)驗(yàn)證方法。南丫主線ETC 自由流斷面模擬ETC 門(mén)架分段式計(jì)費(fèi)采用0 元扣費(fèi)方式；粵北省界主線ETC自由流斷面采用實(shí)際路徑還原精確收費(fèi)預(yù)交易方案。

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段。南丫主線ETC 自由流系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2019 年5 月21 日0 時(shí)0 分～2019 年6 月10 日24 時(shí)60分，粵北省界ETC 自由流系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2019 年5 月18 日0 時(shí)0 分～2019 年6 月10 日24 時(shí)60 分。

4）統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式：

式中，用戶異常流水?dāng)?shù)量包括：未插卡、非有效卡、OBU 拆卸、OBU 超出有效期。

注：僅收費(fèi)站獲取的OBU 數(shù)量，是指在門(mén)架系統(tǒng)未讀到、但在出口收費(fèi)站讀到的OBU 數(shù)（由于MTC 車(chē)道未裝OBU 識(shí)別設(shè)備，出口收費(fèi)站讀到的OBU 數(shù)量?jī)H統(tǒng)計(jì)ETC 車(chē)道OBU 數(shù)量）。

5）測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

經(jīng)統(tǒng)計(jì)并分析粵北省界47516 車(chē)次、南丫主線409406 車(chē)次的交易數(shù)據(jù)，2 個(gè)ETC 自由流斷面OBU 捕獲率均達(dá)到99.8%以上。南丫主線交易成功率超過(guò)99.5%；粵北省界“交易未完成離開(kāi)”及“寫(xiě)ETC 卡文件出錯(cuò)”車(chē)輛較多，交易成功率僅96.2%。

進(jìn)一步分析，影響粵北省界ETC 自由流測(cè)試斷面交易成功率的因素主要有3 點(diǎn)：（1）斷面的車(chē)速較高。在同樣的RSU天線微波覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，客觀導(dǎo)致粵北省界ETC 自由流RSU天線與ETC 車(chē)輛OBU 通信交互時(shí)間窗口時(shí)長(zhǎng)小，一定程度上影響了交易成功率。（2）斷面采用實(shí)際路徑還原精確收費(fèi)預(yù)交易模式進(jìn)行測(cè)試，客觀上增加了車(chē)輛實(shí)際通行路徑還原和精確費(fèi)率計(jì)算等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)耗時(shí)（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)約50ms），該部分耗時(shí)在微波通信區(qū)域和車(chē)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(shù)要求和指標(biāo)，進(jìn)而影響到整體交易成功率。（3）客觀存在部分省份OBU 產(chǎn)品在質(zhì)量、性能上的指標(biāo)低于廣東本省發(fā)行的產(chǎn)品相關(guān)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(jīng)駛的外省ETC 車(chē)輛數(shù)量占比總車(chē)流較高，一定程度上影響到整體交易成功率。

3.3 RSU 冗余設(shè)置研究

3.3.1 方案一：硬件double 冗余

每車(chē)道設(shè)置2 個(gè)RSU，1 主1 備。RSU 有發(fā)射接收狀態(tài)檢測(cè)，2 臺(tái)控制器互為主備連接在一起（見(jiàn)圖5）。當(dāng)主設(shè)備發(fā)現(xiàn)有天線報(bào)故障，即可切換至備機(jī)工作。

3.3.2 方案二：硬件互為備份冗余

每車(chē)道設(shè)置1 個(gè)RSU。結(jié)合RSU 產(chǎn)品自身特性及RSU 天線樣本數(shù)據(jù)，每個(gè)RSU 至少可以滿足橫向1.5 個(gè)車(chē)道（見(jiàn)圖

6）。當(dāng)一個(gè)天線發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)相鄰車(chē)道天線實(shí)現(xiàn)對(duì)天線損壞車(chē)道的覆蓋，實(shí)現(xiàn)冗余。

3.3.3 小結(jié)

方案一冗余性能好，保證正常交易成功率高，但工程造價(jià)高。

方案二造價(jià)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(jù)高速公路服務(wù)水平進(jìn)行RSU 冗余設(shè)置，服務(wù)水平小于或等于四級(jí)時(shí)，按每車(chē)道1 臺(tái)RSU 設(shè)置，進(jìn)行互備。服務(wù)水平達(dá)到五級(jí)的路段在最內(nèi)側(cè)超車(chē)道額外增設(shè)1 臺(tái)RSU，作為冗余補(bǔ)充。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前各廠家RSU 指標(biāo)的基本情況，以及目前根據(jù)交通運(yùn)輸部所規(guī)定的基本參數(shù)要求，RSU 天線均具備和滿足1.5個(gè)車(chē)道的微波通信區(qū)域覆蓋，門(mén)架RSU 天線均采用分時(shí)時(shí)序工作模式，相鄰RSU 天線彼此已經(jīng)形成了一定程度的互為冗余設(shè)備。為了保障RSU 在單點(diǎn)故障情況下的交易成功率，建議可對(duì)于流量較大的路段，在超車(chē)道和快車(chē)道之間加裝1 套R(shí)SU 天線，可實(shí)現(xiàn)車(chē)道RSU 天線故障時(shí)的系統(tǒng)冗余，且較為經(jīng)濟(jì)。

在《高速公路ETC 門(mén)架系統(tǒng)技術(shù)要求》[2]（交辦公路函〔2019〕856 號(hào)）中明確RSU 與車(chē)牌識(shí)別技術(shù)已經(jīng)互為系統(tǒng)冗余情況下，單點(diǎn)設(shè)備故障所造成的通行費(fèi)損失與工程建設(shè)費(fèi)用比較，單點(diǎn)設(shè)備冗余經(jīng)濟(jì)性也明顯缺乏。