1、基于 ETC 技术在高速公路收费系统中的应用研究摘要：在现有 ETC 的 OBU 基础上，加入移动通信模块，形成 COBU，整合 LBS 技术，既可以满足 ETC 收费方式，也可以满足传统收费方式，同时有效解决了高速公路收费多路径问题。由于只是在 OBU 上进行了复合，对收费软件还没进行改进，ETC 功能与路径识别功能还相对独立，ETC 的收费与清分还没实现按实际路径计算，后续将对收费软件进行研究改进，将路径识别相关数据直接运用到 ETC 收费系统中，作为收费、清分和监控依据，完全实现 ETC 与路径识别功能的融合。 关键词：ETC 技术 高速公路收费系统 应用 Abstract: Based
2、 on the existing OBU of ETC, adding mobile communication module, the formation of COBU, integrate LBS technology, both to meet the ETC toll way, but also to meet the traditional charging method, while effectively solve the problem of multi-path highway toll. Since only the OBU on a composite of the
3、billing software yet to improve, ETC function and path recognition feature also relatively independent, ETC and clearing fees not realize the actual path calculation, billing software will conduct follow-up research to improve, the path to identify the relevant data directly applied to the ETC toll
4、collection system, as the charges, clearing and monitoring based on the full realization of the path ETC recognition function integration.Keywords: ETC technology highway toll system applications 中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号： 1.引言 目前，全国绝大部分省（市、区）都实现了高速公路联网收费，从国家层面，也提出了高速公路全国联网收费规划，但伴随着高速公路的快速发展，联网收费
5、二义性路径在很多省市已经出现，并迅速增多，如何有效识别车辆行驶路径，实现准确清分，正成为各省市高速公路联网收费主管部门着力解决的重要问题。 2.路径识别技术 路经识别技术就是将移动通信终端集成到高速公路通行卡或车载单元（onboard unit，OBU）中，当车辆携带集成有移动通信终端的通行卡或 OBU 在高速公路行驶时，移动通信终端就会在无线蜂窝网络中移动。为保障无线网络服务的连续性，当所处的移动通信网服务基站信号强度衰减到一定程度时，移动通信终端将选择新的基站作为当前的服务基站，即产生了服务基站的服务切换（handover） 。在切换完成后，移动通信终端将获取到代表当前服务基站的新的基站小
6、区识别码（cellID） ，并将该cellID 记录在移动通信终端内，根据 cellID 对应的坐标，即可还原出该移动通信终端对应车辆的真实行驶路径，从而实现对高速公路车辆行驶路径的准确识别，达到有效解决二义性路径识别问题的目的。 按照中华人民共和国交通运输部（2011 年第 13 号公告）中的收费公路联网电子不停车收费技术要求，在现有 ETC 所使用的 OBU 基础上加入移动通信模块，形成复合车载终端（composite onboard unit，COBU） ，利用路径识别技术，整合路径识别功能，就可以实现电子不停车收费与路径识别功能的融合。整合后的 COBU 包括移动通信模块、CPU、电源
7、管理、光伏电池、语言播报等模块，具有独立运算和存储功能。由于只是通过加入模块来整合功能，所以整合后的 COBU 持有方式与现有 ETC 管理模式一致，可以兼容传统收费模式。 3 方案设计 3.1 系统功能设计 根据现有 ETC 功能和路径识别要求，COBU 需要实现以下功能： 1）ETC 基本功能； 2）基于 GSM 制式，板载 SIM 卡 IC 或直接烧号，可以和基站保持联系； 3）能够向固定接收号码发送预设短消息； 4）能够接收固定主叫号码发出的固定格式短消息，并根据内容进行预设的操作； 5）能够向固定被叫号码发送呼叫； 6）能够接收固定主叫号码发起的呼叫； 7）运行、电量低、充电、错误等
8、状态通过 LED 和 LCD 进行显示； 8）在路侧单元（road side unit，RSU）激活 OBU 时，能根据 RSU传输的数据向 IC 卡内写入进出站标识； 9）在 RSU 激活 OBU 时，能根据 IC 卡内的进出站标识和卡类型（如记账卡需要同步开关机、工作卡不需要同步关机）同步实现通信模块的进站开机和出站关机； 10）当 RSU 因为网络故障等原因不能通知智能交通系统 OBU 的进出站状态时，OBU 可通过预设短消息或呼叫与智能交通系统同步状态； 11）通过人工车道进出站，IC 卡会被写入进出站标识，当 IC 卡被插入 OBU 时，能根据 IC 卡内的进出站标识和卡类型同步实现
9、通信模块的进站开机和出站关机； 12）OBU 能根据接收到的特定短消息或特定呼叫实现通信模块的关闭，以满足测试期间关闭通信模块的需求和 OBU 驶出路网后因管理需求关闭通信模块的需求； 13）能将 OBU 途经基站的 cellID 等数据按照预设规则记录到 IC 卡上； 14）在通信模块运行期间，若 IC 卡被拔出或电量低时，能进行定时声光提醒； 15）可根据接收到的短消息播放或组合播放语音片段，语音片段数量不小于 400 条； 3.2 硬件设计 完整的 ETC 系统由 OBU，RSU，ESAM（embedded secure access module） 、双界面 CPU 卡、OBU 初始化
10、编程器等多部分组成。因此，COBU的设计，要实现在兼容当前 ETC 系统所有部件的基础上，整合通信模块的功能，设计需遵循以下基本性能要求。 3.2.1 物理与电气需求 1）物理尺寸：无特定尺寸限制，具备 1 个接触式 IC 读卡器插槽，能完全插入 1 张 IC 通行卡； 2）无线参数：整合 GSM 900/1 800 MHz 制式无线模块、5.8 G 微波模块和 13.56 M 读卡器模块； 3）电池容量与循环周期：可更换电池设计，单一电池容量不小于 2 000 mAH，且具备不小于 1 000 次的充放电循环，可扩展光伏电池充电功能。 3.2.2 接口与管理需求 1）5.8 G 微波接口，遵
11、循 ETC 技术规范； 2）接触式读卡器接口，遵循 ETC 技术规范； 3）13.56 M 读卡器接口，遵循 ETC 技术规范； 4）GSM 无线接口，支持向特定目标号码发送和接收 ASCII 编码短消息，支持向特定目标号码发起语音呼叫，支持接收特定主叫号码发起的语音呼叫； 5）具有 1 个按钮，其功能可配置为触发呼叫或短消息，或者触发关闭通信模块事件； 6）1 个激活感应开关，位于 OBU 安装工作面，用于物理激活 OBU 的工作状态； 7）1 个 IC 卡插入感应开关，位于 IC 卡槽内部，用于感应是否已插入 IC 卡； 8）显示能力，1 个单色 LCD 显示屏，带背光，具备至少 1 行固
12、定图标和 1 行汉字（不少于 7 个字符）的显示能力； 9）LED 指示，至少 1 个 3 色 LED，用于显示电量和工作状态； 10）语音提示，具有扬声器，可播放固定语音片段或组合语音片段；11）有线充电接口，用于车载充电器进行充电； 12）可扩展光伏电池充电。 3.2.3 模块划分 COBU 终端系统可划分为三大部分。 1）普通 OBU 模块部分，5.8 G 收发模块、天线和 ESAM 模块； 2）通讯模块部分，GSM 射频模块、天线和 SIM 卡； 3）公用模块部分，包括 CPU，电源部分（电源管理、充电电路、锂电池和光伏电池等） ，接触式与非接触式读卡器，LED 指示，LCD 显示，扬
13、声器和可配置按钮。 上述模块划分中以 GSM 模块中的 CPU 为系统主 CPU，若 GSM 模块中的CPU 功耗、唤醒时间不能满足 OBU 交易的需求，或该 CPU 接口不足，再增加专属于 OBU 功能的 CPU。 3.3 软件设计 3.3.1 主要功能实现 1）接收短信处理。 MMI task 注册接收短信的处理函数； 接收短信产生中断，激活 CPU core，且修改相应的寄存器； 低级中断激活高级中断，高级中断产生 event； messageRcv task 等待事件，收到 event，读取寄存器，确认收到短信，发送 message 到 MMI task； MMI framework
14、找到 MMI 注册的该接收短信的处理函数，执行以下相应的动作：检查短信内容，确认是否合法短信，如不是，则删除该短信并退出短信接收操作；如是合法短信，则根据短信内容，控制某个GPIO 点亮红色 LED 灯，维持 3 s，并检查感应寄存器是否被置位，是否需要？最后，删除该短信，同时启动电源管理处理函数。 2）开机。 MMI task 注册开机处理函数； 开机后（实际上是通过监测特定 GPIO 产生的中断唤醒 sleep 状态的 CPU） ，检查相应的 GPIO 寄存器确认为开机动作； 低级中断激活高级中断，高级中断产生 event； open card task 等待事件，收到 event，发送
15、message 到 MMI task； MMI framework 找到 MMI 注册的处理函数，执行相应的动作启动电源管理处理函数，启动待机处理函数。 3）待机。 MMI task 注册待机处理函数； 检查相应的 GSM 通信寄存器，确认为待机成功； 低级中断激活高级中断，高级中断产生 event； standby task 等待事件，收到 event，发送 message 到 MMI task； MMI framework 找到 MMI 注册的处理函数，执行相应的动作启动点管理函数，轮询检查寄存器，确认同基站的联系状态。 4）电源管理。 MMI task 注册电源管理函数； 系统在开机后、
16、关机前以及充电状态下，收发短信时，产生event； PMU task 等待事件，收到 event，发送 message 到 MMI task； MMI framework 找到 MMI 注册的处理函数，执行相应的动作：检查电池电量，检查系统（包括 CPU 内部）电源状况，根据 event 类型进行相应的处理。 关机前，event 同时计算从开始进入待机状态的电池电量到结束待机状态的电池电量，除以对应的时间，如果大于某个特定的值则表示电池需要更换，然后控制 GPIO，使红灯常亮；如果小于特定的值但电池电量低于 50%，则闪烁红色 LED 提醒充电，否则关闭除 CPU 内核外的其它电源供应。 开机
17、后，event 则确认电量是否大于 50%电池容量，如大于 5%，则纪录电池电量并点亮绿色 LED，维持 3 s，退出处理进入到待机状态；如小于 50%，则控制某个 GPIO 点亮红色 LED 灯，维持 3 s，表示需要充电。 如需充电，event 则判断剩余电量是否小于 70%，小于 70%开始充电，并常亮红色灯表示开始充电；剩余电量大于 70%或充电满，则常亮绿色灯，表示充电结束。 待机时，event 打开 CPU 和 pSRAM 电源，打开 MT8139 和 RF 天线处于接收信号状态，收到基站信号则闪烁绿灯（每 5 s 亮 200 ms） ，关闭其他不必要的电源供应。 按键 event
18、，则打开 CPU 和 pSRAM 电源，打开 MT8139 和 RF 天线，处于发送信号状态。 3.3.2 系统工作原理 OBU 随对应车辆进出 ETC 通道时，实现正常的开关机激活流程，并完成标准的 ETC 数据交互，同时实现进站激活通信模块，出站关闭通信模块。若 RSU 与智能交通系统的数据链路通讯正常，在激活或者关闭通信模块的过程中，不需要短消息网关的参与；若 RSU 与智能交通系统的数据链路断开，通信模块则通过预定义短消息告知智能交通系统是否已进站或者出站，以便实现后台的同步监控。 将 5 个 FOBU 终端分别装车，在高速公路相关单位的支持与配合下，有针对性地选择传统收费车道和现有 ETC 车道进行技术验证测试。测试数据表明：按原有收费方式测试，刷卡正常；按现有 ETC 方式测试，抬杆正常，路径识别正常，验证了系统设计功能。 长/msFOBU01 正常 40 非二义性正常 260FOBU02 正常 30 二义性正常正常 380FOBU03 正常 40 二义性正常正常 390FOBU04 正常 40 二义性正常正常 405FOBU05 正常 50 二义性正常正常 400 参考文献： 1 赵祎.RFID 在高速公路收费系统中的研究与应用J. 科技信息. 2010(25) 2 牛翔.浅谈高速公路自动化收费系统J. 广东科技. 2007(08)
