發布日期：2022-05-20 點擊率：26
1 高速公路收費管理現狀
截止2006年1月，我國高速公路通車里程已經達到4.1萬公里。高速公路通車里程穩居世界第二位。“十一五”期間我國將新建高速公路2.4萬公里，到2010年，全國高速公路通車里程將達到6.5萬公里。
高速公路越建越多，但仍然很難滿足經濟發展的需要。高速公路堵車現象時有發生，擁堵嚴重的路段可能會天天堵，有時候一堵好幾天。高速公路管理手段越來越先進，但大部分已通車高速公路收費管理卻仍停留在比較低效的人工收費階段。這就給高速公路使用帶來諸多不便。2005年十一長假期間，為了緩解北京地區高速公路收費站帶來的擁堵，北京市100%開道敞開收費口、進出口，由此造成大量過路費流失。在2002年之前，高速公路收費站幾乎成了日本高速公路的瓶頸，因為汽車在收費站排隊交費造成的擁堵已經占到了日本交通堵塞原因的第三位。
傳統的收費管理方式主要有以下不便：
(1) 車輛停車排隊交費等候通關的時間較長，在車流量增加時很容易造成擁堵；
(2) 因停車等候交費的時間較長，降低了大橋的通行能力和服務水準；
(3) 各收費站點的現金結算工作量巨大，所需工作人員較多，增加了人力使用成本；
(4) 人工收費存在人員交接班的現金復核、稽查和統計工作量，同時還存在現金移交的資金安全問題；
(5) 存在收費漏、交錢不給票或給假票的情況時有發生，甚至出現假鈔假幣方面損失；
(6) 不便于路況和車流信息及時交流；
(７)由不同投資主體修建的公路收入分配問題日益嚴重；
(８)經過收費站時停車繳費造成的通行速度緩慢、頻繁制動引起的機械磨損、油耗、噪音和由此產生的大量有害尾氣等問題嚴重。
上述問題的存在大大降低了高速公路的通車能力和使用效率。使得高速公路方便快捷的優勢難以全面發揮，還帶來了貪污腐化、職務犯罪和能源浪費環境污染等問題，給經濟建設和社會發展帶來了極大的不便。
2 高速公路不停車收費管理系統概述
在車輛自動識別技術的發展過程中，試驗和實施了多種不同的自動識別技術，如感應線圈識別技術、聲表面波識別技術、條碼識別技術、紅外通信識別技術和射頻識別技術等，但最終主流歸結到采用射頻識別技術作為不停車收費系統的車輛自動識別技術。
不停車收費系統又稱電子收費系統 （Electronic Toll Collection System），簡稱ETC系統。它利用車輛自動識別(Automatic Vehicle Identification 簡稱 AVI)技術完成車輛與收費站之間的無線數據通訊，進行車輛自動識別和有關收費數據的交換，通過計算機網路對收費數據進行處理，實現不停車自動收費的全電子收費管理系統。
該系統通過安裝在車輛擋風玻璃上或者車身其他部位的車載電子標簽與在收費站ETC車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。不停車收費系統主要利用車輛自動識別技術，通過路側車道控制系統的信號發射與接收裝置識別通過車輛的編號，自動從該用戶的專用賬戶中扣除通行費。
射頻識別系統是利用安裝在車內的射頻卡（無線電收發器）存貯車輛編號及相關信息， 安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發器以專用短程通信（Dedicated Short-Range Communication， 簡稱DSRC）方式交換信息，并對其存儲內容進行讀寫操作，從而識別出當前通行車輛。除了用于收費以外，射頻電子標簽（Electronic Tag，簡稱ET）的一些型號也可以用于車路通訊（Vehicle-Road Communication）， 這一技術甚至允許車道設備向配備有顯示器的射頻電子標簽發送交通管理信息，這就使得不停車收費系統擁有城市交通管理和控制的潛在能力。
ETC技術在國外已有較長的發展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區的電子收費系統已經局部聯網并逐步形成規模效益。日本在2003年就已經有超過1000條ETC收費車道被安裝在收費站，幾乎遍及日本所有的高速公路。目前，關東高速已全部實現了ETC收費，只保留部分車道進行ETC和半自動混合收費。絕大部分的商業運營車輛已經裝備了ETC車載單元，我國很多地區已經開始使用ＥＴＣ系統對高速公路收費管理系統進行升級。
不停車收費技術特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環境下采用。在傳統采用車道隔離措施下的不停車收費系統通常稱為單車道不停車收費系統，在無車道隔離情況下的自由交通流下的不停車收費系統通常稱為自由流不停車收費系統。實施不停車收費，可以允許車輛在較高的速度之內通過，故可大大提高公路的通行能力；公路收費走向電子化，可降低收費管理的成本，有利于提高車輛的營運效益；同時也可以大大降低收費口的噪聲水平和廢氣排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以縮小收費站的規模，節約基建費用和管理費用。另外，不停車收費系統對于城市來說，就不僅僅是一項先進的收費技術，它還是一種通過經濟杠桿進行交通流調節的切實有效的交通管理手段。對于交通繁忙的大橋、隧道,不停車收費系統可以避免月票制度和人工收費的眾多弱點，有效提高這些市政設施的資金回收能力。
3 技術原理
系統是通過遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，實現車輛在快速移動狀態下的自動識別，從而實現目標的自動化管理。該系統產品集計算機軟硬件、無線通信、信息采集處理、數據傳輸、網絡通訊、自動控制和智能卡制作等技術綜合應用為一體，屬于先進的智能交通信息采集設備和高安全性的智能身份識別系統，是一種能有效對車輛進行自動識別和聯網監管的重要技術手段。
目前，RFID ETC高速公路不停車收費，其要求遠距離讀卡器能識讀在至少十米的距離。以目前的技術手段而言，只有兩種方式能夠實現:一種是采用半有源電子標簽的遠距離讀卡器，識讀距離能達到十米；另一種是采用有源電子標簽（有源射頻卡）的遠距離讀卡器，識讀距離最遠可達到100米。這兩種遠距離讀卡器的重要區別在于識讀可靠性：半有源射頻卡的遠距離讀卡器識讀可靠性不能達到100％，而有源射頻卡的遠距離讀卡器可靠性能得到完全保證。當然，后者支持的電子標簽成本也相應高于前者。因此，對于遠距離讀卡器的選擇取決于應用需求。
系統產品中的閱讀器將低頻的載波信號經發射天線向外發送；射頻卡進入低頻的發射天線工作區域后被激活，發射出載有目標識別碼的高頻加密載波信號被接收天線接收，經閱讀器接收處理后，提取出目標識別碼送至計算機，完成預設的系統管理功能，從而實現目標的自動化管理。
系統的工作原理簡圖如圖3所示。
目前，公路收費領域的射頻識別技術主要是工作在微波頻段（5．8GHz）的短距離（8米－30米）通信技術，射頻自動識別系統中，國際上研究和使用過的頻率有三種：915MHz、2．45GHz、5．8GHz。從已建成的不停車收費系統看，915MHz系統主要用于北美地區，尤其是集裝箱識別系統，5．8GHz系統主要用于歐洲和亞洲以及大洋洲地區，2．45GHz系統沒有形成主流。目前，電子收費確定在5．8GHz附近頻段已是不爭的事實。另一方面，歐洲、日本、美國、中國等大多數國家的標準定在5．8GHz至5．9GHz頻段。
在我國選用5．8GHz頻段具有如下優點：首先，我國通信系統標準體系靠近歐洲標準體系，無線電頻率資源的分配大致相同。其次，5．8GHz頻段背景噪聲小，而且解決該頻段的干擾和抗干擾問題要比解決915MHz、2．45GHz容易。再次，5．8GHz頻段的設備供應商較多，有利于我國ETC系統的設備引進，有利于降低系統成本，也有利于將來開展智能運輸系統領域的其他服務。
4 技術系統組成
4.1 硬件系統構成
不停車收費硬件系統包括收費站數據采集部分、數據傳輸部分、監控管理部分三部分組成。
收費站數據采集設備主要是遠距離非接觸采集車輛通過的時間、地點信息。收費站數據采集設備由若干個收費站組成局域網，每個收費站配置如下設備：
（1） 遠距離射頻識別系統（每套包括發射天線、接收天線、天線調諧器、閱讀器和嵌入式軟件）
（2） 車輛感應器
（3） 執行機構控制器(用于控制攝像機、交通信號燈、報警器等)
（4） 攝像機
（5） 交通信號燈
（6） 報警器
（7） 工控機
（8） 不間斷電源
數據采集系統主要實現不停車快速讀取通行車輛卡號，并上傳至收費管理中心；判斷通過車輛所持卡號的合法性，控制紅綠燈動作；對持有效卡的車輛綠燈放行；持無效卡的車輛紅燈禁行；對無卡車輛向控制中心發出警報信號或抓拍車輛圖像。
每一個收費站是系統中的基本管理單元，其數據通過網絡聯接，將車輛通行的相關資料經專用電纜（通常采用單模光纖）通過計算機網絡實時傳輸至控制中心。圖像捕捉設備將自動捕捉、存儲車輛的圖像，以供核查。
數據傳輸主要是完成收費站與監控室或收費管理中心之間的網絡連接。它由若干個收費站數據采集設備通過IP協議組成廣（局）域網，數據傳輸配置網絡通信接口設備、數字交換機、光收發設備、網絡終端設備。
監控管理部分主要是完成對上傳數據進行處理，提供完整的通行記錄報告和自動生成各類收費數據、客戶對賬單、交通流量的統計報表供查詢和打印，并實時監控車輛通行狀態，將數據存機備查；當車輛非法進入或不按規定通道通行時，系統報警。監控管理配置網絡服務器、管理計算機、不間斷電源、系統軟件 。
監控管理部分實時采集、存儲各監控點處理計算機的通行數據，并進行邏輯判斷和處理；完成各種信息的存儲、備份以便稽核人員核查。自動生成各類數據、交通流量的統計報表供查詢和打印；負責發放射頻卡、建立用戶檔案、修改卡片檔案庫資料，設定用戶查詢密碼等工作，保障發卡操作的合法性及安全性。設立卡片掛失、補卡、清卡、退卡、用戶服務查詢系統。
4.2 軟件系統構成
不停車收費管理系統是由服務器、管理計算機、車道計算機通過星形及總線形的混合網絡拓撲結構連接而成的具備實時數據監視及采集、圖像監視及采集、數據統計、信息檢索等多項功能的計算機綜合管理系統。其中包括由采用星型結構連接在一起的車道計算機為主，遠距離射頻識別系統設備、信號燈、顯示牌和紅外車輛檢測器等為輔而構成的車道收費系統；由通過集線器連接的服務器、管理計算機、報表打印機組成的上端管理系統；由通過數據通道與圖像信息通道與網絡連接在一起的以計算機為主，視頻采集設備為輔的多媒體采集系統。其各組成部分功能如下：
(1)車道計算機:主要是完成車型的自動錄入，射頻卡的讀寫、網絡檢測、數據上傳、信號燈控制、紅外控制以及對各個收費車道特殊車輛（包括：無卡車、卡無效車、違章車等）的圖像信息進行捕獲并分類存入計算機以備隨時檢索使用等功能。
(2)管理計算機:對原始數據進行交通流量、征費金額的統計并輸出各種文字和文字報表；通過各種條件對收費原始數據及圖像進行多條件復合查詢并匯總；進行射頻卡的發行、回收、掛失、恢復和充值操作；對系統進行各種初始設置等功能。
(3)網絡服務器:完成整個收費系統局域網絡的管理及作為數據庫服務器進行原始數據及圖像的存儲、備份工作。
系統主要由數據統計、數據查詢、射頻卡管理、系統維護、系統退出幾個模塊構成。
系統工作流程如下所示。
(1)數據查詢模塊主要完成通過各種條件對原始數據進行檢索并匯總的功能。其功能實現主要分為四部分：原始數據總條件過濾、進一步進行明細條件的查詢、對查詢結果進行瀏覽、對符合條件的數據進行匯總。
(2)數據統計模塊主要是根據收費站各個收費車道的交通流量及收費情況等進行統計匯總，并按照指定的格式進行報表的輸出。統計表報表包括：預繳款扣交總金額報表；車流量報表；有效卡車流量報表；沖關（無卡）/無效卡/黑名單車輛流量、明細報表；預繳款最低金額線卡號明細表；分時段統計以上指標功能報表。
(3)系統維護模塊介紹主要是完成對整個收費管理系統進行初始化操作和對各種與系統相關的重要數據進行維護的功能。此模塊只能由本系統的超級用戶來完成，其他任何人員不能完成此模塊的各項功能。維護項目包括：基本信息維護；操作人員維護；收費車道維護；費率庫維護；值班情況瀏覽；射頻卡初始化。
(4)射頻卡管理模塊主要是完成對整個收費管理系統中各種 射頻卡的發行、回收、維護等工作。管理項目包括：射頻卡信息瀏覽：射頻卡發行管理；射頻卡充值管理；射頻卡回收管理；射頻卡黑名單管理。
(5)系統退出模塊主要是完成退出時再次對進行人員的身份校驗及準備退出前的各種數據庫的關閉及未保存的數據的保存工作。
從不停車收費管理系統軟硬件系統構成，我們可以將不停車收費管理系統概括成車輛識別系統、車型分類系統、逃費抓拍系統幾個部分。如果需要,還可以在收費站加裝緊急救援系統,從而將交通監控中心與職業的救援機構聯成有機的整體，為道路使用者提供車輛故障現場緊急處置、拖車、現場救護、排除事故車輛等服務。
系統工作流程圖如圖4所示。
5 電子標簽和車載讀卡器
5.1 電子標簽
將專用的集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中封裝而成的IC卡（Integrated Circuit card 即集成電路卡），按所嵌的芯片類型可分為：存儲器卡、邏輯加密卡和CPU卡三種。CPU卡以其對數據的絕對保護性、安全性高、容量大的特點和其在應用中對計算機網絡的實時性、敏感性要求低，有利于在網絡質量不高的環境中應用的特性，被日本ETC系統定為電子標簽的最終解決方案。CPU卡內的集成電路包括中央處理器CPU、可編程只讀數據存儲器EEPROM、隨機存儲器RAM以及固化在只讀存儲器ROM中的卡內操作系統COS(Chip Operating System)。CPU卡中數據可分為外部讀取和內部處理部分，可固化DES和RSA等密碼算法，甚至可集成密碼協處理器，在卡中就可對數據作加密/解密和數字簽名/驗證運算，以確保卡中數據的安全可靠。
CPU卡芯片出廠前，芯片中的數據被制造商密鑰保護起來。只有掌握該密鑰的IC卡制造商才能讀出這些數據。在卡片中封裝入保密邏輯芯片，驗證IC卡的操作密鑰，控制對卡中EEPROM的訪問。當芯片被封裝到塑料卡片中形成CPU卡后，IC 卡生產廠商可以把預處理數據（如卡序列號、廠商代碼等）寫入卡中的EEPROM中，并把卡個人化密鑰寫入讀保護存儲區，每張卡有一個個人化密鑰，用來保護該卡不被非法初始化為偽卡。CPU卡在發行到持卡人之前，需要將卡個人化，即在CPU卡中建立應用系統的結構（創建MF、DF和EF文件）將持卡人的個人信息寫入卡中的保護區里。
在個人化過程中，可以設定文件的訪問權限。每張卡中可以建立多個DF文件，每個DF文件中定義一套獨立的應用，每個應用有不同的口令和不同的安全控制條件。對DF訪問的控制條件存入MF卡中。個人化過程結束后，卡中還可以設置持卡人密碼，以保護該卡的安全使用。集成在日本ETC系統中的IC卡通過車載器與外場設備相互通訊，進行授權認可，加密數據記錄。電子標簽是可讀寫的，在采用"封閉式"收費制式的高速公路上，進入高速公路時，路側雷達向電子標簽寫入入口車站信息；離開高速公路時，再讀出入口信息以便系統計算通行費。由于在整個ETC的支付過程中，IC卡上的車輛型號、車牌號碼、車主的相關資料等信息需要經過雙向通訊才能完成交易，所以安全性至關重要。
5.2車載讀卡器
作為溝通車路間通信的車載器，特別是起技術核心DSRC(Dedicated Short Range Communication,專用短距離通訊)標準的制定更是ETC關鍵技術。目前，國際上已形成了以歐洲CEN/TC278，美國ASTM/IEEE和日本ISO/TC204為標準的DSRC體系。1999年11月，日本ISO/TC204被ITU(International Telecommunication Union國際電信聯盟)確認為國際標準，其具體技術是：標準化機構：TC204國際標準化組織第204委員會，頻率：5.8GHz，通信方式：主動式本雙工/雙工，工作功率：300mW以下（路側雷達（預告用）），10mW以下路側雷達（收費站用）、車載器），調制方式：ASK，通信協議：FCMS，MDS，ACTS，傳輸速率：1Mb/s,通信距離：約30m,通信設計時速：∠180km/h。由于長、中、短波等波段已基本被廣播電視、民用通信等相應領域占用，且車間通信距離不長（范圍幾十米），通信區域相對固定，通信時間較短，因此選用5.8GHz作為載波頻率；同時，ITS將ETC的DSRC工作頻段定為5.8GHz也是為今后開發第四代移動通信作技術支持。
6 應用難題及解決
作為智能運輸系統的重要組成部分，ETC已越來越多地應用到新建的高速公路之上。任何一項技術的應用有其突出的優點，也必然會有不足，尤其是與管理融合在一起的技術更是如此。ETC有其非常明顯的優點，但是它也不是在任何地方都能應用或者說能發揮其優勢的。
由于ETC車道的初期建設成本投入較高和對DSRC、電子標簽的保密性開發費用也過高，據日本相關調查機構統計，一條ETC專用車道的投資金額高達1，000萬日元以上，并且使用者用于購買車載器方面的花費也在3、4萬日元左右，因此導致ETC技術在運用上的瓶頸效應?，F在，一種稱之為"電子牌照"的技術正被推廣。"電子牌照"就是在普通汽車牌照上嵌入一枚可讀的IC芯片從而提高汽車牌照的防偽性，更便于車輛管理。若全國所有的車輛都運用了"電子牌照"技術，那么必將降低對ETC車道中AVC系統的投資。另一種稱之為"藍牙"（Blue tooth）的短距離無線網絡頭腦關心技術也將從根本上降低ETC系統的建設成本。"藍牙"是一種在區域性環境內進行短距、點對多點的數據傳送無線連接技術，其優點有：整個藍牙協議結構簡單，具有很強的移植性，可應用于多種通信場合；功耗低；藍牙模塊應用簡單，成本低廉，容易實現，易于推廣，已得到了許多電腦制造商及通信器材廠商的支持。
另一個方面，不停車收費系統對可靠性要求很高，因為一旦系統開通，有車載卡的用戶將在有ETC系統的高速公路(網)的任意出入口使用ETC通道，如果有哪個出入口有故障， 將給用戶帶來很大的麻煩，有時還會引起糾紛。有的發達國家為避免此問題，為每個收費站配備了手持式的ETC讀寫機。不停車收費系統一旦得到推廣，那就需要在所有的高速公路出入口安裝ETC車道，而實際上，有相當部分的出入口交通量不大，因此這樣的系統將使設備和車道資源大量閑置。
在不停車收費系統不斷的開發完善中，上述問題也許會很快得到解決，但是肯定還會有新的問題出現。我們要用平常的心去看待新技術，不要因為取得技術的突破而沾沾自喜，更不能因為困難的出現就輕易放棄。沒有永遠平坦的大道，存在的只有不斷的溝壑和人類無休止的修繕。
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