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中国智能交通协会

ETC收费系统巡检设备及系统方案

2021-04-07   来源:中国智能交通协会


蒋曲明、李妍、苗继斌、王志红


  一、背景信息
  为推进取消高速公路省界收费站工作,2019年5月,国家发展改革委、交通运输部印发的《加快推进高速公路电子不停车快捷收费应用服务实施方案》,到2019年12月底,全国ETC用户数量突破1.8亿,高速公路收费站ETC全覆盖,ETC车道成为主要收费车道,货车实现不停车收费,高速公路不停车快捷收费率达到90%以上。
  截至2019年底,全国建设完成了24588套ETC门架系统,全国ETC累计用户达到2.04亿。2019年12月31日晚,取消高速公路省界收费站工程并网切换如期进行,2020年1月1日零时起,全国29个联网省份的487个省界收费站已全部取消,圆满完成了《政府工作报告》提出的目标。2020年1月1日起,全国高速公路联网收费的新系统正式启用,实现全国高速“一张网”运行,全网系统从“一次性汇总收费模式”切换为“分段计(收)费模式”。
  随着高速道路持续规划与建设,全国ETC收费系统规模日益扩大,车道设备数量呈指数级增加,如果门架RSU设备工作异常,可能引起自由流分段计费出现误差,从而影响通行费的结算。从网络系统角度看,目前ETC门禁系统具备设备检测能力,可对RSU设备/车牌图像识别设备的在线状态和工作状态、机柜温度、湿度、防盗、供电和通信网络工作状态进行信息采集,实时监测上报设备运行状态。当设备出现异常时,可以及时发出报警信息,并生成报警记录。从高速公路道路作业维护要求看,需对关键设备的物理及环境进行监控和养护,为保障ETC收费系统运营正常,要求检修设备需快速响应及时处理,同时也要求设备的日常维护能够全力排查隐患,防患于未然。
  二、需求分析
  在ETC高速公路收费系统中,RSU设备部署在高速公路出入口、交通流发生变化的路段区间或省界之间架设的ETC门架上。
  1.高速公路出入口路侧RSU
  图1中出入口处路侧RSU与通信区域内OBU/CPC卡建立通信链路,配合车道控制器与OBU/CPC卡完成双向认证并向OBU/CPC卡写入入口信息。出口处路侧RSU与通信区域内OBU/CPC卡建立通信链路,配合车道控制器与OBU/CPC卡完成双向认证,清除与OBU/CPC卡入口信息,并向OBU/CPC卡写入本次交易信息。


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  路侧RSU出现异常时,将影响车道上自动栏杆的状态,同时出入口处通常有工作人员值守,RSU故障比较容易被及时发现并进行处理。

  因此对日常巡检设备的需求为巡检设备应能够与路侧RSU建立通信链路并完成RSU发送的指令操作。
  2.门架系统RSU设备
  图2中ETC门架上布设的RSU设备与各自通信区域内通行的OBU/CPC卡建立通信链路,配合车道控制器与OBU/CPC卡完成双向认证,并向OBU/CPC卡写入本次过站信息。


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  门架系统的RSU设备具有如下特点:
  ·门架上布设的RSU设备与车道一一对应,车内OBU/CPC卡与RSU的通信过程对车辆的通行无任何影响,因此当RSU出现异常时不太容易被及时发现。
  ·门架系统的设计具有防邻道干扰能力,即标准OBU/CPC卡无法同时与门架上所有RSU设备都建立正常的通信链路。因此很难通过使用一台OBU/CPC卡完成巡检任务;
  ·门架系统大多部署在无人值守的地带,需定时巡视检查,否则较难及时发现异常状况;
  ·门架系统分布在高速公路每个互通立交、入/出口以及省界之间,巡检路线长且不易折返,加之RSU设备数量庞大,导致巡检及维护工作量数倍增加;
  因此门架系统RSU设备对进行日常巡检及维护的方案要求更高,不仅要能检测RSU设备工作状态是否正常,还要求方案具有效率高、效果好、稳定可靠的特点。

  基于上述分析,针对RSU设备的工作特点,研发设计ETC收费系统巡检设备及系统方案。方案基于5.8G DSRC通信,引入定制天线设计、数据分析、无人机等技术,能有效提高车道设备巡检效率,扩大高速公路日常巡检范围,保障ETC系统正常运营。
  三、技术方案
  RSU设备通过以太网接口或串口与车道控制器(计算机)连接,以5.8GHz  DSRC与OBU/CPC卡通讯。RSU与OBU/CPC卡执行一个完整交易流程则意味着RSU与车道控制器(计算机)连接正常并处于正常的工作状态。以单片式OBU为例,门架RSU与单片式OBU之间的交易流程遵循“开放式自由流收费交易流程”,流程划分为通信链路建立、收费数据(车辆信息)获取、通行凭证获取、用户提示和链路释放五个主要阶段。封闭式入口路侧RSU设备与单片式OBU之间的交易流程遵循“封闭式入口交易流程”,流程划分为通信链路建立、收费数据(车辆信息)获取、通行凭证及入口信息写入、用户提示和链路释放五个主要阶段。封闭式出口路侧RSU设备与单片式OBU之间的交易流程遵循“封闭式出口交易流程”,流程划分为通信链路建立、收费数据(车辆信息)获取、通行凭证及出口信息写入、用户提示和链路释放五个主要阶段。
  巡检设备依据上述交易流程设计,针对RSU设备布设的特点,满足日常巡检作业的需求。ETC巡检系统的组件包括:5.8GHz DSRC侦听巡检设备、5.8GHz DSRC点对点巡检设备、5.8GHz DSRC定向巡检设备和RSU监控管理平台,如图3所示:


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  1.侦听巡检设备
  侦听巡检设备安装在巡检车辆上。车辆在高速公路行驶过程中,侦听巡检设备不间断扫描通信区域内RSU设备,接收其数据并记录该RSU设备信息,将该RSU设备加入侦听设备表。侦听设备表与路段RSU设备清单比对,即可获得无法正常发送广播信息的RSU设备表单。此类RSU设备已无法与通信区域内的OBU设备建立通信链路,需进行检修处理。
  利用侦听巡检设备可快速检测出完全异常的RSU设备,对巡检车辆行驶车道位置及行驶速度均无特殊要求,方便巡检道路作业。
  2.点式巡检设备
  点式巡检设备可与一个门禁上多个RSU设备建立5.8GHz DSRC通信链接,并执行交易流程。以链路释放为交易正常结束标志,点式巡检设备分别汇总出交易成功设备列表和交易异常设备列表。对于交易异常的设备,同时记录交易发生异常时所处的阶段,用于后续监控管理平台进行系统分析。
  点式巡检设备针对门架系统RSU设备而设计,具有一次性通行检测门架全部RSU的能力,从而提高了巡检效率。
  3.定向巡检设备
  定向巡检设备可根据门架编号和设备编号寻找指定RSU,引导车辆进入该RSU通信区域等待与该RSU建立通信链接并执行交易流程,如出现异常则进行语音提示。定向巡检设备分别汇总出交易成功设备列表和交易异常设备列表。对于交易异常的设备,同时记录交易发生异常时所处的阶段,用于后续监控管理平台进行系统分析。
  定向巡检设备用于有特定范围的设备巡检,同时集成语音模块,能及时获得设备检测结果,便于道路作业。
  4.监控管理平台
  监控管理平台可实现任务配置、设备管理和数据统计功能,根据作业要求提供多维度查询统计报表。
  监控管理平台做为RSU设备状态监控平台,统一维护RSU设备监控状态,可管理RSU交易数据,也可管理视频图片数据以及其他设备相关的数据文件,系统框架如图4所示:


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  5.系统方案特点
?·效率高 
  针对邻道防干扰设计,巡检车辆可一次通行完成门架上全部RSU的检测,降低人工成本,提高巡检效率;
?·场景多 
  提供多款检测设备,满足不同场景需求,覆盖更全面;
?·可定制 
  巡检设备可增加人机交互接口,可扩展移动通信接口和北斗定位功能,实时获取检测结果,方便作业人员快速排查异常设备,保障系统正常运行;
  四、应用前景
  随着无人机技术的不断进步,无人机产业得到迅猛发展,并已广泛应用于电力巡检、森林巡防、快递物流、农业、植保、灾难救援、测绘等领域。加之,无人机管控与飞行相关的管理条例颁布和实施,规范了无人机行业发展,未来无人机应用领域更为广阔和普及。本方案可利用无人机的导航技术、避障技术以及续航技术搭载巡检设备进行RSU设备检测,具有实用性和可操作性。同时,利用无人机的高清摄像能力,可获取设备外观、环境情况等数据,分析发现设备运行隐患,巡检作业范围得到延展。
  2019年7月,交通运输部印发《数字交通发展规划纲要》。计划到2025年,交通运输基础设施和运载装备全要素、全周期的数字化升级迈出新步伐,数字化采集体系和网络化传输体系基本形成。为实现交通基础设施数字化、网络化的交通强国蓝图,基础设施检测工具智能化是不可或缺的组成部分,在智慧交通建设中将发挥重要的作用。

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