基于双天线协同的改进型 ETC 车道方案研究与应用

陈大华 赵希逸

摘要：我国高速公路在取消省界收费站后，已经全面普及ETC收费。但很多原收费站的收费广场相对狭小，通行车辆如果不能一次性通过ETC车道，就需要倒车进行二次交易，此时极易造成收费站更加拥堵的情况。文章对广西地区收费站ETC车道通过异常的特殊情况数据进行统计，分析了影响ETC车道一次通过率的主要因素，提出了一种在车道后端栏杆位置处加入一个带费额显示功能的低成本小功率天线的收费方案，并通过南宁东收费站与安吉收费站实地测试应用，证明该方案可明显提高ETC车道的一次通过率，并能更加有效地降低拥堵问题。

关键词：高速公路;ETC收费;双天线协同

文献标识码：U491.1+22-A-49-172-4

0 引言

2020-01-01，随着全国省界收费站全部改造完成，高速公路的ETC用户大幅度增加。ETC系统在我国高速公路的全面覆盖，不仅给用户出行带来了更便捷的出行体验，还减缓了拥堵，降低了能耗，符合我国绿色可持续发展战略。根据交通运输部信息显示，截止到2019年年底，全国累计ETC用户高达2.04亿，ETC车道覆盖率达到95%以上，高速公路不停车快速收费率高达90%以上。依据相关数据，目前广西ETC用户累计达到600万以上，同时正在全面推进货车ETC使用。在可预见的一段时间里ETC车辆将大量增加，因此ETC的通过成功率成为避免收费站拥堵的关键指标。通过改进现有方案来提升提高ETC车道的一次通过率，并提高ETC车道通行效率成为当前ETC使用中亟须解决的问题。大量高校、企业对ETC车道的优化设计也在不断进行中。例如潘鼎如[1]探讨了取消全国高速公路省界收费站工程关键技术应用与智慧交通建设的发展前景。林智勇[2]阐述了高速公路ETC的发展情况以及迫切需要解决的问题，并分析了收费站ETC车道的通行现状以及问题形成的原因，提出了基于手持终端的高速公路应急收费系统解决方案。同济大学道路与交通工程教育部重点实验室[3]针对目前路網中ETC与MTC（Manual Toll Collection）车辆混行的情况，考虑ETC的普及率，结合多用户路网均衡模型和排队论方法，建立基于双层规划模型的高速路网ETC车道优化布设方法，该方法成功地提高了通行效率。然而，上述文献均没有针对广西特殊情况具体地进行分析。除此之外，ETC系统必须减少收费站业主的人力成本，减少收费站人工干预ETC车道的情况发生。

本文首先通过对广西全区的ETC车道特殊情况（文中称为“特情”）数据进行统计分析，筛选出影响ETC车道通行效率的异常类型。其次，提出了一种采用后置小功率天线进行补充，进而形成车道双天线ETC协同收费的方案，有效提高了收费站ETC车道的通行率和一次通过率，大大避免了车辆倒车进行二次交易带来的拥堵问题，具有一定的工程实践价值。

1 系统方案研究设计

1.1 原系统方案统计分析

在广西地区常规采用的ETC车道设计方案如图1所示。ETC车道设计方案中一般包括：车道分流屏、雾灯、相控阵RSU天线、车牌识别相机、光栅车辆分离器、综合收费显示屏、车道控制工控机、高速自动栏杆、通过线圈车检器等。当车辆出收费站时车道分流屏用于指导车辆按照指示进行行驶，相控阵RSU天线自动读取OBU的信息识别 ETC、MTC车辆以及车牌号、车牌颜色、车型等信息，通过车牌识别相机进行采集比对，再利用光栅车辆分离器进行车辆有效分离，消除跟车的现象。车道工控机RSU读取车辆OBU信息，对相关运算合计出费用等信息进行显示，高速栏杆对通行车辆进行控制。

整个ETC车道的设计中，最主要的目的是提高车辆的通行效率。如图1所示，设计方案中的通信区域为整个车道进行交易的一个区域，能否成功通信的最大瓶颈在于该区域的成功率，由于存在各种各样的情况，部分车辆在驶入ETC车道后未能一次通过时，需要采取人工干预、倒车出车道多次驶入（重复交易）或者更换车道等措施，严重影响了ETC车道的通过效率、用户体验和车道安全。目前，本文收集了2020年4月广西高速公路收费站ETC特情数据，将各个特情分类统计，并计算出各种特情占比，绘制帕累托图进行原因分析，如图2所示。

根据ETC车道相关特情分类，各种特情比例为：车型与OBU不符占比31%;未识别到OBU占比25%;交易超时占比17%;黑名单占比16%;读取或操作ETC卡片文件失败占3%;OBU未插卡占比2%;

其他占比4%。剔除必须进行人工干预的特情有：

（1）车辆与OBU不符;（2）未识别OBU（未安装OBU）;（3）黑名单;（4）其他原因。通过进一步分析能够通过反复交易OBU完成车辆通行的特情有：（1）ETC交易超时;（2）OBU未插卡;（3）未识别到OBU（已安装OBU）。通过进一步交易数据分析，将特情分为必须退出车道和反复交易能够通过两大类，并进行了相关数据统计，得到如图3所示的两类特情占比图。其中必须退出车道特情占比53%，反复交易能够通过特情占比47%。

针对第一类必须退出车道的特情中车型与OBU不符的情况，主要原因在于OBU发行过程中人为录入错误，后续可进行修正，经过较长一段时间的修正是可以进一步减少错误的，而属于这一类的其他特情可以通过有效的管理进一步提高。因此，本文主要通过技术方案以解决反复交易OBU能解决的这一特情。经过进一步研究分析，本文创新性地提出通过增加一台ETC天线与原有相控阵天线协同工作交易的方式，使进入ETC车道的具有正常OBU的车辆能进行多次交易，直到车辆能够顺利通过ETC车道。

1.2 本文提出的改进型双天线方案

经过具体分析，由于ETC车道位置在设计时采用栏杆机后置方案，导致未能正常交易的ETC车辆会进入车道内部。因此，本文提出将第二个后置应急ETC天线（见下页图4）安装在栏杆机前，确保ETC车辆在车道内部也可以进行交易。后置ETC天线采用软件自动控制，能够在发生特定情况时自动开启，允许ETC车辆在车道内进行读取交易，直到车辆交易完成。所提出的改进型双天线方案如图4所示。

除了改进天线的布设方案外，本文还对交易流程进行了设计，其流程控制如图5所示。在ETC车辆通过ETC车道时，判断出现未能正常通过特情代码，确定为后置小功率天线处理特情代码时，后置小功率天线开启让进入车道的车辆进行交易，直到小功率天线完成交易，车辆通过后返回ETC车道的正常工作模式。

2 实际场景与应用效果

本方案在安吉和南宁东收费站各选取一条ETC车道作为试点试验。经过对试点从2020年6月至2020年12月连续6个月的数据统计分析，得出如表1和表2所示的实际测试数据。

由表1和表2的数据统计及相关计算得出：南宁东收费站试点ETC车道后置小功率天线方案能处理约40%的特情车辆，安吉收费站试点的ETC车道后置小功率天线方案能够处理约42%的特情车辆，实际试点的车道数据稍微低于前期理论分析的47%的占比，但整体上达到了较好的效果。通过采用本文提出的方案，试点ETC车道的车辆的一次通过率保持在98%以上，相比于原方案整体提升了1%，达到预期的效果。在可预测的将来，随着ETC系统中不符特情的车型逐渐减少及通过管理手段减少黑名单，采用本文提出的双天线协同进行交易的方案，车道整体的通行成功率将保证在99%以上。

3 结语

本文对ETC车辆在ETC车道不能正常通行的特情进行分析，将不能正常通行的特情分为必须退出车道和反复交易能够通行兩大类，并针对反复交易能够通行这一大类，提出了通过增加一个后置小功率天线与原有相控阵天线进行双天线协同工作交易的方案，提高ETC车辆在车道内的通行效率。理论分析与实际试点的测试结果表明，本文所提出的双天线协同工作的方案，较好地解决了ETC车道通过反复交易能够通行的特情，具有较好的效果。本文方案能减少收费站运营业主的人力成本，同时提高ETC用户使用通过效率。此外，采用的后置小功率天线具有成本低、易于安装维护的特点，使得该方案具有更优越的工程实践价值。

参考文献

[1]潘鼎如. 取消省界收费站关键技术拓展与应用[J].中国交通信息化，2021（2）：33-35.

[2]林智勇. 基于手持终端的高速公路应急收费系统解决方案[J]. 计量与测试技术，2020，47（12）：86-88.

[3]刘成龙，陶 莎，赵 聪，等. 高速路网不停车收费车道优化布设方法[J/OL]. 中国公路学报，2021-03-08.

收稿日期：2021-03-18

基金项目：中央引导地方科技发展专项“广西智慧道路机电系统新技术综合平台建设”（编号：桂科ZY20111015）

作者简介：

陈大华（1985—），硕士，工程师，研究方向：智能交通产品研发与课题申报;

赵希逸（1989—），工程师，研究方向：智能交通产品研发与测试。