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1、 第一章 绪论 1.1 引言 近年来，随着各类车辆特别是私家车的快速增长，由于大多中小城市高速公路收费站仍采用人工收费方式，使得车辆在交费时需完全停止，引起的交通拥挤、延误等问题不断出现，在交通高峰期拥堵现象尤为严重。在如何提高收费结算率、避免拥堵方面，收费站已成为高速公路的“瓶颈”问题。另外车辆频繁的启动、刹车也造成了能源浪费和环境污染，同时也加快了车辆部件的磨损，带来交通隐患。基于RFID技术的高速公路自动收费系统采用无线方式，通过安装在车辆前部的射频卡(缴费卡)和置于收费站内的读卡器进行信息交换，是一种全自动收费方式.该系统的开发与实现，可以消除人为因素带来的影响，对于提高收费效率，降低
2、车辆拥堵率具有积极作用。本文结合射频识别技术的应用提出了一种基于射频识别技术的高速路不停车电子收费系统(或称电子收费系统Electronic Toll Collection system，通常称为ETC)。这个电子收费能够让汽车正常速度形式过收费站，很大程度加强了高速公路的流量接受度;推动高速公路的收费方式向电子化发展，减少了高速公路的运营成本，对于运输行业的营运收益会有很大提升;ETC收费站比人工收费站的规模小，节约基建费用和管理费用;杜绝了传统的收费方式的缺点和人工收费的舞弊行为，保证了高速公路收费系统的公平性和高效性;很大程度减少了汽车经过收费站的等待时间，节约了能耗，减少了污染。简而言
3、之，它使高速公路管理更有效率，更加规范化和智能化。 1.2 国内外发展现状 1.2.1国内电子收费系统发展情况 我国最早的ETC 系统应用开始于1996 年10 月，广东省路路通有限公司引进美国TI 公司的ETC 收费设备，开发了ETC 收费系统软件，并在佛山、南海、顺德等地方的收费公路上建立了ETC 车道并投入运营，发行了一万多张电子标签。1998 年，北京首都机场高速公路采用美国MTECH公司的产品，开通了两条ETC 车道，发行了500 多张电子标签。2001 年，广东省采用组合式ETC技术在广韶公路、虎门大桥完成ETC 示范工程并使组合式ETC技术进入了真正的可操作阶段。2003 年，长
4、沙机场高速路开通了当时最先进的路桥不停车收费系统。2004 年，成都机场高速公路启用不停车收费系统。2005 年，北京机场高速公路收费站“升级版”的不停车收费系统投入运行，新系统增加了抓拍取证、违章稽查等功能。2006 年12月31日，八达岭高速与京津塘高速的15个收费站将试行不停车收费系统。2007 年4月，厦门高速公路不停车收费系统运行。目前，我国提出“双界面CPU卡+两片式电子标签”的组合式联网收费技术方案，并采用人工半自动付费方式和电子不停车收费相结合方式，这种收费方式在很大程度上解决了大规模路网内电子不停车收费问题。组合式联网收费系统适合我国高速公路收费发展的特点和需要。组合式收费系
5、统可以在已建系统上新增电子预付费业务，避免了重复投资或浪费的问题。我国在进行ETC系统建设时，只需对交通拥堵的收费站或有特别需求的收费站进行改造，涉及的主要是局部车道改造，而无须让ETC系统自身单独构成一个封闭式网络。 最近几年来，随着我国高速公路联网收费的发展，国内众多省市高速公路已开通电子不停车收费（ETC）车道。区域内联网收费已很成熟，但区域间联网收费却存在系统兼容问题，阻碍了我国高速公路的健康发展。2007 年 3月 19日，电子不停车收费系统标准正式出台，该标准从物理层、数据链路层、应用层、设备应用和物理层主要参数测试方法五方面做出了相应规定。 从 1996年至今，我国范围内己经有2
6、6个省市相继开通了共6800多条ETC车道。并且通过实践证明，大多数ETC系统是安全、稳定、可靠的，并且取得一定规模和经济效益。截至2013年底，我国的ETC用户数量已经超过600万，根据2014年3月，交通部发布的交通运输部关于开展全国高速公路电子不停车收费联网工作的通知的内容：到2015年底，全国ETC联网，建成较为完善的ETC基础设施网络，主线收费站ETC覆盖率达到100%;建立多元化的用户发展模式，全国ETC用户数量达到2000万。未来我国ETC的市场前景巨大。 1.2.2 国外电子收费系统发展情况 国际上，美国、欧洲、日本诸国很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施和标准规范进
7、行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。自从1988 年美国Lincon 隧道首开不停车收费系统以来，目前美国已有十多个运输管理机构在进行这方面的工作，大量的不停车收费车道已在美国国内的高速公路上开通。不停车收费系统已经成为美国回收公路投资的有效手段。三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者，并在世界各地广泛地开展不停车收费系统验证实验。1995 年，日本建设省和公路管理公司组织国内10 多家单位在全国各地进行不停车收费系统的现场实验。1997 年，编制了不停车收费标准草案并提交给国际标准化组织
8、ISO/204 委员会，并于1998 年在全国推广不停车收费系统。欧洲在不停车收费方面起步更早，1986 年挪威的Bergen 首次开通不停车收费系统以来，意大利、西班牙、英国、法国等国先后在国内开始了ETC 的应用。1997 年在欧洲标准化委员会（CEN）的协调下，欧洲的不停车收费标准草案顺利通过。 国外的不停车收费技术发展应用已20多年，主要集中在美国、日本、意大利、法国、新加坡等发达国家，由于研究起步较早，成果比较显著，技术的使用及系统的管理也相当成熟、完善，并且逐步形成规模效益。 1.3 不停车收费系统的优缺点 优点: (1)车辆经过收费站不需停车，节省时间，提高高速公路通行能力。 (
9、2)计费合理，能够根据路程长短公平收费。 (3)自动收费，减少了收费员的劳动，杜绝了舞弊行为。 缺点: 初次投入资金比较大，维护费用昂贵。ETC对于技术要求较高，国内通过多年的试探阶段 ，目前已形成一定的规模和经济效益。 1.4 不停车收费系统的发展方向 国内的不停车收费系统经过近几年的探索、研究与实践，技术上己经达到推广的要求。现在国内所使用的ETC系统收费大多使用的技术都是基于射频技术的不停车收费系统。不停车收费技术刚开始兴起的时候，由于国际上没有形成规模，没有统一的标准，各地使用的技术也不尽相同。未来ETC的方向是朝着国际化，规范化发展。我国目前正在制定的相关的技术标准。 近年来，ETC
10、建设在国内越来越受到重视，随着电子收费的使用，国内许多路段开始走向联网收费模式。在联网收费实施的进程中，各地必须统一标准，协调技术上的困难。目前的情况，让我们认识到了ETC联网收费的实现还有许多需要解决的问题: 1.首先，每个城市内部的ETC技术必须有统一的标准，进行小范围内的联网收费。 2.目前的ETC系统的设备和关键技术大多是国外引进，造价比较高。国内的技术有待进一步发展。收费站，目前国内建成的收费站，结构上不能满足ETC车道要求。如果另外建设ETC成本较高。 总之，我国的近几年ETC的发展虽然遇到很多问题，但也取得了不小的进步。目前国内许多省份己经拥有多条ETC车道。与人工收费方法比较，
11、ETC收费系统的市场适应性更强，要求国内机构加强这方面的发展。目前，国内大多数收费方式还是以人工收费方式为主。 1.5本文的结构 第一章：提出目前国内交通量增加，交通拥堵问题的出现。采用了具体的ETC解决方案。并介绍国内外ETC发展现状，以及ETC的优缺点。 第二章：ETC系统概述，介绍ETC收费系统的收费方式、组成、工作原理以及关键技术。 第三章：RFID系统设计，介绍射频系统的工作原理，以及组成部分和各部分的设计。 第四章：不停车收费系统的设计方案。 第五章：总结 1.6本章小结 本章分析了目前国内高速公路交通拥堵的实际情况，采用了ETC方式收费的解决方案。介绍了ETC收费系统的收费方式和
12、国内外的发展情况以及经济、社会效益、环境效益和经济效益。 第二章 不停车收费系统的概述 2.1不停车收费系统的定义 电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection System，简称ETC系统)利用专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communication，缩写为DSRC)，通过安装在收费车道旁边的设备装置(RUS)与安装在汽车前挡风玻璃上的电子标签装置(OBU)之间的信息交互，实现车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification简称 AVI)技术，车辆自动分类(AVC, Automatic Vehicle
13、Classification)技术和视频监控技术(VES , Video Enforcement System)，采用电子用非现金方式支付，不停车方式实现自动收取车辆通行费的收费方式。简而言之，即安装ETC电子标签的车辆可以以不停车方式行使通过ETC收费站，安装在收费站的设备自动对同行车辆完成收费的操作过程。ETC收费的方式主要有两类:记账式和IC卡扣除式。 2.1.1记账式自动收费方式 记账自动收费方式是由收费站读取设备和汽车驾驶员使用的电子IC卡组成。此系统的工作方式是:当汽车通过收费车道时，置于汽车前端的挡风玻璃上(如图2.1所示)的电子标签将被OBU设备激活，读取IC卡内的信息(卡号、
14、车型、车牌号码、车主姓名等信息)传输到站台计算机，站台计算机将这些数据信息进行验证、处理后，根据车型、路程计算出应该支付的通行费，然后将该车的所有信息以及通过时间做1条记录存储在数据库中，以备事后在该用户IC卡的车辆账户上扣除通行费用，或者通知该账户的车主交通行费用，这样就完成了一次记账式不停车收费的全过程。 图2.1电子标签安装方法 2.1.2 IC卡扣除式自动收费方式 IC卡扣除式自动收费方式由路侧单元设备、车载两片式电子标签机和双界面电子IC卡组成。此系统的工作方式是:当装有两片式电子标签机和双界面电子IC卡，并且IC卡上有资金卡的车辆驶入收费车道第一通讯区域时，收费车道上的天线就被激活
15、，并发射微波信号激活车载电子标签，识别该车辆并和车辆内部的电子标签进行信息交换。天线将读取车载电子标签机和双界面电子IC卡的车主信息、车型、IC卡号、卡内资金余额等信息发送给收费车道旁边的路侧单元设备，通过计算机对数据检测可行后，通过车载两片式电子标签机在IC卡上扣除金额，当车载两片式电子标签机完成扣款后，车辆进入下一通讯区时，路侧单元设备接受两片式电子标签机送回扣除的结果消息，若发回操作完成消息，则控制路侧单元设备的计算机将对车辆的信息、出入口、收费金额等信息做1条记录存储在数据库，这样就完成了一次IC卡扣除式自动收费。 记账式自动收费方式需交互的数据比较少，效率高，车辆可在高速行驶的状态下
16、完成收费交易，路侧单元设备比较简单，并且银行会帮助扣除通行费用，不需要运营单位直接与道路使用者之间进行金钱交易，这样会减少之间的矛盾。用户可以定期去银行缴纳通行费，一般不会出现逃费、透支的现象。 IC卡扣除式自动收费方式由于需交互的数据量大，路侧单元设备比较复杂、设备技术要求严格、还需要进行现场扣除费用，需要的设备比较复杂，投入资金较大。 2.2不停车收费系统的的组成及工作原理 依据国内目前高速公路的现状和电子不停车收费系统的发展情况，目前国内的ETC收费系统普遍应用技术上比较成熟的5.8GHz微波频段的专用短程通讯技术，此收费系统的车载电子标签(OBU)普遍使用两片式电子标签和双界面CPU卡组合工作的形式，达到了使电子不停车收费技术和人工收费技术的成功结合。目前在我国正在推广使用阶段。 2.2.1 ETC车道系统构成 ETC系统分为前台和后台两部分。其中，前台系统包括车辆自动识别系统(Automatic Vehicle Identification, AVI)、车辆自动分类系统(Automatic Vehicle Classification, AVC)和视频稽查系统(Video
