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ETC技术原理及其在高速公路收费中的应用
同济大学交通运输工程学院 杨继成 施莉娟
摘要：本文主要介绍了全自动电子收费系统的组成及原理、安全技术，探讨了ETC技术在我国高速公路收费系统中的应用及发展。
关键词：ETC OBU RSU DSRC
Summary: This paper mainly introduces the component、principle、security technology of Electronic Toll Collection (ETC) system。And discusses the application of ETC in freeway fee collection system in China.
Key word： ETC OBU RSU DSRC
1、概述
全自动电子收费ETC(Electronic Toll Collection)又称为不停车收费，是一种最先进的收费方式，是智能交通系统（ITS）的服务功能之一，在世界范围内得到了广泛的应用。据统计1999年底全球ETC车道数为8,813个，欧洲市场的ETC车道数去年已达5000余条，美国计划在2010年全面实施电子不停车收费，日本ETC用户今年3月已达到25万，预计年底达50万，至今年底安装完成900个ETC车道。
国内ETC的应用及研究也正兴起，自96年起在首都机场进行了不停车收费实验，99年广东省的“八桥一隧”以及在佛山、顺德、南海等地建成了40余条不停车收费车道，2001年12月深圳市外围高速公路路网-梅观、机荷两条路成功实现了不停车电子收费，2002年4月在天津津滨高速公路开通了ETC收费系统，共4条ETC车道。广东新粤公司研究开发的双片式电子标签在广东省高速公路联网收费ETC系统中投入了应用。
由于车辆不停车就能完成收费的过程，可有效地提高道路通行能力，减少收费人员和管理开支，节约土地资源，减少环境污染。与传统的人工半自动收费方式（MTC）收费方式相比，避免了车辆在收费站的停车等待、交费找零所造成的时滞，实现了不停车收费、与银行联网结算、货币电子化、畅通高效的智能化收费管理。由此可以看出，ETC技术应是收费领域的发展方向。
2、ETC技术介绍
ETC系统是采用专用短程无线通信（Dedicated Short-Range Communication）（简称DSRC）技术来完成整个收费过程，保证车辆的整个收费过程中保持行驶状态而不用停车。为此它需要在收费点安装路边设备（RSU），在行驶车辆上安装车载设备（OBU），采用DSRC技术完成RSU与OBU之间的通信。DSRC技术在交通领域中除了应用于电子收费以外，还可以在停车场付费、公交专用车道优先管理、拥挤收费、车队管理等得到应用，DSRC技术是专用于ITS领域中的先进通信技术之一，利用信息技术将道路、交通和车辆连接起来。图1为RSU与OBU之间通信的示意图，要求车辆在通信区域内行驶期间完成与路旁设备的数据交换。
图1 RSU和OBU之间的专用短程通信DSRC
2.1 DSRC协议及其标准化进程
DSRC是在小范围与区域内实现RSU与OBU之间双向通信的一种协议。具有专用性强、服务领域窄和实时性强等特点，它采用简化的三层协议结构：物理层、数据链路层和应用层。RSU和OBU之间的物理传输媒介可以是无线微波信道，也可以是无线红外信道。目前使用最广泛的是无线微波信道，其频段5.8GHz有很宽的范围可以规划用于ETC和ITS的其他应用领域，因而很有吸引力，现已成为官方的ETC和ETTM欧洲标准。DSRC协议的分层如图2所示。
图2 DSRC分层结构示意图 其中DSRC协议各层功能如下：
物理层：将上层电气信号变换为可以在实际物理信道上传输的信号。
数据链路层：管理和控制参数，控制传输差错。
应用层：为ETC等应用提供DSRC通信手段。
ETC应用处理层是基于DSRC协议之上的应用接口，根据ETC的应用需求定义ETC交易模式、数据元素、以及ETC交易中使用的函数。
目前，国际上有欧洲CEN/TC 278，日本TC204，北美ASTM/IEEE 三大研究机构致力于DSRC的标准化研究，日本、北美和欧洲已形成三大主流。1999年11月，ISO TC204协会表决通过了CEN 5.8GHz半双工被动式和日本5.8GHz全双工主动式两大DSRC标准。满足日本DSRC标准的产品主要应用于日本国内ETC市场，满足CEN标准的ETC产品覆盖了更广的国际市场。我国关于DSRC的标准化工作正在进行中。
2.2 路侧设备(RSU)技术
路侧设备指安装在路侧的ETC设施及其辅助设备，其功能是与车载单元通信，完成ETC收费交易，对车辆的检测及对违章车辆抓拍图像等。RSU通常由以下部分组成：
(1)路边设备控制器：是一台计算机设备，通常与天线及其控制器、抓拍系统、车辆检测器互联，对于具有收费岛的单车道ETC系统，与之互联的还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备的各种控制功能、通信功能和处理功能。
(2)天线及其控制器：实现与车载OBU之间的通信。
(3)抓拍系统：抓拍系统是针对违章车辆以及无电子标签车辆的电子记录系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。
(4)车辆检测器：对车辆的到来进行检测，以及对来车车型进行分类。
(5)其他的辅助设备，如电源、照明等。
2.3 电子标签(OBU)技术
1、按采用技术分
(1)被动式：RSU 发射无线电信号，OBU将数据信息调制到副载波，再与RSU 发射来的RF信号相乘（FM调制），调制后的信息反射回RSU，OBU并不自己产生信号，直接耦合电磁波来产生发射能量。
(2)主动式：OBU与RSU双方都具有微波无线振荡器，可对等地相互发射无线电波。为了实现双工通信，上下行传输各使用了一个频率，即通常所谓的频分双工（FDD）。
2、按电子标签型式分
(1)单片式电子标签：通常具有只读区和可读写区两个数据区，只读区用于存放电子标签标识码、车牌号数据和车型数据等强制性固定信息，可读写区用于存放可更改的临时信息，如出入口编号和出入时间、帐户资金余额、个人ETC用户信息等。
(2)双片式电子标签：即带IC卡接口的电子标签，是可读\写型的。IC卡与电子标签相对独立，电子标签内部带有微处理器和大容量内存，具有复杂运算、内存用户识别信息和车型数据且与车道天线通信的功能，IC卡中存有金额或用户帐户信息。在车辆进入ETC收费区域前，将IC卡插在电子标签内，电子标签可预先读取IC卡中的相关信息；当车辆通过ETC收费区域时，RSU将通过OBU读取IC卡中的金额或帐户信息，根据收费额自动在IC卡中扣款，或将收费信息记入该帐户，进行后台结算。
2.4 ETC系统中的安全技术
由于在ETC交易过程中需要交换及处理大量的关键数据，比如：付费相关的数据，用户与运营商之间的契约数据，这些数据需要采用严格的措施以防欺诈或泄露秘密，否则一旦被欺诈或泄密，将会影响到用户或运营商的利益。因此，ETC系统中应提供足够的保护措施以防某些特定的威胁。
关于ETC系统应采取的安全技术目前尚无标准进行规定，通过对ETC系统可能存在的安全威胁分析，笔者认为ETC系统应考虑的安全技术包括：
（1） 设计多套密钥体系，一旦一套密钥被攻破，可启用备用密钥；
（2） 所有的OBU及IC卡均一卡一密。这样，一旦某一OBU或IC卡的密钥被攻破，不会影响其他OBU或IC卡的安全性；
（3） 采用安全存储模块（SAM）存放密钥及安全算法，负责ETC交易过程中的安全控制管理；
（4） 合法性认证技术。需要交换信息的对等实体（如IC卡与OBU，OBU与RSU）之间需要进行身份合法性认证；以及对接收到的数据源的身份进行确认；
（5） 访问控制技术。对于系统中某些关键数据的操作，需有一定的权限，防止非授权的操作；
（6） 加密技术。如对传输中的关键数据进行加密，以防泄密；
（7） 完整性技术。保护ETC信息不受修改或删除。
3、ETC技术在我国高速公路收费系统中的应用
3.1 我国高速公路收费系统的特点
这几年，我国高速公路的建设取得了骄人的成绩，许多省（市）高速公路形成了网络，并建成了联网收费系统。高速公路上交通流分布总体呈现出不平衡性，总的来说，目前国内多数高速公路上的交通量需求不迫切，但也存在某些路段或收费口车流量大，引起收费口拥堵的情况。目前，国内各省（市）联网收费多采用封闭式收费制式，采用的收费方式以人工半自动方式为主，ETC技术在高速公路上的应用处于试点和起步阶段。
3.2 ETC在我国高速公路收费系统中的推广应用
ETC收费相对于MTC收费固然有很多优点，但国内高速公路如何发展ETC，分步实施ETC还是全面推广ETC？这要视具体情况而定，关键看ETC能否真正发挥其作用，这依赖于多方面的因素：
一方面，用户需求是否迫切。比如交通量是否达到相当大的程度，即由于MTC收费造成的延误是否使得多数驾驶员无法忍受；在追求时间效益的今天，是否有大量的道路使用者为追求快速、高效而愿意使用ETC车道。
另一方面，运营商是否愿意投资建设ETC车道。ETC车道相对于MTC车道初期投资成本高，系统的维护费用高，但节省了人员费用。对于一些运营商，通常需要综合比较ETC、MTC车道的利用率、成本开支等，以决定是否需要建设ETC车道。
因此，各地在建设ETC时，预先需要对用户需求进行调研，根据实际情况采用合适的ETC发展策略，发展策略的确定将会影响车载单元的选型，影响到路网中ETC与MTC的融合程度。
针对目前我国高速公路网中存在的普遍情况：路网中车流量分布总体呈现不均匀性，多数收费口车流量较少，也存在少数车流量大，特别是一些经济发达地区，开始出现常发性拥挤的收费断面。如果采用全面铺开的发展策略，即每个出入口均设有ETC车道，则将会存在以下问题：ETC系统规模大，一次性投资高，建设周期长，风险大；对于车流量小的断面，需要单独劈出一个ETC专用车道，利用率低，不经济，同时如果没有备份车道，系统的可靠性无法保证。
针对以上问题，ETC建设可采取渐进的发展策略：在少数车流量大的收费断面首先发展ETC，随着需求的增加，逐步增加ETC车道的数量。渐进发展ETC策略对车载单元的选型有特定的要求，要求ETC系统采用双片式电子标签，即IC卡+OBU，该IC卡既可用作电子钱包或帐务卡又可兼作通行券记录入口信息，IC卡既可应用于MTC收费又可应用于ETC收费，通过IC卡载体将MTC及ETC很好地进行了融合。其中，该IC卡的选取最好能结合其他应用领域，比如停车场收费、加油、交通等领域，这样一方面有利于ETC推广应用，另一方面如果可利用已有的IC卡发行结算网络，可降低系统投资。
3、结束语
本文简要介绍了ETC系统的主要技术，探讨了ETC技术在我国高速公路收费系统中的推广应用。
参考文献
[1]ENV 12253: 1997 Road Traffic and Transport Telematics (RTTT), Dedicated Short-Range Communication (DSRC) – Physical Layer using5.8 GHz
[2] ENV12795: 1997 Road Traffic and Transport Telematics (RTTT), Dedicated Short-Range Communication (DSRC) – Data Link Layer
[3] ENV 12834: 1997 Road Traffic and Transport Telematics (RTTT), Dedicated Short-Range Communication (DSRC) - Application Layer
[4]Simple DSRC EFC specification.doc 1999 version7 07.05.1999. OAV/VL. by Q-Free ASA
[5]Specification of interoperable EFC-transaction using central account, based on DSRC. Version ER9_1.3, June 12, 1999 by Alcatel, Combitech, Kapsch, CSSI* |
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