基于ETC的车路协同系统应用研究

韦燕宁 李东毅 董玉朕

摘要：文章以交通强国建设试点项目南宁沙井至吴圩高速公路为例，分析基于ETC的车路协同系统的应用与实践。建设车路协同系统是提高路网运行安全、效率及服务品质的重要手段；取消省界收费站工程中建设的ETC门架系统、网络安全设备、供电及通信链路资源可为采用DSRC技术的车路协同系统提供部分基础设施。该技术路径具有成本低、效率高、易推广的特点。

关键词：车路协同，ETC，DSRC，高速公路

中图分类号：U495A561882

0引言

我国取消高速公路省界收费站之后，民众出行的时效性和便利度大幅提升，全国初步形成了“一张网运营、一体化服务”的新兴格局。截至2022年6月，我国ETC办理用户量超过2.3亿人，建成ETC门架约2.83万套，ETC专用车道约3.5万条，占收费车道数量的45%左右，ETC交易比例约占高速公路出口收费交易量的66%。

针对初具规模的采用ETC技术的高速公路联网收费系统，交通运输部持续出台相关文件，要求推进收费系统优化升级。《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》将深化高速公路ETC门架应用、推动车路协同等设施建设和丰富车路协同应用场景作为智能公路建设的主要任务；《加快推进高速公路联网收费系统优化升级实施方案》和《关于深入开展ETC服务提升工作的通知》要求优化完善收费系统，提升高速公路通行效率和服务质量。

智慧公路建设是提升出行服务品质的重要手段，一般采用LTE-V、5G、DSRC等通信标准。其中，LTE-V2X和5G-V2X方案在道路基础设施建设和用户保有量方面尚未能形成商用规模，而取消高速公路省界收费站工程中建设的ETC门架系统、网络安全系统、供电及通信链路资源可为采用DSRC技术的车路协同系统提供便利［1］。因此，将基于ETC的车路协同系统作为过渡时期方案，具有成本低、效率高、基础广的优势。本文以南宁沙井至吴圩高速公路为例，研究基于ETC的车路协同系统的应用与实践。

1系统总体框架

基于ETC的车路协同系统是充分利用收费系统ETC门架和智慧高速路侧感知设备，并在路段关键点位部署路侧通信设施，通过整合高速公路收费、监控、养护、出行服务等跨系统资源，挖掘和提取交通事件，使用ETC门架的RSU天线为常规ETC用户及智能OBU用户提供信息服务。

基于ETC的车路协同系统由“车端-路侧-中心端”三部分构成。车端采用车载单元OBU作为车路协同信息接收、解析、交互装置，主要类型包括常规OBU和智能前装OBU。常规OBU是指通过电池供电的OBU或仅支持收费业务的机动车选装OBU，可通过蜂鸣器对用户进行告警和提示［2］。智能前装OBU则可接入机动车CAN总线、T-box等系统，与汽车电子设备交互后，进行语音、文字、地图提示，可具备车路通信和电子支付能力。路侧设备主要包括收费系统设置的ETC门架设施和在关键点位部署的基础设施：（1）对ETC门架软件进行技术升级和物理层拓展，依托RSU天线与OBU的双向通信，作为车路协同的信息传输通道，以支持路侧事件信息发布；（2）通过在分合流等重点区域部署路侧设施，形成更广泛覆盖的ETC信息服务网络。中心端通过融合车路协同外场数据、收费系统数据、监控系统數据等多源数据，实现事件分析及路段跨节点调度等功能，提升信息服务精细化水平。

2系统设计方案

2.1数据融合方案

为了拓展车路协同系统的信息源，为用户提供更加丰富的出行服务，需将收费、监控、通信、养护等系统的数据进行融合。路段分中心的监控、收费、通信设施通过以太网交换机和安全设备隔离区域，分别设置网络安全设备区、外联区、数据脱敏区等。收费和称重检测等数据需要根据敏感性程度进行完全脱敏或泛化脱敏处理，再输出到数据库交互使用。同时，针对不同系统的数据设置安全管理域，制定病毒防范、更新升级策略，在各分区均部署边界防火墙，实现各分区与核心区相连。在优化配置资源和控制网络安全设备成本的基础上，实现信息融合和数据打通，并构建数据即服务（DaaS）平台进一步实现数据建模分析，发布预测预警信息，辅助收费稽查，增强运、管、养联动能力。

2.2云端建设方案

在路段云平台部署车路协同系统业务，同时预留其与省级及部级云平台数据共享、业务连通的能力。业务方面主要包括以下子系统：出行服务决策子系统、协同调度子系统、设备运维子系统、安全管理子系统。

出行服务决策子系统对路侧采集的交通事件及第三方平台数据进行实时分析，形成管控、安全、服务三种类型的后台决策，再根据车路协同的不同应用场景，为出行者提供拥堵、逆行、事故、抛洒、施工等事件通知服务。

协同调度子系统通过多源数据融合技术，判别全路段交通势态感知结果，结合交通事件的影响范围和程度，制定业务精准调度策略。依据设备拓扑网络，按照事故属性，向指定RSU覆盖范围内的车辆提供车路协同服务，实现事件的协同调度、精准推送。

设备运维子系统对路段内的车路协同设备（边缘计算节点、高清摄像机、毫米波雷达、RSU天线、气象设备等）进行监测及运维管理，具体功能包括：版本管理、系统配置、日志管理、用户告警、诊断测试、运行状态监测等。当设备出现故障时，路段云平台可发出预警，通过预先设置的管理策略或人工指派的方式，指派运维人员前往维修。维修结果可及时反馈至车路协同云平台，保障系统持续正常运转。

安全管理子系统为车辆和路侧设备提供安全证书，可降低车路协同系统通信中面临的消息虚假、伪造、篡改等风险，进一步保障车路协同信息的真实性、完整性和隐私性，为实现多种车路协同应用场景奠定基础。

2.3路侧感知系统

基于ETC的车路协同系统可充分利用智慧公路等专项工程中建设的路侧感知设备，通过在路侧布设覆盖路段的视频摄像机、毫米波雷达及各类传感器，构建多维度交通运行数字化感知网络。

以南宁沙井至吴圩高速公路的枢纽互通分合流区域为例进行说明，设置高清摄像机、毫米波雷达和边缘计算节点，用于感知分合流关键点位的全息环境信息；分流区和合流区实现视频监控全覆盖，可重点分析互通分合流端部前后各100 m范围内的交通事件；通过路侧边缘计算节点实现路侧感知数据的汇聚融合、路网数字化交通事件识别，并与路侧设备及云端平台实时通信，协同处理信息发布及上报业务。

2.4信息发布系统

ETC门架系统可基于现有设备，在不影响收费交易的情况下，通过在天线控制器升级ETC车路协同应用协议，实现ETC车路协同通信，以增加事件发布功能。此外，在其他路段区域新增的ETC门架系统可采用多波束定向天线及相应的天线控制器，实现ETC车路协同信息的上传下达。上述两种方式均可结合道路可变情报板、服务区信息查询终端等设施，实现面向交通安全、管控和出行服务的车路协同信息发布。

在用户交互方面，常规OBU接收车路协同系统下发的指令后，通过蜂鸣器报警提示用户在路段前方出现特殊交通事件，需要注意驾驶环境。智能OBU则可对ETC信息指令进行解析，综合采用语音播报、图文标识、地图显示等方式与用户信息交互。除了结合第三方应用软件在汽车驾驶面板和手机界面进行信息联动，平视显示系统（HUD）也是辅助支持ETC车路协同系统的一种良好的应用拓展，有助于提示重要驾驶信息，保障车辆行驶的安全和效率。

在信息交互方面，RSU天线与常规OBU的信息下发遵循《电子收费专用短程通信》（GB/T 20851-2019）标准的技术要求。根据应用场景的不同，RSU天线与智能OBU之间采用信息广播、专用链路或ETC交易链路方式发布车路协同信息。车端、路侧和云端的信息交互流程如图1所示。

在应用场景方面，基于ETC的车路协同系统可提供交通管控、驾驶安全、出行服务类车路协同信息服务。典型应用场景包括道路施工示意、封路管控引导、交通事故提醒、前方拥堵提醒、违规占道提醒、危险道路状况警示、恶劣天气提醒、异常停车提醒、匝道分合流碰撞预警、事故多发告警、服务区信息引导等。

3沙吴高速公路系统应用

3.1快速构建车路协同体系

沙吴高速公路的车路协同设备布设原则及位置如图2所示。经过取消高速公路省界收费站工程，全国已初步建成了覆蓋高速公路网的信息采集、网络传输、智能 化基础设施和用户体系。项目经验表明基于ETC系统有助于快速部署车路协同应用。

3.2支撑高速公路管控决策

在传统的高速公路管理体系中，监控系统、收费系统、养护系统之间存在着信息壁垒。沙吴高速公路通过建设基于ETC的车路协同系统，设计打通收费、监控等系统的隔阂，以实现多源数据融合，为高速公路运营管理者的管控决策提供数据支撑，可主动实现需求管理、交通管控、应急指挥等应用，提高了管理运营的智能化、科学化水平。

3.3提供伴随式出行服务

沙吴高速公路部署ETC路侧设施及云平台，形成广泛覆盖的ETC信息服务网络，提供伴随式、精细化的出行信息服务。项目测试验证了高速公路行驶车辆可在ETC门架完成计费流程的同时，准确接收路侧天线发布的车路协同服务信息，且与路况信息吻合，减少了驾驶人的信息差，增强了出行者的服务体验。

4结语

加快推进全国高速公路联网收费系统优化升级，持续提升高速公路出行效率和服务品质，是一项重要的任务。基于ETC的车路协同系统可充分利用取消高速公路省界收费站工程建设的道路基础设施及设备，丰富全国公路伴随式出行服务体系，提升高速公路营运管养服务水平。

参考文献

［1］周兰孙，郑豆豆.基于高速公路ETC门架收费设施的车路协同系统探讨［J］.中国交通信息化，2020（11）：99-101.

［2］刘旭，谷岩.浅谈车路协同在高速公路运营服务中的应用［J］.中国交通信息化，2021（9）：39-40.

基金项目：广西重点研发计划“智慧高速车路一体技术研究与示范项目”（编号：桂科AB21196008）

作者简介：韦燕宁（1993—），硕士，工程师，主要从事智能交通设计咨询工作。