基于雙天線協(xié)同的改進(jìn)型 ETC 車道方案研究與應(yīng)用

陳大華 趙希逸

摘要：我國(guó)高速公路在取消省界收費(fèi)站后，已經(jīng)全面普及ETC收費(fèi)。但很多原收費(fèi)站的收費(fèi)廣場(chǎng)相對(duì)狹小，通行車輛如果不能一次性通過(guò)ETC車道，就需要倒車進(jìn)行二次交易，此時(shí)極易造成收費(fèi)站更加擁堵的情況。文章對(duì)廣西地區(qū)收費(fèi)站ETC車道通過(guò)異常的特殊情況數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了影響ETC車道一次通過(guò)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(gè)帶費(fèi)額顯示功能的低成本小功率天線的收費(fèi)方案，并通過(guò)南寧東收費(fèi)站與安吉收費(fèi)站實(shí)地測(cè)試應(yīng)用，證明該方案可明顯提高ETC車道的一次通過(guò)率，并能更加有效地降低擁堵問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高速公路;ETC收費(fèi);雙天線協(xié)同

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U491.1+22-A-49-172-4

0 引言

2020-01-01，隨著全國(guó)省界收費(fèi)站全部改造完成，高速公路的ETC用戶大幅度增加。ETC系統(tǒng)在我國(guó)高速公路的全面覆蓋，不僅給用戶出行帶來(lái)了更便捷的出行體驗(yàn)，還減緩了擁堵，降低了能耗，符合我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)交通運(yùn)輸部信息顯示，截止到2019年年底，全國(guó)累計(jì)ETC用戶高達(dá)2.04億，ETC車道覆蓋率達(dá)到95%以上，高速公路不停車快速收費(fèi)率高達(dá)90%以上。依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，目前廣西ETC用戶累計(jì)達(dá)到600萬(wàn)以上，同時(shí)正在全面推進(jìn)貨車ETC使用。在可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)間里ETC車輛將大量增加，因此ETC的通過(guò)成功率成為避免收費(fèi)站擁堵的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有方案來(lái)提升提高ETC車道的一次通過(guò)率，并提高ETC車道通行效率成為當(dāng)前ETC使用中亟須解決的問(wèn)題。大量高校、企業(yè)對(duì)ETC車道的優(yōu)化設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)行中。例如潘鼎如[1]探討了取消全國(guó)高速公路省界收費(fèi)站工程關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與智慧交通建設(shè)的發(fā)展前景。林智勇[2]闡述了高速公路ETC的發(fā)展情況以及迫切需要解決的問(wèn)題，并分析了收費(fèi)站ETC車道的通行現(xiàn)狀以及問(wèn)題形成的原因，提出了基于手持終端的高速公路應(yīng)急收費(fèi)系統(tǒng)解決方案。同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[3]針對(duì)目前路網(wǎng)中ETC與MTC（Manual Toll Collection）車輛混行的情況，考慮ETC的普及率，結(jié)合多用戶路網(wǎng)均衡模型和排隊(duì)論方法，建立基于雙層規(guī)劃模型的高速路網(wǎng)ETC車道優(yōu)化布設(shè)方法，該方法成功地提高了通行效率。然而，上述文獻(xiàn)均沒(méi)有針對(duì)廣西特殊情況具體地進(jìn)行分析。除此之外，ETC系統(tǒng)必須減少收費(fèi)站業(yè)主的人力成本，減少收費(fèi)站人工干預(yù)ETC車道的情況發(fā)生。

本文首先通過(guò)對(duì)廣西全區(qū)的ETC車道特殊情況（文中稱為“特情”）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)而形成車道雙天線ETC協(xié)同收費(fèi)的方案，有效提高了收費(fèi)站ETC車道的通行率和一次通過(guò)率，大大避免了車輛倒車進(jìn)行二次交易帶來(lái)的擁堵問(wèn)題，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案研究設(shè)計(jì)

1.1 原系統(tǒng)方案統(tǒng)計(jì)分析

在廣西地區(qū)常規(guī)采用的ETC車道設(shè)計(jì)方案如圖1所示。ETC車道設(shè)計(jì)方案中一般包括：車道分流屏、霧燈、相控陣RSU天線、車牌識(shí)別相機(jī)、光柵車輛分離器、綜合收費(fèi)顯示屏、車道控制工控機(jī)、高速自動(dòng)欄桿、通過(guò)線圈車檢器等。當(dāng)車輛出收費(fèi)站時(shí)車道分流屏用于指導(dǎo)車輛按照指示進(jìn)行行駛，相控陣RSU天線自動(dòng)讀取OBU的信息識(shí)別 ETC、MTC車輛以及車牌號(hào)、車牌顏色、車型等信息，通過(guò)車牌識(shí)別相機(jī)進(jìn)行采集比對(duì)，再利用光柵車輛分離器進(jìn)行車輛有效分離，消除跟車的現(xiàn)象。車道工控機(jī)RSU讀取車輛OBU信息，對(duì)相關(guān)運(yùn)算合計(jì)出費(fèi)用等信息進(jìn)行顯示，高速欄桿對(duì)通行車輛進(jìn)行控制。

整個(gè)ETC車道的設(shè)計(jì)中，最主要的目的是提高車輛的通行效率。如圖1所示，設(shè)計(jì)方案中的通信區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)車道進(jìn)行交易的一個(gè)區(qū)域，能否成功通信的最大瓶頸在于該區(qū)域的成功率，由于存在各種各樣的情況，部分車輛在駛?cè)隕TC車道后未能一次通過(guò)時(shí)，需要采取人工干預(yù)、倒車出車道多次駛?cè)耄ㄖ貜?fù)交易）或者更換車道等措施，嚴(yán)重影響了ETC車道的通過(guò)效率、用戶體驗(yàn)和車道安全。目前，本文收集了2020年4月廣西高速公路收費(fèi)站ETC特情數(shù)據(jù)，將各個(gè)特情分類統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出各種特情占比，繪制帕累托圖進(jìn)行原因分析，如圖2所示。

根據(jù)ETC車道相關(guān)特情分類，各種特情比例為：車型與OBU不符占比31%;未識(shí)別到OBU占比25%;交易超時(shí)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(jìn)行人工干預(yù)的特情有：

（1）車輛與OBU不符;（2）未識(shí)別OBU（未安裝OBU）;（3）黑名單;（4）其他原因。通過(guò)進(jìn)一步分析能夠通過(guò)反復(fù)交易OBU完成車輛通行的特情有：（1）ETC交易超時(shí);（2）OBU未插卡;（3）未識(shí)別到OBU（已安裝OBU）。通過(guò)進(jìn)一步交易數(shù)據(jù)分析，將特情分為必須退出車道和反復(fù)交易能夠通過(guò)兩大類，并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fù)交易能夠通過(guò)特情占比47%。

針對(duì)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(fā)行過(guò)程中人為錄入錯(cuò)誤，后續(xù)可進(jìn)行修正，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間的修正是可以進(jìn)一步減少錯(cuò)誤的，而屬于這一類的其他特情可以通過(guò)有效的管理進(jìn)一步提高。因此，本文主要通過(guò)技術(shù)方案以解決反復(fù)交易OBU能解決的這一特情。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究分析，本文創(chuàng)新性地提出通過(guò)增加一臺(tái)ETC天線與原有相控陣天線協(xié)同工作交易的方式，使進(jìn)入ETC車道的具有正常OBU的車輛能進(jìn)行多次交易，直到車輛能夠順利通過(guò)ETC車道。

1.2 本文提出的改進(jìn)型雙天線方案

經(jīng)過(guò)具體分析，由于ETC車道位置在設(shè)計(jì)時(shí)采用欄桿機(jī)后置方案，導(dǎo)致未能正常交易的ETC車輛會(huì)進(jìn)入車道內(nèi)部。因此，本文提出將第二個(gè)后置應(yīng)急ETC天線（見(jiàn)下頁(yè)圖4）安裝在欄桿機(jī)前，確保ETC車輛在車道內(nèi)部也可以進(jìn)行交易。后置ETC天線采用軟件自動(dòng)控制，能夠在發(fā)生特定情況時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，允許ETC車輛在車道內(nèi)進(jìn)行讀取交易，直到車輛交易完成。所提出的改進(jìn)型雙天線方案如圖4所示。

除了改進(jìn)天線的布設(shè)方案外，本文還對(duì)交易流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其流程控制如圖5所示。在ETC車輛通過(guò)ETC車道時(shí)，判斷出現(xiàn)未能正常通過(guò)特情代碼，確定為后置小功率天線處理特情代碼時(shí)，后置小功率天線開(kāi)啟讓進(jìn)入車道的車輛進(jìn)行交易，直到小功率天線完成交易，車輛通過(guò)后返回ETC車道的正常工作模式。

2 實(shí)際場(chǎng)景與應(yīng)用效果

本方案在安吉和南寧東收費(fèi)站各選取一條ETC車道作為試點(diǎn)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)試點(diǎn)從2020年6月至2020年12月連續(xù)6個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出如表1和表2所示的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

由表1和表2的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)計(jì)算得出：南寧東收費(fèi)站試點(diǎn)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(fèi)站試點(diǎn)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(shí)際試點(diǎn)的車道數(shù)據(jù)稍微低于前期理論分析的47%的占比，但整體上達(dá)到了較好的效果。通過(guò)采用本文提出的方案，試點(diǎn)ETC車道的車輛的一次通過(guò)率保持在98%以上，相比于原方案整體提升了1%，達(dá)到預(yù)期的效果。在可預(yù)測(cè)的將來(lái)，隨著ETC系統(tǒng)中不符特情的車型逐漸減少及通過(guò)管理手段減少黑名單，采用本文提出的雙天線協(xié)同進(jìn)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(jié)語(yǔ)

本文對(duì)ETC車輛在ETC車道不能正常通行的特情進(jìn)行分析，將不能正常通行的特情分為必須退出車道和反復(fù)交易能夠通行兩大類，并針對(duì)反復(fù)交易能夠通行這一大類，提出了通過(guò)增加一個(gè)后置小功率天線與原有相控陣天線進(jìn)行雙天線協(xié)同工作交易的方案，提高ETC車輛在車道內(nèi)的通行效率。理論分析與實(shí)際試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果表明，本文所提出的雙天線協(xié)同工作的方案，較好地解決了ETC車道通過(guò)反復(fù)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(fèi)站運(yùn)營(yíng)業(yè)主的人力成本，同時(shí)提高ETC用戶使用通過(guò)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(hù)的特點(diǎn)，使得該方案具有更優(yōu)越的工程實(shí)踐價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]潘鼎如. 取消省界收費(fèi)站關(guān)鍵技術(shù)拓展與應(yīng)用[J].中國(guó)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(yīng)急收費(fèi)系統(tǒng)解決方案[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2020，47（12）：86-88.

[3]劉成龍，陶 莎，趙 聰，等. 高速路網(wǎng)不停車收費(fèi)車道優(yōu)化布設(shè)方法[J/OL]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2021-03-08.

收稿日期：2021-03-18

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)“廣西智慧道路機(jī)電系統(tǒng)新技術(shù)綜合平臺(tái)建設(shè)”（編號(hào)：桂科ZY20111015）

作者簡(jiǎn)介：

陳大華（1985—），碩士，工程師，研究方向：智能交通產(chǎn)品研發(fā)與課題申報(bào);

趙希逸（1989—），工程師，研究方向：智能交通產(chǎn)品研發(fā)與測(cè)試。