高速公路组合式电子收费系统解决方案 - 全文

 

　　1.1 概述

　　由于我国高速公路普遍采用封闭式收费制式，各省市在联网收费系统中，普遍采用了基于IC卡作为通行券的人工现金收费(MTC)方式。随着国家系列金卡工程、金融电子化和交通一卡通进程的加速，公路收费中电子支付的需求被提上了议事日程。顾名思义，电子支付就是采用电子化的方式实现货币支付，公路收费中的电子支付就是采用非现金付费的方式实现过路费支付，它代表了公路收费行业的技术发展方向。公路收费中实现电子支付的主要方式有记帐卡、信用卡、预付卡、电子钱包等等。如何缓解收费站区拥堵，提高通行效率，为公众提供高水平的服务，是我国高速交通行业面临的重要课题。

　　电子不停车收费(ETC，Electronic Toll Collection)系统通过安装在车辆挡风玻璃上的车载单元与收费站ETC专用车道上的微波天线之间的无线通信，利用计算机联网技术进行后台结算处理，实现不停车条件下通行费的电子支付，从而大幅度提高收费站的通过能力和服务水平。

　　在各种公路收费的电子支付手段当中，基于专用短程通讯(DSRC)技术的电子不停车收费(ETC)技术，以其具有免除现金交易、无需停车快速通过、有效提高通行能力、大大提升服务水平、简化收费管理、降低环境污染等等明显特点和优势广为受人青睐。这种技术自90年代初面世以来，先后在北美、欧洲、日本、澳洲、新加坡等地，得到了广泛应用，被实践证明是一种必将取代传统人工收费的先进的非现金支付方式的电子收费技术手段。

　　目前除日本外，其他国家普遍采用的电子收费技术方案，大都是单片式系ETC统。这对于以开放式收费为主，经济发达，ETC车辆的比率相对较高的应用环境来讲是非常适合的。但国外这种人工收费系统和电子不停车收费系统完全分离的运营模式，对于我国这样大规模的公路联网收费系统而言，可能会面临以下几方面的问题：路网规模大，导致ETC系统规模庞大，一次性投资高，建设周期长，风险大;大多数入口收费站和出口收费站的交通量小，车道数量少，单独辟出一条专用ETC车道在土建上既困难，在利用率上又不经济;由于各收费站缺乏备份ETC车道，整个电子收费系统的可靠性和健壮性将无法得到保障。

　　而日本的双片式车载电子标签系统，采用的是双天线，是在全国所有收费站上建立ETC入/出口车道，即ETC构成一个独立运行的封闭式网络，投资很高，ETC电子标签及IC卡发行模式复杂。由此可以看出，国际上现有的ETC技术方案及运营模式并不适合我国区域经济发展不平衡条件下的联网收费新形势的要求。要在我国成功地推动ETC收费应用，需要在方案上予以突破。

　　为适应中国国情，交通部《高速公路联网收费暂行技术要求》要求采取“人工半自动收费为主，电子不停车收费为辅”的组合方式，并明确提出“电子不停车收费系统宜采用两片式ETC电子标签加双界面CPU卡的高安全性组合预付卡方案，以实现电子不停车收费方式与IC卡半自动收费方式的兼容与互补”，即在ETC的技术基础上进一步发展出了组合式电子收费技术。

　　电子收费系统能够大大提高站区的通行能力、简化交费手续、降低站区拥堵，同时未来能够实现跨区域乃至全国联网电子收费，是今后一个时期高速公路收费的发展方向，应加快开发和应用

　　1.2 系统目标

　　组合式电子收费系统的整体目标是：在各路段已经实现IC卡现金收费的基础上，采用基于两片式电子标签的组合式收费技术，向用户提供MTC和ETC两种方式下的非现金方式电子支付服务，以最经济、最有效的手段实现准确收费、避免交通拥堵、提高服务质量、降低运营管理成本。

　　组合式电子收费系统的优点如下：集中了IC卡收费和ETC收费的优点，在联网收费系统中实现了人工方式和ETC方式的有效结合;可以按交通量等实际情况按需设置ETC车道数量，系统可靠性高、投资及规模富有弹性，易于试点和推广;为联网收费系统开展预付卡业务提供了方便、快捷、安全可靠的解决途径;为解决中心城市的环城公路网及区域经济圈内城间公路网的交通瓶颈提供了有效手段;符合中国金融卡规范及电子商务等国家鼓励发展方向。

　　由此可以看出，组合式电子收费技术是目前国内经济发展不平衡条件下解决联网电子收费系统建设的最佳技术选择。它既解决了高速公路联网收费的电子化支付问题，又能克服了ETC应用初期面临管理与推广应用方面面临的困难。

　　1.3 应用方式

　　组合式收费系统的用户在封闭路网下典型应用方式如下：

　　

 

　　

 

　　组合式电子收费的服务方式包括：

　　(1) 停车方式的现金付费

　　以目前广泛采用的非接触式逻辑加密IC卡作通行券实现人工收费方式的现金交费。继续为公路用户提供熟悉的“入口领卡、出口交费”的持通行卡现金付费业务，一方面是主流的现实需求，另一方面可以保护已有车道系统投资。

　　(2) 停车方式的电子付费(非现金)

　　以IC卡(CPU卡或逻辑加密卡)实现人工收费方式的电子付费。用户省去了携带大量现金的麻烦，也不用交额外的服务费。收费单位也避免了现金收费中错收、漏收、找零、贪污等现象。如果使用符合PBOC规范的CPU卡，除了可作为记帐卡使用之外，还可作为储值卡使用，在收费车道从卡上电子钱包直接扣款，免去了透支等弊病，系统运营管理成本和风险可大大降低。

　　(3) 不停车方式的电子付费(非现金)

　　以IC卡加两片式电子标签实现不停车收费方式的电子付费。车辆快速通过ETC车道，安装在车道的电子标签读写器(天线)可以借助车载电子标签远距离快速读写双界面CPU卡中的数据信息，从而实现免停车通过收费站并完成收费交易。

　　由此可以看出，组合式电子收费技术是目前国内经济发展不平衡条件下解决联网电子收费系统建设的最佳技术选择。它既解决了高速公路联网收费的电子化支付问题，又能克服了ETC应用初期面临管理与推广应用方面面临的困难。

　　组合式联网电子收费技术是一种新型的联网电子收费技术，它利用“双界面CPU卡”和“两片式电子标签”实现了人工半自动付费方式和电子不停车收费方式的紧密结合，可以按交通量等实际情况按需设置ETC车道数量，具有投资及规模富有弹性，系统有较充分的备份措施，可靠性高、易于试点和推广等方面的优点，从而很好地解决了单片式电子收费系统在联网收费环境中应用将会面临的难题。

　　1.4 运营模式

　　

 

　　高速公路组合式收费系统运营模式如下：

　　(1) 一卡通服务中心主要负责支付卡与电子标签的管理(其中包括支付卡与电子标签的发行及日常管理、支付卡的后台结算等)，并向用户提供多种客户服务，同时负责统一技术规范和“联网收费、一卡通行”的有关管理条例。作为整个系统的运营中心，一卡通服务中心向用户提供各种完善的客户服务;为路桥业主提供结算服务;委托发行代理发行储值卡;委托清算银行完成清算的划帐业务。

　　(2) 路桥业主是收费系统的投资建设单位，负责收费系统的运营管理及维护。路桥业主接受一卡通服务中心提供帐务清分等系统服务，向一卡通服务中心缴纳一定比例的结算服务费。

　　(3) 银行主要负责根据一卡通服务中心的转帐指令，实现对一卡通服务中心、路桥业主及记帐卡用户间的帐务清算。

　　(4) 用于高速公路组合式收费系统的电子支付卡(IC卡)及电子标签(OBU)由一卡通服务中心统一进行初始化和发行，用户在服务中心或其指定的营业网点办理电子支付卡和电子标签申购手续。一卡通服务中心为用户提供各项服务;对于记帐卡用户，还应与银行签订帐户的转帐授权书，以保证一卡通服务中心能够及时获取通行费用。

　　(5) 用户持有电子支付卡并安装了两片式电子标签，则可使用本路段上面的ETC车道，享受不停车收费的服务，当然也可以从MTC车道通过;但如果只申请了电子支付IC卡，则只能从MTC车道通过。

　　(6) 用户在MTC和ETC车道的通车和消费交易数据通过收费站上传到收费管理中心，由收费管理中心进行清算。

　　(7) 帐号卡用户需定期(例如月结)到收费管理中心进行还款，储值卡(预付卡)用户则需在余额不足的时候到指定服务网点进行IC卡充值。

　　1.5 系统架构

　　在规划和设计联网收费一卡通行系统的时候，系统的整个架构从完整性上考虑，应该包括区域收费系统和一卡通服务系统两大部分。区域收费系统是指区域级联网收费系统，即通常包括车道系统、收费站系统、收费分中心(区域)系统、收费中心系统四级架构。一卡通服务系统是指联网收费的后台支撑结算系统和支付卡的发行与用户服务系统。

　　组合式收费系统在收费站级以上部分，与一般的收费系统配置完全一致，所不同的是在前台的车道级系统上，采用一种独特的以“两片式电子标签+双界面CPU卡”为核心的组合式收费技术，实现了一张卡片可以从任意的ETC车道或者MTC车道出入。前台系统框架如下图所示：

　　

 

　　1.6 ETC车道系统

　　1.6.1 ETC车道设计要点

　　ETC收费车道系统是组合式收费系统设计的关键。按照交通部《联网收费暂行技术要求》中提出的ETC车道设计基本原则是“内侧、低速、专用”，这个要求是切合国内高速公路的使用实际的。组合式收费车道系统正是遵循这一原则，并结合“两片式电子标签+双界面CPU卡”的技术特点，把ETC车道系统设计成相对低速的收费车道。在匝道式收费车道条件下，这种车道系统一般允许的速度是在60公里/小时以下，为了便于收费现场管理，一般把车道通行速度限制在30公里/小时以内，限速主要通过辅助的交通标志和安全控制设施(自动栏杆)来实现。在这个设计速度下，每个匝道的通行能力已经超过1500车次/小时，比普通的MTC车道(180~250车次/小时)高出5~7倍，比较充分地发挥了ETC车道快速处理的能力。

　　采用双界面IC卡和两片式ETC电子标签作联网收费系统的预付卡介质;

　　符合ISO、CEN等国际标准的ETC路侧读写天线及控制系统;

　　采用支持ISO7816 -1-2-3-4、ISO14443协议的专用IC卡收费机具;

　　在封闭式路网内，根据交通量的大小，按需设置电子收费车道。组合式电子收费功能特点为系统可以按照实际需要设置电子收费车道数量和收费方式：

　　在交通量较大，设有ETC车道的收费站，用户可以将双界面IC卡插入双片式电子标签，以免停车方式通过ETC专用车道;

　　在交通量相对较小，仅设有人工收费车道的收费站，用户可以采用双界面IC卡以预付刷卡的方式通过普通人工收费车道;

　　对于固定往返于设置有ETC车道的收费站的通勤车辆，如：客、货运输车辆、公司班车等，则可以采用相对廉价的单片式电子标签实现免停车方式通过ETC专用车道

　　ETC车道控制系统的可靠性设计也是一个重要的方面。整体的可靠性保障需要综合考虑硬件和软件平台的选型与架构设计，同时，要有具备充分容错能力的车道模式和控制流程的设计。组合式收费车道系统中的ETC车道一般采用“专用”车道模式，这样，任何在ETC车道未能正常处理和放行通过的车辆，包括误入车辆和系统设备(或车载设备)失效引起的未交易车辆等，均通过辅助的车流引导设施(交通标志、地面标线、隔离墩、交通锥等)引导至旁边MTC车道，交由人工收费系统进行后续处理。一个简单的图例示意如下图：

　　

 

　　在“专用”车道模式下，车道控制流程可以得到大大的简化，从而使得车道控制系统的容错性设计相对没有那么困难，系统的可靠性大大提高。一个简单的车道主控流程如下图所示：

　　

 

　　1.6.2 ETC车道设置原则

　　

 

　　说明：考虑到充分发挥ETC的优势，组合式ETC收费车道的设置原则为如下三点：(1)主线收费站;(2)重要城市出入口;(3)其他交通流量大的地方。在交通量较大或重要城市出入口，且车道资源丰富的收费站，可设置ETC专用车道，车辆用户可以将双界面CPU卡插入两片式电子标签，以不停车付费的方式通过ETC专用车道;在交通量相对较小或车道资源有限的条件下，仅设置人工收费车道，用户可以采用双界面CPU卡以预付刷卡的方式通过收费站。这样就能按需设置ETC车道数量，系统可靠性高、投资及规模富有弹性，易于试点和推广。

　　另外，根据工程实践经验，组合式ETC收费车道系统的设计原则为：(1)专用;(2)中置;(3)低速。这主要考虑到双片式ETC交易中，对电子钱包的处理流程比较复杂(典型交易时间为0.25秒)，同时，充分结合交通管理上的安全需要而确定的。

　　1.6.3 ETC车道布局

　　

 

　　说明：ETC收费岛比MTC收费岛向前加长7米，主要的ETC车道设备均安装在这加长的7米岛头上。

　　ETC车道主要组成设备有：路侧读写控制器(RSU)、车载机(OBU)、通行信号灯、报警器、字符叠加器、费额显示器、自动栏杆机、车道计算机(含显示器、键盘、主机)、车道控制器、雨棚信号灯、车辆检测器、地感线圈、摄像机，读卡机具等。见下图：

　　

 

　　1.7 技术特点

　　(1) 扩展性强

　　ETC车道可根据实际需要进行逐步扩展，初期可以只在高速公路主线收费站和车流量大、形成交通瓶颈的城市出入口收费站设置ETC车道，以实现电子不停车收费，提高收费效率，缓解交通压力。而大多数匝道收费站的交通量较小、收费车道数量少，单设一条ETC专用车道既困难又不经济，不符合按需进行系统配置的原则，因此暂不设置ETC车道，待用户群扩大、需求真正形成后再进行扩充设置。在该方案大大降低了高速公路收费系统实现“一卡通行”的改造成本，在资金投入和系统规模上富有弹性、易于试点和推广，投资风险大大降低。

　　(2) 真正“一卡通行”

　　用户安装电子标签后，可将支付卡插入电子标签，在有提供ETC收费服务的车流量大的收费站和主线站通过ETC车道，实现免停车、免现金的支付卡交费;而在车流量小的匝道收费站，可以将支付卡抽出，交给收费员，使用停车方式的支付卡交费。真正实现了持一张路桥收费卡即可从任何一个收费站的任何一条入口车道(无论ETC或MTC)进入封闭的高速公路，又可以从任何一个收费站的任何一条出口车道(无论ETC或MTC)交费通过。

　　(3) 真正电子钱包

　　在传统的单片式电子标签收费系统和普通非接触逻辑加密IC卡系统中，由于缺乏足够安全的双向认证技术，最多只能当作记帐卡使用，无法进行实时的资金验证，给系统运营单位带来巨大的透支风险。组合式收费技术方案采用高安全性的CPU卡作为存储介质，并采取规范的双向认证技术，可以胜任在任何没有实时在线连接和后台验证的收费点，脱机进行基于电子钱包方式的金融交易。这种技术，在应用上完全符合中国人民银行(PBOC)发布的《中国金融集成电路(IC)卡规范》，为联网收费开展储值卡业务提供了安全、可靠的解决途径，并且符合国家大力倡导的金卡工程和电子商务发展方向。

　　(4) 支持多应用扩展

　　IC卡电子支付方式的引入，还使得组合式收费技术的拥有了另一个明显优点，即系统具备极强的多应用扩展能力，可以结合高速公路相关产业的特点，无缝扩展到服务区、加油站、便利店、餐饮、汽修点、汽车美容服务等场合，也可以扩展到城市中的公交一卡通、出租车收费，公安交通管理中的车辆管理、驾驶员管理，交通运输中的运政管理、规费征收等场合，作为一张交通IC卡使用，真正做到交通一卡通。

　　系统首次应用电子收费专用短程通信的国家标准，在历经两年的研究及工程应用实践中，对国家标准进行了补充和完善，形成了完整的工程应用规范体系。其中的核心规范被转化为交通部高速公路联网电子收费示范工程规范。

　　通过技术规范层面及工程产品层面的综合改进，使ETC车道理论通行速度从40km/h提升至70～100km/h，大大提高了车道服务水平。

　　研究制定了电子收费核心设备工程化、规模化应用关键技术指标的检测方法和规程，开发完成了相配套的检测、测试设备及软件工具，初步建立了一个电子收费核心设备及系统的检测试验平台。在项目研究、设计和工程应用过程中，极大促进了基于国家标准的电子收费产品和系统的成熟度和可用性。

　　从技术方案和标准规范，以及设备实现的层面，实现了国标IC卡与北京市政交通一卡通卡(包括非接触逻辑加密码以及CPU卡)的兼容。

　　建立了完善的ETC车道标识系统：指路标志、振动标线、增加黄色标线比例、ETC发光指示标志等，实现ETC用户的科学指示和引导。

　　为了方便用户充值续费，扩展系统服务能力，建成国内唯一可通过银行ATM终端及加油站快速充值终端进行电子收费充值服务的系统，开通终端3000多台，系统服务能力提高到百万用户数量级。

　　1.8 关键设备

　　1.8.1 概述

　　在组合式收费技术中，收费车道系统使用一种基于5.8GHz微波频段的专用短程通信(DSRC)技术设备来实现电子不停车收费(ETC)。DSRC设备主要由路侧设备(RSU)和车载设备(OBU)组成，路侧设备主要是指安装在车道控制系统前端的起信息采集作用的微波读写控制器，其由天线和读写控制器组成;车载设备(OBU)主要是指安装在用户车辆上作为记录车辆通行信息的移动设备，由两片式电子标签与IC卡组成。DSRC设备的构成如下图：

　　

 

　　在微波读写控制器中，天线是一个微波收发模块，负责调制、解调、编码、解码无线链路传送的数据;读写控制器是控制发射和接收数据、以及处理信号收发的模块。微波读写控制器以无线通讯的方式，与电子标签进行数据交换，采集和更新标签中的收费信息，并通过串行口与计算机通讯。

　　与DSRC设备中两片式电子标签配套使用的还有IC卡。IC卡可以是逻辑加密卡，也可以是CPU卡。IC卡作为通行券和付费卡使用，可以根据运营需要设计成记账卡方式和储值卡方式的两种应用。记账卡方式下，与普通的帐号卡付费形式完全一致，操作简便快捷，后台电子结算，对于大宗固定的车队式用户有较大的吸引力;储值卡方式下，实际上是一个电子钱包，这对于降低运营风险，向广大社会车辆用户大面积推广有很大的好处。通常在IC卡片技术选择的时候，考虑到公路收费行业IC卡中储存的资金额度比较大，IC卡建议采用符合PBOC金融安全应用标准的CPU卡。

　　1.8.2 两片式电子标签

　　两片式电子标签同单片式电子标签比较，多一片可插拔的作为扩展存储器使用的IC卡。两片式电子标签主要作为车辆识别卡和通信中继器使用，电子标签中只记录车牌号、车型或车辆的物理参数，为车道系统提供车辆识别信息，而帐号、金额方面的信息则储存在IC卡内，电子标签与IC卡之间可以进行数据交换。ETC车道天线可以借助车载电子标签远距离快速读取IC卡中的数据信息，从而实现免停车通过收费站并完成收费交易。

　　1.8.3 双界面CPU卡(Mifare pro卡)

　　双界面CPU卡是基于单芯片的、集接触式与非接触式接口为一体的智能卡，接触式与非接触式两种接口共享同一个微处理器、操作系统和EEPROM。双界面CPU卡具有接触和非接触两套通信接口，其中非接触通信接口标准分为TYPE A型和TYPE B型。由于TYPE A型通信方式完全兼容Mifare I标准，所以在本系统中采用TYPE A型的双界面CPU卡，以便于同一台IC卡读写机具完成两种类型卡片的操作。

　　1.8.4 非接触式IC卡读写机具

　　目前国内高速公路已使用的非接触IC卡读写设备完全具有支持双界面CPU卡进行通信的能力，或者通过读写设备软件升级就可以很容易地具备这种能力。但由于双界面CPU卡必须在双向安全认证的基础上才能进行电子交易，要求IC卡车道专用收费机具预置安全认证模块(PSAM卡)接口及卡座，PSAM卡由储值卡发行管理机构统一安装。

　　1.8.5 电子标签读写设备

　　ETC设备需符合交通部《关于高速公路联网收费的暂行规定》附录四“电子不停车收费设备应用技术条件暂行规定”。

　　1.8.6 DSRC设备的国产化

　　基于两片式电子标签的组合式联网收费和电子支付系统的顺利建成，大大推动了我国组合式收费关键技术设备——DSRC设备的国产化进程。目前，国内有少数厂商已掌握了高端的、自主知识产权的5.8GHz微波频段两片式DSRC技术，研制出国产两片式DSRC设备(OBU电子标签和RSU车道微波天线)，并成功应用于高速公路组合式收费系统建设项目中。