ETC技術(shù)與智能卡技術(shù)的相融合
發(fā)布日期：2017-03-18
作為當(dāng)今世界研發(fā)熱點(diǎn)的智能交通系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)ITS)重要組成部分的ETC技術(shù)是解決收費(fèi)道路上交通擁擠、堵塞和其它弊端，提高現(xiàn)有道路運(yùn)行安全和效率的重要手段，也是日益增長(zhǎng)的環(huán)保需要。目前，世界各地都在大量修建高等級(jí)收費(fèi)公路，到2000年底我國(guó)高等級(jí)收費(fèi)公路達(dá)10 000km。事實(shí)證明，單純依靠擴(kuò)大道路基礎(chǔ)設(shè)施的方法，不僅需要大量的人力、物力和資源，而且收效有限，滿(mǎn)足不了日益增長(zhǎng)的交通需求，且對(duì)環(huán)保造成很大壓力。若采用ETC系統(tǒng)可使現(xiàn)有收費(fèi)道路通行能力提高4～5倍，這樣可節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力。
據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)僅廣州地區(qū)每年由此可節(jié)省的停車(chē)等待交費(fèi)所損失的汽油費(fèi)就超億元。目前，我國(guó)ITS協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組已成立，科技部將把ITS列為十五計(jì)劃中的一個(gè)重大課題，制定ITS的發(fā)展框架，其中ETC是重要內(nèi)容之一，也是目前最緊迫的任務(wù)之一。
1 ETC技術(shù)發(fā)展
ETC技術(shù)在80年代開(kāi)始興起，90年代在世界各地使用，受到各國(guó)政府和企業(yè)的廣泛重視，世界許多著名公司，如Amtech、TI、Boash、 Hitachi、Toyota等均競(jìng)相研制。因此ETC技術(shù)發(fā)展很快，其主要經(jīng)歷以下3個(gè)發(fā)展階段：
1.磁卡收費(fèi)。主要在ETC發(fā)展初期使用。但由于其投資大，存儲(chǔ)容量小，壽命短，保密性差，對(duì)環(huán)境要求苛刻，防潮、防污、防振、抗靜電能力差，而沒(méi)有得到很好應(yīng)用。
2.接觸式IC卡收費(fèi)。IC卡因其存儲(chǔ)容量大，保密性好，抗電磁干擾強(qiáng)，投資和維護(hù)費(fèi)用少，易實(shí)現(xiàn)智能功能而取代磁卡收費(fèi)。但由于需要接觸操作、易磨損、易受污、安全可靠性欠佳，從而使使用受到限制，主要應(yīng)用于公共交通收費(fèi)等半人工收費(fèi)系統(tǒng)。
3.非接觸式ID卡收費(fèi)。它是在IC卡基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代射頻識(shí)別技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新一代收費(fèi)系統(tǒng)。最大特點(diǎn)是免接觸，使得保密、安全性進(jìn)一步提高，而且沒(méi)有接觸磨損，壽命長(zhǎng)，抗惡劣環(huán)境性能好，適合于ETC系統(tǒng)的野外、全天候工作。一般工作在微波波段，識(shí)別距離長(zhǎng)，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)率高，適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，真正實(shí)現(xiàn)不停車(chē)收費(fèi)，是ETC系統(tǒng)發(fā)展的方向。目前各大公司正致力于微波非接觸式ID卡收費(fèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制。
2 ETC系統(tǒng)組成及工作原理
ETC系統(tǒng)是通過(guò)安裝于車(chē)輛上的車(chē)載裝置和安裝在收費(fèi)站車(chē)道上的天線之間進(jìn)行無(wú)線通信和信息交換。主要由車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施等組成。其中，車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)有車(chē)載單元(On board unit，OBU)又稱(chēng)應(yīng)答器(Transponder)或電子標(biāo)簽(Tag)、路邊單元(Road side unit，RSU)、環(huán)路感應(yīng)器等組成。OBU中存有車(chē)輛的識(shí)別信息，一般安裝于車(chē)輛前面的擋風(fēng)玻璃上，RSU安裝于收費(fèi)站旁邊，環(huán)路感應(yīng)器安裝于車(chē)道地面下。中心管理系統(tǒng)有大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)大量注冊(cè)車(chē)輛和用戶(hù)的信息。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站口時(shí)，環(huán)路感應(yīng)器感知車(chē)輛，RSU發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)，OBU做出響應(yīng)，并進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換；中心管理系統(tǒng)獲取車(chē)輛識(shí)別信息，如汽車(chē)ID號(hào)、車(chē)型等信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)信息進(jìn)行比較判斷，根據(jù)不同情況來(lái)控制管理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的動(dòng)作，如計(jì)算機(jī)收費(fèi)管理系統(tǒng)從該車(chē)的預(yù)付款項(xiàng)賬戶(hù)中扣除此次應(yīng)交的過(guò)路費(fèi)，或送出指令給其它輔助設(shè)施工作。其它輔助設(shè)施如：違章車(chē)輛攝像系統(tǒng)，自動(dòng)控制欄桿或其它障礙，交通顯示設(shè)備(紅，黃，綠燈等設(shè)備)指示車(chē)輛行駛。
2.1車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)
ETC系統(tǒng)中車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是其中最重要的技術(shù)，它直接影響到系統(tǒng)的性能和應(yīng)用推廣，也是區(qū)別不同的ETC系統(tǒng)的主要標(biāo)志。目前，采用的識(shí)別技術(shù)主要有：1.紅外線掃描識(shí)別技術(shù)；2.CCD攝像識(shí)別技術(shù)；3.激光掃描識(shí)別技術(shù)；4.IC卡識(shí)別技術(shù)等。但由于交通運(yùn)輸本身特點(diǎn)要求有一種能夠在全天候、惡劣環(huán)境下應(yīng)用，遠(yuǎn)距離作用(10m左右)，安全可靠性高，高速，壽命長(zhǎng)的系統(tǒng)。上述這些系統(tǒng)由于本身缺陷都不能全面滿(mǎn)足以上要求，而得不到有效的推廣應(yīng)用。微波非接觸式ID卡識(shí)別技術(shù)就是適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來(lái)的。由于微波透人性強(qiáng)，可以穿透濃霧、雨滴、風(fēng)沙等，工作距離遠(yuǎn)，適合于車(chē)輛全天候、惡劣環(huán)境條件下工作，它具有工作距離遠(yuǎn)、體積小，既可以有源發(fā)射方式(壽命可達(dá)10年以上)也可以無(wú)源反射方式(無(wú)壽命限制)工作，既可以主動(dòng)式，也可以被動(dòng)式工作，車(chē)輛以50 — 120km／h的正常速度通過(guò)收費(fèi)站等特點(diǎn)。工作波段主要有900MlHz、2.45GHz和5.8GHz頻段。它的工作原理如釁1所示。
微波非接觸式ID卡(即OBU)接收RSU發(fā)出的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)解調(diào)送控制單元進(jìn)行處理，通過(guò)身份確認(rèn)，密碼驗(yàn)證后，控制單元對(duì)EEPROID進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作并經(jīng)編碼，加密后，再經(jīng)調(diào)制，送天線發(fā)射出去。處理控制單元主要用于密碼校驗(yàn)，編程模式檢查，數(shù)據(jù)加密解密，并控制對(duì)EEPROID的讀寫(xiě)操作。EEPROID中存有車(chē)輛的ID號(hào)、車(chē)牌號(hào)、車(chē)型、司機(jī)等相關(guān)信息。RSU根據(jù)接收到的ID號(hào)等信息，而做出相應(yīng)的操作，從而達(dá)到對(duì)車(chē)輛的識(shí)別。
2.2 OBU與RSU間的通信
ETC系統(tǒng)中，OBU與RSU之間采用專(zhuān)用短程通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(DSRC)進(jìn)行半雙工通信，由于900IDHz和2.45GHz波段靠近移動(dòng)通信波段且背景噪聲干擾較大，國(guó)際上正趨于將5.8GHz的系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)ETC系統(tǒng)使用。如美國(guó)采用900MHz或5.8GHz，日本和歐洲均規(guī)定5.8GHz作為ETC的頻段。我國(guó)ISO／TC204技術(shù)委員會(huì)已提出將5.8GHz頻段分配給ITS領(lǐng)域的短程通信，包括ETC系統(tǒng)，并批準(zhǔn)在5.8GHz頻段上進(jìn)行ETC系統(tǒng)的試驗(yàn)，通信距離為10m。采用5.8GHz微波波段與我國(guó)ISID工業(yè)用波段一致，不受移動(dòng)通信影響。目前國(guó)內(nèi)使用的ETC系統(tǒng)頻段多為900IDHz和2.5GHz頻段。對(duì)于5.8GHz系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出相應(yīng)系統(tǒng)。
我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)靠歐洲標(biāo)準(zhǔn)，目前只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其它層還有待進(jìn)一步完善。
3 ETC的技術(shù)
1.物理層
2.數(shù)據(jù)鏈路層 采用HDLC協(xié)議進(jìn)行通信。
3 一種實(shí)用的5.8GHzETC系統(tǒng)
歐洲最新開(kāi)發(fā)了一種5.8GHzETC系統(tǒng)，介紹如下。
3.1 OBU及RSU的物理結(jié)構(gòu)
OBU亦即射頻識(shí)別應(yīng)答器，包括射頻探測(cè)器、電源控制電路、調(diào)制解調(diào)電路、CPU及讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、射頻輸出級(jí)及發(fā)射天線等。由于成本和尺寸限制，應(yīng)答器一般做得很小(10×6×lcm)，應(yīng)答器前端大多采用微帶天線和微帶電路進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，后接數(shù)字電路，如脈碼發(fā)生器。工作方式采用被動(dòng)方式，即無(wú)射頻源方式，省去高昂的微波本振源，其射頻源直接來(lái)自于路邊天線發(fā)射的連續(xù)波。
3.2通信鏈路
通信鏈路負(fù)責(zé)在收費(fèi)系統(tǒng)與發(fā)行系統(tǒng)之間、在各站口的收費(fèi)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。OBU與RSU間的通信分下行鏈路和上行鏈路。
下行鏈路(由RSU到OBU)：采用ASK調(diào)制，NRZI編碼方式，數(shù)據(jù)通信速率500kbit／s，RSU天線E.I.R.P.約+33dBM。
上行鏈路(OBU到RSU)：RSU的天線不斷向應(yīng)答器發(fā)射5.8GHz連續(xù)波，其中一部分作為應(yīng)答器的載波，將數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK調(diào)制后又反射回RSU。上行數(shù)據(jù)本身也是BPSK調(diào)制，載頻為2～10MHz。
3.3邏輯鏈路層
路邊收費(fèi)站與管理中心通過(guò)局域網(wǎng)連接起來(lái)，采用Ⅲ)比協(xié)議。采用非平衡結(jié)構(gòu)，以管理中心為主站，各收費(fèi)站為從站。
下行鏈路廣播方式 —— 主要用于中心向各收費(fèi)站發(fā)送交通信息等； 上行鏈路廣播方式 —— 用于應(yīng)答器第一次向中心發(fā)通信請(qǐng)求；
按地址訪問(wèn)方式 —— 即當(dāng)車(chē)輛發(fā)生通信請(qǐng)求后，特定的從站和主站之間進(jìn)行雙向通信交換數(shù)據(jù)。
由于ETC通信實(shí)時(shí)性的要求，邏輯鏈路控制協(xié)議采用無(wú)連接方式，也沒(méi)有數(shù)據(jù)出錯(cuò)恢復(fù)功能，只有CRCl6位錯(cuò)誤檢測(cè)功能。
4 影響系統(tǒng)性能的因素和安全性問(wèn)題
影響ETC系統(tǒng)性能主要因素有：天線的方向性、增益，同頻干擾，傳輸?shù)恼`碼率，數(shù)據(jù)的安全性。
