取消高速公路省界收费站ETC门架系统RSU天线冗余设置研究

李奇峰

（广东联合电子服务股份有限公司，广州510610）

1 引言

2019 年5 月，国务院办公厅印发《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》，交通运输部紧跟印发《取消高速公路省界收费站总体技术方案》[1]（交办公路函〔2019〕320 号），明确“实现电子不停车收费（ETC）、辅以车牌图像识别、多种支付手段融合应用”的技术路径，用以指导取消高速公路省界收费站相关工作开展。ETC 门架系统作为总体技术方案支撑不停车快捷收费的核心关键，应考虑ETC 门架关键设备（RSU、车牌图像识别设备等）的冗余设置。

为贯彻落实国务院和交通运输部的决策部署，广东省启动了ETC 门架RSU 天线的冗余设置模式研究。主要研究内容有以下4 个方面：

1）广东RSU 天线微波通信参数指标调研分析；

2）广东RSU 天线自由流交易成功率调研分析；

3）ETC 门架系统RSU 天线冗余方案研究；

4）研究结论。

2 指导思想及研究目标

2.1 指导思想

坚持以交通运输发展战略需求为导向，以高速公路机电工程为依托，以构建广东省高速公路交通运输体系为重点，从广东省高速公路收费系统现状出发，深入分析、总结管理部门存在的需求，构建完善的收费系统架构，明确工程建设的目标与主要任务；充分借鉴取消省界收费站试点省份的建设经验，以融合成熟信息技术为基础，在充分考虑可承受的成本前提下，紧紧围绕“以人为本”的建设和服务理念，以需求为导向。

2.2 研究目标

ETC 门架系统是取消高速公路省界收费站任务的主要实施工程，其工程的完成度直接影响整个任务的完成情况，为更好地完成国务院、交通运输部、广东省政府下达的任务，开展本项目研究，为全省提供ETC 门架系统关键性设备的RSU 天线冗余设置方案，确保ETC 门架系统安全、畅通、高效地发挥作用。

3 广东省ETC门架系统RSU天线冗余设置方案研究

按总体技术方案要求，RSU 是ETC 门架系统的关键设备之一，需要进行冗余设置，当主设备发生故障时，备用设备应立即启用工作。

3.1 RSU天线场强测试

1）测试思路及方法。微波场强无法直接测定，可利用专业仪器仪表从微波电场的几个方面进行点阵式+线性采集相关数据，然后通过计算公式得出场强数值。参照行业检测机构的相关规程，测试方法针对性做了简化。高空作业车把测试RSU天线样本距离地面净空630mm，如图1 所示，清空天线微波发射角度对应地面并标线距离（横向575mm，纵向4000mm），等分切割为小格区域并标记，采用“米”字形态对微波地面辐射区域进行专业仪器Agilent Spectrum Analyzer（安捷伦频谱分析仪）采集标定测试数据，然后整理形成RSU 天线样本的一幅平面微波电场指标图，如图2 所示。

图1 RSU天线场强测试高空车装备实景

图2 样本RSU天线A场强测试结果平面微波电场指标图

2）测试样本。现场测试了3 个DSRC 设备厂家提供的广东省内高速公路3 款通用RSU 天线。

3）RSU 天线设备布设指标。净空高度630mm，天线角度45°～78°，发射功率15～21dBm。

4）测试结果。3 款样本RSU 天线现场测试数据显示，天线悬空630mm 状态下，微波可实现横向覆盖区域5.75m，纵向覆盖区域40m，天线垂直正下方信号最弱时-70dBm。

RSU 天线微波场强研究分析结论：

3 个DSRC 设备厂家所提供的3 款RSU 天线样本，结合产品自身特性，至少可以满足横向1.5 个车道，纵向35m 区域内的ETC 车辆交易需求。

3.2 RSU天线ETC电子标签（OBU）捕获率、交易成功率测试

为更深入实际，技术专项研究组开展了自由流虚拟站试点测试工作。通过试点项目实现对系统方案、软件功能、设备选型及系统安装调试等各方面应用进行综合评估，以提供参考意见。

1）场地选点及断面特点。综合考虑收费场景条件，分别选取广珠西线高速公路南丫主线ETC 自由流（如图3 所示，简称南丫主线ETC 自由流）和京珠北高速公路粤北省界主线ETC自由流预交易点（如图4 所示，简称粤北省界ETC 自由流）开展ETC 门架系统试点研究工作。

图3 南丫主线ETC自由流实况

南丫主线ETC 自由流断面特点为车道为“3+1”（3 条行车道，1 条应急车道）模式，限速100km/h。

图4 粤北省界ETC自由流实况

粤北省界ETC 自由流断面特点为车道为“4+1”（4 条行车道，1 条应急车道）模式，限速120km/h。

2）断面技术验证方法。南丫主线ETC 自由流断面模拟ETC 门架分段式计费采用0 元扣费方式；粤北省界主线ETC自由流断面采用实际路径还原精确收费预交易方案。

3）数据统计时段。南丫主线ETC 自由流系统数据统计时段为2019 年5 月21 日0 时0 分～2019 年6 月10 日24 时60分，粤北省界ETC 自由流系统数据统计时段为2019 年5 月18 日0 时0 分～2019 年6 月10 日24 时60 分。

4）统计计算公式：

式中，用户异常流水数量包括：未插卡、非有效卡、OBU 拆卸、OBU 超出有效期。

注：仅收费站获取的OBU 数量，是指在门架系统未读到、但在出口收费站读到的OBU 数（由于MTC 车道未装OBU 识别设备，出口收费站读到的OBU 数量仅统计ETC 车道OBU 数量）。

5）测试统计结果：

经统计并分析粤北省界47516 车次、南丫主线409406 车次的交易数据，2 个ETC 自由流断面OBU 捕获率均达到99.8%以上。南丫主线交易成功率超过99.5%；粤北省界“交易未完成离开”及“写ETC 卡文件出错”车辆较多，交易成功率仅96.2%。

进一步分析，影响粤北省界ETC 自由流测试断面交易成功率的因素主要有3 点：（1）断面的车速较高。在同样的RSU天线微波覆盖区域范围内，客观导致粤北省界ETC 自由流RSU天线与ETC 车辆OBU 通信交互时间窗口时长小，一定程度上影响了交易成功率。（2）断面采用实际路径还原精确收费预交易模式进行测试，客观上增加了车辆实际通行路径还原和精确费率计算等环节的系统耗时（据不完全统计约50ms），该部分耗时在微波通信区域和车辆高速通行等有限条件下，一定程度上提高了该断面ETC 交易成功的技术要求和指标，进而影响到整体交易成功率。（3）客观存在部分省份OBU 产品在质量、性能上的指标低于广东本省发行的产品相关要求，粤北省界ETC 自由流断面处于广东与湖南两省交界处，其断面经驶的外省ETC 车辆数量占比总车流较高，一定程度上影响到整体交易成功率。

3.3 RSU 冗余设置研究

3.3.1 方案一：硬件double 冗余

每车道设置2 个RSU，1 主1 备。RSU 有发射接收状态检测，2 台控制器互为主备连接在一起（见图5）。当主设备发现有天线报故障，即可切换至备机工作。

3.3.2 方案二：硬件互为备份冗余

每车道设置1 个RSU。结合RSU 产品自身特性及RSU 天线样本数据，每个RSU 至少可以满足横向1.5 个车道（见图

6）。当一个天线发生故障时，可通过相邻车道天线实现对天线损坏车道的覆盖，实现冗余。

3.3.3 小结

方案一冗余性能好，保证正常交易成功率高，但工程造价高。

方案二造价低，冗余性能相比方案一略差，但基本满足冗余需求。

图5 RSU天线硬件doubl e 冗余示意图

图6 RSU天线硬件互为备份冗余示意图

建议采用方案二，根据高速公路服务水平进行RSU 冗余设置，服务水平小于或等于四级时，按每车道1 台RSU 设置，进行互备。服务水平达到五级的路段在最内侧超车道额外增设1 台RSU，作为冗余补充。

4 结语

根据目前各厂家RSU 指标的基本情况，以及目前根据交通运输部所规定的基本参数要求，RSU 天线均具备和满足1.5个车道的微波通信区域覆盖，门架RSU 天线均采用分时时序工作模式，相邻RSU 天线彼此已经形成了一定程度的互为冗余设备。为了保障RSU 在单点故障情况下的交易成功率，建议可对于流量较大的路段，在超车道和快车道之间加装1 套RSU 天线，可实现车道RSU 天线故障时的系统冗余，且较为经济。

在《高速公路ETC 门架系统技术要求》[2]（交办公路函〔2019〕856 号）中明确RSU 与车牌识别技术已经互为系统冗余情况下，单点设备故障所造成的通行费损失与工程建设费用比较，单点设备冗余经济性也明显缺乏。