關于高速公路組合式電子收費系統解決方案
2020/4/9 23:05:56??????點擊：
1.1概述
由于我國高速公路普遍采用封閉式收費制式，各省市在聯網收費系統中，普遍采用了基于IC卡作為通行券的人工現金收費（MTC）方式。隨著國家系列金卡工程、金融電子化和交通一卡通進程的加速，公路收費中電子支付的需求被提上了議事日程。顧名思義，電子支付就是采用電子化的方式實現貨幣支付，公路收費中的電子支付就是采用非現金付費的方式實現過路費支付，它代表了公路收費行業的技術發展方向。公路收費中實現電子支付的主要方式有記帳卡、信用卡、預付卡、電子錢包等等。如何緩解收費站區擁堵，提高通行效率，為公眾提供高水平的服務，是我國高速交通行業面臨的重要課題。
電子不停車收費（ETC，ElectronicTollCollection）系統通過安裝在車輛擋風玻璃上的車載單元與收費站ETC專用車道上的微波天線之間的無線通信，利用計算機聯網技術進行后臺結算處理，實現不停車條件下通行費的電子支付，從而大幅度提高收費站的通過能力和服務水平。
在各種公路收費的電子支付手段當中，基于專用短程通訊（DSRC）技術的電子不停車收費（ETC）技術，以其具有免除現金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務水平、簡化收費管理、降低環境污染等等明顯特點和優勢廣為受人青睞。這種技術自90年代初面世以來，先后在北美、歐洲、日本、澳洲、新加坡等地，得到了廣泛應用，被實踐證明是一種必將取代傳統人工收費的先進的非現金支付方式的電子收費技術手段。
目前除日本外，其他國家普遍采用的電子收費技術方案，大都是單片式系ETC統。這對于以開放式收費為主，經濟發達，ETC車輛的比率相對較高的應用環境來講是非常適合的。但國外這種人工收費系統和電子不停車收費系統完全分離的運營模式，對于我國這樣大規模的公路聯網收費系統而言，可能會面臨以下幾方面的問題：路網規模大，導致ETC系統規模龐大，一次性投資高，建設周期長，風險大；大多數入口收費站和出口收費站的交通量小，車道數量少，單獨辟出一條專用 ETC車道在土建上既困難，在利用率上又不經濟；由于各收費站缺乏備份ETC車道，整個電子收費系統的可靠性和健壯性將無法得到保障。
而日本的雙片式車載電子標簽系統，采用的是雙天線，是在全國所有收費站上建立ETC入／出口車道，即ETC構成一個獨立運行的封閉式網絡，投資很高，ETC電子標簽及IC卡發行模式復雜。由此可以看出，國際上現有的ETC技術方案及運營模式并不適合我國區域經濟發展不平衡條件下的聯網收費新形勢的要求。要在我國成功地推動ETC收費應用，需要在方案上予以突破。
為適應中國國情，交通部《高速公路聯網收費暫行技術要求》要求采取“人工半自動收費為主，電子不停車收費為輔”的組合方式，并明確提出“電子不停車收費系統宜采用兩片式ETC電子標簽加雙界面CPU卡的高安全性組合預付卡方案，以實現電子不停車收費方式與IC卡半自動收費方式的兼容與互補”，即在ETC的技術基礎上進一步發展出了組合式電子收費技術。
電子收費系統能夠大大提高站區的通行能力、簡化交費手續、降低站區擁堵，同時未來能夠實現跨區域乃至全國聯網電子收費，是今后一個時期高速公路收費的發展方向，應加快開發和應用
1.2系統目標
組合式電子收費系統的整體目標是：在各路段已經實現IC卡現金收費的基礎上，采用基于兩片式電子標簽的組合式收費技術，向用戶提供MTC和ETC兩種方式下的非現金方式電子支付服務，以最經濟、最有效的手段實現準確收費、避免交通擁堵、提高服務質量、降低運營管理成本。
組合式電子收費系統的優點如下：集中了IC卡收費和ETC收費的優點，在聯網收費系統中實現了人工方式和ETC方式的有效結合；可以按交通量等實際情況按需設置ETC車道數量，系統可靠性高、投資及規模富有彈性，易于試點和推廣；為聯網收費系統開展預付卡業務提供了方便、快捷、安全可靠的解決途徑；為解決中心城市的環城公路網及區域經濟圈內城間公路網的交通瓶頸提供了有效手段；符合中國金融卡規范及電子商務等國家鼓勵發展方向。
由此可以看出，組合式電子收費技術是目前國內經濟發展不平衡條件下解決聯網電子收費系統建設的最佳技術選擇。它既解決了高速公路聯網收費的電子化支付問題，又能克服了ETC應用初期面臨管理與推廣應用方面面臨的困難。
1.3應用方式
組合式收費系統的用戶在封閉路網下典型應用方式如下：
組合式電子收費的服務方式包括：
?。?）停車方式的現金付費
以目前廣泛采用的非接觸式邏輯加密IC卡作通行券實現人工收費方式的現金交費。繼續為公路用戶提供熟悉的“入口領卡、出口交費”的持通行卡現金付費業務，一方面是主流的現實需求，另一方面可以保護已有車道系統投資。
（2）停車方式的電子付費（非現金）
以IC卡（CPU卡或邏輯加密卡）實現人工收費方式的電子付費。用戶省去了攜帶大量現金的麻煩，也不用交額外的服務費。收費單位也避免了現金收費中錯收、漏收、找零、貪污等現象。如果使用符合PBOC規范的CPU卡，除了可作為記帳卡使用之外，還可作為儲值卡使用，在收費車道從卡上電子錢包直接扣款，免去了透支等弊病，系統運營管理成本和風險可大大降低。
（3）不停車方式的電子付費（非現金）
以IC卡加兩片式電子標簽實現不停車收費方式的電子付費。車輛快速通過ETC車道，安裝在車道的電子標簽讀寫器（天線）可以借助車載電子標簽遠距離快速讀寫雙界面CPU卡中的數據信息，從而實現免停車通過收費站并完成收費交易。
由此可以看出，組合式電子收費技術是目前國內經濟發展不平衡條件下解決聯網電子收費系統建設的最佳技術選擇。它既解決了高速公路聯網收費的電子化支付問題，又能克服了ETC應用初期面臨管理與推廣應用方面面臨的困難。
組合式聯網電子收費技術是一種新型的聯網電子收費技術，它利用“雙界面CPU卡”和“兩片式電子標簽”實現了人工半自動付費方式和電子不停車收費方式的緊密結合，可以按交通量等實際情況按需設置ETC車道數量，具有投資及規模富有彈性，系統有較充分的備份措施，可靠性高、易于試點和推廣等方面的優點，從而很好地解決了單片式電子收費系統在聯網收費環境中應用將會面臨的難題。
1.4運營模式
高速公路組合式收費系統運營模式如下：
（1）一卡通服務中心主要負責支付卡與電子標簽的管理（其中包括支付卡與電子標簽的發行及日常管理、支付卡的后臺結算等），并向用戶提供多種客戶服務，同時負責統一技術規范和“聯網收費、一卡通行”的有關管理條例。作為整個系統的運營中心，一卡通服務中心向用戶提供各種完善的客戶服務；為路橋業主提供結算服務；委托發行代理發行儲值卡；委托清算銀行完成清算的劃帳業務。
（2）路橋業主是收費系統的投資建設單位，負責收費系統的運營管理及維護。路橋業主接受一卡通服務中心提供帳務清分等系統服務，向一卡通服務中心繳納一定比例的結算服務費。
（3）銀行主要負責根據一卡通服務中心的轉帳指令，實現對一卡通服務中心、路橋業主及記帳卡用戶間的帳務清算。
?。?）用于高速公路組合式收費系統的電子支付卡（IC卡）及電子標簽（OBU）由一卡通服務中心統一進行初始化和發行，用戶在服務中心或其指定的營業網點辦理電子支付卡和電子標簽申購手續。一卡通服務中心為用戶提供各項服務；對于記帳卡用戶，還應與銀行簽訂帳戶的轉帳授權書，以保證一卡通服務中心能夠及時獲取通行費用。
?。?）用戶持有電子支付卡并安裝了兩片式電子標簽，則可使用本路段上面的ETC車道，享受不停車收費的服務，當然也可以從MTC車道通過；但如果只申請了電子支付IC卡，則只能從MTC車道通過。
?。?）用戶在MTC和ETC車道的通車和消費交易數據通過收費站上傳到收費管理中心，由收費管理中心進行清算。
?。?）帳號卡用戶需定期（例如月結）到收費管理中心進行還款，儲值卡（預付卡）用戶則需在余額不足的時候到指定服務網點進行IC卡充值。
1.5系統架構
在規劃和設計聯網收費一卡通行系統的時候，系統的整個架構從完整性上考慮，應該包括區域收費系統和一卡通服務系統兩大部分。區域收費系統是指區域級聯網收費系統，即通常包括車道系統、收費站系統、收費分中心（區域）系統、收費中心系統四級架構。一卡通服務系統是指聯網收費的后臺支撐結算系統和支付卡的發行與用戶服務系統。
組合式收費系統在收費站級以上部分，與一般的收費系統配置完全一致，所不同的是在前臺的車道級系統上，采用一種獨特的以“兩片式電子標簽+雙界面CPU卡”為核心的組合式收費技術，實現了一張卡片可以從任意的ETC車道或者MTC車道出入。前臺系統框架如下圖所示：
符合ISO、CEN等國際標準的ETC路側讀寫天線及控制系統；
采用支持ISO7816-1-2-3-4、ISO14443協議的專用IC卡收費機具；
在封閉式路網內，根據交通量的大小，按需設置電子收費車道。組合式電子收費功能特點為系統可以按照實際需要設置電子收費車道數量和收費方式：
在交通量較大，設有ETC車道的收費站，用戶可以將雙界面IC卡插入雙片式電子標簽，以免停車方式通過ETC專用車道；
在交通量相對較小，僅設有人工收費車道的收費站，用戶可以采用雙界面IC卡以預付刷卡的方式通過普通人工收費車道；
對于固定往返于設置有ETC車道的收費站的通勤車輛，如：客、貨運輸車輛、公司班車等，則可以采用相對廉價的單片式電子標簽實現免停車方式通過ETC專用車道
ETC車道控制系統的可靠性設計也是一個重要的方面。整體的可靠性保障需要綜合考慮硬件和軟件平臺的選型與架構設計，同時，要有具備充分容錯能力的車道模式和控制流程的設計。組合式收費車道系統中的ETC車道一般采用“專用”車道模式，這樣，任何在ETC車道未能正常處理和放行通過的車輛，包括誤入車輛和系統設備（或車載設備）失效引起的未交易車輛等，均通過輔助的車流引導設施（交通標志、地面標線、隔離墩、交通錐等）引導至旁邊MTC車道，交由人工收費系統進行后續處理。一個簡單的圖例示意如下圖：
在“專用”車道模式下，車道控制流程可以得到大大的簡化，從而使得車道控制系統的容錯性設計相對沒有那么困難，系統的可靠性大大提高。一個簡單的車道主控流程如下圖所示：
1.6.2ETC車道設置原則
說明：考慮到充分發揮ETC的優勢，組合式ETC收費車道的設置原則為如下三點：（1）主線收費站；（2）重要城市出入口；（3）其他交通流量大的地方。在交通量較大或重要城市出入口，且車道資源豐富的收費站，可設置ETC專用車道，車輛用戶可以將雙界面CPU卡插入兩片式電子標簽，以不停車付費的方式通過ETC專用車道；在交通量相對較小或車道資源有限的條件下，僅設置人工收費車道，用戶可以采用雙界面CPU卡以預付刷卡的方式通過收費站。這樣就能按需設置ETC車道數量，系統可靠性高、投資及規模富有彈性，易于試點和推廣。
另外，根據工程實踐經驗，組合式ETC收費車道系統的設計原則為：（1）專用；（2）中置；（3）低速。這主要考慮到雙片式ETC交易中，對電子錢包的處理流程比較復雜（典型交易時間為0.25秒），同時，充分結合交通管理上的安全需要而確定的。
1.6.3ETC車道布局
說明：ETC收費島比MTC收費島向前加長7米，主要的ETC車道設備均安裝在這加長的7米島頭上。
ETC車道主要組成設備有：路側讀寫控制器（RSU）、車載機（OBU）、通行信號燈、報警器、字符疊加器、費額顯示器、自動欄桿機、車道計算機（含顯示器、鍵盤、主機）、車道控制器、雨棚信號燈、車輛檢測器、地感線圈、攝像機，讀卡機具等。見下圖：
1.7技術特點
?。?）擴展性強
ETC車道可根據實際需要進行逐步擴展，初期可以只在高速公路主線收費站和車流量大、形成交通瓶頸的城市出入口收費站設置ETC車道，以實現電子不停車收費，提高收費效率，緩解交通壓力。而大多數匝道收費站的交通量較小、收費車道數量少，單設一條ETC專用車道既困難又不經濟，不符合按需進行系統配置的原則，因此暫不設置ETC車道，待用戶群擴大、需求真正形成后再進行擴充設置。在該方案大大降低了高速公路收費系統實現“一卡通行”的改造成本，在資金投入和系統規模上富有彈性、易于試點和推廣，投資風險大大降低。
?。?）真正“一卡通行”
用戶安裝電子標簽后，可將支付卡插入電子標簽，在有提供ETC收費服務的車流量大的收費站和主線站通過ETC車道，實現免停車、免現金的支付卡交費；而在車流量小的匝道收費站，可以將支付卡抽出，交給收費員，使用停車方式的支付卡交費。真正實現了持一張路橋收費卡即可從任何一個收費站的任何一條入口車道（無論ETC或MTC）進入封閉的高速公路，又可以從任何一個收費站的任何一條出口車道（無論ETC或MTC）交費通過。
?。?）真正電子錢包
在傳統的單片式電子標簽收費系統和普通非接觸邏輯加密IC卡系統中，由于缺乏足夠安全的雙向認證技術，最多只能當作記帳卡使用，無法進行實時的資金驗證，給系統運營單位帶來巨大的透支風險。組合式收費技術方案采用高安全性的CPU卡作為存儲介質，并采取規范的雙向認證技術，可以勝任在任何沒有實時在線連接和后臺驗證的收費點，脫機進行基于電子錢包方式的金融交易。這種技術，在應用上完全符合中國人民銀行（PBOC）發布的《中國金融集成電路（IC）卡規范》，為聯網收費開展儲值卡業務提供了安全、可靠的解決途徑，并且符合國家大力倡導的金卡工程和電子商務發展方向
1.6ETC車道系統
1.6.1ETC車道設計要點
ETC收費車道系統是組合式收費系統設計的關鍵。按照交通部《聯網收費暫行技術要求》中提出的ETC車道設計基本原則是“內側、低速、專用”，這個要求是切合國內高速公路的使用實際的。組合式收費車道系統正是遵循這一原則，并結合“兩片式電子標簽+雙界面CPU卡”的技術特點，把ETC車道系統設計成相對低速的收費車道。在匝道式收費車道條件下，這種車道系統一般允許的速度是在60公里/小時以下，為了便于收費現場管理，一般把車道通行速度限制在30公里/小時以內，限速主要通過輔助的交通標志和安全控制設施（自動欄桿）來實現。在這個設計速度下，每個匝道的通行能力已經超過1500車次/小時，比普通的MTC車道（180~250車次/小時）高出5~7倍，比較充分地發揮了ETC車道快速處理的能力。
采用雙界面IC卡和兩片式ETC電子標簽作聯網收費系統的預付卡介質；
（4）支持多應用擴展
IC卡電子支付方式的引入，還使得組合式收費技術的擁有了另一個明顯優點，即系統具備極強的多應用擴展能力，可以結合高速公路相關產業的特點，無縫擴展到服務區、加油站、便利店、餐飲、汽修點、汽車美容服務等場合，也可以擴展到城市中的公交一卡通、出租車收費，公安交通管理中的車輛管理、駕駛員管理，交通運輸中的運政管理、規費征收等場合，作為一張交通IC卡使用，真正做到交通一卡通。
系統首次應用電子收費專用短程通信的國家標準，在歷經兩年的研究及工程應用實踐中，對國家標準進行了補充和完善，形成了完整的工程應用規范體系。其中的核心規范被轉化為交通部高速公路聯網電子收費示范工程規范。
通過技術規范層面及工程產品層面的綜合改進，使ETC車道理論通行速度從40km/h提升至70～100km/h，大大提高了車道服務水平。
研究制定了電子收費核心設備工程化、規?；瘧藐P鍵技術指標的檢測方法和規程，開發完成了相配套的檢測、測試設備及軟件工具，初步建立了一個電子收費核心設備及系統的檢測試驗平臺。在項目研究、設計和工程應用過程中，極大促進了基于國家標準的電子收費產品和系統的成熟度和可用性。
從技術方案和標準規范，以及設備實現的層面，實現了國標IC卡與北京市政交通一卡通卡（包括非接觸邏輯加密碼以及CPU卡）的兼容。
建立了完善的ETC車道標識系統：指路標志、振動標線、增加黃色標線比例、ETC發光指示標志等，實現ETC用戶的科學指示和引導。
為了方便用戶充值續費，擴展系統服務能力，建成國內唯一可通過銀行ATM終端及加油站快速充值終端進行電子收費充值服務的系統，開通終端3000多臺，系統服務能力提高到百萬用戶數量級。
1.8關鍵設備
1.8.1概述
在組合式收費技術中，收費車道系統使用一種基于5.8GHz微波頻段的專用短程通信（DSRC）技術設備來實現電子不停車收費（ETC）。DSRC設備主要由路側設備（RSU）和車載設備（OBU）組成，路側設備主要是指安裝在車道控制系統前端的起信息采集作用的微波讀寫控制器，其由天線和讀寫控制器組成；車載設備（OBU）主要是指安裝在用戶車輛上作為記錄車輛通行信息的移動設備，由兩片式電子標簽與IC卡組成。DSRC設備的構成如下圖：
在微波讀寫控制器中，天線是一個微波收發模塊，負責調制、解調、編碼、解碼無線鏈路傳送的數據；讀寫控制器是控制發射和接收數據、以及處理信號收發的模塊。微波讀寫控制器以無線通訊的方式，與電子標簽進行數據交換，采集和更新標簽中的收費信息，并通過串行口與計算機通訊。
與DSRC設備中兩片式電子標簽配套使用的還有IC卡。IC卡可以是邏輯加密卡，也可以是CPU卡。IC卡作為通行券和付費卡使用，可以根據運營需要設計成記賬卡方式和儲值卡方式的兩種應用。記賬卡方式下，與普通的帳號卡付費形式完全一致，操作簡便快捷，后臺電子結算，對于大宗固定的車隊式用戶有較大的吸引力；儲值卡方式下，實際上是一個電子錢包，這對于降低運營風險，向廣大社會車輛用戶大面積推廣有很大的好處。通常在IC卡片技術選擇的時候，考慮到公路收費行業IC卡中儲存的資金額度比較大，IC卡建議采用符合PBOC金融安全應用標準的CPU卡。
1.8.2兩片式電子標簽
兩片式電子標簽同單片式電子標簽比較，多一片可插拔的作為擴展存儲器使用的IC卡。兩片式電子標簽主要作為車輛識別卡和通信中繼器使用，電子標簽中只記錄車牌號、車型或車輛的物理參數，為車道系統提供車輛識別信息，而帳號、金額方面的信息則儲存在IC卡內，電子標簽與IC卡之間可以進行數據交換。ETC 車道天線可以借助車載電子標簽遠距離快速讀取IC卡中的數據信息，從而實現免停車通過收費站并完成收費交易。
1.8.3雙界面CPU卡（Mifarepro卡）
雙界面CPU卡是基于單芯片的、集接觸式與非接觸式接口為一體的智能卡，接觸式與非接觸式兩種接口共享同一個微處理器、操作系統和EEPROM。雙界面CPU卡具有接觸和非接觸兩套通信接口，其中非接觸通信接口標準分為TYPEA型和TYPEB型。由于TYPEA型通信方式完全兼容MifareI標準，所以在本系統中采用TYPEA型的雙界面CPU卡，以便于同一臺IC卡讀寫機具完成兩種類型卡片的操作。
1.8.4非接觸式IC卡讀寫機具
目前國內高速公路已使用的非接觸IC卡讀寫設備完全具有支持雙界面CPU卡進行通信的能力，或者通過讀寫設備軟件升級就可以很容易地具備這種能力。但由于雙界面CPU卡必須在雙向安全認證的基礎上才能進行電子交易，要求IC卡車道專用收費機具預置安全認證模塊（PSAM卡）接口及卡座，PSAM卡由儲值卡發行管理機構統一安裝。
1.8.5電子標簽讀寫設備
ETC設備需符合交通部《關于高速公路聯網收費的暫行規定》附錄四“電子不停車收費設備應用技術條件暫行規定”。
1.8.6DSRC設備的國產化
基于兩片式電子標簽的組合式聯網收費和電子支付系統的順利建成，大大推動了我國組合式收費關鍵技術設備——DSRC設備的國產化進程。目前，國內有少數廠商已掌握了高端的、自主知識產權的5.8GHz微波頻段兩片式DSRC技術，研制出國產兩片式DSRC設備（OBU電子標簽和RSU車道微波天線），并成功應用于高速公路組合式收費系統建設項目中。
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