电子不停车收费系统集成

4.3　ETC电子不停车收费系统集成

4.3.1　工作要求

通过前面的学习，在掌握非接触式IC卡半自动收费系统的基础上，现在将介绍一种新的收费模式：电子不停车收费系统，简称ETC。

在本学习与工作环节中，学生所在小组应该完成以下工作：

（1）能描述ETC收费系统主要设备的功能、特性等；

（2）能根据其功能特性将其应用到车道收费系统中，并描述其车道收费流程；

（3）能掌握ETC设备的施工工艺和安装调试流程。

4.3.2　实施建议

一、确定ETC收费系统的结构和功能

引导问题8　请收集和查阅ETC设备资料，回答电子不停车收费系统设备主要由哪些构成，并简述其工作流程。

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引导问题9　请描述电子不停车收费系统是由哪些设备组成，其功能是什么？

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社会在进步，科技在发展。随着中国智能交通建设脚步的加快，ETC电子不停车收费已经成为一种趋势，其中最核心的设备就是RSU（路侧单元）和OBU（车载单元），如图4-4所示。在实施工作之前，应该对该设备做充分的调查。

图4-4　RSU天线和控制器示意图

经过详细的勘察后，查阅相关资料，请填写表4-4。

表4-4　ETC设备的功能调查表

【ETC车道工作流程及交易流程的参考案例】

ETC工作流程：

（1）车辆驶入通信区域，安装在车辆上的OBU与RSU成功交易后，栏杆机自动抬杆，车辆通过ETC车道。

（2）当RSU未能与OBU成功交易或识别出车辆未安装OBU，系统禁止车辆直行，并诱导至相邻的MTC车道，取出OBU中的双界面IC卡刷卡通行或按MTC操作后通行，如图4-5所示。

ETC车道交易流程（整个过程分为5个步骤）：

（1）得到VST信息；

（2）得到OBU信息；

（3）得到IC卡信息；

（4）入口仅写过站信息，出口写过站信息和消费信息；

（5）等待应答结果。抬杆放行车辆，保存交易流水。

图4-5　ETC工作流程图

二、改造原收费车道为ETC收费车道

引导问题10　ETC收费车道在控制流程上有栏杆前置和栏杆后置两种模式，请回答这两种模式有何区别。

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引导问题11　参观电子不停车收费车道，请描述其车道线圈有何作用。

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【ETC工程实施方案的参考案例】

RSU设备的现场安装调试包括RSU天线和RSU控制器的安装调试，以达到系统集成商和业主的技术要求为目标。

1．天线安装示意图

天线安装示意图如图4-6所示。

图4-6　天线安装示意图

2．安装前的准备工作

为保证快速、正确地将RSU天线安装到ETC车道上，在安装之前需要完成一系列的准备工作：

测量出用于安装RSU天线的横梁直径，以便选择适合尺寸的抱箍板用于RSU天线的安装；

核查用于RSU天线安装的配件种类和数量，所需配件种类和数量如表4-5所示。

表4-5　RSU天线安装的配件表

3．安装

在做好以上准备工作的基础上，RSU的具体安装步骤如下所述：

为方便RSU天线的后期安装，首先将RSU吊装安装支架、安装板和抱箍板组合安装起来。同时，对接安装转接板、RSU自转组件和RSU连接件（RSU连接件的直拐角处靠内侧安装）。组装后的两片RSU连接件之间的间距应与RSU吊装安装支架的“U”形底面宽度相适应。同时，其底部用于挂装RSU的轨道孔的开口方向与RSU的底部朝向一致。

图4-7　RSU天线安装示意图

把合适尺寸的RSU吊装安装支架、安装板和抱箍板组合件固定在用于安装RSU天线的横梁上。此时须保证RSU吊装安装支架的位置位于车道的正中间、RSU吊装安装支架的“U”形底面与地面平行或垂直以及挂装后的RSU天线迎向来车方向。

将组合安装后的RSU天线挂装于RSU吊装安装支架上，需保证此时RSU天线与地面约成45°。同时通过左右调整RSU自转组件使RSU天线正面法线与车道中轴线相交。

缆线敷设中，如采用L杆方式安装，L杆应预留传线孔，并做接地处理，接地电阻应小于1Ω，并采用10mm²铜线将RSU天线与联合接地点连接，做等电位处理。如采用收费顶棚安装方式，应敷设φ50×3镀锌钢管，以最短路径敷设管线，并采用10mm²铜线将RSU天线与联合接地点连接，做等电位处理。

根据管线敷设情况布置RSU-控制器通信信号线，其长度根据安装现场情况进行截取，接着在将航空插头连接到MT-RVVP 4×2×0.5线缆的一段后插接于RSU天线上，同时把信号线引入收费亭。在将航空插头连接到MT-RVVP 4×2×0.5线缆之前，须检查线缆的导通性是否正常，如不正常则需更换。航空插头电气连接图如图4-8所示。

图4-8　航空插头电气连接图

在RSU-控制器通信信号线布置完毕后，将RSU控制器放置于收费亭中，同时将16P绿端子按照图4-8所示连接到MT-RVVP 4×2×0.5线缆的另一端上后插接到RSU控制器上，实现RSU天线与RSU控制器的连接。接着，通过串口通信线将RSU控制器和车道控制机连接起来，完成RSU的安装，如图4-9所示。

图4-9　RSU控制器安装示意图

4．RSU上电检测

在完成RSU的物理安装之后，还须对其进行上电检测，以保证后期各项测试工作能够顺利进行。其上电检测步骤如下：

接通RSU控制器电源，观察其电源指示灯是否点亮。如果没有点亮，则需检查电源电路是否接通或者RSU控制器是否损坏，根据检查结果重新连接电源电路或更换RSU控制器，重复该步骤一直到保证RSU控制器正常工作。

如图4-10所示，在RSU测试软件界面上分别设定：将RSU初始发射功率设定为20dB、根据业主要求设定交易模式（包括储值卡、记账卡的传统消费和复合消费等多种模式），天线触发模式设为常开，车道类型任意设置，交易超时时间设定为4000ms以及等待时间模式设置为“3”（保证同一个OBU可以对同一个RSU进行不间断重复交易）。

测试人员按下OBU的防拆卸开关，同时手拿OBU从RSU天线下来回走动，观察此时RSU天线能否与OBU完成交易。如果不能正常交易，则需检查RSU天线与RSU控制器的连接以及RSU控制器与车道控制机的连接是否正常，并根据检查结果更换连接线或者重新进行插接，直到RSU天线能与OBU完成交易。

图4-10　RSU测试软件界面示意图

5．RSU通信区域标定

在完成RSU初步安装的基础上，还要通过对RSU运行参数的设置和RSU安装角度的调整来实现RSU有效通信区域的标定，以保证ETC系统满足业主的技术要求及其正常、可靠的运行。该项测试须在将RSU天线设置为不同的信道（信道0、信道1）和站点模式（入站口、出站口）组合的情况下进行。

（1）工具

标定过程中，用于完成标定工作的工具包括量程最小为50m的皮尺一把、粉笔若干、可安装测试用车辆挡风玻璃的辅助测试小车（挡风玻璃对地高度和角度可调）一辆、性能稳定的OBU若干和RSU测试软件一套。如图4-11所示。

图4-11　RSU通信区域标定的工具安装示意图

（2）准备工作

为准确、快速实现对RSU有效通信区域的标定，在对RSU进行标定之前，需完成以下准备工作：

以RSU在地面的垂直投影点（目测）为坐标原点，面向来车方向为纵轴正向，左手方向为横轴正向，以1m为间隔在地面用粉笔画线。其中，纵轴与车道的中心线重合。根据实际通信区域长度的要求，纵轴正向画8～20m，负向画2m，横轴正负双向各画4m，如图4-12所示。

图4-12　RSU通信区域标定的坐标示意图

将辅助测试小车的测试用挡风玻璃上的OUB安装点的距地高度调整为1.3m、挡风玻璃与地面夹角调整呈45°（具体高度和角度根据业主要求适当调整）。调整完毕后将测试用OBU安装到辅助测试小车的OBU安装点上，并将其置于画线区域外2m。

（3）通信区域标定

在做好以上准备工作的基础上，RSU通信区域的具体标定步骤如下所述：

1）将信道设置为CH0或CH1（实际测试中，两个信道都要经过测试）。点击RSU测试软件界面上的“初始化”按钮完成RSU天线的初始化工作。最后，点击“循环交易”按钮，使RSU处于循环交易工作状态。

2）测试人员在画线区域外2m处，推着辅助测试小车以0.5m/s左右的速度匀速沿纵坐标轴、面向坐标原点方向（车辆行进方向）前进，即让OBU投影沿坐标轴方向缓慢逼进通信区域中心方向，此时OBU背面朝向RSU正面方向。

3）待OBU初次正常稳定交易（蜂鸣或LCD显示）时，立即停止移动，在原地观察OBU是否能连续稳定交易3次（3次交易时的蜂鸣或LCD显示时间间隔均匀）。

4）如果在该点OBU能够连续稳定交易3次，则以10cm为步长将辅助测试小车回拉（一般将辅助测试小车回拉20～30cm即可）；同时，按照上述方法观察在回拉过程中是否有可使OBU能够连续稳定交易3次的交易点，直到确定出最外端的可使OBU能够连续稳定交易3次的交易点；否则，从OBU初次正常稳定交易点继续以匀速前进，按照上述方法直到找出最外端的可使OBU能够连续稳定交易3次的交易点。

5）当确定出最外端的可使OBU能够连续稳定交易3次的交易点后，测试人员需推着辅助测试小车继续匀速前进2m左右。

6）在前进过程中，观察是否有OBU终止交易的中断点或中断区域，即观察相邻两个OBU交易点之间的间距是否大于10cm。如果没有出现OBU交易的中断点或中断区域，则将该点记录下来作为通信区域最远点；否则，推着辅助测试小车通过OBU交易的中断点或中断区域，按照步骤4）～6）直到找出通信区域最远点。

7）按照上述方法找出全部的用于确定RSU通信区域的12个有效点，并做出记录。

8）在测量过程中，应首先测量出1、7、4和10这几个点，确定出大致的RSU通信区域的长度（有效点1～7之间的距离）和宽度（有效点4～10之间的距离）。在RSU通信区域标定中，其长度小于等于6.5m、宽度小于等于3m。

9）如果实际测量出的RSU通信区域的长度和宽度与技术要求不符合，则需调整RSU发射功率和安装角度，按照前面的步骤，重新测量出RSU通信区域的长度和宽度，直至满足技术要求。接着，完成其余8个有效点的测量，绘制出完整的RSU通信区域。12个有效点的取点方法如图4-13所示。

10）每个有效点应重复测量三次，每点的三次测试结果取平均值进行记录。

6．RSU功能测试

（1）邻道干扰检测

装有OBU的车辆在收费站进入或者驶离高速公路时，可能会被相邻车道上的RSU误操作，造成车辆刚刚驶入高速公路即被扣费，或者造成驶离车辆的重复扣费，加大收费工作量，该现象即为邻道干扰。在RSU天线的通信区域被标定后，要避免这种情况的发生，故应对ETC车道进行相应的邻道干扰测试。在实际测试中，让安装有性能稳定OBU的车辆，分别从ETC车道左右两边的入口和出口车道驶入和驶出收费站，通过观察测试软件记录的OUB ID号，来判断是否存在邻道干扰问题。

图4-13　RSU通信区域有效点的选取示意图

具体测试步骤如下：

1）打开邻道干扰测试软件并点击“启动”按钮启动软件以及RSU天线开始工作。如果软件提示串口连接不成功，则需重新检查硬件连接或者确定串口连接线的状态，必要时加以更换，保证软件和RSU通信成功，如图4-14所示。

2）让安装有性能稳定OBU的车辆以20km/h的速度分别从ETC车道旁边的入口车道驶入收费站，或从出口车道驶出收费站。

图4-14　邻道干扰测试软件界面示意图

3）在车辆行驶通过ETC车道左右两边的入口和出口车道时，软件自动记下RSU天线所读到的OBU的ID号。重复进行步骤2）～3）3次，车辆必须分别完成驶入和驶出收费站这两项测试。

4）测试完毕后，调取邻道干扰测试软件记录下的OBU的ID号。如果测试车辆驶入或者驶出收费站，软件记录中出现车辆安装的OBU的ID号，则认为该ETC车道存在邻道干扰，需要通过调整RSU天线安装角度或者发射功率，按照前面所描述的RSU通信区域标定步骤对RSU通信区域重新进行标定，缩小RSU通信区域的有效宽度。在重新标定完毕后，重复步骤1）～4），直至解决邻道干扰问题。

（2）车道跟车测试

在ETC系统的实际使用过程中，不可避免地会遇到车道内跟车的问题。车道内跟车问题将会造成在同一ETC车道内前后相跟的两辆车中的后车提前交易，同时造成对未交易的前车进行放行，故应对ETC车道进行相应的车道跟车测试。在实际测试中，让安装有OBU的一大、一小两辆车（前后顺序不固定）前后紧跟依次通过ETC车道，通过观察测试软件记录的OUB ID号，来判断是否存在车道跟车问题。

具体测试步骤如下：

1）打开RSU测试软件。首先，将信道设置为CH0或CH1（实际测试中，两个信道都要经过测试），天线触发模式设为线圈，等待时间模式设置为“5”（保证同一个OBU对同一个RSU在255s间隔内不能进行重复交易）。而后，点击RSU测试软件界面上的“初始化”按钮完成RSU天线的初始化工作。最后，点击“循环交易”按钮，使RSU处于循环交易工作状态。

2）让安装有性能稳定OBU的间距保持1m的两辆车，以20km/h的行驶速度前后紧跟依次通过ETC车道。

3）在车辆依次行驶通过ETC车道时，RSU测试软件自动记下RSU天线所读到的OBU的ID号。重复步骤2）～3）3次。

4）测试完毕后，调取RSU测试软件记录下的OBU的ID号。如果RSU测试软件记录的OBU的ID号次序与实际的车辆通过次序不一致，或者出现漏读现象，则认为该ETC车道存在车道内跟车，需要通过前面所描述的RSU通信区域标定步骤对RSU通信区域重新进行标定，缩小RSU通信区域的有效长度。在重新标定完毕后，重复步骤1）～4），直至解决车道内跟车问题。

（3）其他功能测试

在完成以上两项基本测试的基础上，还须根据业主的具体要求进行相应的RSU功能测试。

引导问题12　请说明ETC收费设备如何保证相邻两个车道互相干扰的问题。

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引导问题13　请描述如何对ETC设备进行测试，简述方法和步骤并编写测试表格。

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【ETC工程测试参考表格】

ETC工程测试参考表如表4-6所示。

表4-6　 ETC车道RSU测试记录表