关键字: 电子不停车收费系统 车辆识别技术 电子标签 红外无线通信
1. 引言
电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection)是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。它的最大特点是不停车收费, 即车辆可以以相当高的速度通过收费口, 无须在收费站前减速和停车交费。
随着汽车运输的发展,使用高速公路的车辆将越来越多(经济发达地区这种趋势已经非常明显) ,当达到一定程度时,人工和半自动收费方式将不能满足高速公路上车辆营运对收费管理系统的需求,将在收费出入口处引起严重的车辆阻塞,造成巨大的经济损失。为解决这些问题,在高速公路上采用不停车收费方式,就显示出巨大的优越性。
2. ETC系统的组成及工作原理
ETC系统是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的路端装置之间进行无线通信和信息交换。主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助设施等组成。
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图1 ETC系统工作原理图
其中,车辆自动识别系统有车载单元(On board unit,简称OBU)、路边单元(Road side unit,简称RSU)、环路感应器等组成。中心管理系统有大型的数据库,存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收费站口时,环路感应器感知车辆,RSU发出询问信号,OBU做出响应,并进行双向通信和数据交换;中心管理系统获取车辆识别信息,如汽车ID号、车型等信息和数据库中相应信息进行比较判断,根据不同情况来控制管理系统产生不同的操作,如计算机收费管理系统从该车的银行帐号中扣除此次应交的过路费,或送出指令给其它辅助设施工作,从而实现对车辆行驶的自动管理。其他辅助设施主要有 违章车辆摄像系统、自动控制栏杆(或其他障碍)、 指示车辆行驶的交通指示设备(如红、黄、绿灯等)
3.车辆自动识别系统的设计
车辆识别是实现不停车收费系统的核心技术。所谓自动车辆识别就是当车辆通过特殊点时,不需司机或观察者采取任何行动,就能精确快速地识别通过车辆身份的一种技术,它除了在公路自动收费系统中应用外,在公路运输方面(如导航) 都有着广阔的潜在应用前景。
其自动识别车辆的过程是:当车辆通过路边的读取单元时,车载收发两用机被触发,发射出能唯一表明通过车辆身份的代码信息,读取单元的天线接收信息后,传输到读取单元内,并进行完整性检查,然后数据代码被传送给计算机系统进行处理和存储。具有双向通讯能力的复杂系统还能将数据通过天线传回给车辆。
3.1 几种主要的车辆识别技术
(1) 光学和红外AVI 系统
该系统利用装在车辆外面的一个具有代码标志的标签,该标签类似于条形码,车辆身份信息由一系列宽度或颜色变化的线条表示,当车辆经过读取单元时,数量和颜色不同的光被反射到读取单元上,这些光的唯一性被自动分析识别后,以表明识别到车辆的身份代码信息。
(2) 电感AVI 系统
该系统利用电感耦合实现数据传送。路边读取单元采用传统的线圈作为天线,用于传送信号给车辆或信号从车辆传送给读取单元。电感收发两用机使用简单的线圈或铁氧体检测杆为天线,天线大小与通讯波长有关。
(3) 射频和微波AVI 系统
射频和微波技术是目前一些自动车辆识别系统的基础,它利用微波通讯技术实现数据代码的传送。车载无线电收发两用装置可以发射或接收频率范围为1000 Hz ,一兆Hz 以及千兆Hz 的电波。微波系统的优点是使用高频时,它能够检测出比电感环式检测高出很多的速率传送的数据,这样就增加了系统能够处理的数据量。由于天线的大小与所使用的波长有关,微波收发装置在尺寸上比电感收发装置小。
(4) 声表面波
表面波也是近年来研制的识别系统的技术基础,一个表面波系统由车辆标签,一个带主动式特点的射频读取单元和一个信号处理单元组成,信号处理单元用于翻译标签代码并组成向计算机传输的信息。
(5) 图像处理AVI 系统
图像处理AVI 系统由摄像机(CCD) 、图像卡及计算机处理系统组成。由CCD 摄取的图像,经APD转换后再输给计算机系统进行图像的预处理及识别,识别的内容一般包括车牌号码、车型或车颜色。
由于不停车收费系统对通讯的可靠性要求很高,几乎要求100 %的可靠,并且是全天候的,同时要求具有较高的数据传输速率,以保证识别的实时性。
所以,只有通讯能力强,可靠性高且环境适应性强的AVI 技术才能真正应用于现实中的公路收费系统。世界各国的应用情况表明,在某些技术问题尚未完全解决之前,用于公路不停车收费的AVI 技术仍以微波和红外技术为主。
3.2 红外通信与微波通信的比较
通信系统通常以载波频率在电磁波频谱中的位置加以区分,如图2所示。
对于光通信系统,即载波从光波段中选择,包括红外光、可见光和紫外光频率,红外通信系统中的载波即从红外波段中选择一个频率。
图2 电磁波频图
对于短程无线通信系统来说,采用红外通信技术比微波通信技术有着许多显著的优点:
1. 红外通信有着丰富的带宽资源,理论上光波段所具有的可利用带宽大约是无线电射频段的105倍,仅在700-1500nm的红外波段就有着超过200THz的可利用带宽。
2.红外通信系统无频率使用许可问题,而微波系统的载波频率必须取得使用许可。
3.光波抗电磁干扰,保密性好,对信息的安全传输有着重要的意义。
4.红外通信系统是通过电流直接调制发光器件的光强,并非利用高频载波方式,故系统电路设计比较简单。
所以,本系统采用无线红外通信技术即车载电子标签进行车辆自动识别。
3.3 ETC红外通信的工作原理与设计
ETC红外通信是通过安装于车辆上的车载系统(Onboard unit, OBU)和安装在收费站车道上的基站系统(Roadside unit, RSU)之间进行无线红外通信和信息交换。车载系统与基站系统中都包含光学天线、红外发射机和红外接收机,以保证能够进行双向通信,完成信息交换。
车载系统与基站系统之间的通信分为上行链路和下行链路,如图3所示。当车辆进入到通信区域时,由路边感应器感知车辆,RSU通过下行链路发出询问信号,OBU接收到RSU的询问信号后,通过上行链路向RSU发送信息,从而完成车载系统与基站系统之间的双向通信和数据交换,基站系统获取车辆识别信息。
图3 ETC红外通信链路图
一、OBU相关的射频识别技术
射频识别RFID(radio frequency identification)的种类:1. 有源电子标签和无源电子标签;2. 主动式电子标签和被动反射式电子标签。
RFID是指应用射频识别信号对目标物体进行识别。ETC所使用的RFID技术主要用于自动车辆识别(AVI,automatic vehicl identification),通常的通信距离只有8~
在ETC中应用RFID技术主要是OBU存储了与相应车辆的有关信息,OBU每次发送的信息都带有自身车辆的相关信息。OBU有两种状态,一般OBU单元的整个电路处于静态状态,只有唤醒电路部分是一直处于工作状态,整个电路消耗的电流极低,当车辆通过不停车收费系统RSU天线覆盖的区域时,电路被唤醒,整个电路处于工作状态。
二、OBU系统的基本组成
OBU单元硬件组成框图见下图4。