張棟威， 傅 達， 王紹臣

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

不停車快捷收費(ETC)技術是通過安裝在車輛上的車載單元(OBU)與安裝在收費站車道上的收費天線(RSU)之間進行無線通信，讀取通行車輛信息，實現不停車快捷收費。其中核心的車輛識別系統由車載單元、路側單元和感應器等組成。

對于入/出口收費站，其運行流程是：當車輛進入收費站車道時，感應器(紅外車型分類器、地感線圈或光纖光柵等)感知到車輛，路側單元發(fā)出信號訪問車載單元，獲取車載單元中存儲的車輛信息(如車輛型號、車輛號牌等)，通過后臺收費系統進行判斷與處理，識別車輛是否允許通行，對車輛ETC進行計費、扣費，在確認車輛信息無誤允許通行后，發(fā)出信號控制欄桿機等設備，對車輛進行放行。

1 ETC車道鄰道干擾產生原因

1.1 ETC車道鄰道干擾

ETC車道鄰道干擾現象是傳統ETC系統中經常出現的一個問題。當收費站多個車道同時有車輛進入時，某車道RSU未能與本車道進入車輛的OBU進行數據交互，而是與相鄰車道進入車輛的OBU建立通信鏈路，這樣本車道RSU就會與相鄰車道OBU完成交易流程，導致扣費出現錯誤，本車道進入車輛未付款直接通行，相鄰車道進入車輛付款后卻無法通行，對駕駛人員的權益造成侵害。鄰道干擾形成示意如圖1所示。

圖1 ETC車道鄰道干擾示意圖

收費站ETC車道鄰道干擾可能會出現以下幾種情況： ①在雙向車道中，OBU在入口車道完成寫入口信息后，接著與出口車道RSU交易，造成誤扣費現象，并造成該OBU到達下一個出口時無入口信息；②在雙向車道中，OBU在出口車道完成交易后，接著與入口車道RSU交易，造成入口車道誤報警或誤抬桿等現象； ③在同向出口車道中，OBU先與本車道RSU完成交易，接著又與旁邊車道的RSU交易，可能會因為無入口信息而被懲罰性扣款；④在同向出口車道中，OBU先與其它車道RSU完成交易，造成其它車道誤放行而使通行費流失，同時導致被誤放行的OBU到達下一出口時無入口信息，而本車道則不會進行抬桿放行。

1.2 ETC車道鄰道干擾成因

收費站ETC車道產生鄰道干擾的原因有工程實施問題和設備配置問題2種。

1.2.1工程實施問題

1.2.1.1 設備安裝問題

在實際施工過程中，會因為施工人員操作誤差，導致安裝不當，從而出現鄰道干擾問題。① 若RSU安裝未正對車道中央，其覆蓋區(qū)域會出現偏左或偏右現象，同時相鄰車道之間的隔離帶不夠寬或未設置隔離帶，則將造成RSU下行信號覆蓋到相鄰車道，即天線可能與其他車道的OBU進行通信；② 若RSU安裝高度過高或安裝角度過大，其覆蓋區(qū)域將增大，造成RSU下行信號覆蓋到相鄰車道；③ 若RSU安裝高度過低或安裝角度過小(極端情況與地面平行)，造成RSU天線副瓣信號在相鄰車道的強度增強，導致出現旁道干擾現象。

1.2.1.2 車道設計問題

車道的不合理設計也是導致鄰道干擾發(fā)生的原因之一。① ETC車道不應設置在上坡、下拐彎等場地，如果必須在這些場地中安裝使用，須根據具體情況合理設計，確保覆蓋區(qū)域合理設置，否則會因為覆蓋區(qū)域無法完全適配車道地形而發(fā)生鄰道干擾；② 若在車道天線的前面或側面存在面積比較大的金屬面等反射體，會使天線的副瓣信號反射到其他車道上，干擾其他車道的正常工作。

1.2.2設備配置問題

1.2.2.1 RSU設備配置問題

RSU設備配置問題主要是天線方向圖設計問題和信道、發(fā)射功率設置問題。① 在天線方向圖中，主瓣波束是覆蓋車道的關鍵波束，若主瓣波束太寬，超過了整個收費車道的寬度，同時車道中間的隔離段距離也不夠寬，就會造成鄰道干擾；② 在天線方向圖中，副瓣波束是不作為信號讀取的非關鍵波束，若未能較好地抑制副瓣波束，信號過強覆蓋到相鄰車道中，就會造成鄰道干擾[1]；③ 高速收費站基本都是多車道并行的設計結構，若兩個相鄰車道的RSU工作信道相同，則會出現同頻干擾；④ 部分操作人員為了更進一步提高RSU讀取準確率，會增大RSU的發(fā)射功率，但RSU的覆蓋區(qū)域通常會隨著發(fā)射功率增大而增大，若發(fā)射功率過大，將導致覆蓋區(qū)域超出車道范圍，從而影響到相鄰車道，導致鄰道干擾。但發(fā)射功率過小也不可行，會導致覆蓋區(qū)域過小，無法達到通信要求。

1.2.2.2 OBU設備配置問題

若OBU發(fā)射功率過高，其發(fā)射信號則可能被相鄰車道RSU接收到，從而導致出現鄰道干擾。

2 ETC車道鄰道干擾解決方案

對于以上提及到的各種鄰道干擾成因，主要有3種解決方案。

2.1 優(yōu)化完善工程實施

優(yōu)化完善現場的施工是重要也是首要的解決措施，具體對策方法如下：

1) RSU設備安裝時，應確保設備按照規(guī)定安裝在6～6.5 m的高度，位置精確處于車道的正中位置，天線的設置角度也應嚴格按照規(guī)范要求，不能太高也不能太低。且高速路段天氣情況復雜，RSU設備有可能由于刮風下雨等情況出現位置偏移，若某收費站出現鄰道干擾頻率較高，應定期對RSU設備安裝狀態(tài)進行檢查。

2) RSU設備安裝時，應盡量避開面積較大的反射物體，比如大面積金屬板。在條件允許的隔離帶設置信號吸收板或隔離板，避免信號過強傳播到相鄰車道，ETC收費車道隔離帶吸收板布置方式如圖2所示。

圖2 隔離帶吸收板示意圖

3) 根據規(guī)范文件要求，在滿足ETC車道覆蓋區(qū)域要求下，合理設計天線方向圖，確保主瓣波束和副瓣波束配置合理，不影響相鄰車道。

4) 相鄰車道的RSU設備應設置不同信道，防止由于信道相同而產生的同頻干擾。

5) 應按照實際需求合理設置RSU設備發(fā)射功率，不能一味追求識別率而盡可能增大天線發(fā)射功率，在滿足規(guī)范要求識別率的情況下適當調整發(fā)射功率，使覆蓋區(qū)域保持在車道內。

6) 采用RSU天線在前、車牌識別設備在后的布置方式，當RSU天線完成了車輛OBU的通信，就會進行抬桿放行，車牌識別設備所獲取的車輛信息僅作為后期執(zhí)法驗證依據。可以考慮將RSU設備與車牌識別設備進行聯動使用，通過軟件層面匯聚處理，在RSU設備與OBU設備進行通信后，車牌識別相機對已通信的車輛進行抓拍與車牌識別，并通過軟件將兩設備獲取到的信息進行對比，若信息能夠匹配，則繼續(xù)進行交易流程，若信息不能匹配，則在軟件端觸發(fā)報警，停止此次交易并交由現場人員繼續(xù)進行[2]。但此方案對RSU設備和車牌識別設備的識別速率和準確率要求極高，若硬件要求無法達到會導致車輛堵塞。

2.2 使用相控陣天線進行數據交互

相控陣天線指的是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向，以達到波束掃描目的。

相控陣天線定位的主要工作原理是通過控制天線信號的相位，增強指定區(qū)域中的信號強度，減弱非指定區(qū)域中的信號強度，對覆蓋區(qū)域中的OBU進行定位與交易，非覆蓋區(qū)域中的OBU則不予交易，避免本車道天線與相鄰車道OBU進行交易，從而避免鄰道干擾。

相控陣天線功能實現主要分為信號調制、信號編解碼、信號分配、信號疊加幾個部分，詳細運行原理如圖3所示。其中負責信號調制與信號編解碼的設備稱為射頻收發(fā)機，負責信號分配的設備稱為功分器，負責信號疊加的設備稱為移項單元和移項控制模塊[3]。

圖3 相控陣天線運行原理圖

在收費站實際運用情景下，相控陣天線可以適應車道的實際情況，按需將覆蓋區(qū)域設置為矩形、圓形、梯形或不規(guī)則形狀，對識別到的OBU進行定位，判斷其是否處于本車道交易區(qū)域內，并準確辨別相鄰車道中的車輛，以此作為交易與否的依據。其實際運行情況如圖4所示，矩形通信區(qū)域為系統設定的交易覆蓋區(qū)域，在這個情況下，即使RSU設備同時接收到了2個不同OBU的信號，但由于其中的OBU2不處于交易覆蓋區(qū)域內，故RSU設備不會與其進行后續(xù)交易，只會與處于交易覆蓋區(qū)域內的OBU1進行交易。

圖4 相控陣天線運行情況示意圖

與此同時，相控陣天線具有同步功能，由主控制器產生同步信號，從備控制器接收主控制器的同步信號，天線檢測到同步信號的時候，才發(fā)送BST，OBU只能在同一時刻解調一個信號，當多天線發(fā)送BST的時候，OBU會自動濾掉弱的信號，解調強的信號。

相控陣天線控制器還能實現組網共享功能，可將所有的天線控制器接入同一個局域網，其中主控制器為核心，所有RSU設備接收到的數據會首先在局域網中共享并互相查詢，若其所訪問的OBU之前已被其他RSU訪問并完成交易，則在一段時間內不會再次與其進行交易，以避免多次交易同一個OBU而導致的扣費錯誤。

與傳統RSU天線方案相比，相控陣天線方案更加全面優(yōu)秀，其性能對比如表1所示。

表1 相控陣天線方案與傳統天線方案對比項目相控陣天線方案傳統天線方案交易區(qū)域15 m范圍內可任意調整15 m范圍內可調整范圍較小通行速度≤70 km/h≤40 km/h交易成功率交易成功率高交易成功率一般鄰道干擾具備OBU定位能力,能有效避免鄰道干擾無OBU定位能力,無法有效避免鄰道干擾

2.3 使用毫米波定位雷達進行數據交互

毫米波雷達是指工作波段在毫米波頻域的雷達，其具有穿透力強、抗干擾能力強、空間分辨率高的特點，常用于需要進行近距離高精度空間定位的場景。在收費站ETC車道應用場景中，毫米波雷達能夠有效分離前后跟車，精準判斷車輛類型，提高RSU設備識別準確率。

針對收費站ETC車道鄰道干擾問題，可以通過定制毫米波雷達與RSU設備、車牌識別設備相結合的方式。當車輛進入RSU設備識別范圍時，RSU設備會將讀取到的車輛OBU信息傳輸至系統后臺，與車牌識別相機所獲取的車輛數據進行對比，同時毫米波雷達會對目標車輛進行精確定位，獲取車輛的空間坐標信息和車型信息，若各項信息均符合，則會繼續(xù)交易流程。此方案能夠通過確定RSU設備所接收到的車輛OBU坐標信息和車型信息來判斷其是否為鄰道車輛，從而避免出現鄰道干擾現象。整體系統構成如圖5所示。

圖5 毫米波雷達系統方案圖

在毫米波雷達工作過程中，需根據現場情況調整好攝像機視場角，并根據RSU設備所配置的覆蓋區(qū)域設置相應雷達上報的距離點。對于不同情景需求，雷達覆蓋區(qū)域內可以設置多個不同距離的抓拍點。毫米波雷達系統布局見圖6。當本車道車輛進入預先設置好的抓拍點時，毫米波雷達即可發(fā)送觸發(fā)信號，指示相應車牌識別相機進行抓拍，同一車輛將根據設置的抓拍數量，獲得相應數量的抓拍圖像。與此同時，毫米波雷達將會實時獲取車輛的位置坐標信息，當雷達檢測到車輛駛入RSU設備的覆蓋區(qū)域時，會立即給RSU設備發(fā)出觸發(fā)信號，指示RSU設備讀取車輛OBU信息，然后在后臺軟件系統中將車牌識別信息、雷達定位信息、車輛OBU信息三者進行對比檢查，確認無誤后則繼續(xù)進行交易流程。

圖6 毫米波雷達系統布局示例圖

3 結語

本文探討了ETC收費車道中鄰道干擾出現的原因，提出了優(yōu)化完善工程實施、相控陣天線定位和毫米波雷達定位3種解決方案，實際應用時需根據原有收費方案、收費站ETC車道構造、整體預算等實際情況選擇最合適的方案。