王小雷，张立东，郭 溪
山东交通学院 交通与物流工程学院，山东 济南 250300
摘要：本文对高速公路收费站ETC系统进行了一种整体框架的改进，并结合改进后的ETC系统与驾驶员驾驶机动车驶进和驶离高速收费站的实例进行分析，最终使改进后的ETC系统能够有效的解决跟车干扰、通信盲区和超速通信等问题。
关键词：ETC；高速公路收费站；框架；改进；
引言
当前，我国已有22个省份高速公路实现ETC(Electronic Toll Collection)联网[6]，ETC收费系统[2]得到了广泛推广。作为一种新的高速公路收费模式，ETC系统给用户提高通行效率的同时也产生了一些问题，当驾驶员驾驶机动车通过高速公路ETC专用道[2]，交通比较拥堵的时候，机动车之间的间距较小，这时可能会发生跟车干扰问题；当机动车上安装的OBU(On board Unit)车载单元[1]与RSU(Road Side Unit)路侧单元[1]进行通信时，通信范围可能受影响发生通信盲区问题；当驾驶员驾驶机动车通过ETC专用道，交通比较流畅时机动车速度较快，会出现超速通行的问题；以上几种情况都会影响ETC车道的通行效率。
1 电子不停车收费系统存在的问题
1.1 跟车干扰[5]
跟车干扰是指因跟车过近，前面车辆完成交易后，后辆跟随前车离开车道，或后车先一步完成通行交易，前车被放行，但等后车行驶至栏杆前时被阻拦。
1.2 通信盲区[3]
短程通信设备的通信范围能够被各种因素所影响，栏杆前有一定区域属于通信盲区，如通行车辆在栏杆前进行读卡时显示失败，在交易未完成时，车辆应该后退，再进行读卡操作，此时如后方有车辆，则会对ETC车道通行效率产生极大影响。
1.3 超速通行[3,6]
通道有速度限制，如果超速通行，会导致车辆无法刷卡成功影响后面车辆正常通行。只能重新回到线圈处重新刷卡，既影响了司机通行也影响后车的正常通行。
2 改进后的ETC系统组成及工作原理
2.1 系统组成
2.1.1等待区
等待区包括等待区线圈检测器和等待区自动栏杆，当车辆进入等待区时，等待区线圈检测器通过计费区线圈检测器传递过来的信息可以判断计费区是否有车辆存在，如果有车辆存在则等待区的车辆继续等待；如果计费区无车辆，计费区线圈检测器会将计费区无车辆的信息传递等待区线圈检测器，这时等待区线圈检测器发出信号使等待区自动栏杆抬起，靠近等待区栏杆的第一辆机动车驶离等待区，驶入计费区。
2.1.2计费区
计费区包括车道摄影机[1]、计费区自动栏杆[4]、费额显示器[1]、计费区线圈检测器[4]、通行信号灯[4]以及RSU路侧单元。车道摄像机用于监控车辆，清晰辨认车牌图像；计费区自动栏杆的作用是机动车的OBU车载单元与收费站的RSU路侧单元完成识别并且系统完成扣费后栏杆自动抬起让车辆驶离收费站；费额显示器可以显示驾驶员此次在高速公路上的行程需支付的费用；计费区线圈检测器的作用是检测计费区是否拥有车辆并将此信息传给等待区线圈检测器；通信信号灯的作用是判断车辆是否完成扣费，当车辆完成扣费后，信号灯显示绿灯且抬起自动栏杆让车辆驶离收费站，但如果信号灯显示黄灯的话就证明车辆与收费站进行系统扣费时出现异常，这时候需要工作人员了解具体情况，如若是ETC卡里余额不足，驾驶员可以利用现金或者微信、支付宝等网联方式完成支付，支付成功后工作人员控制计费区自动栏杆升起让车辆驶离收费站；RSU路侧单元的作用是与车辆安装的OBU进行车辆识别，并进行出行信息记录。
2.2 工作原理
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图2.1 改进后的ETC系统
2.2.1 机动车驶进高速公路
如图2.1所示，驾驶员驾驶机动车在收费站等待区等待时，计费区线圈检测器检测到计费区无车辆，发出信号到等待区线圈检测器，等待区线圈检测器发出信号使等待区自动栏杆抬起，驾驶员驾驶机动车驶离等待区后栏杆自动落下，驶入计费区。此时计费区安装的车道摄像机用于监控车辆，清晰辨认车牌图像；计费区安装的RSU路侧单元完成对车载单元OBU的双向通信和数据交换，从而获取车辆的识别信息，车辆识别信息与数据库存储的相应数据进行比较判断，并根据判断结论生成车辆信息，把相关数据发送给后台处理单元；数据处理单元接收车辆相关信息后，生成与车辆识别信息相对应的计费开始数据后，交通信号灯为绿色且计费区自动栏杆抬起，车辆驶进高速公路。
2.2.2 机动车驶离高速公路
如图2.1所示，驾驶员驾驶机动车在收费站等待区等待时，计费区线圈检测器检测到计费区无车辆，发出信号到等待区线圈检测器，等待区线圈检测器发出信号使等待区自动栏杆抬起，驾驶员驾驶机动车驶离等待区后栏杆自动落下，驶入计费区。此时计费区安装的车道摄像机用于监控车辆，清晰辨认车牌图像；计费区安装的RSU路侧单元完成对车载单元OBU的双向通信和数据交换，从而获取车辆的识别信息，车辆识别信息与数据库存储的相应数据进行比较判断，并根据判断结论生成车辆信息，把相关数据发送给后台处理单元；后台数据处理单元计费结束后，生成与车辆识别信息相对应的计费开始数据、计费结束数据及费用信息生成应缴费用信息发起自动扣费，扣费结束后，交通信号灯为绿色且计费区自动栏杆抬起，车辆驶离高速公路。
3 改进前后的对比分析
(1)改进前存在跟车干扰问题，改进后由于等待区和计费区是分开的，等待区有自动栏杆的存在杜绝了前后车因为距离过近而造成的交通信号混乱问题。
(2)改进前存在通信盲区问题，改进后由于计费区的范围不大，短程通信设备能够完全覆盖整个计费区，就算出现扣费失败等问题，计费区内的工作人员会第一时间内去了解情况解决问题，后方的车辆只在等待区等待，不会出现因为前车扣费失败等问题导致后面排队的车辆倒车情况。
(3)改进前存在超速通行问题，改进后由于计费区和等待区都有自动栏杆，机动车在计费区进行识别或扣费等就必须在计费区减速慢行或者短时停车，这样就能有效解决车辆因超速通行造成的刷卡失败问题。
4 结论
改进后的ETC系统可以防止高速公路拥堵时车辆信号交错而导致的收费故障问题的发生，能有效地解决高速路口ETC专用道出、入口出现的跟车干扰、通信盲区以及超速通行等问题。
参考文献：
[1]苏晨.高速公路ETC电子收费系统的构成和优缺点[J].交通世界2020(18):150-151.
[2]张解国.高速公路电子不停车收费系统设计及运行[J].山西电子技术2019(03):23-26.
[3]郭菁华.浅谈ETC收费系统在高速公路中的应用[J].电子技术与软件工程,2015(20):80.
[4]武和全.一种智能ETC系统及其使用方法[J].中国,2020(06):09.
[5]陈丽.一种高速公路ETC车道防邻道和跟车干扰方案[J].中国科技信息,2020(17):91-92.
[6]孙昱平,张哲.浅析电子不停车收费系统现状及发展[J].南方农机,2020(05):2-42.
作者简介：第一作者：王小雷（1996-），男，山东德州人，硕士研究生在读，主要研究方向：智能交通。
通信作者：张立东（1979-），男，山东蒙阴人，工学博士，副教授，硕士生导师，CCF会员(会员号：F1052M)，主要研究方向为交通流建模、智能交通。
郭溪(1997-)，女，吉林长春人，硕士研究生在读，主要研究方向：智能交通。