基于多车道自由流的拥堵收费系统技术方案

1、 基于多车道自由流的拥堵收费系统技术方案目 录第1章引言41.1目的41.2范围41.3定义41.4参考资料4第2章项目概述52.1项目背景52.2系统简介5第3章项目需求73.1北京拥堵收费需求分析73.2雅加达拥堵收费需求分析7第4章技术指标8第5章方案设计95.1方案设计概述95.2交易流程设计95.3RSU分系统设计10RSU硬件方案设计11总体架构11发射单元12接收单元13收发天线级联方式13主控机设计14天线设计15RSU软件方案设计16天线端软件结构17主控机端软件结构19PC端模拟车道软件结构195.4OBU分系统设计20OBU硬件方案设计20OBU固件方案设计205.5关键

2、技术解决方案20并发处理机制20OBU微波定位21第6章风险预期24第7章开发计划25第1章 引言1.1 目的本文档用于说明多车道自由流（MLLF）系统的总体架构、方案设计、关键技术分析、开发风险与开发计划。1.2 范围ITS自由流项目的主要设计人员、测试人员、产品管理人员。1.3 定义多车道自由流（MLFF）：多车道自由流（Multi Lane Free Flow）是电子不停车收费的一种方式，它与传统ETC系统的区别是不划分车道，不使用栏杆。车辆直接通过而无需减速，可以任意并线行驶。并发处理机制：指一个RSU能够同时与多个OBU进行交易通信。1.4 参考资料1) 电子收费 专用短程通信1 物

3、理层；2) 电子收费 专用短程通信2 数据链路层；3) 电子收费 专用短程通信3 应用层；4) 电子收费 专用短程通信4 设备应用5) 电子收费 专用短程通信5 参数测试6) 电子收费 专用短程通信6 车道接口7) 武汉市城市路桥ETC收费技术规范-自由流电子收费 专用短程通信 第1部分第6部分第2章 项目概述2.1 项目背景ETC（电子不停车收费）系统的出现，改变了传统人工收费的方式，使得车辆在通过高速公路、桥梁或隧道的收费站时，无需停车即可完成缴费的过程，大大提高了道路的利用率，提高了车辆的通行速度，降低了交通拥堵，在一定程度上减少了碳排放。同时也减少了收费站的人工需求，降低了收费车道的运

4、营成本。不停车的收费方式被越来越多的国家和城市所采用。随着经济的发展，城市车辆的快速增长导致的交通拥挤问题越来越严重。传统ETC采用单车道设置，一车一杆，车辆通行速度很难超过40km/h，且车道设备占用路面面积较大，不适于隧道、桥梁或宽度有限的收费路口。而多车道自由流的收费方式不设置车道栏杆，多车道之间没有隔离，使得车辆通行速度进一步提高，收费站不再是道路拥堵的关卡。同时也降低了车道基础建设的成本和占用路面的面积，这尤其对路桥收费和隧道收费至关重要。另外，一些城市拥堵严重的国家，也采取多车道自由流的收费方式，实行拥堵收费，依照时间段对进入拥堵路段的车辆进行浮动收费，限制车辆数量，缓解拥堵状况。

5、多车道自由流的收费方式已经受到许多国家和城市的关注，是未来智能交通领域的一个重要发展方向。2.2 系统简介多车道自由流系统组成框图如图2-1所示，图2-1多车道自由流系统组成框图多车道自由流系统主要由以下几部分组成：车载电子标签（OBU）、电子标签读写天线（RSU）、车辆检测与车型定位、图像抓拍与车牌识别、车道协调系统和结算后台。安装OBU的车辆通过自由流收费站时，整个系统工作过程如下：l 车型识别：车辆通过龙门架前，车辆检测与车型识别系统采用激光光栅扫描，获得通过的车辆在外形尺寸，判断车型，做为缴费金额的依据；l 微波定位：通过接收OBU发射的射频信号，对OBU进行定位，配合车型识别功能一起

6、，判断OBU上登记的车型与实际车型是否一致，若不一致则在后台记录，做违规处理；l 标签读写：车辆进入RSU天线覆盖区域内，OBU被激活，开始与RSU进行认证通信。通常情况下，RSU在确认OBU合法后，记录该OBU的MAC号，做为缴费的依据，在后台系统中完成扣费，同时生成交易流水号；l 图像抓拍：在进行通信交易的同时，图像抓拍系统抓拍车辆照片，并对图像进行车牌识别。抓拍图像同时也自动生成流水号（规则与交易流水号相同），与交易流水号匹配，自动转入保存；不能与交易流水号对应的图像，判定为违规车辆，做为费用追讨的依据。第3章 项目需求多车道自由流项目需求主要来自北京市内拥堵收费和印尼首都雅加达自由流项

7、目。3.1 北京拥堵收费需求分析北京计划于2011年7月开通多车道自由流收费系统，主要用于城市拥堵收费。目前国内首个采用自由流系统的城市是武汉，技术较为成熟，且已有多个ETC厂家参与测试和投标。北京的自由流标准目前还未最终确立，但应该接近武汉的标准。基于北京的ETC现状，未来北京的自由流系统应有以下需求：l 交易流程采用记账方式，不做实时扣款消费；l 设备物理层指标基本与国标相同；l 市内道路主要以34车道为主；l 通行速度最大为120km/h；l 标签设别率大于99%；l 双片式OBU，兼容现有高速ETC系统；第4章 技术指标根据以上需求分析，对自由流系统技术指标要求如下： a) RSU与单

8、个OBU完成相互认证的时间3050ms，保证通过车速大于120km/h；b) RSU能并发处理多个OBU，应对通信区域内同时存在多个OBU的情况，减少与多个OBU完成交易的总时间；c) RSU系统定时精度达到100us量级，满足时间窗和重发的要求；d) RSU对OBU的定位误差±50cm（取决于使用RSU天线的数量，与图像抓拍和后台的处理能力有关）；e) RSU覆盖车道纵向78m，车道与车道之间无信号盲区；f) RSU能够脱机工作，存储5万条交易记录；g) RSU支持LAN和RS232接口；h) 双片式OBU，支持自由流模式和普通高速ETC模式；i) OBU系统定时精度达到10us量

9、级，满足时间窗要求；j) OBU支持软ESAM或高速ESAM。第5章 方案设计5.1 方案设计概述自由流系统与传统ETC的主要区别较大，对系统提出了更高的要求，其关键技术可以概括为以下几点：快速交易流程：简化交易流程，在满足交易安全可靠的情况下，尽量减少RSU与OBU之间的数据交互，优化各模块的处理速度和模块间数据传输时间，使单个OBU完成交易的时间控制在20ms30ms。并发处理机制：单个RSU天线能够同时与多个OBU进行通信交易，充分利用时间片，采用多任务、多线程的处理方式，减少RSU和OBU的等待时间。多天线同步协调：多天线覆盖多条车道，避免相邻天线间信号互相干扰，将多个天线进行同步，由

10、一个控制中心来协调各天线的开关时隙，消除邻道干扰。OBU微波定位：通过接收OBU发射的微波信号，对OBU进行定位，确定OBU在通信区域中的物理位置，与车辆位置跟踪等系统配合完成违章车辆的稽查。解决这些关键技术，需要从交易流程设计、RSU分系统设计和OBU分系统设计三方面进行考虑， 以下为具体设计方案。5.2 交易流程设计自由流系统对交易时间要求较高，单个OBU的交易时间控制在3050ms，因此不能沿用目前国标采用的电子钱包交易方式，以武汉自由流系统采用交易流程为例（表5-1）：表5-1武汉自由流系统交易流程序号通信方向通信帧功能1RSU->OBUBST跟随5个接收时间窗，搜索OBU2OB

11、U->RSUPrWQOBU申请专用链路3RSU->OBUPrWARSU分配专用链路4OBU->RSUVSTOBU发送车辆信息，OBU状态信息，随机数等5RSU->PCUDP事件报告1报告OBU的MAC，车辆信息，OBU状态6RSU->OBU写入ESAM数据，发送访问许可，用于信息鉴别的随机数等7OBU->RSUOBU快速应答通知RSU等待OBU处理8RSU->OBURSU取响应RSU取的响应9OBU->RSUOBU返回OBU终端流水号，TAC，信息鉴别码等并完成OBU对RSU的认证10RSU->OBUEVENT-REPORT完成RSU对OB

12、U的认证并且释放链路11RSU->PCTCP上传交易记录信息RSU上传交易记录信息12PC->RSUPC应答RSU车道控制器对RSU的应答武汉自由流流程与国标流程区别很大，能够大大降低交易时间。主要有以下几方面；l 国标ETC交易流程每帧都需要与车道控制器的交互，而武汉自由流在交易中只有一帧与车道控制器通信，且采取了UDP方式，无需应答，这样武汉自由流在交易中减少了与车道控制器的通信，必然在整体交易时间会减少很多；l 武汉自由流系统不采用电子钱包的扣费方式，使用单片式OBU，在整个交易过程中，没有IC卡操作，降低处理时间；根据北京提供的多车道自由流规范（草稿），未来北京自由流系统也

13、将采用类似的交易流程。本方案将依据此交易流程来编写RSU和OBU的交易软件。5.3 RSU分系统设计RSU分系统主要完成的功能是实现与通过自由流收费站的OBU快速交易，并向车道协调模块提供OBU的定位信息。下面从硬件和固件两方面介绍方案设计思想。5.3.1 RSU硬件方案设计5.3.1.1 总体架构图5-1RSU分系统硬件架构如图5-1所示，整个RSU分系统包括一个主控机、一个发射单元和多个接收单元（接收单元的数量与车道数目和系统要求的定位精度有关）。接收单元和发射单元安装在车道龙门架上的天线端，主控机放置在路侧机柜内。l 发射单元是整个分系统的核心，其功能是将交易数据经过特定的编码后，调制到

14、微波发射出去。交易流程的链路层和应用层也在该单元内部，确保系统的实时性；l 接收单元的功能是接收来自OBU的微波信号，对接收信号解调、解码和数据解析，将有用的数据信息发送给发射单元；此外，接收天线还担负着对OBU进行微波定位的功能；l 主控机是相对独立的单元，它的功能是联接天线端和车道协调设备，并为天线端供电；另外，一些实时性要求不高的任务交由主控机来完成，例如查询车辆黑名单、更新车辆黑名单等。发射单元是天线端的控制核心，它通过总线与所有的接收单元相连，并且可以方便的扩展接收单元的数量；当接收单元接收到信号并正确解析后，向SPI总线上发送中断信号，发射单元检测到SPI总线上出现中断信号，立即查

15、询所有接收单元的数据缓存区，获得接收数据。只有在对OBU定位时，需要获取每一个接收单元的数据，其它时候，获取第一个接收数据后，直接转入下一交易流程，从而减小了数据查询的时间。发射单元与主控机之间通过RS485连接，满足远距离交易数据的传输；主控机提供RS232串口和LAN接口与车道协调设备通信。5.3.1.2 发射单元图5-2发射单元组成框图如图5-2所示，发射单元主要由微波发射模块、MCU和PSAM控制器组成。微波发射模块的功能是将需要发送的交易数据调制到载波上，通过微波天线发送给OBU；MCU是发射单元的运算处理中心，它担负的任务有很多：交易流程的物理层、链路层和应用层数据组织，通过高速4

16、85总线获取多个接收单元的接收数据信息，对OBU微波定位计算，PSAM卡的读写，与主控机间的数据交互接口，以及预留备用接口（满足普通ETC条件下与车道PC间的串口连接）。PSAM卡控制器有2个，内置在天线端的PSAM卡槽可以实现高速通信，降低自由流的交易时间。5.3.1.3 接收单元图5-3接收单元组成框图如图5-3所示，接收单元结构简单，主要由微波接收模块和MCU组成。微波接收模块的功能是接收来自OBU的微波信号，解调后送往MCU处理。MCU做为接收单元的核心，其功能是对解调的信号进行解码和数据解析，提取有用信息上传给发射单元的处理核心。5.3.1.4 收发天线级联方式图5-4收发天线级联方

17、式系统电源从主控机直接供给Tx端，供电电压为24V。该24V电源不经任何转换，直接在TX内部分线，分别供给相邻的RX端，通过相邻的RX内部分线，再供给下一个RX。收发天线之间数据传输通过RS485总线，当TX发射完毕，等待固定的时间（该时间包括OBU响应时间，RSU接收处理时间；其中OBU的响应时间是标准规定的，RSU处理时间可以大概估算出来），TX主控端主动访问每一个RX端数据缓存区。中断信号线为多个RX端复用，当RX接收到信号并处理完毕后，会发送中断信号，TX检测到中断后，立即开始访问RX端数据。所有RX端接收数据的时刻都是相同的，因此当有一个RX发出中断信号后，表明所有RX端都能在极短的

18、时间内（该时间与各接收模块的处理时间差异有关）将接收数据放入缓存区。该设计为冗余设计，可以不启用。图5-5收发天线线缆连接示意图TX与RX之间线缆连接如图5-5所示5.3.1.5 主控机设计图5-6主控机组成框图主控机主要由ARM处理器、PSAM读卡器和AC/DC电源构成（如图5-6所示）。ARM处理器是控制核心，它主要负责天线端与车道协调设备间的数据传输接口；同时，ARM还担负着一些实时性要求不高的任务，如从后台接收更新的黑名单，交易中查询黑名单信息，脱机工作时将交易记录保存在SD卡中等。PSAM读卡器内部含有MCU，直接引用现有的读卡器模块，由于技术成熟，可以减少开发成本，也避免在ARM上

19、开发读卡驱动带来开发风险。AC/DC电源将220V交流电转换成24V直流电供给各个单元。RSU分系统包含的单元数量较多，对该电源模块的输出功率有一定要求（大于70W）。5.3.1.6 天线设计RSU分系统采用单发多收的配置方式，即一个发射单元，多个接收单元。发射天线覆盖整个同向车道，单个接收天线覆盖区域较小，多个接收天线覆盖区域组合成接条带状横向贯穿车道，如图5-4所示。图5-7RSU收发天线覆盖区域以普通3车道为例，单个车道宽度约为3.5m，整个车道宽度约10.5m。车道上通信区域主要由发射天线和接收天线的波束特性决定。国内武汉、北京自由流系统对通信区域的要求与国外（主要是CSE）的要求有所

20、不同。从图5-7可以看出，发射天线波束覆盖范围略大于接收天线的波束覆盖范围，通信区域由接收天线的波束覆盖范围决定。单个接收天线的主瓣覆盖区域在车道横向上覆盖宽度相当于一条车道，多个接收天线重叠覆盖，保证横向交易区域的连续性；接收天线主瓣在车道纵向的覆盖范围因应用不同而有不同需求。a) 国内自由流对通信区域的要求在车道横向上，要求通信区域覆盖整个车道，车道之间没有盲区，辐射到逆向车道和辅路内信号功率尽量低。发射天线波束的水平角度约为90°，旁瓣电平抑制15dB以上。接收天线波束的水平角度约为30°在车道纵向上，要求通信区域覆盖范围在710m，原则上尽量避免同时有2辆车同时处于

21、通信区域内。但实际上各厂家为提高交易可靠性，往往把通信区域扩大，最大能够达到20m；通信区域的起始点不做要求，通常从龙门架正下方开始到最远处。接收天线与发射天线波束的垂直角度约为50°，旁瓣电平基本不做要求。b) 国外自由流对通信区域的要求在车道横向上，通信区域的要求与国内相同；在车道纵向上，要求通信区域覆盖范围小于3m，严格避免前后2两车同时处于一个通信区域，可以为车道协调设备提供更精确的OBU定位信息（纵向位置信息）。通信区域的起始点要求目前不详，天线沿用微带阵列的设计形式，通过合理选择阵元数目、组阵类型和馈电方式，设计合适的微带阵列天线。该方案存在以下优缺点：优点：l 整个系统

22、只有一个发射天线，不存在邻道干扰的问题；l 整个系统只有一个发射天线，不需要协调多个发射天线之间的信号冲突问题；l 系统硬件成本较低；缺点：l 当车道数目不同时，对系统的发射天线要求不一样，需要重新设计发射天线或增加发射单元；l 整个系统断面在同一时刻只能处理一个OBU，系统瞬时交易容量有限；l 一旦发射模块出现故障，整体系统失效。5.3.2 RSU软件方案设计RSU软件包含三部分，分别为：天线端固件、主控机固件和模拟车道软件。l 天线端固件主要是MCU程序，主要功能是交易流程，系统配置，数据接口，以及部分计算和控制程序；l 主控机固件主要是ARM的Linux系统程序，主要功能是各种状态表的更

23、新、查询，以及接口数据的传递；l 模拟车道软件是为配合自由流系统测试而编写的模拟测试软件，配合RSU和OBU完成自由流交易的功能。5.3.2.1 主控机端软件结构5.3.2.2 PC端模拟车道软件结构5.4 OBU分系统设计5.4.1 OBU硬件方案设计5.4.2 OBU固件方案设计5.5 关键技术解决方案5.5.1 并发处理机制在大车流量通过自由流车道的情况下，RSU按照原有的处理方式顺序与OBU交易，已经不能满足多车高速通行的要求。需要充分利用RSU与OBU通行的时间片，RSU在等待单个OBU返回响应的时间间隙，仍能与其它OBU进行交易通信，实现一个RSU同时与多个OBU进行交易的功能。具体如下：从上图可以看出，以武汉自由流协议为例，RSU与单个OBU交易时，存在很多空余时间片，例如RSU在发送SetSecure后，OBU不能立刻返回响应帧，需要等待一段时间。采用并发处