ETC技术

公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 公路联网收费中的组合式 ETC技术 研究开发与检测 张北海 zbh@itsc.com.cn 国家智能交通系统技术研究中心 北京市海淀区西土城路 8号 （100088） Tel: 010-6207 9526 Fax: 010-6204 5674 Abstract This paper simply analyzes several issues that the ETC system applications will face, on conditions of network tolling on expressway. And it introduces the harvest of National Technical Innovation Project -- the Composite ETC Application Solution of two pieces ETC tag plus dual interface IC card. It chiefly expatiates the content of the Composite ETC Application Solution, the research of the interface and compatibility, and the project performance of this solution. At the same time, it also briefly introduces the Composite ETC Test Platform, built on National Center of ITS, China, and the research and development of the ETC simulating transaction Test Line. Key Words: ETC, Composite ETC Application Solution, Test Platform 摘要 本文简要分析了当前公路联网收费环境下，ETC系统应用将会面临的问题， 介绍了国家技术创新项目成果——两片式电子标签＋双界面 IC 卡的组合式电子 收费。重点阐述了组合式电子收费系统方案的内容，接口技术及互换性的研 究，以及方案的工程应用状况。最后对组合式电子收费系统的试验、检测平台及 模拟检测线的建设与开发也作了简要的说明。 作者：张北海 1 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 关键字： ETC、组合式电子收费系统、试验检测平台 一、 组合式电子收费技术方案介绍 1.1 方案产生的背景 九五期间，大规模的基础设施建设促进了我国高速公路事业飞速发展。截至 2001年年底我国高速公路通车总里程已经突破 20000公里。 表 1-1: 2001年底我国高速公路通车里程前四位的省份 地区 2001年底通车里程（公里） 2010年规划里程（公里） 山东省 2077 3000 河北省 1565 － 广东省 1500 3310 江苏省 1386 4000 随着各省、市高速公路网的逐渐形成，由各路公司独立收费过渡到区域路网 环境下的联网收费已成为各省发展公路收费的必由之路。 作者：张北海 2 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 图 1-1：广东省高速公路网规划图 目前，很多省份正在考虑采用 IC 卡或二维条码技术进行区域联网收费，这 有利于削减主线收费站和严格管理收费工作，但由于这两项技术并不能有效提高 收费车道的通行能力。因此采用 ETC电子收费技术解决个别点高通行能力的市场 需求是仍然存在的。 目前除日本外，国外普遍采用的电子收费技术方案，大都是单片式系 ETC 统。这对于以开放式收费为主，ETC车辆的比率相对较高的应用环境来讲是非常 适合的。但这种人工收费系统和电子不停车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，必然会面临以下几方面的问题： 1. 系统规模庞大，一次性投资高，建设周期长，风险大； 2. 大多数入口收费站和出口收费站的交通量小，车道数量少，单独辟出一 条专用 ETC车道既困难，又不经济； 3. 由于缺乏足够的备份 ETC车道，系统可靠性和健壮性将无法得到保障。 我们可以清楚地看到，国外现有的 ETC技术方案及运营模式并不适合国内区 域联网收费新形势的要求，要在国内成功地推动 ETC收费，在方案上必须予以突 作者：张北海 3 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 破。另外，采用高安全性的预付卡开展公路收费的电子支付业务是必然的发展趋 势，IC卡技术和 ETC技术有必要发挥有机的兼容和互补作用。 1.2 国家技术创新项目的研究成果 为了在 ETC电子收费方式和 IC卡半自动收费方式相互结合上进行有益的探 索，从 2000年 6月起，交通部公路科学研究所（国家智能交通系统工程技术研 究中心）承担了国家经贸委的国家重点技术创新项目——高等级公路电子收费系 统技术开发与产业化项目。研究内容包括： ¾ 高等级公路电子收费系统技术方案的研究 ¾ 不停车收费系统的核心产品研究开发与产业化 ¾ 电子不停车收费系统的野外检测试验平台 ¾ 电子不停车收费车道试验检测装置研究 ¾ 高等级公路电子收费系统示范工程实施 在项目研究人员的不懈努力之下，项目目标得到了很好地完成，并取得了一 系列重大科技成果，包括： 图 1-2：5.8GHz车道天线及双片式电子标签 ¾ 独创性地提出了两片式电子标签＋双界面 IC 卡的组合式电子收费技术 方案，申请了国家发明专利，并初审通过和获公开。 作者：张北海 4 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 ¾ 研究开发了 5.8GHz 频段，符合 ISO/CEN 的 ETC 车道天线、双片式 电子标签和 ePass电子收费软件。 ¾ 在交通部公路交通综合试验场建立了电子不停车收费系统的野外检测 试验平台，开发了自动化的电子不停车收费车道试验检测装置。 ¾ 京洙南广韶高速公路、上海虹桥机场高速公路电子收费系统示范工程实 施。 上述技术成果已经于 2002年 6月 24日在广东省通过了国家有关部门的鉴定 验收。 1.3 组合式电子收费技术方案的特色 组合式电子收费技术的总体方案如下： ¾ 符合 ISO、CEN等国际标准的 ETC路侧控制系统 ¾ 采用支持 ISO7816、ISO14443的专用 IC卡收费机具 ¾ 采用双界面 IC卡和双片式 ETC电子标签作联网收费系统的预付卡介质 ¾ 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 组合式电子收费技术方案充分考虑了ETC全自动电子收费方式和 IC卡人工 半自动收费方式的适用条件，将两项技术通过两片式电子标签加双界面 CPU 卡 的模式进行有机地结合起来，在全路网内以最经济、最有效的手段实现准确收费、 疏导交通、提高服务质量等综合目标。 组合式收费技术方案真正实现了人工收费（MTC）车道和 ETC车道兼容， 在交通量较大，设有 ETC车道的收费站，用户可以将双界面 IC卡插入双片式电 子标签以免停车方式通过 ETC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，用户可以采用双界面 IC 卡以预付刷卡的方式通过普通人工收费车 道。 作者：张北海 5 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 组合式联网收费系统模型 （两片式电子标签 + 双界面IC卡的封闭式） 当收费站含有ETC收费车道 时，用户无须停车，通过 ETC完成收费全过程。 当收费站没有ETC收费车道时，用户将两 片式电子标签中的IC卡取出，在收费亭处 停车，通过非接触IC卡收费终端以刷卡方 式完成非现金支付全过程。 支持ETC收费 方式的收费站 支持IC卡收费 方式的收费站 图例： IC ICETC ETC ETC IC ETC IC 图 1-3：组合式电子收费系统运行模式 组合式电子收费技术方案具有如下有点： ¾ 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 ¾ 为联网收费系统开展预付卡业务提供了方便、快捷、安全、可靠的解决 途径 ¾ 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 ¾ 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 ¾ 符合中国金融卡规范及电子商务等国家鼓励发展方向 1.4 组合式电子收费技术方案接口技术及互换性研究 对于电子不停车收费设备的互换性问题，一直是国际社会普遍关注的问题。 作者：张北海 6 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 在有的国家，几乎建设了国际上所有标准体系的 ETC系统。我国搞联网收费，必 须重视产品的兼容性和互换性问题。而标准又是产品及设备具有良好互换性的有 力保障。 保障电子不停车收费系统的兼容性，允许多家厂商的设备能进行互换，主要 是通过规范其硬件、软件外部接口来实现。研究制定电子不停车收费系统接口规 范的出发点就是是为了尽可能保障系统的兼容性，便于不同电子不停车收费系统 间的的集成，保障 ETC用户的利益，促进 ETC市场的健康发展。 组合式电子收费技术采用了双界面 IC 卡作两片式电子标签扩展数据存储器 的思路，在结合应用过程中涉及到的标准和规范较多，主要包括 ETC电子标签， 双界面 IC卡，电子标签读写器及 IC卡读写器等。我们采纳了国际上一些主流的 标准规范，并规定上述组合式电子收费设备必须首先满足这些最基本的标准要 求： 1. 双界面 IC 卡支持非接触通讯功能，应符合 ISO14443 TypeB 标准或者 TypeA标准（兼容 Mifare）及交通部公路收费 IC卡应用技术条件。 2. 双界面 IC卡支持接触式通讯功能，需遵循 ISO 7816系列标准及中国金 融集成电路技术规范。 3. ETC 电子标签应符合国际主流标准，如 ISO 14906 ETC 应用层技术规范 等。 4. 对于电子标签及电子标签读写器之间的无线通信协议应遵守 CEN/TC278 及 ISO/TC204发布的标准规范： 在进一步的组合式电子收费应用的互换性研究中，我们发现各设备除了要满 足上述几点基本要求之外，有许多更具体、更细致，并且是更关键的问题是国际 标准所无法规范、定义的。这些问题就必须要完全由我们自己来解决。为此，我 们从技术路线上制定出如下几点对策： 1. 明确规定标准体系中允许多种取值的选项，将可选参数规定下来。 2. 按照标准有关规定，明确定义国内收费业务所需要使用的电子标签数据 属性，含义及取值范围，非接触 IC的卡片文件结构。 3. 选择并规定执行电子收费交易的服务原语及应用接口函数。 4. 明确为保持数据完整性、安全性所采用的安全控制技术。如密码核对、 作者：张北海 7 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 双向认证等。 5. 定义本地使用的初始化数据及预留可能用到的本地化数据有效空间。 二、示范工程的应用状况 2.1 示范工程概况 在组合式电子不停车收费系统方案研究取得阶段性成果之后，交通部公路所 作为高等级公路电子收费系统技术开发与产业化项目的承担单位，根据发达地区 对电子不停车收费的迫切需求，及时地确定了广东省和上海市作为该项目示范工 程实施点。 广东省新粤交通投资有限公司负责的京珠高速公路粤境南段（曲江-翁城段） 组合式电子不停车收费系统也在 2001年 9月开通。 图 2-1：广韶高速组合式电子收费示范工程现场 京珠南高速公路是京珠高速公路主干线上的一段，全长 54 公里，该路段共 有 4个收费站分别为：曲江临时主线站、曲江互通匝道站、沙溪互通匝道站、翁 作者：张北海 8 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 城互通匝道站，采用封闭式收费。示范工程在该路段上实施，主要内容包括： ¾ 所有的人工收费车道实现对 CPU卡的操作，实现停车的支付卡收费。 ¾ 在曲江收费站建设两条（一进一出）电子不停车收费车道，实现电子不 停车方式的支付卡收费。 ¾ 建设省一卡通中心，实现与收费中心的数据交换和支付卡的资金划转。 ¾ 在曲江建设一个服务网点，实现支付卡的发卡、充值和相关客户服务。 工程完成后，该地区用户可以在曲江的服务网点申请支付卡和电子标签。用 户在使用高速公路时，如从曲江收费站出入，则可享受方便快捷的电子不停车收 费服务，如从其他收费站出入则可使用停车的支付卡收费服务。而作为高速公路 的业主——广韶高速公路公司应收的支付卡通行费则以每天一次的方式通过省 一卡通中心转帐获得。 由于广韶高速公路组合式电子收费系统示范工程实施取得了良好的效果，广 东省已经确定采用本项目提出的“组合式电子收费方案”实现全省的组合式电子 收费联网。 由上海城建集团负责实施的上海虹桥国际机场 ETC项目已于 2001年 7月 10 日开通试运行，项目属于开放式收费制式，2条 ETC车道。项目所采用的 ETC车 道天线和车载标签就是本项目的国外合作企业——日本丰田电装公司提供的，既 有单片式也有双片式的标签。自虹桥机场 ETC车道开通以来，项目组共试发行近 100 个电子标签。由于机场的特殊原因，共进行 ETC 交易 3000 多次。试验结果 良好。 2.2 道路管理者及用户对系统的评估 示范工程的成功实施标志着国内公路收费技术迈上了一个新的台阶。通过试 点项目内部测试、项目开通试运行等工作的全面检验，京珠南高速公路管理公司 对组合式电子收费系统的评价如下： 1. 组合式电子收费设备达到了较高性能指标，满足试点工程应用，满足国内电 子不停车收费应用的实际需求。 2. 系统具有较高的可靠性和安全性，满足道路业主对收费的技术要求。 作者：张北海 9 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 3. 经过长时间的试用，系统经受了全天候应用环境的考验，符合工程应用的要 求。 三、组合式电子收费系统的检测平台及检测线 3.1 ETC系统的检测平台概况 为配合组合式电子收费系统方案研究、车道核心设备开发以及其它相关技术 的研究，交通部公路所还在交通部公路综合试验场模拟真实环境建设了一个具有 中国收费环境特色的、融合了组合式电子不停车收费技术、区域联网收费技术以 及其他多项最新技术的“组合式 ETC 联网收费试验及检测平台”，以满足对整个 组合式电子收费系统方案进行评估，ETC核心车道设备开发、试验的需求，又满 足行业对电子不停车收费设备及系统检测的需求。 野外检测试验平台 2001年 3月份动工修建，2001年 7月份建成，于 9月 13 日正式投入使用。 图 3-1：组合式电子收费实验平台 试验平台共有 4条试验车道，长约 300米，可以开展不同收费方式及非现金 支付手段的研究与评估试验、各种收费车道设备布局、土建设计优化的评估研究、 机电系统中试阶段的现场试验与测试、以及联网收费建设中其它若干关键技术研 作者：张北海 10 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 究与检验。在该试验平台中，组合式电子不停车收费设备不仅可采用组合式电子 不停车收费系统开发的样品，还可以与国外公司的类似产品进行类比功能试验。 车道控制系统依托国内车道系统还尚未涉足的高可用性嵌入式实时 Linux 操作 系统平台开发。 图 3-2：融合了多种先进技术的组合式电子收费车道系统 在野外检测试验平台展开大量的工程化试验，为示范工程的实施建设积累了 许多宝贵经验。 3.2 ETC车道系统的检测线设计 由于电子收费系统要求有很高的可靠性，所以系统及设备在实用化之前必 作者：张北海 11 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 须反复进行大量的测试与检验。尽管有野外检测试验平台可以对电子收费产品 （ETC车道天线、车载电子标签、车道控制软件）进行试验、检测、评估，但在 试验平台上采用实车通行方式进行试验时，效果虽然准确，但效率非常低，尤其 无法进行大样本量的试验，难以得到大批量的试验结果。对于实际的 ETC工程项 目，也存在类似情况。几十次，上百次的内部试验难以保证试运行期间不遇到其 它种种麻烦。 因此我们的研究人员专门设计了 ETC车道试验检测装置，用于对大样本条件 下 ETC系统的天线与标签之间的通信可靠性、ETC车道系统的交易可靠性进行检 测。 图 3-3：ETC车道系统的检测线示意图 检测装置能够完全模拟载有电子标签的车辆通过 ETC收费车道的全过程。可 以在各种等效通信速度下，记录标签进入通信区的次数，以及车道天线与电子标 签正确进行收费交易处理的次数。比较两者吻合程度，从而考察天线与电子标签 之间进行通信处理的可靠性。 目前，检测装置已能完成功能性试验，初步具备实用功能，并在交通部试验 作者：张北海 12 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 场现场试验的基础上进一步完善。 四、组合式电子收费系统效益及应用潜力分析 电子不停车收费（ETC）技术在国外已有 6 年以上成功应用的历史。美国、 欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经联网并形成规模效益，其明显的社会 经济效益具有强烈的吸引力。无论从交通工程的角度还是从智能运输系统的角度 看待，先进的电子收费技术对于我国公路运营管理效率和公路通行服务水平提高 有很大的潜力，根据国家关于信息技术推进传统产业技术进步的总思路，电子收 费技术逐步在中国得到应用和采纳是必然的。 组合式电子收费系统方案的装新思路，充分考虑了电子不停车收费方式和 IC 卡人工半自动收费方式的适用条件，并将两者有机地结合起来，真正地做到 了 ETC 车道系统的按需设置，大大地之降低了联网环境下电子收费系统建设的 投资，有力地保护了道路运营者和用户的利益。 以广东省为例，1999 年计划以国外常用的单片式电子收费技术方案实现省 内“五路两桥”的 ETC联网，工可预算为 2.4亿元。由于投资过大，风险很高， 具体承担项目实施的广东路桥电子收费有限公司迟迟难以实际操作。2001 年底 采用组合式 ETC技术方案在广韶公路、虎门大桥完成 ETC示范工程后，取得了很 好的效果。目前全省正在省经贸委的统一部署下，抓全省的“联网收费、一卡通 行”。初步估算全省 ETC 工程预算将大大下降，从而使项目进入真正的可操作阶 段，也使广东公路收费方式率先进入现代化。 与此相应，国家大力推行金卡工程，使得 IC 卡技术在城市交通领域内也得 到了非常广泛地应用。以上海市为例，其公共交通卡项目连续两年（1999 年和 2000 年）成为上海市政府实事项目，覆盖城市所有公共交通工具，规模世界第 一。至 2001年底累计发卡近 200万张，应用于 5000多单一票价的公交车和部分 多级票价车、38000辆出租车、地铁 1，2号线和明珠线和市内所有轮渡线。2002 年，上海市公共交通卡项目将扩展到上海的高速公路收费、新建轨道交通延伸段、 地铁 3，4号线，磁悬浮列车、所有公交多级票价车（手持机收费）、市政收费、 便利店和社区消费、与周边城市交通卡的互联互通，最终实现上海市民出行人手 一张卡。 组合式电子收费系统方案通过两片式电子标签＋双界面 IC卡技术将电子不 停车收费系统与 IC卡的非现金交易有机地结合到了一起。这样就可以很方便地 作者：张北海 13 公路联网收费中的组合式 ETC技术研究开发与检测 作者：张北海 14 在现有的 IC开应用系统上发展道路的电子不停车收费系统。 从更长期的角度看，ETC技术除了服务于公路电子收费应用外，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，带智能卡的双片式电子标签必将成为 ITS领域 研究和发展的热点。 Abstract 摘要 组合式电子收费技术方案介绍 1.1 方案产生的背景 1.2 国家技术创新项目的研究成果 1.3 组合式电子收费技术方案的特色 1.4 组合式电子收费技术方案接口技术及互换性研究 二、示范工程的应用状况 2.1 示范工程概况 2.2 道路管理者及用户对系统的评估 三、组合式电子收费系统的检测平台及检测线设计 3.1 ETC系统的检测平台概况 3.2 ETC车道系统的检测线设计 四、组合式电子收费系统效益及应用潜力分析