（交通信息工程及控制专业论文）组合式电子收费系统的研究.pdf

摘要 电子收费( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 技术是目前国际上正在努力开 发并推广普及的一种用于公路、桥梁和隧道的新型电子自动收费技术。本文针对 我国联网收费大环境，结合目前各地对e t c 系统的不同需求及试用情况，提出 了一种兼容人工半自动收费( m a n u a ls e m i a u t o m a t i c t o l lc o l l e c t i o n ，m t c ) 的电 子收费技术方案“两片式电子标签+ 双界面c p u 卡”的组合式电子收费技术 方案。该方案是封闭式路网环境下实施e t c 系统的一种具有极高性价比的优秀 技术方案。使用两片式电子标签加双界面c p u 卡以不停车方式通过e t c 车道； 对于一般人工半自动收费车道只需拨出双界面c p u 卡，短暂停车刷卡通过m t c 车道。文中对该组合式电子收费系统进行了详细、深入的研究，并对车道部分进 行了详细设计，阐明了组合式电子收费系统车道的功能流程，最后介绍了两片式 d s r c 设备应用的模型以及d s r c e t c 标准化，并对组合式电子收费系统标准 化今后努力的工作提出了几点建议。 关键词：电子收费人工半自动收费 组合式电子收费系统车道 专用短程通信协议 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o nt e c h n o l o g y ( e t c ) i so n ek i n do fn e we l e c t r o n i c a u t o m a t i ct o l lt e c h n o l o g yt h a to ni n t e r n a t i o n a li sd e v e l o p i n ga n di sp r o m o t e d p o p u l a r d i l i g e n t l yi nt h er o a d ，t h eb r i d g ea n dt h et u n n e la tp r e s e n t i nv i e wo fo u rc o u n t r y n e t w o r k i n gc h a r g em a c r oe n v k o n m e n ta n da tp r e s e n te a c hp l a c et oe t cs y s t e m d i f f e r e n td e m a n da n dt e s ts i t u a t i o n ，t h i sp a p e rp r o d u c e sae l e c t r o n i ct o l l t e c h n o l o g y m o d et h a ti sc o m p a t i b l ew i t l lm a n u a ls e m i a u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o n ( m t c ) t h e c o m p o s i t ee t ca p p l i c a t i o ns o l m i o no f t w op i e c e se t ct a gp l u sd u a li n t e r f a c ec p u c a r d t h i sp l a ni sa no u t s t a n d i n gm c h n i c n lp l a nw i t l lt h eb e s tp r i c ev e r s u sp e r f o r m a n c e r a t i ot oi m p l e m e n tt h ee t cs y s t e mu n d e rt h ee n c l o s e dr o a dn e t w o r ke n v i r o n m e n t n o n - p a r k i n gw i t l lt a ga n dc a r dp a s s e se t c l a n ea n dt r a n s i t o r yp a r k i n gw i t hc a r do n l y f o rc o m m o nm t cl a n e t h i sp a p e rs t u d i e sm i n u t e l ya n dt h o r o u g h l yt h et e c h n o l o g y p r o j e c t ，m e a n t i m e ，m i n u t e l yd e s i g n sl a n ep a r t t h e nt h ec o m p o s i t ee t ca p p l i c a t i o n s y s t e mt r a f f i cl a n e f u n c t i o nf l o wi s i l l u s t r a t e d f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s d o u b l e c h i p d s r c e q u i p m e n ta p p l i c a t i o n m o d e la sw e l la sd s r c e t c s t a n d a r d i z a t i o n m o r e o v e r ，p u t sf o r w a r ds e v e r a lp r o p o s a l sf r o mn o w o nt ot h ew o r ko f t h ec o m p o s i t ee t c a p p l i c a t i o ns y s t e ms t a n d a r d i z a t i o n k e y w o r d s ： e t cm t c c o m p o s i t ee t ca p p l i c a t i o ns y s t e m l a n e d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o nf d s r c ) ， 论文独创性声明 本人声明：本人所是交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任键未蕊明确注明的荚他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：边辐姬勘年孕月j 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校惹发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后廒遵守此规定) 论文作者签名：丛耗妮 导师签名：苇鹊捧 “辱牟砖2 6 日 上帅6 年4 月2 睫 第一章绪论 1 1电子收费技术的兴起 1 1 1 现行收费方式面临的问题 我国道路网的发展速度远远落后于交通需求增长的速度，随着汽车行业的蓬 勃发展，使用高速公路的车辆越来越多( 经济发达地区这种趋势已经非常明显) ， 在“贷款修路，收费还贷”的政策引导下，我国现行的路桥收费方式 、工半 自动收费( m a n u a ls e n t i - a u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称m t c ) 的缺点越来越突 出。主要表现在：收费方式效率低下，限制了车辆的通行速度，使收费站成为制 约高速公路通行能力发挥的瓶颈；停车次数增多，汽车尾气和噪声严重，影响环 境质量；在主线收费站和一些车流量大的匝道站，经常出现交通拥挤和堵塞，与 高速公路快速、便捷、舒适的形象极不相符：人工现金收费也存在弊端，如现金 的错收、漏收、误收( 假币) ，及复杂的现金管理，造成运营成本增加，降低收 费还贷速度；同时携带大量现金也给用户带来种种不便。 事实证明，单纯靠造桥修路等扩大路网规模的方式已不能解决日趋尖锐的交 通供需矛盾，而必须采用高新技术来改造现有道路运输系统及其管理体系，从而 达到大幅度提高路网通行能力和服务水平的目的。 1 i 2电子收费是收费技术的发展方向 电子收费( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 技术是一种新型收费技术， 是将原本收费站采取人工收费的作业过程自动化，车辆不必减速缴费而可快速通 过，由于其具有消除收费站附近车辆延迟、节省人工及简化收费手续等优点，近 十几年来已经逐渐在欧美各国的收费公路上布设使用，目前，电子收费技术己成 为国际上正在努力开发荠推广普及的一种用于公路、桥梁和隧道的新型电子自动 收费技术。 电子收费技术通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站e t c 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) ，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从 而实现车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费。 不停车、无人操作和无现金交易是电子收费系统的三个主要特点，它适合于 开放式和封闭式两种收费制式，避免了现有人工半自动收费过程中的弊端。由于 不需要停车等候，当交通量较大时，不会产生收费站前车辆排队等候的现象，减 少了车辆延误：由于无需人工参与和无现金交易，可完全避免收费过程中的舞弊 和贪污现象，同时也能解决由于交通堵塞而引起的能源消耗和环境污染等问题。 该技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系 统已经局部联网并逐步形成规模效益。我国鼓励围绕大城市发展卫星城市和大型 居住区，这时城间往返交通流量会很大，且交通流密度很高，同时要求道路服务 水平也高，实施不停车的高速e t c 收费业务的需求是客观存在的，尤其随着我 国以非接触式i c 卡为通行介质，采用人工半自动收费方式为主的公路联网收费 方式的推广，电子收费将是发展趋势。从更长期的角度看，e t c 技术除了服务 于电子收费外，很有潜力扩展到加油、停车、门禁、出入控制等领域。在国际社 会未来的发展中，区域范围内的互换性、多车道自由流技术以及带智能卡的两片 式电子标签将是研究和发展的热点。同时，目前我国一些发达地区又迫切需要这 种电子收费方式来提高道路通行能力，提升管理水平，可以预见，e t c 技术将 会在我国得到广泛应用和产业化的大发展。 1 2e t c 的优点 由于e t c 系统实现了不停车自动收费和交易方式的智能化管理，具有人工 收费不可比拟的优越性。 ( 1 ) 方便客户长途旅行 当多条高速公路开通形成公路网络，区域收费势在必行，以车载识别卡作为 通行介质，可使客户持卡在路网任何道路行驶而毋须停车交费。 ( 2 ) 提高收费车道通过率 与人工收费车道相比，通过率可提高5 7 倍。 ( 3 ) 提高管理效益 可大量减少收费人员，节省2 5 4 0 日常管理费用。 ( 4 ) 费额流失减少 不需要为支付通行费而当场准备现金，减少车型判别和收费操作差错，同时 也杜绝人为费额流失。 ( 5 ) 节约能源 与停车收费相比，车辆燃油消耗降低1 5 左右。 ( 6 ) 改善收费站环境 由于不需停车，从而减少通行车辆的加减速次数，因而可减少车辆在收费站 附近产生的废气、噪音以及降低汽车的油耗，可望提高环境保护效果。 因此，e t c 收费系统已成为路、桥收费优先发展的高科技管理手段，正在 被越来越多的应用在高速公路，国内很多省市的高速公路己安装有e t c 收费设 备并投入正式运营。 1 3e t c 的工作原理 电子不停车收费系统与其他收费系统最主要的区别是增加了车道微波通信 系统，借助电子标签、路侧单元的无线通信，完成了不停车收费。车道微波通信 系统通常由车载电子标签、电子标签编码器、路侧单元及其控制器、车道控制计 算机等组成。 1 3 1e t c 的系统组成 e t c 系统主要由e t c 收费车道、收费站管理系统、e t c 管理中心、传输网 络及专业银行组成。根据分工的不同，系统又可分为前台和后台两大部分。前台 以车道控制子系统为核心，用于控制和管理各种外场设备，与安装在车辆上的电 子标签的通信，记录车辆的各种信息，并实时传送给收费站管理子系统。后台由 收费站管理子系统、e t c 管理中心和专业银行组成。e t c 管理中心是e t c 系统 的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换，又要行使必要的管理职 能，它包括各公路的收费专营公司、结算中心和客户服务中心。后台根据收到的 数据文件在公路收费专营公司和用户之间进行交易、拆帐和财务结算。配有多台 功能强大的计算机，完成系统中各种数据、图像的采集、处理。图1 1 为电子收 费系统构成要素及关系图。 图1 - 1电子收费系统构成要素及关系图 1 3 2e t c 的工作流程 不同的收费系统的收费业务过程基本相同，现以封闭式为例，说明电子收费 系统的工作过程。车主到客户服务中心或代理机构购置车载电子标签，交纳储值。 由发行系统向电子标签输入车辆识别码( i d ) 与密码，并在数据库中存入该车辆 的全部有关信息( 如识别码、车牌号、车型、颜色、储值、车主姓名：电话等) 。 发行系统通过通信网将上述车主、车辆信息输入收费计算机系统。车主将标识卡 贴在车内前窗玻璃上即可。当车辆驶入e t c 收费车道入口天线的发射区，处于 休眠的电子标签受到微波激励而苏醒，转入工作状态：电子标签通过微波发出电 子标签标识和车型代码：天线接收确认电子标签有效后，以微波发出入口车道代 码和时间信号等，写入电子标签的存储器内。当车辆驶入收费车道出口天线发射 范围，经过唤醒、相互认证有效性等过程，天线读出车型代码以及入口代码和时 间，传送给车道控制机，车道控制器存储原始数据并编辑成数据文件，上传给收 费站管理子系统并转送收费结算中心。 如果持无效标识卡或无卡车辆，在收费车道上高速冲卡而过，天线在确认无 效性的同时，保持自动栏杆关闭状态，将冲卡车辆拦截( 低速通过车辆) 。在无 专用收费车道的自由流收费时，可启动逃费抓拍摄像机，将逃费冲卡车辆的车头 及牌照号码摄录下来，随同出口代码和冲卡时问并传送给车道控制机记录在 案，事后依法处理( 高速通过车辆) 。 银行收到汇总好的各路公司的收费信息后，从各个用户的账号中，扣除通行 费和算出余额，拨入相应公司账号。与此同时，银行核对各用户账户剩余金额是 否低于预定的临界阈值，如低于，应及时通知用户补交，并将此名单( 灰名单) 下发给全体收费站。如灰名单用户不补交金额，继续通行，导致剩余金额低于危 险门限值，则应将其划归无效电子标签，编入黑名单，并通知各收费站，拒绝无 效电子标签在高速公路电子收费车道通行，按违章冲卡车处理。 收费结算中心设有用户服务机构，向用户出售标识卡、补收金额和接待客户 查询。后台有一套金融运行规则和强大的计算机网络及数据库的支持，处理事后 收费等事项。 1 4 国内外e t c 应用现状 1 4 1 国外应用现状 目 国际上，美国、欧洲、日本9 0 年代中期就针对不停车收费系统中的研发技术、 工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收 费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。 在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效 率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是e z p o s $ 系统。1 9 9 7 年7 f l ， e - z p a s s i 程的最终运行方案开始付诸实施和运行。从e z p a s s 系统开通起，e t c 的交易量持续增长，至1 1 9 9 8 年1 2 月，仅经过1 年半的时间，共计2 3 条专用e t c 车 道的电子不停车收费网络就承担了整个月平均交易量的4 3 ，高峰时段甚至达到 5 5 6 0 。网络化运行的电子不停车收费系统的效益和吸引力充分体现出来。 e z p a s s 系统采用了专用车道、混合车道两种模式，都有收费员值班。e z p a s s 专 用车道规定了时速不超过5 英里的限制，并有相应的标志牌提示，以便于给收费 人员和道路使用者确保个安全的收费环境。另外美国基本上是采用开放式收费 制式构成的网络。 葡萄牙的v i av a r d e 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收 费系统之一，由葡萄牙最大的公路营运商b r i s a 公司管理。收费系统采用封闭式 和开放式相结合的模式。事实已证明，v i av a r d e 电子收费系统是既有利于道路 使用者又有利于道路营运商的有效收费手段。根据营运报表统计数据，人工收费 车道o v i t c ) 的平均通行能力为2 0 0 辆d , 时，电子收费车道的平均通行能力为1 5 0 0 辆，j 、时，l 条e t c 车道的通行能力是m t c 车道通行能力的7 倍。该e t c 车道的显 著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低于8 0 k m h 的速度通行。如果没有v i av a r d e 系统，营运公司将不得不多修建2 0 0 0 多条人工收费车道以解决收费拥堵问题。 欧美国家应用的e t c 系统从收费制式上来说大多数属于开放式收费系统。即 收费站都建设在高速公路主线上，一般每隔3 0 5 0 k m 设置一个收费站，各个匝 道出入口不设收费站，这样车辆可以自由进出，不受控制，高速公路对外呈现“开 放”状态。每个收费站的收费标准仅根据车型不同而变化，但各个收费站的收费 标准则因控制的距离不等而有所区别，长途车辆经过每个收费站都要缴费。所以 欧美国家的e t c 系统大多采用单片式电子标签，有的为降低用户的投入，甚至只 使用只读式电子标签。 在日本，政府和企业高度重视推进智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ，简称i t s ) ，其中就包括电子不停车收费。由于技术上的难度和协调问题， 时至1 9 9 9 年才开始真正实施全国性的e t c 网络建设，首先建成的是东京附近的首 都圈e t c i 程。在总结了有关经验后，从2 0 0 0 年开始大坂、名古屋等多条高速公 路e t c 建设，共计约1 0 0 多个收费站，4 0 0 多条e t c 车道。 日本采取的是接触式c p u 卡加两片式电子标签和双e t c 天线的方案，车道设 双向打开的高速栏杆，无人职守。封闭式收费环境下所有收费站都设立e t c 收费 车道。其采用的e t c 技术方案具有很高的安全性和车道通行能力，有完善的防密 钥扩散机制和电子标签发行流通体系，但车道系统投资和电子标签成本较高。 尽管国步f e t c 系统运行很成功，具有一定特色，但有些技术特点和运营方法 能否适合中国，需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。以车道部分 为例，有专用车道、混合车道两种模式，有收费员值班管理和无人值班管理两种 模式，有设高速栏杆和不设栏杆两种模式，有低速通行模式和高速通行模式。如 果e t c 运营模式不能很好地提供免停车快速通行服务、不能减少收费值班员，将 无法体现出明显的吸引力，推广应用的前景将无疑受到很大影响。 1 4 2 国内应用现状分析 e t c 最早引进我国是在上世纪9 0 年代中期。那时，我国部分经济发达地区的 高速公路车流量激增，导致了收费口交通堵塞、环境污染等一系列问题。据 i s o t c 2 0 4 中国委员会统计资料，当年仅广州地区停车等待交费损失的车时就达 数百万车小时，由此导致的汽油浪费以亿元计算。因此，部分经济发达省市开始 引进e t c 系统以解决人工收费方式的不足。1 9 9 6 年，广东省佛山市通达高技术实 业公司引进美国t i 公司的e t c 收费设备，开发了e 1 收费系统软件，在佛山、顺 德、南海等地建立t e t c 车道并投入使用。年底，北京首都高速公路发展有限公 司与美国a m t e c h 公司签订协议，在首都机场高速公路进行为期三个月的e t c 收费系统试验，该系统第二年投入试运行。2 0 0 2 年4 月8 日，天津市第一条公路自 动收费系统正式开通，4 月l g 日正式对外运营。此外，我国香港地区九十年代中 期以来在所有公路隧道口都安装了带有自动车辆识别技术的自动收费系统：我国 的台湾省也于1 9 9 8 年1 1 月1 5 日起在中山高速公路上推行高速公路电子收费系统。 为规范和促进电子不停车收费系统在国内的应用，交通部于1 9 9 8 年组织交通 部公路科学研究所等有关单位开展网络环境下不停车收费系统的研究，对有关接 口规范和技术指标给出了指导性意见，并在1 9 9 9 年组织北京、广东、江苏、四j i i 交通厅( 局) 开展示范工程建设。同时，也计划在更多的省、市开展推广工作， 以充分发挥网络不停车收费系统的优势。 但是总的来说，国内公路e t c ：e 作仍处于试验和探索阶段，个别路段正在进 行试点，大范围和大规模地推广e t c ，特别是联网运行的条件仍不具备。其主要 原因是： ( 1 ) 交通量的需求不迫切。 ( 2 ) 道路使用者的需求不迫切。 ( 3 ) 现有的收费设施，尤其是收费广场和收费车道不能满足或适应e t c 的 需要。 ( 4 ) 系统造价比较高，关键设备需要引进等。 基于上述理由，笔者认为，我国发展电子不停车收费技术，必须在充分借鉴 国外电子收费技术建设经验的基础上，从不停车收费系统的使用社会环境与人们 的意识等层次进行全面深入细致的研究。在我国区域经济发展不平衡的联网收费 新形势条件下，各地区、各路段必须根据本地的具体情况，特别是道路使用者的 要求，做好规划，逐步实施，切忌人云亦云，一哄而上。在以非接触式i c 卡为主 流通行介质的联网收费环境下，应设置e t c 专用车道，形成m t c 和e t c 相结合的 混合式收费模式不失为一种比较适合我国国情的做法。 1 5 本文研究内容 尽管，我国高速公路本身已经局部联网，但一些不适宜的机电系统和收费技 术已经制约了高速公路服务水平的提高。研究高速公路合理、有效、低成本收费 的有效手段和相关技术，对于降低高速公路运营成本、提高服务水平、解决高速 公路融资者、运营管理者、道路使用者、社会公众等诸多方面矛盾将具有重要意 义。本文就是基于这一目的，提出了一种新型的收费技术方案“两片式电子 标签+ 双界面c p u 卡”的组合式电子收费技术方案，该方案有机地结合了e t c 收 费技术和m t c 收费技术，有效解决了我国现阶段推行e t c 技术发展的难题。 本课题主要研究内容： l 、e t c 技术兴起的研究； 2 、国内外应用e t c 现状分析； 3 、组合式电子收费技术方案的分析： 4 、组合式电子收费系统关键技术与设备的研究； 5 、组合式电子收费系统的研究； 6 、组合式电子收费系统车道的设计； 7 、组合式电子收费系统车道流程分析： 8 、组合式电子收费系统d s r c 设备应用的研究； 9 、组合式电子收费标准化的分析。 1 6 本章小结 本章介绍了我国e t c 技术的兴起，e t c 技术的工作原理以及国内外应用e t c 技术的现状，分析了我国目前封闭式联网收费环境下推行e t c 技术存在的问题， 并针对该问题引出本课题的主要研究内容。 第二章组合式电子收费技术方案的提出 2 1组合式电子收费技术方案的提出 2 1 1国际上现行e t c 技术方案在我国面临的问题 国外目前除日本外，其他国家普遍采用的电子收费技术方案，大都是单片式 e t c ( 电子不停车收费) 系统。这对于以开放式收费为主，经济发达，e t c 车辆 的比率相对较高的应用环境来讲是非常适合的。但国外这种电子不停车收费系统 和人工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： ( 1 ) 投资大、周期长、风险高 采用单片式电子标签建立的e t c 系统必须自身构成一个完整的封闭式系 统，即在路网内所有的入口和出口都必须设置一条以上的e t c 专用收费车道， 即使是交通量小、车道数量少的收费站，这使得土建上既困难，利用率上又不经 济。造成e t c 系统规模庞大，一次性投资大，建设周期长，风险高。在联网收 费环境下该问题尤其突出。 ( 2 ) 支付方式单一 单片式电子标签只支持后台帐号扣款结算，不支持使用储值卡。由于该种结 _ 算方式存在透支的风险，一般只对信用度较高的用户推广使用，大大增加了电子 标签推广的难度。 ( 3 ) 运营管理复杂，系统可靠性差 由单片式电子标签构建的e t c 系统将独立于i c 卡人工半自动收费( 简称 m t c ) 系统，两个系统之间互不兼容，无法统一，使运营管理相当复杂。 ( 4 ) 维护要求高 由于没有m t c 收费车道作为e t c 车道的备份，如果某个收费站e t c 车道 出现故障，e t c 合法用户将无法从该站出去，这样必须保证e t c 车道时刻处于 正常运行的状态，增加了系统维护的难度，同时给收费站的运营工作也带来了许 多麻烦。 由此可见，单片式e t c 系统不符合国内高速公路封闭式联网收费新形势的 要求，车道系统的巨额改造成本也不适合中国国情，不利用e t c 技术在我国的 推广。 而日本的两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e t c 入，出口车道，即e t c 构成一个独立运行的封闭式网络，投资很高， e t c 电子标签及i c 卡发行模式复杂。 由此可以看出，国际上现有的e t c 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e t c 收 费应用，需要在方案上予以突破。必须结合国内公路的收费现状，充分利用现有 收费技术和收费设备，推动电子收费技术的发展。 2 1 2 组合式电子收费技术方案的提出 在我国联网收费的大背景下成功推行e t c 技术，必须考虑e t c 系统与已建 的m t c 系统之间的有机结合，选择一种兼容e t c 和m t c 的收费技术，本文针 对这一问题，提出了一种新型的联网电子收费技术“两片式电子标签+ 双 界面c p u 卡”的组合式电子收费系统技术方案。该方案摆脱了欧美和日本技术 方案的束缚，形成具有国际先进水平、融和停车和不停车收费系统的新技术，既 保护了现有投资又提高了系统的先进性，是适合我国国情的e t c 收费技术方案。 双界面c p u 卡是智能卡的一种，称之为双界面卡的原因是它有两个操作界 面，对卡内芯片的访问可以通过接触方式的触点，也可以通过相隔一定距离( 一 般在1 0 c m 内) ，以射频方式来访问芯片。卡片上只有一个芯片，两个接口，通 过接触界面和非接触界面都可以执行相同的操作。两个界面分别遵循两个不同的 标准，接触界面符合i s o i e c 7 8 1 6 ；非接触界面符合i s o , q e c l 4 4 4 3 。 电子标签按形态可分为单片式和两片式两种。 单片式电子标签在物理结构上是一个不可拆分的整体，既存储了车牌号、车 型等车辆物理参数，也记录了用户的消费帐号、帐户金额方面的信息。 两片式电子标签是带有i c 卡接口的读写型电子标签，由双界面c p u 卡和 电子标签两部分组成。与单片式所不同的就是多了一片可插拔的作为扩展存储器 使用的双界面c p u 卡，卡插在电子标签里面，其中电子标签主要作为车辆识别 卡和通信中继器使用，在电子标签中只记录车牌号、车型及车辆的物理参数，为 车道系统提供车辆识别信息；而账号、金额方面的信息则储存在双界面c p u 卡 内，电子标签与卡之间可以进行数据交换。e t c 车道天线可以借助车载电子标 签远距离快速读取c p u 卡中的数据信息，从而实现不停车通过收费站并完成收 费交易。对于交通量较小的一般收费站，允许司机从两片式电子标签中拨出双界 面c p u 卡，以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。 组合式收费技术方案，以目前高速公路广泛采用的非接触式i c 卡收费系统 作为基础，综合考虑了e t c 技术和m t c 技术的适用条件，将两项技术通过两片 式电子标签进行有机结合，采用高安全性的双界面c p u 卡作为电子支付手段， 完全兼容人工半自动收费和不停车电子收费，从而在高速公路联网收费以及区域 经济不平衡的条件下，以经济、有效的手段在部分有实际需求的收费站点实现电 子不停车收费，避免收费站的拥堵，提高服务水平。组合式收费技术方案的实施， 一方面，继续为公路用户提供熟悉的“入1 ：3 领卡、出1 2 1 交费”的持卡通行，现金 付费业务。另一方面，组合式收费技术方案利用e t c 技术解决收费站交通堵塞 问题，为用户提供安全便利的电子支付手段，实现区域内收费公路一卡通行。 2 2 组合式电子收费系统运行模式 2 2 1 组合式电子收费系统基本模型 一一一一一一一-缺一：，(：! 一-经过m t c 车道，停车将电子支付卡交给收费员，收费员刷卡 - 经过e t c 车道，不停车，通过专用短程通信自动完成卡读写 图2 1组合式电子收费系统的基本模型 组台式电子收费与。殷电子收赞的区别在习：所使用的通行介质不刷，其采用 “两片式电子标签+ 双赛面c p u 卡”作为通行介矮，此通行分质既能在e t c 车 遥使用，同时，双界磷c p u 卡可与电子标签完全分离，作为避行介质及预付卡 在人工半自动车道使用。总之，组台式电子收费系统是兼容了人工现金收赞、人 ： 支| 寸器牧费和电子不停车收费三拳申收费方式躲一种系统绕称。 2 2 2 缀合式电子收费系统支付方式 基予“嚣片式电予标签双爨蕊c p u 卡”豹缌台式电子收费鼓寒方寨掇供了 电子支付和现金支付两类支付方式。电子支付方式包括含储值卡( s t o r ev a l u e c a r d ，s v c ) 支付和记帐卡( i d e n t i t yc a r d ，i d c ) 支付两种。 露举方式约薅爨卡姆费( m t c + s v c ) 双界面c p u 卡作为储值卡，卡内以电子钱龟的形式记录金额，该卡片同时 作为通行介质。用户车辆通过车道时，把储值卡交给收费人员，收费人员进行刷 卡，系统叁魂撩豫卡羔金额，著捂箨车辆通过。熬个j 童程无簇壤金，弱产蠢去了 携带大激现金的麻烦，使用方便，也不用交额外的服务费。 不停车方式的储值卡付费( e t c + s v c ) 使用鼹器瑟c p u “器，热土一令两等式遣子豁签，矮户藏麓够在逶过e t c 车 道时，获得不停车方式的储值卡付赞服务。用户车辆通过车道时，把储值卡插在 电子标签中，系统通过无线链路与标签和卡片进行数据交换，读取卡上信息，自 动扫除卡上金额，葬拯舞车辆遥：蓬。车辆无震穆车，块速逶避e t c 车道，获缛 高效快捷的e t c 服务。 停车方式的记帐卡付费( m t c + m c ) 双羚嚣c p u 卡佟为记穰卡，卡内记录特定震户蓑塞，在嚣台，系统逶j 霆卡 号码与甩户的银行帐号关联起来，卡片同时作为通行介质使用。用户车辆通过车 道时，把记帐卡交给收费人员，收费人员进行刷卡，用户在路段上的消费被系统 自毯记交，俸秀事最翅镶嚣请求羲l 敖豹钕蕹，系绞霹对蠢驽车辆逶过。整个_ i 妻程 无须现愈，用户省去了携带大量现盒的麻烦，使用方便，也不用交额外的服务费。 不停车方式的讽帐卡付费( e t c + i d c ) 双莠蘸c p u 卡嚣为记襁卡，加上一个两冀式电子标签，溺户裁能够在遴过 e t c 车道时，获得不停车方式的记帐卡付费服务。用户车辆通过乍通时，把配 攥卡捶在电子标签中，系绞通过路截天线与电子蠡签遴牙逶最，鼹户番：路段上豹 消费被系统自动记录，作为事后向银行请求扣款的依据，同时，系统指挥车辆通 过。车辆无须停车，快速通过e t c 车道，获得高效快捷的e t c 服务。 箨车方式懿瑷金付荧( m t c + c a s t l ) 系统兼容以m i f a r ei 非接触逻辑加密卡作通行介质的普通l c 卡收费方式， 使尚未申请支付卡服务的用户，在m t c 车道继续使用所熟悉的“入v j 领卡、出 强交费”夔撩弱囊行、，瑗众挝费监务 致类交费方式黪车舞不熊双e t c 车遂邋 行) 。这样，不仅可以照顾用户传统使用习惯，还能最大程度保护已有车道系统 的投资。 2 3 组合式电子收费技术方案特色 组合式瞧予收费技术方寨是对我国藤速公路收费技术现状、嚣求和发展趋势 进行充分调研的基础上提如来的，是强前我国推广e t c 、解决收费站交通拥堵 落问题、提商高速公路的通行能力和服努水平的经济、有效的手段。浚方案创新 避运用裹安念性的双爨瑟c p u 卡作为魄予支付手段，逯遘两冀1 式瞧予标签，实 现了m t c 与e t c 技术的有机融合。 组合式收费技术方案具有以下特色： ( 1 ) 援赢了收费系缓豹效率 e t c 系统正常工作时冤需操作入员干预，e t c 率道的通行能力可达1 2 0 0 辆 4 , 时，可以有效缓解收费站的交通堵塞问题；由于避免了现金交易所带来的现 衾管理、零钞冬薅、假摹、错收、漏牧、贪污等阉题，使收费管璃成本降低。鼍 作效率大大提高。 ( 2 ) 系统冗余性好，运行稳定 当车遘与收费菇溺络无法正确连接辩，e t c 举避系统仍爵独立缍特正誊工 作。当e t c 车道出现异常时，e t c 用户可从m t c 牮道刷卡通行，确保收费站 的正常运彳亍。 ( 3 ) 蠢安全悭，德念金鼓交荔竣藏 系统使用的高安全性c p u 卡，通过了中国人民银行( p e o p l e sb a n ko f c h i n a ，p b o c ) 的金融交易安全认证，符合中国金融集成电路( i c ) 卡规范， 与中国人民银行金融安全交易标准相兼容。 ( 4 ) 兼容多种收费方式 系统使用“两片式电子标签+ 双界面c p u 卡”作为通行介质，使其具有完全 兼容e t c 和m t c 车道通行的能力，在同一路网内，可以实现多种收费方式进行 收费，包括：停车的现金收费、停车的记帐卡、储值# 收费和不停车的记帐卡、 储值卡收费。 ( 5 ) 实现一卡通行，提高了资金结算效率 系统集中了e t c 和m t c 技术的优点，最大限度地利用系统资源，真正实现 “一卡通行”。电子支付方式可以避免人工现金收费的弊端，也加快了资金结算 效率。储值仁支付避免了透支弊病，降低系统运营成本和风险。记帐卡支付则是 对有信用的单位和个人提供的先消费后付款的优质业务。 ( 6 ) 系统实施易行，可扩展性好，适用于多种收费制式 由于采用了与当今普遍采用的l c 卡人工半自动收费系统相兼容的双界面 c p u 卡，大多数厂商的i c 卡机具能支持其读写，系统实施起来简单易行。e t c 车道可以根据车流量需要灵活进行扩展：既适用于封闭式收费制式，又适用于开 放式收费制式，满足不同用户的多种需求。 2 ( 7 ) 降低了e t c 推广难度 组合式收费系统可允许只在车流量大的收费站实施e t c 车道，提高收费的 通行速度；在车流量较小的收费站上，则可只支持停车的支付卡付费和现金付费。 因此，e t c 车道数量多少和是否设置可根据需求进行，使实施e t c 的成本大大 减少，e t c 的推广难度大大降低。 2 4 本章小结 本章分析了国际上现行e t c 技术方案在我国面临的问题，提出了一种组合式 电子收费技术方案，将e t c 收费系统和m t c 收费系统有机地结合起来，用户使用 一张双界面c p u 卡和两片式电子标签即可在高速公路的出入口随意选择通过 m r i c 车道或e t c 车道，在路嘲内以经济、有效的手段实现准确收费、疏导交通、 提高服务等综合目标。 第三章组合式电子收赘技术方案研究 3 1组合式电子收费技术方案概述 组合式电子收费技术就是以现在高速公路普遍采用的非接触式i c 卡收费系 统为基础，采用双界面c p u 卡作为非现金支付卡，结合以两片式电子标签为车 载机的微波通讯技术，存同一个公路收费系统中实现现金收费、非现金收费及电 子不停车收费的技术。采用组合式收费技术的高速公路收费系统，既保留传统人 工半自动收费入口领卡、出口缴费的基本特征，采用非接触i c 卡为通行介质实 现现金收费；同时又以双界面c p u 卡作为该系统的非现金的支付卡，持该卡的 用户在高速公路入口将卡交给收费员刷卡写入入口信息，在出口交给收费员刷 卡，金额直接从该卡中扣除；另外在有需要的地方收费系统设置电子不停车收费 车道，持双界面c p u 卡的用户将卡片插入车载电子标签即可不停车通过收费站， 收费过程自动完成。使用“两片式电子标签+ 双界面c p i j 卡”的组合式收费技术 方案，在流量较大的收费站建立专用的e t c 收费车道，其他车道仍使用原来的 人工收费m t c 车道，便很好地解决了e t c 系统与已有m t c 系统互不兼容的问 题。当e t c 收费系统故障时，可以使用m t c 车道，巧妙地解决了备用车道的问 题，降低了投资成本，很好解决了投资成本和效益之间的矛盾，提高了服务水平， 该系统兼容人工现金收费、人工支付卡收费和电子不停车收费的组合式收费系 统，其经济效益显著。组合式电子收费系统方案的创新思路，充分考虑了电子不 停车收费方式和i c 卡人工半自动收费方式的适用条件，做到了e t c 车道系统的 按需设置，大大地降低了联网收费环境下电予收费系统建设的投资风险，有力地 保护了道路运营者和用户的利益。 组合式电子收费技术方案提供的服务功能如下： ( 1 ) 组合式电子收费技术方案以目前广泛采用非接触逻辑加密( m i f a r e i ) 卡作通行介质的成熟技术方案为基础，继续保持为公路用户提供熟悉的“入口领 卡、出口交费”的持卡通行现金付费业务，保护已有车道系统投资。 ( 2 ) 组合式电子收费技术方案利用双界面c p u 卡提供高度安全的规范化 预付卡业务。普通中低收入消费者购买非常便宜的预付卡就可以实现在区域内收 费公路的一卡通行，省去了携带大量现金的麻烦，也不用交额外的服务费。更重 要的是，这种卡的安全性能得到银行方面的认可，易于与银行进行密切合作。预 付卡究竟是作为记帐卡使用或是作为储值卡使用可根据实际需求进行系统设计。 本系统建议作为储值卡使用，因为在收费车道进行支付免去了存在帐户透支风险 等弊病，系统运营管理成本和风险可降低。( m i f a r ei 卡安全性不足，只适合作记 帐卡使用) 。 ( 3 ) 组合式电子收费技术方案利用两片式电子标签提供安全、便捷的免停 车电子交费业务。在一定意义上，双界面c p u 卡作为两片式电子标签的扩展存 储器使用，实际上，此时的双界面c p u 卡仍是一张带有完整支付能力的预付卡。 车载电子标签在一定程度上主要作为车型标识卡和通信中继器使用。车载电子标 签也必须在与双界面c p u 卡进行安全认证的基础上才能进行电子交易。 ( 4 ) 组合式电子收费技术方案采用主，被动通信方式兼容的e t c 车道天线 系统构建路侧系统，从而保证被动式电子标签和主动式电子标签均可在系统中使 用。目前欧洲主要采用被动式通信技术，电子标签成本低，可以满足目前的收费 业务，日本主要采用主动式通信技术，电子标签成本高，可靠性非常好，适于未 来开展i t s 领域的其它综合服务。这两种通信方式均已被国际电信联盟( i t u ) 认可和采纳，是得到普遍认可的国际专用短程通信标准。因此组合式电子收费技 术方案在兼顾先进性和实用性的基础上很好地保证了技术的延续性。 ( 5 ) 组合式电子收费技术方案能让公路营运单位为公路用户提供灵活的支 付方式：现金付费和预付卡付费。该方案兼容公路运营单位以前发售的非接触逻 辑加密卡( m i f a r ei 卡) ，同时，面向电子付费用户发售双界面c p u 卡( m i f a r ep r o 卡) ，电子付费用户可以根据实际需求，选择价格中等的被动式电子标签或价格 较高的主动式电子标签。 3 2 组合式电子收费技术总体方案 采用双界面c p u 卡和两片式电子标签作联网收费系统的预付卡介质。 符合i s o 、c e n 等国际标准的e t c 路侧读写天线及控制系统。 采用支持1 s o7 8 1 6 、i s o1 4 4 4 3 协议的专用i c 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 子收费的功能特点为，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e t c 专用车道的收费站，用户可将双界面c p u 卡插 入两片式电子标签，以不停车方式通过e t c 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，用户可采用双界面 c p u 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e t c 专用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，实现不停车方 式通过e t c 专用车道。 3 3 组合式电子收费关键技术和设备 3 3 1 非接触逻辑加密卡( m i f a r ei 卡) 非接触逻辑加密卡内的集成电路包括加密逻辑电路和可编程只读存储器 e e p r o m ，加密逻辑电路在一定程度上保护着卡和卡中数据的安全。卡片与读写 机具之间的通信操作通过射频方式进行。 目前国内公路收费使用的非接触逻辑加密卡均为m i f a r ei 工业标准，其读写 设备在国内许多单位已有成熟技术，便于管理和维护。该认证过程相对简单，读 写操作过程速度快，一般在1 0 0 m s 内可完成6 个扇区的读写，适宜作通行介质 使用，并且己在公路收费实践中得到使用。 3 3 2 双