ETC系统及其在现阶段路网收费应用中的解决方案

      近几年来，国家对交通基础建设的大规模投入促进了我国高速公路事业的快速发展。截至 2002 年底，我国高速公路通车里程已突破 2 万千米。由于建设期投资主体复杂，项目建成后“一路一公司”的经营管理模式导致主线收费站过多，在现有的收费系统不能适应交通量日益增长需要的情况下，主线收费站，特别是在城市出入口收费站处形成交通瓶颈，严重影响路网效能的发挥，造成资源浪费和环境污染。如何在现有的道路收费和站房设施基础上，根据高速公路出入口交通流量的分布特点，采用不停车收费技术从方案设计的层面解决路网中收费站点交通瓶颈问题也成为交通工程研究的一个新课题。 

　　1 ETC 系统的工作原理 

　　1.1 ETC 系统的层次构成 

　　我国目前路桥收费存在 3 种方式。 (1) 纯人工收费方式，即全部收费程序由人工操作完成。由于该方式工作量大，不易统计和监督，现已基本不予采用。 (2) 人工半自动收费，即“人工收费、计算机管理、闭路电视监视”方式。该方式适合我国公路管理现状，是目前路桥收费的主要方式，但对交通量大的收费站点，该方式不能解决交通瓶颈问题。 (3) 电子不停车收费方式，即 ETC 系统收费。该方式利用车辆自动识别技术，通过天线实现车道控制器与车载电子标签的数据交换，自动完成收费程序，其层次构成如图1。

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      1.2 ETC 系统的工作流程 

　　完整的 ETC 系统可分为 ( 部分：一部分是 ETC 前端车道系统；另一部分是 ETC 后台清算系统。 

　　1.2.1 ETC 车道系统 

　　ETC 车道系统包括车辆检测子系统 、交通指挥子系统 、 车辆图像抓拍子系统，而车辆识别子系统通常由电子标签 ? 车道天线 ? 天线控制器和计算机系统组成。 ETC 车道系统结构原理如图 2 。 

　　当 ETC 用户车辆进入车道天线的读写范围时，天线控制器从车道控制器接受通信请求，形成符合某种通信协议的数据帧，通过车道天线将数据帧发送给车载电子标签，同时接收、分析从电子标签返回的数据，车道控制器根据接收的信息发出相关指令，完成对电子标签的读写操作，并储存操作结果。这一过程包括确认电子标签的有效性、识别车辆类型、查询费用表、扣除费用等操作。如果通过车辆是非法的 ETC 用户，图像抓拍子系统和交通控制子系统将启动，对违规车辆进行抓拍、报警、拦截等操作，以进行例外处理。车辆检测子系统主要用于连续车流通过时，自动进行对象隔离，确保系统对每一用户的正确操作。

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　　2.2.2 后台清算系统 

　　不同的 ETC 系统营运商管理的收费系统，涉及到营运商业务系统之间的账务清算。营运商如何进行账务清算，取决于营运商的具体情况。参考电信行业的经验，目前有２种比较通用的清算方式 , 中央清算方式和分散清算方式。 

　　(1)中央清算方式。 

　　中央清算方式概括地说就是，在各 ETC 系统运营商之上建立一个中立的 ETC 中央清算系统，以负责电子标签的发行流通管理，维护 ETC 用户的消费账户，清算拆分发生在多个 ETC 系统运营商之间的道路通行费等事务。其关系示意如图 3 。

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      ETC 联网收费中央清算系统可以直接处理，也可以间接地通过一个金融机构 - 如银行等 / 来处理上述事务。一种比较可取的方式是直接在各省的人工联网收费中心建立内 ETC 中央清算系统，以统一负责该省的 ETC 收费清算等业务。各 ETC 系统运营商和中央清算系统之间需要就保障 ETC 前端设备完全兼容互换的详细技术规范、电子标签的数据格式，各运营商的 EFC Context Mark 、电子标签访问密钥、认证密钥，统一的车型分类标准，各路段的收费标准，原始过车记录的格式，黑、灰名单的产生、下发以及处理的办法，收费、拆账信息的交换方式等一系列问题达成一致的意见。这种中央清算的 ETC 联网运营方式，系统结构清晰，各方分工明确，可操作性强，同时， ETC 联网收费中央清算系统可以方便地建立在各省的联网收费中心的基础之上。因此，这种运营方式在以中央账户为基础的 ETC 联网收费应用中不失为一个理想之选。 
　　(2)分散清算方式。 

　　分散式操作管理方式概括地说就是，各 ETC 系统运营商在保证 ETC 前端设备完全兼容互换的基础上，通过 ETC 运营商之间的原始收费记录、账务数据以及其他必要信息的交换完成跨路段通行费的拆分与清算的 ETC 联网收费运营方式。其相互关系示意如图4。

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　　与中央清算方式一样，各 ETC 系统运营商之间需要就保障 ETC 前端设备完全兼容性及有关的处理办法等一系列问题达成一致的意见。此外，各 ETC 系统运营商还需要就怎样在他们之间通过一个安全、可控的方式来交换真实的原始收费信息，以及如何利用这些原始收费信息在各运营商之间进行账务拆分，及特殊车辆的通行费处理等问题协商一致。在这种操作管理方式下，通行费的清算任务被分散到各个运营商那里，由各运营商自己的处理程序来完成，并且大多数的功能都可以在车道软件这一层实现，即所谓的现场拆账。这种拆账功能的实现，在现有的以通行券为基础的人工联网收费系统的车道控制软件中是非常普遍的。这种分散式操作管理的 ETC 联网运营方式，通行费清算的任务被分散，故不需在建立统一的中央清算系统上花费巨额投资，这也是此种运营方式的优势所在。 

　　2 ETC 系统在现阶段联网收费应用中的解决方案 

　　2.1 收费系统使用的收费介质 

　　目前，国内高速公路收费系统常见的通行券有纸制打印券、纸制磁性券、一维条码券、二维条码券、磁卡、接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡等多种形式。其中 IC 卡可用于预付业务。经过多年的收费实践，收费系统对收费介质的选择越来越注重自动化程度、读写方式、数据安全、介质成本、文明打印和管理成本等方面的性能和技术要求。由于在路网的出口使用现金支付存在诸多弊端，预付交易将是公路收费由现金交费向非现金交费的必然选择，而符合金融集成电路规范的 IC 卡也成为收费介质的首选。 

　　2.2 电子标签与 IC 卡的结合使用 

　　凡不带 IC 卡的电子标签称单片式电子标签，带 IC 卡接口并在使用时插入 IC 卡的电子标签称两片式电子标签。通常两片式电子标签具有支持对接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡读写的能力。目前，国外普遍采用的电子不停车收费技术方案，大多是单片式 ETC 系统，这对于 ETC 车辆使用率高的应用环境来说是非常合适的。但这种系统在收费环境中是封闭运行的，完全脱离现有的人工半自动收费系统，对于我国的公路网络而言，这种方案将面临系统改造规模大、一次性投资高、建设周期长等问题，而且在交通量小的非主线收费站，拆装现有的系统设备或另外建设专用 ETC 车道既不经济，也没必要。因此，国外现有的方案并不适合我国路网的现状。要在我国“一路一公司”公路管理模式和现有的收费设施条件下推动 ETC 系统收费，必须在方案设计上予以突破。
 
　　由于现有的技术条件难于做到电子标签对非接触式 IC 卡的长寿命操作（至少可使用、年才有发行价值），故在接触式 IC 卡不被现有的收费系统接受的条件下，必须在方案设计时使系统改造后具有两种读写方式的能力，即电子标签采用接触式读写方式和现有的人工半自动收费系统采用非接触式读写方式。 

　　2.3 组合式电子收费技术的解决方案 

　　目前， IC 卡产业界已经推出了可以同时支持接触读写方式和非接触读写方式的 IC 卡，称“双界面 IC 卡”。所谓的组合式电子收费是“ IC 卡刷卡交费 /ETC 电子交费 + 双片式电子标签 + 双界面 IC 卡”预付收费方案，具体的方案设计如下。 

　　(1)采用支持 ISO 7816 、 ISO1443 协议，可读写 Mifare I 卡、 Mifare Pro 卡及双界面 IC 卡的专用收费机具设计 IC 卡车道收费系统。 

　　(2) 采用双界面 IC 卡作为双片式 ETC 电子标签的扩展数据存储介质。双片式 ETC 电子标签和双界面 IC 卡同时存储包括车主、车型、车辆物理参数等固定信息。 ETC 双界面 IC 卡存储账号、余额、交易记录、入出口编号等信息，双界面 IC 卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问。 

　　(3) 收费专用车道同时设置 ETC 车道天线控制器和车道 IC 卡专用收费机具，由一台车道工控机进行控制，实现对正常 ETC 车辆、误入普通车辆通行费的收取，以及灰、黑名单核查、原始交易记录生成、车道交通控制等功能。 

　　(4) 在交通量大，易产生交通流瓶颈的收费站按需设置 7 条以上的 ETC 收费专用车道，允许司机将双界面 IC 卡插入双片式 ETC 电子标签，免停车通过收费站，通行费自动扣取，大幅度提高收费口通行能力。 

　　(6) 在一般收费站，仅设置 IC卡收费车道，允许司机从双片式ETC电子标签中拨出双界面 IC 卡以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。其运行模式如图 5 所示。 

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       该组合式电子收费技术方案具有如下优点：
 
　　（ 1 ）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；

　　（ 2 ）为联网收费系统开展预付费业务提供了方便 / 快捷 / 安全 / 可靠的解决途径； 

　　（ 3 ）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 ；

　　（ 4 ）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；
 
　　（ 5 ）符合中国金融卡规范及电子商务等国家鼓励发展方向。可以预见，在未来相当长的一段时间内， ETC 系统收费将只是 IC 卡收费系统的补充方式，现阶段应用的主要目的是解决关键路段收费站的交通拥挤问题。对于国内现阶段实施的 ETC 系统，必须强调 IC 卡收费系统作为 ETC 车道的备用系统，以在出现故障时保证系统的通畅运行。 

　　3 ETC 系统的应用推广及规范化 

　　近几年来，国内一些省市相继引进 ETC 系统，它们的实际运行结果表明， ETC 系统是安全 / 稳定 / 准确和可靠的。这些项目的引入取得了很大成果，为我国 ETC 系统的发展应用积累了宝贵的经验。然而深入的调查发现，各地引进的 ETC 系统互不兼容。 ETC 系统的应用优势在于区域路网的联网运作，各地区的 ETC 系统如不能相互兼容，其社会效益和经济效益将大打折扣，而且；一路一卡 7 的应用如果得不到有效的协调，将会严重影响 ETC 系统在我国的健康发展和后续的开发应用。因此，制定 ETC 系统的标准规范的工作必须尽快开展。 

　　由于当前欧 / 美 / 日等国家公布的 ETC 标准并不统一，国际标准化组织也未订出统一的国际标准，根据我国目前系统运作的具体状况及大多数 ETC 系统厂家支持的技术标准，可以选择 CEM/T 278 公布的如下 3 个标准作为 ETC 系统前端设备的基本要求 ( 表 1) 

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　　此外，为保证设备的互操作性，还应制订其他细则标准，包括网络清算体系接口规范、 ETC 车道系统设计规范、电子标签读写技术规范、数据结构、设备通信协议等。