在該車道系統(tǒng)中，車道軟件主要依靠地感線圈、車輛檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，完成車道交易及處理流程。

隨著 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，ETC 車道的使用不斷提高，該車道系統(tǒng)的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)：跟車干擾、通行速度慢、不能**控制欄桿機(jī)等三個(gè)方面，下面詳細(xì)闡述造成這些問(wèn)題的原因。

2.1 跟車干擾

在 ETC 車道系統(tǒng)中，天線通信區(qū)域的長(zhǎng)度通常設(shè)定為 6-8 米，一般小型車的長(zhǎng)度在 4-5 米之間，因此，存在兩車同時(shí)處于通信區(qū)域的情況，當(dāng)前面的車輛為非 ETC 車輛或者為交易失敗的 ETC 車輛而后面 ETC 交易成功時(shí)，車道系統(tǒng)有可能無(wú)法將交易結(jié)果與車輛通行順序一一正確匹配，造成放行前車而攔截后車，即放行非 ETC 車輛或者交易失敗的 ETC 車輛，攔截交易成功的 ETC 車輛，此種情況我們稱之為跟車干擾。

在現(xiàn)有車道系統(tǒng)中，通過(guò)天線與車載電子標(biāo)簽通信，從而喚醒電子標(biāo)簽完成 ET 交易；通過(guò)地感線圈車輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車輛，形成車輛的通行順序隊(duì)列；車道控制軟件將電子標(biāo)簽的喚醒時(shí)序、交易完成時(shí)序、交易完成情況及車輛抓拍信息與車輛通行順序隊(duì)列相結(jié)合并一一匹配，從而形成整體車輛順序隊(duì)列，并根據(jù)此隊(duì)列指令控制欄桿機(jī)的抬桿、落桿、放行、攔截車輛并報(bào)警提示，如果匹配錯(cuò)誤就會(huì)造成跟車干擾。

造成匹配錯(cuò)誤的主要原因有以下兩個(gè)方面。

（1） 地感線圈無(wú)法正確區(qū)分車輛

在現(xiàn)有車道系統(tǒng)中，車道軟件通過(guò)地感線圈車輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車輛，形成車輛的通行順序隊(duì)列。地感線圈通過(guò)車體金屬與線圈電磁感應(yīng)形成輸出控制脈沖信號(hào)識(shí)別車輛， 當(dāng)兩輛車以小于地感線圈橫截面間距通過(guò)地感線圈時(shí)，車體金屬不會(huì)引其起磁通量的變化， 測(cè)量檢測(cè)器就無(wú)法輸出正確的脈沖信號(hào)，即兩車通過(guò)只有一次脈沖信號(hào)，此時(shí)，就會(huì)造成車道軟件的車輛通行順序隊(duì)列錯(cuò)誤。

在 ETC 系統(tǒng)建設(shè)初期，用戶數(shù)量較小，車道使用率不高，車輛可以以較快的速度通過(guò)車道， 此時(shí)，車輛間距較大，基本不會(huì)出現(xiàn)車輛檢測(cè)器無(wú)法正確區(qū)分車輛的問(wèn)題；隨后 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，ETC 車道的使用率不斷提高，在大部分省會(huì)城市的某些 ETC 收費(fèi)道口， 高峰小時(shí)流量已經(jīng)超過(guò)了 1500 輛，此時(shí)，車輛通行速度很低，車輛間距較小，跟車干擾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，已經(jīng)影響到車道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 

（2） 電子標(biāo)簽喚醒靈敏度差異較大

在車道系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中，不同廠商之間的天線與電子標(biāo)簽在兼容與穩(wěn)定性上依然存在一定缺 陷，造成電子標(biāo)簽的喚醒的靈敏度差異較大，不同廠商的天線與電子標(biāo)簽之間交易區(qū)域差距可以達(dá)到 2 米，即使同一廠商的不同電子標(biāo)簽在同樣條件下交易區(qū)域有時(shí)也有 1 米的差距。若將交易區(qū)域做嚴(yán)格控制，會(huì)造成喚醒靈敏度不高的電子標(biāo)簽交易失敗，因此，為了保持系統(tǒng)運(yùn)行的兼容性和交易成功率，通常將交易區(qū)域控制在系統(tǒng)允許的上限，隨著 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，ETC 車道的使用率不斷的提高，跟車干擾問(wèn)題就很突出，極大的增加了車道系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理難度。

（2.2） 通行速度慢

在 ETC 車道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，一般要求車輛平滑通行速度能夠達(dá)到 30KM/h,才能給車輛駕駛?cè)藛T較好較好的用戶體驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求雙片式電子標(biāo)簽的典型交易時(shí)間時(shí)間為 270ms，并且考慮到 ETC 專用車道不能取消欄桿機(jī)的狀態(tài)，交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離要達(dá)到 20 米才能滿足平滑通行速度 30KM/h 的要求。

根據(jù)對(duì)跟車干擾問(wèn)題的分析，跟車干擾現(xiàn)象主要由于在車輛間距較小時(shí)地感線圈無(wú)法正確分車以及不同廠商的天線與電子標(biāo)簽在兼容性與穩(wěn)定性上仍然存在一定缺陷兩個(gè)關(guān)鍵硬件設(shè)備原因造成的，無(wú)法從從車道軟件邏輯上進(jìn)行彌補(bǔ)，在現(xiàn)有條件下，隨著 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，ETC 車道的使用頻率不斷提高，跟車干擾問(wèn)題會(huì)越來(lái)越突出，極大的增加了車道控制系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理難度。

因此，為了降低跟車干擾的問(wèn)題對(duì)車道系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)管理的影響，將交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離壓縮到 8 米，此時(shí)，車輛平滑通行速度僅能夠達(dá)到 10KM/h，用戶體驗(yàn)較差。

（2.3） 不能精準(zhǔn)控制欄桿機(jī)

在現(xiàn)有車道系統(tǒng)中，車道軟件通過(guò)地感線圈車輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車輛，在車輛通過(guò)地感線圈后，控制欄桿機(jī)落桿，隨著 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，ETC 車道的使用頻率不斷提高，這種控制方式的弊端逐漸顯現(xiàn)。

1） 、惡意闖關(guān)逃費(fèi)

為了防止由于線圈磁通量抖動(dòng)造成的欄桿機(jī)錯(cuò)誤落桿砸車現(xiàn)象，地感線圈的橫截面通常設(shè)定較大，也就是說(shuō)當(dāng)兩輛車以間距小于地感線圈橫截面通過(guò)時(shí)，地感線圈就無(wú)法區(qū)分車輛、輸出正確的脈沖信號(hào)，即使系統(tǒng)判斷第二輛車為非 ETC 車輛或交易失敗 ETC 車輛，也無(wú)法在**輛車通過(guò)后發(fā)出落桿指令，從造成第二輛車可以惡意闖關(guān)逃費(fèi)，且 ETC 專用車道一般無(wú)人值守，更為駕駛員惡意闖關(guān)逃費(fèi)帶來(lái)了便利。

2） 、 無(wú)法**檢測(cè)車輛通過(guò)

在主線收費(fèi)站，為了更好的用戶體驗(yàn)，我們加大了交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離，使車輛平滑通過(guò)速度能夠達(dá)到 30KM/h 以上。隨著車輛通行速度的提高，地感線圈車輛檢測(cè)器響應(yīng)速度慢點(diǎn)缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，特別是在多輛交易成功的 ETC 車輛連續(xù)通過(guò)時(shí)，除**輛車外， 后續(xù)車輛的通行速度已經(jīng)超過(guò) 30KM/h 此時(shí)，受響應(yīng)速度的制約，車輛檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到車輛通過(guò)，造成交易成功車輛通過(guò)后，欄桿機(jī)不落桿，此種情況偶有發(fā)生；

3 紅外光柵車輛分離器在 ETC 專用車道系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 紅外光柵車輛分離器的工作原理

紅外光柵車輛分離器的原理是通過(guò)線性排列的紅外光發(fā)射和接收來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的同步掃描，發(fā)射器內(nèi)置線性排列的高能量發(fā)光元件，接收器內(nèi)置與發(fā)射器數(shù) 量相同的接收元件，發(fā)射器和接收器的對(duì)應(yīng)光電元件依次按 順序同步觸發(fā)，形成由多組平行的紅外線光形組成的光幕， 設(shè)備檢測(cè)光路是否導(dǎo)通， 當(dāng)汽車通過(guò)掃描區(qū)域時(shí)，部分或全 部光束被遮擋， 車輛被檢測(cè)出，如圖2 所示[1,3]。

圖 3 紅外光柵、天線通行區(qū)域的布設(shè)方案一

（1） 解決跟車干擾的原理 在本方案中，天線采用常開(kāi)模式，主要通過(guò)電子標(biāo)簽的喚醒與車輛到達(dá)**根紅外光柵的前后時(shí)

序，實(shí)現(xiàn)車輛類型的基本判斷，并將ETC 交易完成情況與車輛通過(guò)**根紅外光柵相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn) ETC 交易結(jié)果與車輛通過(guò)車道順序的一一匹配；為了解決電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異，尤其是處理喚醒速 度較慢的電子標(biāo)簽，因此，設(shè)置了第二根紅外光柵，并結(jié)合天線通信區(qū)域、車輛行駛方向以及車輛經(jīng) 過(guò)光柵的時(shí)序等因素，來(lái)處理電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異。在ETC 交易結(jié)果與車輛通過(guò)車道順序的一 一匹配后，即可形成車道車輛隊(duì)列。

設(shè)置光電開(kāi)關(guān)是為了判斷車輛行駛方向；設(shè)置地感線圈是為了消除人通過(guò)紅外光柵對(duì)系統(tǒng)的影響。

（2） 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：在本方案中，不需要通過(guò)紅外光柵觸發(fā)天線，天線采用常開(kāi)模式，ETC 交易流程只與天線、 電子標(biāo)簽有關(guān)，當(dāng)紅外光柵發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以屏蔽發(fā)生故障的紅外光柵， 然后繼續(xù)使用。

缺點(diǎn)：由于在本方案中，天線采用常開(kāi)模式，因此，該方案無(wú)法支持并排ETC 車道的應(yīng)用。

3.3.1.2 方案二

基于本方案的ETC 專用車道主要應(yīng)用于某市高速公路ETC 三期工程，該車道的設(shè)計(jì)平滑通行速 度為40km/h，紅外光柵、天線通行區(qū)域的布設(shè)方案如圖4 所示。

1）解決跟車干擾的原理

在本方案中，天線采用常閉模式，通行區(qū)域長(zhǎng)度加長(zhǎng)至 8 米，當(dāng)車輛到達(dá)**根紅外光柵后，天 線打開(kāi)；本方案主要通過(guò)電子標(biāo)簽的喚醒情況與車輛通過(guò)**根紅外光柵的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)車輛類型的基 本判斷，并將 ETC 交易完成情況與車輛到達(dá)第二根紅外光柵相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)ETC 交易結(jié)果與車輛通過(guò)車 道順序的一一匹配；在本方案中，設(shè)置了第二根紅外光柵除了解決電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異，尤其是處理喚醒速度較慢的電子標(biāo)簽，其更重要的作用是由于隨著車輛通行速度的增加，ETC交易重試的 次數(shù)必然有所增加，第二根紅外光柵更重要的目的是為了再次觸發(fā)交易，對(duì)交易失敗的電子標(biāo)簽進(jìn)行 交易重試。在ETC 交易結(jié)果與車輛通過(guò)車道順序的一一匹配后，即可形成車道車輛隊(duì)列。

（2） 當(dāng)要達(dá)到車輛平滑通行速度 40km/h 時(shí)，天線交易區(qū)域前端與欄桿機(jī)的距離至少需要達(dá)到20米，此時(shí)，車輛極限通行可以達(dá)到60km/h。

 3.3.3 **控制欄桿機(jī)

3.3.3.1 布設(shè)方案及原理

通過(guò)上文的分析，我們已經(jīng)知道現(xiàn)有車道系統(tǒng)無(wú)法**控制欄桿機(jī)的具體原因，而紅外車輛分離 器恰好可以解決現(xiàn)地感線圈車輛檢測(cè)器存在的問(wèn)題，在將紅外光柵 車輛分離器引入車道系統(tǒng)后，其設(shè)備具體布設(shè)方案如圖5 所示。

圖 5 **控制欄桿機(jī)的設(shè)備布設(shè)方案

在車道系統(tǒng)中，車道軟件通過(guò)紅外光柵車輛分離器的脈沖信號(hào) 區(qū)分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測(cè)器信號(hào)，控制欄桿機(jī)落桿， 其基本處理流程如下。

（1）圈車 輛檢測(cè)器的輸入信號(hào)，同時(shí)保留一個(gè)車道車輛狀態(tài)標(biāo)志 車道軟件不斷輪詢讀取紅外光柵車輛分離器和地感線。

（2） 當(dāng)檢測(cè)到輸入狀態(tài)為：紅外光柵車輛分離器有車、地感線 圈車輛檢測(cè)器有車且車道車輛狀態(tài)標(biāo)志無(wú)車時(shí)，車道軟件置車道車 輛狀態(tài)標(biāo)志為有車。

（3） 當(dāng)檢測(cè)到輸入狀態(tài)為：紅外光柵車輛分離器無(wú)車、且車道 車輛狀態(tài)標(biāo)志有車時(shí)，欄桿機(jī)落桿，車道軟件置車道車輛狀態(tài)標(biāo)志 為有無(wú)車。

（4） 當(dāng)檢測(cè)到紅外光柵車輛分離器輸入信號(hào)有變化，而地感線圈車輛檢測(cè)器輸入信號(hào)無(wú)變化時(shí)，應(yīng)判斷為非車輛通過(guò)，車道軟件 不做任何處理。

3.3.3.2 數(shù)據(jù)分析

      通過(guò)以上的車道軟件邏輯描述，我們知道正確檢測(cè)到車輛到達(dá)和離開(kāi)是**控制欄桿機(jī)落桿的關(guān) 鍵，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)鍵步驟，紅外光柵車輛分離器的響應(yīng)速度和分車能力、地感線圈車輛檢測(cè)器的響應(yīng) 速度是重要技術(shù)指標(biāo)。

             （1）車輛極限通行速度

通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為在通過(guò) ETC 專用車道時(shí)，車速達(dá)到60km/h 已經(jīng)接近極限速度了， 因此，假設(shè)車輛已 60km/h 通過(guò)車道，即每 100ms 通過(guò) 1.6m，按一般小型車長(zhǎng)4 米計(jì)算，其通過(guò)光柵 及地感線圈需要250ms。

（2） 紅外光柵車輛分離器的響應(yīng)速度和分車能力 在車道邏輯中，紅外光柵車輛分離器是核心設(shè)備，其響應(yīng)時(shí)間一般在 10ms，最小分車距離為

100mm，根據(jù)以上兩個(gè)性能參數(shù)并結(jié)合車輛最高通行速度，我們認(rèn)為其能夠滿足應(yīng)用要求。

      （ 3） 地感線圈車輛檢測(cè)器的響應(yīng)速度 在車道邏輯中，地感線圈車輛檢測(cè)器主要用來(lái)判斷車輛是否存在，而不是用來(lái)區(qū)分車輛，在極限

通行速度下，車輛通過(guò)地感線圈需要 250ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般車輛檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，我們認(rèn)為其能夠 滿足應(yīng)用要求。

4 基于紅外光柵車輛分離器的ETC 專用車道系統(tǒng)

 

某市高速公路 ETC 車道系統(tǒng)對(duì)紅外光柵車輛分離器的使用是伴隨著其建設(shè)工程展開(kāi)的，在其二 期建設(shè)工程中**引入紅外光柵車輛分離器，稱之為**代基于紅外光柵的ETC 專用車道系統(tǒng)，車道 布設(shè)方案如圖6 所示。

該車道系統(tǒng)基本解決了跟車干擾問(wèn)題，并將車輛平滑通行速度提高至 30km/h，極限通行速度達(dá)到 40km/h。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，我們發(fā)現(xiàn)了該車道系統(tǒng)的一些不足之處，并在隨后的ETC 三期建設(shè)工程中做了改 進(jìn)、完善，稱之為第二代基于紅外光柵的ETC 專用車道系統(tǒng)，分為欄桿前置和欄桿后置兩種模式：所 謂“欄桿前置”，是指與相鄰的 MTC 車道相比，電動(dòng)欄桿被移到原 MTC 車道島頭的位置，并在欄桿 附近設(shè)置收費(fèi)亭，所謂“欄桿后置”，是指將欄桿設(shè)置在收費(fèi)車道的中后端，與原 MTC 車道一致，不 設(shè)與相鄰 MTC 車道之間連接道，收費(fèi)亭設(shè)置也與原MTC 車道一致，車道布設(shè)方案如圖7 所示。

 

圖 7 某 市三期建設(shè)的高速公路 ETC 車道系統(tǒng)布設(shè)方案

 

該車道系統(tǒng)完全繼承了上一代系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并將車輛平滑通行速度提高至40km/h，極限通行速度 達(dá)到60km/h，還做了如下改進(jìn)：

（1） 通過(guò)紅外光柵車輛分離器的脈沖信號(hào)區(qū)分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測(cè)器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了 欄桿機(jī)的**控制。

（2） 對(duì)于欄桿前置模式，將收費(fèi)亭遷前移至欄桿處，當(dāng)非人為原因造成ETC 車輛交易失敗時(shí)，可 以在本車道人工刷卡通行，不用再通過(guò)連接道轉(zhuǎn)入旁邊的人工車道處理。

（3） 在主線收費(fèi)站的車道采用對(duì)開(kāi)式電動(dòng)欄桿，進(jìn)一步提高欄桿機(jī)的響應(yīng)速度。

       （4） 更換全點(diǎn)陣式費(fèi)額顯示牌，提升人機(jī)交互界面的美觀程度，提升用戶使用感受。 兩代車道系統(tǒng)的主要參數(shù)比較如表1 所示。

 

  表 1 兩代車道系統(tǒng)主要參數(shù)比較

	第二代	第三代
紅外光柵車輛分離器	2 組前置	3 組（兩組前置，一組位于欄桿后方
天線立桿與欄桿距離	7 米	13 米
通信區(qū)域最遠(yuǎn)端與欄桿	15 米	20 米
電動(dòng)欄桿	0.6 秒（單欄桿）	0.3 秒（對(duì)開(kāi)式）
舒適通行速度	30km/h	40km/h
跟車干擾	基本消除	基本消除
不落桿現(xiàn)象	存在	基本消除

 

5 結(jié)束語(yǔ)

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic TollCollection）作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，已成為 提高高速公路管理的科技含量和通行效率的重要手段，它能夠最大限度地緩解收費(fèi)站的交通瓶頸，基 于紅外光柵車輛分離器的ETC 專用車道系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了電動(dòng)欄桿的抬落桿速度，提升了車輛的舒 適通行速度，同時(shí)解決了跟車干擾等問(wèn)題。目前， 該車道系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某市高速公路網(wǎng)的 200 多根 ETC 專用車道，除去人為原因后， 該車道系統(tǒng)交易成功率可以達(dá)到 99.7%，在主線收費(fèi)站，該ETC 專用車道系統(tǒng)的日平均車流量超過(guò)8000 輛，高峰小時(shí)車超過(guò)1000 輛。