在該車道系統(tǒng)中，車道軟件主要依靠地感線圈、車輛檢測器，實現(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，ETC 車道的使用不斷提高，該車道系統(tǒng)的問題逐步顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)：跟車干擾、通行速度慢、不能**控制欄桿機(jī)等三個方面，下面詳細(xì)闡述造成這些問題的原因。

2.1 跟車干擾

在 ETC 車道系統(tǒng)中，天線通信區(qū)域的長度通常設(shè)定為 6-8 米，一般小型車的長度在 4-5 米之間，因此，存在兩車同時處于通信區(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，車道系統(tǒng)有可能無法將交易結(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；通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區(qū)分車輛，形成車輛的通行順序隊列；車道控制軟件將電子標(biāo)簽的喚醒時序、交易完成時序、交易完成情況及車輛抓拍信息與車輛通行順序隊列相結(jié)合并一一匹配，從而形成整體車輛順序隊列，并根據(jù)此隊列指令控制欄桿機(jī)的抬桿、落桿、放行、攔截車輛并報警提示，如果匹配錯誤就會造成跟車干擾。

造成匹配錯誤的主要原因有以下兩個方面。

（1） 地感線圈無法正確區(qū)分車輛

在現(xiàn)有車道系統(tǒng)中，車道軟件通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區(qū)分車輛，形成車輛的通行順序隊列。地感線圈通過車體金屬與線圈電磁感應(yīng)形成輸出控制脈沖信號識別車輛， 當(dāng)兩輛車以小于地感線圈橫截面間距通過地感線圈時，車體金屬不會引其起磁通量的變化， 測量檢測器就無法輸出正確的脈沖信號，即兩車通過只有一次脈沖信號，此時，就會造成車道軟件的車輛通行順序隊列錯誤。

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車道， 此時，車輛間距較大，基本不會出現(xiàn)車輛檢測器無法正確區(qū)分車輛的問題；隨后 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長，ETC 車道的使用率不斷提高，在大部分省會城市的某些 ETC 收費(fèi)道口， 高峰小時流量已經(jīng)超過了 1500 輛，此時，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)域有時也有 1 米的差距。若將交易區(qū)域做嚴(yán)格控制，會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，ETC 車道的使用率不斷的提高，跟車干擾問題就很突出，極大的增加了車道系統(tǒng)的運(yùn)營管理難度。

（2.2） 通行速度慢

在 ETC 車道系統(tǒng)實際運(yùn)營中，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。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求雙片式電子標(biāo)簽的典型交易時間時間為 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)對跟車干擾問題的分析，跟車干擾現(xiàn)象主要由于在車輛間距較小時地感線圈無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關(guān)鍵硬件設(shè)備原因造成的，無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，ETC 車道的使用頻率不斷提高，跟車干擾問題會越來越突出，極大的增加了車道控制系統(tǒng)運(yùn)營管理難度。

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

（2.3） 不能精準(zhǔn)控制欄桿機(jī)

在現(xiàn)有車道系統(tǒng)中，車道軟件通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區(qū)分車輛，在車輛通過地感線圈后，控制欄桿機(jī)落桿，隨著 ETC 用戶及交易數(shù)量的不斷增長，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造成的欄桿機(jī)錯誤落桿砸車現(xiàn)象，地感線圈的橫截面通常設(shè)定較大，也就是說當(dāng)兩輛車以間距小于地感線圈橫截面通過時，地感線圈就無法區(qū)分車輛、輸出正確的脈沖信號，即使系統(tǒng)判斷第二輛車為非 ETC 車輛或交易失敗 ETC 車輛，也無法在**輛車通過后發(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 專用車道一般無人值守，更為駕駛員惡意闖關(guān)逃費(fèi)帶來了便利。

2） 、 無法**檢測車輛通過

在主線收費(fèi)站，為了更好的用戶體驗，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，地感線圈車輛檢測器響應(yīng)速度慢點缺點逐漸顯現(xiàn)，特別是在多輛交易成功的 ETC 車輛連續(xù)通過時，除**輛車外， 后續(xù)車輛的通行速度已經(jīng)超過 30KM/h 此時，受響應(yīng)速度的制約，車輛檢測器無法檢測到車輛通過，造成交易成功車輛通過后，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線性排列的紅外光發(fā)射和接收來實現(xiàn)對車輛的同步掃描，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)備檢測光路是否導(dǎo)通， 當(dāng)汽車通過掃描區(qū)域時，部分或全 部光束被遮擋， 車輛被檢測出，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，天線采用常開模式，主要通過電子標(biāo)簽的喚醒與車輛到達(dá)**根紅外光柵的前后時

序，實現(xiàn)車輛類型的基本判斷，并將ETC 交易完成情況與車輛通過**根紅外光柵相結(jié)合， 實現(xiàn) ETC 交易結(jié)果與車輛通過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) 過光柵的時序等因素，來處理電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異。在ETC 交易結(jié)果與車輛通過車道順序的一 一匹配后，即可形成車道車輛隊列。

設(shè)置光電開關(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紅外光柵對系統(tǒng)的影響。

（2） 優(yōu)缺點

優(yōu)點：在本方案中，不需要通過紅外光柵觸發(fā)天線，天線采用常開模式，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，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：由于在本方案中，天線采用常開模式，因此，該方案無法支持并排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)域長度加長至 8 米，當(dāng)車輛到達(dá)**根紅外光柵后，天 線打開；本方案主要通過電子標(biāo)簽的喚醒情況與車輛通過**根紅外光柵的時序，實現(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，實現(xiàn)ETC 交易結(jié)果與車輛通過車 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)果與車輛通過車道順序的一一匹配后，即可形成車道車輛隊列。

（2） 當(dāng)要達(dá)到車輛平滑通行速度 40km/h 時，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，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

通過上文的分析，我們已經(jīng)知道現(xiàn)有車道系統(tǒng)無法**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)地感線圈車輛檢測器存在的問題，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，車道軟件通過紅外光柵車輛分離器的脈沖信號 區(qū)分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測器信號，控制欄桿機(jī)落桿， 其基本處理流程如下。

（1）圈車 輛檢測器的輸入信號，同時保留一個車道車輛狀態(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 圈車輛檢測器有車且車道車輛狀態(tài)標(biāo)志無車時，車道軟件置車道車 輛狀態(tài)標(biāo)志為有車。

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

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

3.3.3.2 數(shù)據(jù)分析

      通過以上的車道軟件邏輯描述，我們知道正確檢測到車輛到達(dá)和離開是**控制欄桿機(jī)落桿的關(guān) 鍵，要實現(xiàn)這個關(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

通過大量測試數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為在通過 ETC 專用車道時，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 通過車道，即每 100ms 通過 1.6m，按一般小型車長4 米計算，其通過光柵 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)時間一般在 10ms，最小分車距離為

100mm，根據(jù)以上兩個性能參數(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） 地感線圈車輛檢測器的響應(yīng)速度 在車道邏輯中，地感線圈車輛檢測器主要用來判斷車輛是否存在，而不是用來區(qū)分車輛，在極限

通行速度下，車輛通過地感線圈需要 250ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般車輛檢測器的響應(yīng)時間，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)對紅外光柵車輛分離器的使用是伴隨著其建設(shè)工程展開的，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。

在實際運(yùn)營中，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，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） 通過紅外光柵車輛分離器的脈沖信號區(qū)分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測器信號，實現(xiàn)了 欄桿機(jī)的**控制。

（2） 對于欄桿前置模式，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，可 以在本車道人工刷卡通行，不用再通過連接道轉(zhuǎn)入旁邊的人工車道處理。

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

       （4） 更換全點陣式費(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
電動欄桿	0.6 秒（單欄桿）	0.3 秒（對開式）
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

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)一步提升了電動欄桿的抬落桿速度，提升了車輛的舒 適通行速度，同時解決了跟車干擾等問題。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8000 輛，高峰小時車超過1000 輛。