智能运输系统概论第14章

目录第11章先进的公共交通系统第12章先进的交通管理系统第13章城市交通信号控制系统第14章电子收费系统第15章高速公路交通事件管理系统第16章应急指挥调度系统第17章智能车辆与自动驾驶系统第18章交通需求管理第19章智能运输系统标准化第20章ITS评价第一页，共54页。第14章电子收费系统概述14.1电子收费系统的原理和构成14.2电子收费系统的关键技术14.3电子收费系统的新发展和新应用14.4小结14.5第二页，共54页。14.1概述公路收费在世界上已有相当长的历史了，早在几个世纪之前，欧洲一些国家就有收费桥梁和收费渡口。在1663年，英国就制定了收费道路法，根据收费道路法修建的收费道路到十九世纪初就已约有3500公里。这一阶段的收费道路主要供马车通行。第二阶段始于汽车工业的发展。1924年世界上第一条供汽车通行的收费道路——意大利米拉诺至湖水地方间高速公路的开通，标志着现代收费道路的开始。20世纪50年代后，收费道路随着各国高速公路的建设进入大规模发展时期。第三页，共54页。14.1概述高速公路投入运营之初，完全采用人工计费方式许多收费公路基本采用入口收费、出口验票的收费管理方案。随着科学的发展，高速公路收费系统也开始实行计算机管理，实现收费系统自动化。当交通量达到一定水平，半自动收费方式会越来越不适应交通发展的需要。利用先进的电子手段，使车辆不需要停车就可以交付通行费的不停车自动收费方式，就成为社会发展的迫切需要。第四页，共54页。14.1概述电子收费系统（ElectronicTollCollection，简称ETC）也称为电子不停车自动收费系统。一辆车不需停车直接通过收费广场，通过专门安装在车辆上的电子标签与收费站的计算机系统进行通信，收费站路侧计算机识别这辆车并从标签对应的账号中划取本次通行的钱款。而在这之前驾驶员需要去标签充值点，预先给账户充值。电子收费系统ETC收费方式适用于高速公路以及交通繁忙的桥梁隧道环境下的车辆收费。可有效解决交通拥堵、收费舞弊以及交通拥堵引起的能源消耗和环境污染等问题。第五页，共54页。第14章电子收费系统概述14.1电子收费系统的原理和构成14.2电子收费系统的关键技术14.3电子收费系统的新发展和新应用14.4小结14.5第六页，共54页。14.2电子收费系统的原理和构成电子收费系统作为取代人工操作的信息化系统，采用了现代的高新技术，尤其是电子方面的技术，包括无线电通信、计算机技术、自动控制等多个领域。特点：不停车无人工操作无现金交易第七页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–国内外应用现状欧洲国家在20世纪80年代中期就开始实施电子收费系统（Telepass）。第一代只读车载电子标签。挪威于1987年开通的ETC系统以及1990年在其首都采用ETC系统，称为“Q-free”自动不停车系统。葡萄牙的BRISA开放式电子收费系统和意大利AutostradeS.P.A公司的Telepass系统。从1990年至1995年底，欧洲国家主要实施第二代电子收费系统，采用欧盟推荐的5.8GHz频率和可读/可写电子标签。第八页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–国内外应用现状美国第一个不停车收费的应用实验是20世纪70年代末在纽约和新泽西试行的，借助于车辆自动识别不停车收费。1997年，纽约等地区采用的E-Zpass系统是美国国内最著名的联网运行电子不停车收费系统。E-Zpass系统采用了专用车道、混合车道两种模式，都有收费员值班。专用车道采用ETC技术。图中所示新罕布什尔州的一个收费站中既包括E-Zpass系统也包括现金收费。E-Zpass系统第九页，共54页。目前，日本已经建立起了全世界最大的联网电子不停车收费系统。1993年8月制定“道路技术五年规划”，明确指出大力支持研发ETC技术及推进其应用，次年进行野外试验和电磁场测试。1999年开始真正实施全国性的ETC网络建设。2001年3月起实施全国大规模的ETC网络建设。现在已经在全国范围内的所有高速公路收费站开通了ETC系统，收费站点总数超过2000个，用户数量达到4000万辆，利用率已经达到86%。14.2.1电子收费技术的发展–国内外应用现状第十页，共54页。我国从上世纪90年代中期开始引入电子不停车收费系统，陆续开展了许多小规模的试点应用。广东省在2004年建成了覆盖2000多公里高速公路的联网不停车收费系统，并从2005年开始，将联网收费从高速公路推广到普通公路，实施更大范围的电子收费。2010年，京津冀区域高速公路实现联网不停车收费，并于2013年12月将山东、山西全省高速公路并入京津冀联网结算体系。2012年，长三角高速公路不停车收费系统全面联网并且范围扩大到安徽、江西、福建。14.2.1电子收费技术的发展–国内外应用现状第十一页，共54页。ETC作为智能运输系统技术应用于提升交通运输效率的典型方式，其集合了通信技术、传感器技术、视频技术、信息技术等新科技于一身。14.2.1电子收费技术的发展–技术发展现状现在的ETC技术通过三步来完成通信和识别过程：截取车辆标签发出的经调制的电磁信号还原包含在信号中的信息利用电脑从数据库中匹配并识别出该标签各种技术的不同之处就在于处理这些过程的方式的差异。第十二页，共54页。（1）感应线圈技术使用非常低的频率（200kHz以下），通过嵌入道路表面的感应天线与安装在车辆的标签通信。是ETC技术中最古老的技术。（2）光学技术分为可见光和近可见光（红外），频率处在（30-1000GHz之间）。可见光技术主要指基于视频的车牌照识别技术。红外技术则利用条形码标签，通过激光不停地扫描标签可能出现的区域，被反射回的信号用于提取出条码。技术发展14.2.1电子收费技术的发展–技术发展现状第十三页，共54页。（3）射频和微波技术微波处于可见光频率之下（大概500MHz-30GHz）。射频和微波技术是目前被广泛接受的技术。利用微波通信技术实现数据代码的传送，如DSRC（DedicatedShortRangeCommunication，专用短距离通信）技术（频率主要采用为5.8GHz），因为频率较高不仅能用于射频识别，还可进行双向数据传送，是比较理想的ETC技术。DSRC技术的优点就是可靠、安全、有一套统一的标准体系。技术发展14.2.1电子收费技术的发展–技术发展现状第十四页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价研究收费站车辆排队模型，进而计算人工收费车道和ETC专用收费车道的相关指标，如排队长度，每车停留时间。明确排队系统模型的表示方法，通常为表示顾客到达的时间分布类型，一般有泊松分布到达（M），定长均匀分布（D），爱尔朗分布（）等；

表示服务时间分布类型，一般有负指数分布（M），定长时间分布（D）等；表示服务通道的数量；表示系统的容量；表示顾客源数目；表示服务规则，分为等待制，损失制，混合制。第十五页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价现根据收费站的排队系统情况，简单考虑，即车辆到达服从泊松分布，服务时间服从负指数分布，收费站有N个收费车道，车辆源无限、排队不受限制，先到先服务的排队系统。在这种系统中，服务通道为N个，故称为“多通道服务”系统。由于排队方式不同，又分为单路排队多通道服务和多路排队多通道服务两种。第十六页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价当采用多路排队多通道服务时，其相当于N个单路排队单通道服务系统并联，故计算可按模型计算公式进行，该模型表示车辆到达服从泊松分布、服务时间服从负指数分布、单通道服务、系统容量无限、车辆源无限、先到先服务的排队系统。第十七页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价设车辆平均到达率为，平均服务率为，二者的比率称为系统的服务强度或利用率，以此可确定不同顾客数的服务系统的状态。若，则排队系统稳定，时间充分长的情况下，排队状态会循环出现；若，排队长度会越来越长，系统出现崩溃。因此，要保持这一单通道服务系统的稳定状态，唯有才可保证排队能够消散。根据稳定状态概率的差分微分方程可推导出一系列计算式如下：第十八页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价系统中有n个车辆的概率：系统中的平均车辆数：平均排队长度：第十九页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价平均每车停留时间：当采用单路排队多通道服务时，设车辆平均到达率为，各服务车道的服务是相互独立的，且假设平均服务率相同（），则整个系统的平均服务率为（为系统中的车辆数）。，为系统的服务强度，很显然，对多通道服务系统排队能够消散的条件为。第二十页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价单路排队多通道服务系统中，各项指标的计算公式：系统中没有车辆的概率：系统中有n个车辆的概率：第二十一页，共54页。14.2.1电子收费技术的发展–ETC效率量化评价系统中的平均车辆数：平均排队长度：平均每车停留时间：第二十二页，共54页。根据收费站收费中的检测、识别、扣费操作，将收费过程按先后次序简单划分为检测模块、通信认证、交易核实模块、监控放行、结算模块。（1）监测模块当车辆进入ETC车道，安装在车道路面的车辆检测器将检测到信号传输给路侧设备，以便对车辆进行通信。（2）通信认证模块激活的路侧设备（RoadSideUnit，简称RSU）通过广播信息搜寻电子标签；电子标签在接收到信息后被唤醒并自己初始化，并向路侧设备发送自身相关配置信息；工作流程14.2.2电子收费系统工作流程第二十三页，共54页。路侧设备RSU向车载单元（OnBoardUnit，简称OBU）的电子标签发送读取车辆信息指令，电子标签收到后读出所记载的信息并发往路侧设备，对于敏感数据信息需要双向安全认证控制。（3）交易核实模块认证后，路侧设备对安装在车辆上的电子标签通过DSRC（专用短程通信）通信技术进行读写操作以获得电子标签中存储的道路使用者信息、既定车型和余额查询，如果账户无效或余额不足，则向显示设备发出命令，通过显示设备告诉驾驶员由MTC车道通过。工作流程14.2.2电子收费系统工作流程第二十四页，共54页。（4）监控放行交易成功后，升降栏杆升起让车辆驶出收费车道，此次收费交易完成。如果交易不成功或车辆出现违规如闯关，则监控摄像头进行抓拍，提取出车牌号以备追缴。（5）结算模块在系统设定时刻，专营公司的收费管理计算机系统与结算中心开始进行数据传输，结算中心根据专营公司上传的电子收费用户消费记录进行结算操作，最终在用户的ETC账户上生成前一日的消费记录，专营公司也得到结算中心的资金划拨。工作流程14.2.2电子收费系统工作流程第二十五页，共54页。14.2.2电子收费系统工作流程我国典型组合收费站设计图第二十六页，共54页。14.2.3电子收费系统构成电子收费系统可大致分为车载系统，车道系统和收费系统三大部分。（1）车载系统（OBU）OBU（现在即指电子标签）中存有车辆的识别信息，如车牌号、汽车ID号，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，允许车辆在高速行驶状态下与路旁的读写设备进行单向或双向通信。按是否带IC卡接口进行分类，OBU可以分为单片式（无IC卡接口）和双片式（带IC卡接口），此外我国还研发了一种“组合式标签”。车载系统第二十七页，共54页。14.2.3电子收费系统构成

单片式按读写形式分为只读型和读写型。在欧洲应用相对广泛，其特点是车载电子标签既作为车辆标识也作为支付介质，同时也就要求所有高速公路出入口都配备电子标签读写天线。双片式带有一张IC卡的电子标签，属于第三代电子标签，是读/写型的。与单片式OBU不同的是将IC卡插在电子标签内，通过电子标签读取IC卡上的信息，然后由路边阅读器对电子标签进行读写。车载系统第二十八页，共54页。14.2.3电子收费系统构成

组合式一种基于双片式电子标签的组合式收费车载装置。主要是采用带有双界面（接触式和非接触式）IC卡的双片式电子标签，其中接触式界面用于人工半自动收费的“刷卡”操作，非接触式界面则用于不停车电子划账的电子收费。车载系统第二十九页，共54页。14.2.3电子收费系统构成按采用的通信方式分类，OBU可分为被动式、主动式和半主动方式。被动通信方式在工作时，由路侧天线发射微波信号，电子标签被电磁波激活后进入通信状态。功能比较简单，能耗小，且造价相对主动式的要低。主动式通信方式当路侧天线向电子标签发送询问信号后，电子标签利用自身的电池或外接电源的能量发射载波及数据给路侧天线，标签将要发送的数据调制在该载波上。车载系统第三十页，共54页。14.2.3电子收费系统构成ETC车道系统从应用形式上来分，可大致分为专用ETC车道系统和自由流车道系统。自由流车道系统是指在道路主线上每隔一定里程设置一个横跨道路上空的龙门架，架上安装不停车收费设备，在与标签读写器完成交易的过程中，车辆可以保持正常行驶，也可以超车、变线。专用ETC车道系统建有收费岛，车辆通过时速度慢；而自由流车道系统车辆不受行驶车道和行驶速度的限制，因而被称为“不减速的ETC”。车道系统第三十一页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（1）专用ETC车道系统硬件部分：电子标签读写器、车辆检测器、视频摄像机、金额显示器、自动栏杆、网络集线器车道系统第三十二页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（1）专用ETC车道系统软件系统：车道业务逻辑控制、车道数据信息传输功能模块车道系统车道系统组成结构第三十三页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（1）专用ETC车道系统软件功能：车道业务管理功能

天线交易控制功能

图像抓拍识别功能

车辆检测及车辆检测处理功能信息显示控制功能

人工辅助处理及人机交互功能

数据管理功能车道系统第三十四页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（2）自由流ETC车道系统不仅应用于城市道路拥挤收费，还可延伸到高速公路收费、停车场收费等众多场所。自由流ETC车道系统主要由硬件部分和软件系统组成。硬件结构上相对专用ETC车道系统简单，技术相对复杂。硬件部分：龙门架、电子标签读写天线和视频摄像机。后两者均设置在龙门架上，功能和专用ETC收费系统的硬件部分相同。车道系统自由流收费系统组成第三十五页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（2）自由流ETC车道系统软件系统：车道协调控制系统是整个系统的核心设备和指挥中心。短程通信系统车辆检测定位系统图像抓拍识别系统车道系统第三十六页，共54页。14.2.3电子收费系统构成（2）自由流ETC车道系统—自由流车道车辆位置判定在自由流多车道中，车辆存在换道、超车、跨线等行为，不同车道的车辆不断地交织运行。Step1：视频车辆检测跟踪系统判定出当前通过收费区域的所有车辆的分布情况；Step2：DSRC通信判定出装有电子标签的车辆在收费区域的分布情况；Step3：通过对上述两套车辆分布信息的比对，来判定收费区域内行驶车辆的非法性和合法性。车道系统第三十七页，共54页。14.2.3电子收费系统构成收费系统最常见的划分方法为封闭式系统、开放式系统和区域联网收费系统。封闭式收费主要用于高速公路，开放式收费主要用于非封闭公路收费站，如桥梁、隧道和专用路等。封闭式系统有出入口划分和校核问题，按行驶里程分车型收费。而开放式系统上下行车道的设备完全相同，按车辆通过次数分车型征收固定费额。封闭式：车道级计算机系统、收费站级计算机系统，以及后台收费中心/分中心计算机系统。收费系统第三十八页，共54页。14.2.3电子收费系统构成开放式：主要采用“车道——收费站”的二级结构。车道级计算机系统收费站级计算机系统区域联网收费系统收费系统一个公司同时拥有几个路段的所有权时，为了管理上的方便及提高服务水平的需要，往往需要把所辖区域内的高速公路及其他公路收费站联成网络，统一管理。第三十九页，共54页。第14章电子收费系统概述14.1电子收费系统的原理和构成14.2电子收费系统的关键技术14.3电子收费系统的新发展和新应用14.4小结14.5第四十页，共54页。14.3.1自动车辆识别系统基本原理：利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，通过耦合原件实现电子标签和标签读写器间射频/微波信号的耦合，并在耦合通道内，根据时序关系，实现能量传递和数据变换，达到对物体识别的目的。车辆的编号及相关信息均以一定顺序存储在电子标签内部存储空间中，当电子标签进入路侧天线的通信区域时，天线对标签内存储的内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆。第四十一页，共54页。14.3.1自动车辆识别系统自动车辆识别系统由电子标签、路侧阅读器以及标签信息管理系统三大部分组成。电子标签电子标签结构第四十二页，共54页。14.3.1自动车辆识别系统电子标签用于记录与车辆相关信息，并在收费区域以微波通信的方式与路侧标签读写器完成信息交互的一种车载设备。路侧阅读器也称收发器或询问器，由车道天线、天线控制器和电源等组成。标签信息管理系统对电子标签管理信息、发行电子标签和采集的标签信息集中进行存储和管理。第四十三页，共54页。欧美国家多采用按车辆外廓几何参数车型分类的方法，这种方法简单、明确，人工和自动判别车型均较易实现。目前，我国部分省份（如广东）的车型分类标准是按照车辆轴数、轮数、车高、轴距进行分类。按车辆外形特征如车辆轮数、轮距、轴数、轴距、车头高、车头侧面形状等进行车型分类的分类标准在很大程度上兼顾了公平合理性和简单明确性原则。1）自动车型分类的标准14.3.2自动车型分类系统第四十四页，共54页。14.3.2自动车型分类系统类别分类标准主要车型车种轴数轮数车头高（米）轮距（米）第一类22~4<1.3<3.2小轿车、吉普车、的士头人货车、摩托车第二类24≥1.3≥3.2面包车、小型人货车、轻型货车、小型客车第三类26≥1.3≥3.2中型客车、大型客车、中型货车第四类36~10≥1.3≥3.2大型客车、大型客车、大型拖（挂）车、20英尺集装箱车第五类>3>10≥1.3≥3.2重型货车、重型拖（挂）车、40英尺集装箱车收费公路车辆通行费车型分类标准第四十五页，共54页。基于红外线车辆分离和压力感应技术结合由埋置在车道地面下以一定形状分布的感应线圈和一对垂直于地面的红外线探测器构成。基于红外检测自动车型分类方法采用红外检测的系统是利用布置在车道两侧的红外阵列检测器，取得车辆侧面的几何轮廓特征，再通过计算机处理得出车辆类型。基于红外线检测和光纤传感器相结合自动车型分类方法2）自动车辆分类的方法14.3.2自动车型分类系统第四十六页，共54页。主要由红外线检测通过收费站的车辆的侧轮廓，得到车辆的车头高、轴距、轴数。其次，利用轮压式光纤传感器获得车辆的轮数。最后将获得的车辆参数与数据库中参数进行比较，可以准确的对车辆进行分类。基于视频图像匹配自动车型分类方法利用摄像机摄取获得车辆图像，并将图像进行一系列预处理以后（如图像平滑、图像增强、图像分割、边缘检测等手段），得到车辆的外形尺寸及各项指标，最后将其同模板库进行模板匹配，从而达到自动车型分类的效果。2）自动车辆分类的方法14.3.2自动车型分类系统第四十七页，共54页。车辆抓拍系统是指利用收费系统的各种硬件和处理程序对未付或未按正确费率付费的通过车辆进行车辆信息抓拍的系统。在ETC系统中，用于抓拍没有装备有效ETC电子标签但使用了ETC车道的通过车辆的车牌照图像。在不同的车道系统，车辆抓拍系统具有不同的特点：专用车道电子收费系统一旦车辆识别系统发现来车为非ETC车，车道控制子系统将锁住自动栏杆和红色交通信号灯，并同时发出声光报警信号，稽查人员将截住违章车辆，进行现场处理。14.3.3车辆抓拍系统第四十八页，共54页。自由流电子收费系统普遍采用一套高速摄像系统记录违章车辆的车牌照号码作为逃费证据和寻找肇事者的依据进行事后惩处。早期抓拍系统采用视频磁带摄像装置，目前大都采用数字图像抓拍存储视频系统，其特点是能将图像数字化，并能自行存储或传输给远端存储单元。在连续抓拍车辆的情况下，如何在抓拍的众多车辆图像中（车辆形状和车辆照号码），将无效卡的逃费车辆挑选出来，是一个有关视频图像识别的技术问题，涉及到