高速公路匝道自由流收费系统设计

论 文

作者：何雪宁，赵书丽，陈静瑶(重庆高速公路路网管理有限公司)

随着技术推广，ETC技术在高速公路运营管理中得到广泛应用，成就了庞大的用户群及产业链，稳固和健全ETC生态圈值得继续探索。进一步提升ETC用户体验感，实施ETC用户通行提速、服务提质，是稳固ETC用户群的重要手段，更是高速公路“畅通快车道”的一个重要主题。本文围绕优化ETC用户通行体验，提出基于“匝道预交易+三级诱导+车道验证”技术的高速公路匝道自由流收费系统方案，并在重庆高速公路主线收费站试用，试用效果明显，进一步提升了车道通行效率。

随着ETC的快速普及，全国高速公路通行效率将进一步提升，公路的出行也更加便捷。当前，高速公路联网收费发展依旧面临着大流量收费站点拥堵情况，究其原因，其中一个原因就是ETC用户激增，而单车通行ETC车道效率未提升，且大量ETC车道现场的特情处理阻碍了车道畅通。本项目依托重庆市科技局人工智能试验区第三批重点研发项目——ETC技术在车路协同中的应用开展研究，选取构建高速公路畅通快车道场景，研发高速公路匝道自由流收费系统，并在渝湘高速公路G65巴南收费站进行了应用，车道通行效率取得明显效果。

一

系统总体设计

匝道自由流收费系统以“匝道预交易+三级诱导+车道验证”技术，通过车辆分流、车道效率提升来实现整体站点通行效率的提升，实现ETC交易匝道化。

系统由匝道ETC自由流收费系统、车道收费系统、收费站系统组成。其中，车道收费系统包含ETC车道收费系统、混合车道收费系统、智能自助收费系统，匝道ETC自由流收费系统与车道收费系统配套形成“交易前置、车道验证”的交易模式。

为保障联网收费稳定性、一致性，采取部分新建、部分延用、部分升级改造的方式实施，如图1所示。

图1 匝道自由流收费系统框架图

（一）匝道ETC自由流系统

匝道ETC自由流收费作为车辆驶入高速公路的第一个触发点，在匝道/连接线上设置自由流门架，部署匝道ETC自由流系统、ETC天线模块、高清车牌识别设备、全彩可变情报板及其配套设施设备。匝道ETC自由流系统实现ETC车辆预交易、外设控制、预交易流水生成、交易数据推送、通行车辆智能诱导、交易结果推送、名单校验等功能。ETC天线模块主要负责接收匝道ETC自由流系统软件系统指令，实现与车辆OBU的信息交互。高清车牌识别用于识别通行车辆车牌信息。诱导显示屏用于接收匝道ETC自由流系统交易结果推送信息。

（二）车道收费系统

车道收费系统作为车辆驶入高速公路的第二个触发点，依托收费软件系统，联动ETC天线模块、地感线圈、栏杆机、高清车牌识别等车道外设，完成车辆交易逻辑的处理和车辆通行队列的控制，其中交易逻辑处理包含收费业务处理、外部设备上报消息处理、外设协同控制、交易数据生成和交易数据上传功能。

专用ETC车道收费系统具备ETC前置交易验证功能，车辆进入车道时，通过OBU信息或CPU卡信息读取与验证，实现ETC快速通行，实现匝道ETC自由流系统正常交易后的快速通行；同时具备全流程ETC交易功能，针对匝道ETC自由流系统未交易或交易失败车辆实施普通交易流程。混合车道收费系统及智能自助车道收费系统，在提升车道智能化水平下，进一步优化车辆交易处理逻辑，具备ETC前置交易验证功能、全流程ETC交易功能、非ETC车辆交易功能。

车道ETC交易功能调整如下：获取从匝道ETC自由流系统传递来的预交易信息，对交易失败的、漏交易的车辆重新交易；支持对ETC预交易门架重取TAC成功的车辆需与匝道ETC自由流系统生成的半截流水合并生成一条完整的ETC交易流水；支持ETC交易流水与车道抓拍识别信息整合；对预交易结果进行流水共享查询验证或签卡信息校验验证。

（三）收费站系统

收费站系统，为收费站运营管理提供数据存储、数据接收与转发、钱票卡核销、扎账结算、收费参数接收与转发、收费站与收费车道基础数据管理等功能。在此基础上，提供匝道ETC自由流系统管理、收费参数下发、交易数据统计及查询、流水与图片匹配分析等功能。

二

分级诱导设计

除交易前置、车道验证功能外，匝道自由流的另一个主要功能是实现收费站前ETC车辆分流诱导和货运车辆分流诱导。ETC车辆分流诱导用于分流ETC预交易失败车辆和交易成功车辆，使预交易失败车辆提前获知交易情况，并诱导其驶入混合收费车道。

通过联动匝道ETC自由流系统、车道收费系统、车牌识别，以LED诱导屏为载体，以后数据融合与数据流转为基础，设计显示区域设置接口、文字信息显示接口、清屏接口、亮度控制接口等，实现车道级秩序灵活管控。信息发布以三级诱导设计，如表1所示。三级诱导布局示意如图2所示，显示示意如图3所示。

表1 信息发布诱导分级

图2 收费站三级诱导布局示意图

图3 一、二级诱导显示示意图

三

特情处理设计

针对匝道ETC自由流系统，业务功能几乎包含了除生成入出口车道交易流水及栏杆机控制外的全流程ETC交易功能。因此，特情处理保留了ETC交易失败的所有情况。交易失败的处理方式，是由匝道ETC自由流系统发布诱导信息，以分级诱导显示屏向车方提供通行车道的最优行驶方案。

针对货车ETC的处理，匝道ETC自由流系统提供了相应的数据接口，匝道自由流门架之前如加装了不停车称重装置，匝道ETC自由流系统将在货车ETC交易时验证称重数据情况。如有有效计重数据，则货车可直接驶入收费车道；如无有效计重数据，则发布诱导信息，分诱导显示屏诱导提示车方驶入称重车道，并再驶入收费车道时，进入全流程ETC交易。特情情况处理如表2所示。

表2 特情类型及系统处理

四

外场设备布局设计

匝道ETC自由流收费系统外场设备由主要由预交易龙门架、路侧单元（RSU）天线、天线控制器、车牌图像识别一体机、补光灯、工业控制机、高清车牌识别设备、诱导显示屏及附属设施等组成，如图4、5所示。

图4 匝道自由流外场设施平面图

图5 匝道ETC门架设备布置图

关于自由流门架选址，考虑以下因素：入口匝道ETC自由流交易门架布设在收费站入口外广场，出口自由流交易门架部署在收费站内广场；预交易门架应与收费广场应保持合适距离，以防天线交易干扰；预交易门架尽量避开弯道，以最大限度发挥天线交易效率。对于交通流量较大且有强烈需求点，但无足够直线距离，通过调整天线角度适应；应根据布设道路限速对预交易门架与诱导显示屏的距离进行相应调整；预交易门架和诱导显示屏选点应尽量布设在路基段，避开高压线、雷击区、地质危险路段、事故多发路段等。

五

传输设计

通信传输上，考虑尽可能简化网络复杂度，将匝道ETC自由流门架视为等同收费车道，直接接入收费站，如图6所示。

图6 联网收费通信传输网络架构示意图

数据传输上，在原有车道系统、站级系统、省级系统、部级系统的传输基础上，扩充匝道自由流相关系统的数据接入，如图7所示。匝道ETC自由流收费系统与OBU交互，产生的预交易数据同时发送至收费站级系统、车道系统，并根据交易情况将需要诱导的车辆信息发送至诱导显示屏。站级系统实时接收匝道自由流系统交易数据，对数据进行存储与流转。车道收费系统，实时接收匝道自由流交易数据，用于进行交易验证及诱导信息发布。

图7 匝道自由流交易数据传输流程图

六

匝道预交易与车道验证服务流程设计

（一）匝道自由流交易流程

车辆驶入高速公路，先进入匝道自由流交易流程，通过读取卡签信息，依次判断是否为ETC用户、标签有效性、是否为重复交易等，生成预交易流程或记入特情，完成预交易流程。

匝道自由流系统功能设计如下：具备双片式OBU、单片式OBU交易处理及信息写入；具备ETC车辆自动检测及信息识别；具备收费参数接收与更新；在满足ETC客车通行基础上，入口支持ETC货车通行交易及称重数据校验，具备实时接收入口称重系统检测数据；入口代收收费站的匝道自由流系统及出口匝道自由流系统，具备费率接收、更新、通行费计算功能；具备按日合计数处理能力；具备流水生成、特情记录；通行记录、交易流水、交易日志、图片等相关数据实时上传至收费站；具备关键设备连接状态、参数状态运行监测功能；具备状态名单判断功能；针对交易失败的ETC车辆，具备信息诱导功能；具备车牌抓拍获取、去重处理，形成车牌识别流水记录；具备PSAM在线验证功能；时针同步功能。

（二）匝道自由流-ETC车道交易流程

通过匝道自由流门架后车辆驶入ETC车道时，预交易系统根据交易情况，进行数据诱导信息推送，实现车辆分流；ETC车道根据预交易情况进行预交易验证或进入二次全流程交易，交易流程如图8所示。

图8 匝道（出入口）ETC自由流交易流程图

在功能设计上，车道除增加预交易验证外，保留原有ETC车道所有功能。

（三）匝道自由流-智能自助收费车道交易流程

车辆驶入智能自助收费车道后，以线圈触发进入ETC交易验证或二次全流程ETC交易或自助交易流程。若当前驶入的为ETC车辆，且预交易成功，则进入交易则直接经交易验证后抬杆放行；若当前驶入的为ETC车辆，预交易失败，则进入ETC交易全流程，其中，若交易失败则诱导进入自助交易流程；若当前驶入车辆为非ETC车辆，则直接进入自助交易流程。

在功能设计上，车道除增加预交易验证外，保留原有智能自助收费车道所有功能。

七

系统应用效果

目前，重庆高速公路智慧收费站已经在G65巴南收费站、G5013科学城站示范应用，应用效果突显。

（一）车道通行效率提升

采用交易前置、车道验证的匝道自由流收费系统建设，大大提升了ETC车道的通行效率，单车通过ETC车道交易时长大幅下降。

匝道自由流搭配智能自助收费，实现了车道提智、非ETC提速、ETC提速的三重提升效应。基于移动支付+通行费电子发票智能自助收费系统应用，节省了找零与发票打印时间，而预交易验证功能的加持，实现了混合车道ETC交易时长的大幅下降。

（二）车道安全系数提升

匝道自由流建立的诱导机制，在驶入高速公路收费车道前就已完成了三次通行诱导，尽早地调度了车流分配，减少了无法正常交易的ETC车辆在专用ETC车道倒车等情况，减少了收费车道人员现场指挥情况，提升了车道单次交易成功率。

八

结束语

本项目提出的实施匝道自由流建设，为从用户出行侧针对以上目标提供了合理的解决方案，根据试用站点运行情况来看，在保障ETC用户畅通出行上突显成效。

当下，单一技术已愈发难以满足越来越丰富的用户需要、用户体验，通行服务从纵向技术发展向纵横全域扩张，多技术融合时代悄然来临。高速公路窗口服务及运营管理，应考虑突破传统模式、构建新场景，打造技术融合型站点运营管理模式和窗口服务模式。下一步，依托智慧车载装载设备，实现终端式服务用户触达，进一步提升用户体验，也是可持续探索的领域。

参考文献

[1] 陈静瑶,何雪宁.高速公路智能自助无人收费系统[J].中国交通信息化,2023(2):83-85.

[2] 叶俊,贾训,傅志明.高速公路标准化、数字化、智能化收费站建设探究[J].中国交通信息化,2022(12):104-108.

（原文刊载于2023年第7期《中国交通信息化》）

END