智能運輸系統概論

（第三版）普通高等教育“十一五”國家級規劃教材21楊兆升于德新主編史其信高世廉主審目錄第11章先進的公共交通系統第12章先進的交通管理系統第13章城市交通信號控制系統第14章電子收費系統第15章高速公路交通事件管理系統第16章應急指揮調度系統第17章智能車輛與自動駕駛系統第18章交通需求管理第19章智能運輸系統標準化第20章ITS評價第14章電子收費系統概述14.1電子收費系統的原理和構成14.2電子收費系統的關鍵技術14.3電子收費系統的新發展和新應用14.4小結14.514.1概述高速公路投入運營之初，完全采用人工計費方式許多收費公路基本采用入口收費、出口驗票的收費管理方案。隨著科學的發展，高速公路收費系統也開始實行計算機管理，實現收費系統自動化。當交通量達到一定水平，半自動收費方式會越來越不適應交通發展的需要。利用先進的電子手段，使車輛不需要停車就可以交付通行費的不停車自動收費方式，就成為社會發展的迫切需要。14.1概述電子收費系統（ElectronicTollCollection，簡稱ETC）也稱為電子不停車自動收費系統。一輛車不需停車直接通過收費廣場，通過專門安裝在車輛上的電子標簽與收費站的計算機系統進行通信，收費站路側計算機識別這輛車并從標簽對應的賬號中劃取本次通行的錢款。而在這之前駕駛員需要去標簽充值點，預先給賬戶充值。電子收費系統ETC收費方式適用于高速公路以及交通繁忙的橋梁隧道環境下的車輛收費。可有效解決交通擁堵、收費舞弊以及交通擁堵引起的能源消耗和環境污染等問題。第14章電子收費系統概述14.1電子收費系統的原理和構成14.2電子收費系統的關鍵技術14.3電子收費系統的新發展和新應用14.4小結14.514.2電子收費系統的原理和構成電子收費系統作為取代人工操作的信息化系統，采用了現代的高新技術，尤其是電子方面的技術，包括無線電通信、計算機技術、自動控制等多個領域。特點：不停車無人工操作無現金交易14.2.1電子收費技術的發展–國內外應用現狀美國第一個不停車收費的應用實驗是20世紀70年代末在紐約和新澤西試行的，借助于車輛自動識別不停車收費。1997年，紐約等地區采用的E-Zpass系統是美國國內最著名的聯網運行電子不停車收費系統。E-Zpass系統采用了專用車道、混合車道兩種模式，都有收費員值班。專用車道采用ETC技術。圖中所示新罕布什爾州的一個收費站中既包括E-Zpass系統也包括現金收費。E-Zpass系統我國從上世紀90年代中期開始引入電子不停車收費系統，陸續開展了許多小規模的試點應用。廣東省在2004年建成了覆蓋2000多公里高速公路的聯網不停車收費系統，并從2005年開始，將聯網收費從高速公路推廣到普通公路，實施更大范圍的電子收費。2010年，京津冀區域高速公路實現聯網不停車收費，并于2013年12月將山東、山西全省高速公路并入京津冀聯網結算體系。2012年，長三角高速公路不停車收費系統全面聯網并且范圍擴大到安徽、江西、福建。14.2.1電子收費技術的發展–國內外應用現狀（1）感應線圈技術使用非常低的頻率（200kHz以下），通過嵌入道路表面的感應天線與安裝在車輛的標簽通信。是ETC技術中最古老的技術。（2）光學技術分為可見光和近可見光（紅外），頻率處在（30-1000GHz之間）。可見光技術主要指基于視頻的車牌照識別技術。紅外技術則利用條形碼標簽，通過激光不停地掃描標簽可能出現的區域，被反射回的信號用于提取出條碼。技術發展14.2.1電子收費技術的發展–技術發展現狀（3）射頻和微波技術微波處于可見光頻率之下（大概500MHz-30GHz）。射頻和微波技術是目前被廣泛接受的技術。利用微波通信技術實現數據代碼的傳送，如DSRC（DedicatedShortRangeCommunication，專用短距離通信）技術（頻率主要采用為5.8GHz），因為頻率較高不僅能用于射頻識別，還可進行雙向數據傳送，是比較理想的ETC技術。DSRC技術的優點就是可靠、安全、有一套統一的標準體系。技術發展14.2.1電子收費技術的發展–技術發展現狀14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價研究收費站車輛排隊模型，進而計算人工收費車道和ETC專用收費車道的相關指標，如排隊長度，每車停留時間。明確排隊系統模型的表示方法，通常為表示顧客到達的時間分布類型，一般有泊松分布到達（M），定長均勻分布（D），愛爾朗分布（）等；

表示服務時間分布類型，一般有負指數分布（M），定長時間分布（D）等；表示服務通道的數量；表示系統的容量；表示顧客源數目；表示服務規則，分為等待制，損失制，混合制。14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價現根據收費站的排隊系統情況，簡單考慮，即車輛到達服從泊松分布，服務時間服從負指數分布，收費站有N個收費車道，車輛源無限、排隊不受限制，先到先服務的排隊系統。在這種系統中，服務通道為N個，故稱為“多通道服務”系統。由于排隊方式不同，又分為單路排隊多通道服務和多路排隊多通道服務兩種。14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價當采用多路排隊多通道服務時，其相當于N個單路排隊單通道服務系統并聯，故計算可按模型計算公式進行，該模型表示車輛到達服從泊松分布、服務時間服從負指數分布、單通道服務、系統容量無限、車輛源無限、先到先服務的排隊系統。14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價系統中有n個車輛的概率：系統中的平均車輛數：平均排隊長度：14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價平均每車停留時間：當采用單路排隊多通道服務時，設車輛平均到達率為，各服務車道的服務是相互獨立的，且假設平均服務率相同（），則整個系統的平均服務率為（為系統中的車輛數）。，為系統的服務強度，很顯然，對多通道服務系統排隊能夠消散的條件為。14.2.1電子收費技術的發展–ETC效率量化評價系統中的平均車輛數：平均排隊長度：平均每車停留時間：根據收費站收費中的檢測、識別、扣費操作，將收費過程按先后次序簡單劃分為檢測模塊、通信認證、交易核實模塊、監控放行、結算模塊。（1）監測模塊當車輛進入ETC車道，安裝在車道路面的車輛檢測器將檢測到信號傳輸給路側設備，以便對車輛進行通信。（2）通信認證模塊激活的路側設備（RoadSideUnit，簡稱RSU）通過廣播信息搜尋電子標簽；電子標簽在接收到信息后被喚醒并自己初始化，并向路側設備發送自身相關配置信息；工作流程14.2.2電子收費系統工作流程（4）監控放行交易成功后，升降欄桿升起讓車輛駛出收費車道，此次收費交易完成。如果交易不成功或車輛出現違規如闖關，則監控攝像頭進行抓拍，提取出車牌號以備追繳。（5）結算模塊在系統設定時刻，專營公司的收費管理計算機系統與結算中心開始進行數據傳輸，結算中心根據專營公司上傳的電子收費用戶消費記錄進行結算操作，最終在用戶的ETC賬戶上生成前一日的消費記錄，專營公司也得到結算中心的資金劃撥。工作流程14.2.2電子收費系統工作流程14.2.2電子收費系統工作流程我國典型組合收費站設計圖14.2.3電子收費系統構成電子收費系統可大致分為車載系統，車道系統和收費系統三大部分。（1）車載系統（OBU）OBU（現在即指電子標簽）中存有車輛的識別信息，如車牌號、汽車ID號，一般安裝于車輛前面的擋風玻璃上，允許車輛在高速行駛狀態下與路旁的讀寫設備進行單向或雙向通信。按是否帶IC卡接口進行分類，OBU可以分為單片式（無IC卡接口）和雙片式（帶IC卡接口），此外我國還研發了一種“組合式標簽”。車載系統14.2.3電子收費系統構成

組合式一種基于雙片式電子標簽的組合式收費車載裝置。主要是采用帶有雙界面（接觸式和非接觸式）IC卡的雙片式電子標簽，其中接觸式界面用于人工半自動收費的“刷卡”操作，非接觸式界面則用于不停車電子劃賬的電子收費。車載系統14.2.3電子收費系統構成按采用的通信方式分類，OBU可分為被動式、主動式和半主動方式。被動通信方式在工作時，由路側天線發射微波信號，電子標簽被電磁波激活后進入通信狀態。功能比較簡單，能耗小，且造價相對主動式的要低。主動式通信方式當路側天線向電子標簽發送詢問信號后，電子標簽利用自身的電池或外接電源的能量發射載波及數據給路側天線，標簽將要發送的數據調制在該載波上。車載系統14.2.3電子收費系統構成ETC車道系統從應用形式上來分，可大致分為專用ETC車道系統和自由流車道系統。自由流車道系統是指在道路主線上每隔一定里程設置一個橫跨道路上空的龍門架，架上安裝不停車收費設備，在與標簽讀寫器完成交易的過程中，車輛可以保持正常行駛，也可以超車、變線。專用ETC車道系統建有收費島，車輛通過時速度慢；而自由流車道系統車輛不受行駛車道和行駛速度的限制，因而被稱為“不減速的ETC”。車道系統14.2.3電子收費系統構成（1）專用ETC車道系統硬件部分：電子標簽讀寫器、車輛檢測器、視頻攝像機、金額顯示器、自動欄桿、網絡集線器車道系統14.2.3電子收費系統構成（1）專用ETC車道系統軟件系統：車道業務邏輯控制、車道數據信息傳輸功能模塊車道系統車道系統組成結構14.2.3電子收費系統構成（1）專用ETC車道系統軟件功能：車道業務管理功能

天線交易控制功能

圖像抓拍識別功能

車輛檢測及車輛檢測處理功能信息顯示控制功能

人工輔助處理及人機交互功能

數據管理功能車道系統14.2.3電子收費系統構成（2）自由流ETC車道系統不僅應用于城市道路擁擠收費，還可延伸到高速公路收費、停車場收費等眾多場所。自由流ETC車道系統主要由硬件部分和軟件系統組成。硬件結構上相對專用ETC車道系統簡單，技術相對復雜。硬件部分：龍門架、電子標簽讀寫天線和視頻攝像機。后兩者均設置在龍門架上，功能和專用ETC收費系統的硬件部分相同。車道系統自由流收費系統組成14.2.3電子收費系統構成（2）自由流ETC車道系統軟件系統：車道協調控制系統是整個系統的核心設備和指揮中心。短程通信系統車輛檢測定位系統圖像抓拍識別系統車道系統14.2.3電子收費系統構成（2）自由流ETC車道系統—自由流車道車輛位置判定在自由流多車道中，車輛存在換道、超車、跨線等行為，不同車道的車輛不斷地交織運行。Step1：視頻車輛檢測跟蹤系統判定出當前通過收費區域的所有車輛的分布情況；Step2：DSRC通信判定出裝有電子標簽的車輛在收費區域的分布情況；Step3：通過對上述兩套車輛分布信息的比對，來判定收費區域內行駛車輛的非法性和合法性。車道系統14.2.3電子收費系統構成收費系統最常見的劃分方法為封閉式系統、開放式系統和區域聯網收費系統。封閉式收費主要用于高速公路，開放式收費主要用于非封閉公路收費站，如橋梁、隧道和專用路等。封閉式系統有出入口劃分和校核問題，按行駛里程分車型收費。而開放式系統上下行車道的設備完全相同，按車輛通過次數分車型征收固定費額。封閉式：車道級計算機系統、收費站級計算機系統，以及后臺收費中心/分中心計算機系統。收費系統14.2.3電子收費系統構成開放式：主要采用“車道——收費站”的二級結構。車道級計算機系統收費站級計算機系統區域聯網收費系統收費系統一個公司同時擁有幾個路段的所有權時，為了管理上的方便及提高服務水平的需要，往往需要把所轄區域內的高速公路及其他公路收費站聯成網絡，統一管理。第14章電子收費系統概述14.1電子收費系統的原理和構成14.2電子收費系統的關鍵技術14.3電子收費系統的新發展和新應用14.4小結14.514.3.1自動車輛識別系統基本原理：利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，通過耦合原件實現電子標簽和標簽讀寫器間射頻/微波信號的耦合，并在耦合通道內，根據時序關系，實現能量傳遞和數據變換，達到對物體識別的目的。車輛的編號及相關信息均以一定順序存儲在電子標簽內部存儲空間中，當電子標簽進入路側天線的通信區域時，天線對標簽內存儲的內容進行讀寫操作，從而識別出當前通行車輛。14.3.1自動車輛識別系統自動車輛識別系統由電子標簽、路側閱讀器以及標簽信息管理系統三大部分組成。電子標簽電子標簽結構14.3.1自動車輛識別系統電子標簽用于記錄與車輛相關信息，并在收費區域以微波通信的方式與路側標簽讀寫器完成信息交互的一種車載設備。路側閱讀器也稱收發器或詢問器，由車道天線、天線控制器和電源等組成。標簽信息管理系統對電子標簽管理信息、發行電子標簽和采集的標簽信息集中進行存儲和管理。歐美國家多采用按車輛外廓幾何參數車型分類的方法，這種方法簡單、明確，人工和自動判別車型均較易實現。目前，我國部分省份（如廣東）的車型分類標準是按照車輛軸數、輪數、車高、軸距進行分類。按車輛外形特征如車輛輪數、輪距、軸數、軸距、車頭高、車頭側面形狀等進行車型分類的分類標準在很大程度上兼顧了公平合理性和簡單明確性原則。1）自動車型分類的標準14.3.2自動車型分類系統14.3.2自動車型分類系統類別分類標準主要車型車種軸數輪數車頭高（米）輪距（米）第一類22~4<1.3<3.2小轎車、吉普車、的士頭人貨車、摩托車第二類24≥1.3≥3.2面包車、小型人貨車、輕型貨車、小型客車第三類26≥1.3≥3.2中型客車、大型客車、中型貨車第四類36~10≥1.3≥3.2大型客車、大型客車、大型拖（掛）車、20英尺集裝箱車第五類>3>10≥1.3≥3.2重型貨車、重型拖（掛）車、40英尺集裝箱車收費公路車輛通行費車型分類標準基于紅外線車輛分離和壓力感應技術結合由埋置在車道地面下以一定形狀分布的感應線圈和一對垂直于地面的紅外線探測器構成。基于紅外檢測自動車型分類方法采用紅外檢測的系統是利用布置在車道兩側的紅外陣列檢測器，取得車輛側面的幾何輪廓特征，再通過計算機處理得出車輛類型。基于紅外線檢測和光纖傳感器相結合自動車型分類方法2）自動車輛分類的方法14.3.2自動車型分類系統主要由紅外線檢測通過收費站的車輛的側輪廓，得到車輛的車頭高、軸距、軸數。其次，利用輪壓式光纖傳感器獲得車輛的輪數。最后將獲得的車輛參數與數據庫中參數進行比較，可以準確的對車輛進行分類。基于視頻圖像匹配自動車型分類方法利用攝像機攝取獲得車輛圖像，并將圖像進行一系列預處理以后（如圖像平滑、圖像增強、圖像分割、邊緣檢測等手段），得到車輛的外形尺寸及各項指標，最后將其同模板庫進行模板匹配，從而達到自動車型分類的效果。2）自動車輛分類的方法14.3.2自動車型分類系統車輛抓拍系統是指利用收費系統的各種硬件和處理程序對未付或未按正確費率付費的通過車輛進行車輛信息抓拍的系統。在ETC系統中，用于抓拍沒有裝備有效ETC電子標簽但使用了ETC車道的通過車輛的車牌照圖像。在不同的車道系統，車輛抓拍系統具有不同的特點：專用車道電子收費系統一旦車輛識別系統發現來車為非ETC車，車道控制子系統將鎖住自動欄桿和紅色交通信號燈，并同時發出聲光報警信號，稽查人員將截住違章車輛，進行現場處理。14.3.3車輛抓拍系統自由流電子收費系統普遍采用一套高速攝像系統記錄違章車輛的車牌照號碼作為逃費證據和尋找肇事者的依據進行事后懲處。早期抓拍系統采用視頻磁帶攝像裝置，目前大都采用數字圖像抓拍存儲視頻系統，其特點是能將圖像數字化，并能自行存儲或傳輸給遠端存儲單元。在連續抓拍車輛的情況下，如何在抓拍的眾多車輛圖像中（車輛形狀和車輛照號碼），將無效卡的逃費車輛挑選出來，是一個有關視頻圖像識別的技術問題，涉及到圖像預處理、車輛特征提取、神經網絡等相關技術方法。14.3.3車輛抓拍系統第14章電子收費系統概述14.1電子收費系統的原理和構成14.2電子收費系統的關鍵技術14.3電子收費系統的新發展和新應用14.4小結14.514.4.1基于GPS和移動通信網絡的虛擬收費系統V