基于紅外車輛分離光柵的 ETC 專用車道系統
李忠洋
深圳市同創機電一體化技術有限公司
摘 要：本文先總結一下傳統 EYC 專用車道系統，在實際運行中存在的跟車干擾、通行速度慢等問題，分析造成上述問題的原因；然后，根據紅外車輛分離光柵的工作原理，闡述解決上述問題的方案；最后闡述基于紅外車輛分離光柵的 ETC 專用車道系統的設計方案。
關鍵詞：ETC 車道系統； 跟車干擾、收費效率提速；紅外車輛分離光柵
注：紅外車輛分離光柵=紅外車輛分離器（含保護罩）
1 引言
電子不停車收費系統（Elcctronic Toll Collcction)作為智能交通系統的一個重要組成部分， 已成為提高高速公路交通管理通行效率的重要手段。它能夠最大限度地緩解收費站的交通瓶頸，避免因收費效率低下而引起的交通堵塞和車輛延誤，達到了高速公路通行快速、便捷的目的。
某市高速公路 ETC 系統自 2010 年初開始建設，經歷一、二、三期工程，目前已經實現高速公路收費**的 ETC 全覆蓋，全市開通運行的 ETC 車道達到 364 條；實現車輛通行速度主線車道不低于 40km/h，ETC 混合車道不低于 30km/h；實現 ETC 車道布局方案、布設位置及附屬設施和外觀的完全統一。
截至 2019 年 3 月，某市 ETC 用戶已超過 107 萬，其中周一至周五 ETC 日均流量達 38 萬車次，約占整個高速公路網總流量的 35%，極大地緩解了高速公路道口擁堵現象。
在某市 ETC 系統建設初期，考慮到用戶數量較少、ETC 車道普及率不高等多種因素，建設ETC 專用車道、MTC 混合車道等多種類型的 ETC 車道，在 2010 中，隨著 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，ETC 車道的使用率不斷提高，這些前期設計的車道系統問題逐步顯現，主要表現在：跟車干擾問題嚴重、車輛通行速度慢、惡意闖關逃費等多個方面。
本文從傳統 ETC 車道系統存在的問題及原因、紅外車輛分離光柵在 ETC 車道系統中的應用、基于紅外車輛分離光柵的 ETC 車道系統等多個方面闡述紅外車輛分離光柵在 ETC 專用車道中的應用。
2 傳統 ETC 專用車道系統存在的問題
某市高速公路 ETC 系統自 2010 年年初開始建設，其 ETC 專用車道系統基本布局方案如圖 1 所示。
在該車道系統中，車道軟件主要依靠地感線圈、車輛檢測器，實現邏輯控制，完成車道交易及處理流程。
隨著 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，ETC 車道的使用不斷提高，該車道系統的問題逐步顯現，主要表現：跟車干擾、通行速度慢、不能**控制欄桿機等三個方面，下面詳細闡述造成這些問題的原因。
2.1 跟車干擾
在 ETC 車道系統中，天線通信區域的長度通常設定為 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域的情況，當前面的車輛為非 ETC 車輛或者為交易失敗的 ETC 車輛而后面 ETC 交易成功時，車道系統有可能無法將交易結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。
在現有車道系統中，通過天線與車載電子標簽通信，從而喚醒電子標簽完成 ET 交易；通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區分車輛，形成車輛的通行順序隊列；車道控制軟件將電子標簽的喚醒時序、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合并一一匹配，從而形成整體車輛順序隊列，并根據此隊列指令控制欄桿機的抬桿、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分車輛
在現有車道系統中，車道軟件通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區分車輛，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形成輸出控制脈沖信號識別車輛， 當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 系統建設初期，用戶數量較小，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，基本不會出現車輛檢測器無法正確區分車輛的問題；隨后 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，ETC 車道的使用率不斷提高，在大部分省會城市的某些 ETC 收費道口， 高峰小時流量已經超過了 1500 輛，此時，車輛通行速度很低，車輛間距較小，跟車干擾現象頻繁發生，已經影響到車道系統的正常運行。
（2） 電子標簽喚醒靈敏度差異較大
在車道系統運營中，不同廠商之間的天線與電子標簽在兼容與穩定性上依然存在一定缺 陷，造成電子標簽的喚醒的靈敏度差異較大，不同廠商的天線與電子標簽之間交易區域差距可以達到 2 米，即使同一廠商的不同電子標簽在同樣條件下交易區域有時也有 1 米的差距。若將交易區域做嚴格控制，會造成喚醒靈敏度不高的電子標簽交易失敗，因此，為了保持系統運行的兼容性和交易成功率，通常將交易區域控制在系統允許的上限，隨著 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，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的運營管理難度。
（2.2） 通行速度慢
在 ETC 車道系統實際運營中，一般要求車輛平滑通行速度能夠達到 30KM/h,才能給車輛駕駛人員較好較好的用戶體驗。根據現行國家標準要求雙片式電子標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的狀態，交易區域前端到欄桿機的距離要達到 20 米才能滿足平滑通行速度 30KM/h 的要求。
根據對跟車干擾問題的分析，跟車干擾現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簽在兼容性與穩定性上仍然存在一定缺陷兩個關鍵硬件設備原因造成的，無法從從車道軟件邏輯上進行彌補，在現有條件下，隨著 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，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運營管理難度。
因此，為了降低跟車干擾的問題對車道系統正常運營管理的影響，將交易區域前端到欄桿機的距離壓縮到 8 米，此時，車輛平滑通行速度僅能夠達到 10KM/h，用戶體驗較差。
（2.3） 不能精準控制欄桿機
在現有車道系統中，車道軟件通過地感線圈車輛檢測器輸出的脈沖信號區分車輛，在車輛通過地感線圈后，控制欄桿機落桿，隨著 ETC 用戶及交易數量的不斷增長，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。
1） 、惡意闖關逃費
為了防止由于線圈磁通量抖動造成的欄桿機錯誤落桿砸車現象，地感線圈的橫截面通常設定較大，也就是說當兩輛車以間距小于地感線圈橫截面通過時，地感線圈就無法區分車輛、輸出正確的脈沖信號，即使系統判斷第二輛車為非 ETC 車輛或交易失敗 ETC 車輛，也無法在**輛車通過后發出落桿指令，從造成第二輛車可以惡意闖關逃費，且 ETC 專用車道一般無人值守，更為駕駛員惡意闖關逃費帶來了便利。
2） 、 無法**檢測車輛通過
在主線收費站，為了更好的用戶體驗，我們加大了交易區域前端到欄桿機的距離，使車輛平滑通過速度能夠達到 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速度慢點缺點逐漸顯現，特別是在多輛交易成功的 ETC 車輛連續通過時，除**輛車外， 后續車輛的通行速度已經超過 30KM/h 此時，受響應速度的制約，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，欄桿機不落桿，此種情況偶有發生；
3 紅外光柵車輛分離器在 ETC 專用車道系統中的應用
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射和接收來實現對車輛的同步掃描，發射器內置線性排列的高能量發光元件，接收器內置與發射器數 量相同的接收元件，發射器和接收器的對應光電元件依次按 順序同步觸發，形成由多組平行的紅外線光形組成的光幕， 設備檢測光路是否導通， 當汽車通過掃描區域時，部分或全 部光束被遮擋， 車輛被檢測出，如圖2 所示[1,3]。
圖 2 紅外光柵車輛分離器原理
當車輛被檢測后，設備將光信號轉換為電信號輸出，從而實現對車輛數據的綜合檢測，與其它檢測技術相比，紅外 光柵車輛分離器產品技術成熟，安裝簡便， 高速響應，抗干 擾性強，可輸出豐富的車輛數據信息，能可靠檢測各種特殊車輛[1,3]。紅外光柵車輛分離器是專為公路收費系統車輛**分離檢測而設計的，其主要應用于計重收費系統，將其引入ETC 車道系統，主要利用了其大大優于地感線 圈的響應速度及車輛**分離檢測能力[1,3]。
3.2 紅外光柵車輛分離器在ETC 專用車道系統中的應用可行性
在了解了紅外光柵車輛分離器的工作原理后，我們知道其主要是靠判斷紅外線光形組成的光幕是 否被遮擋來判斷車輛的存在并區分車輛的，由于紅外線光形組成的光幕在車輛行進方向上不存在橫截 面的問題，因此，在區分車輛方面，具有地感線圈無法相比的先天優勢，其響應時間、最小分車間隔 等性能參數與車輛間距無關，只與設備自身的工作原理、芯片的工作速度有關。目前，市場上性能較 好的紅外光柵車輛分離器，其響應時間一般在10ms，最小分車距離為100mm，可以滿足ETC 專用車 道應用要求[2,3]。
但是，紅外光柵車輛分離器也有自身的缺點，其無法分辨遮擋光幕的物體是否是車輛， 也就是說 當人經過時，也會觸發相應的脈沖信號，而地感線圈正好可以克服這個缺點[2,3]。
因此，并不能單純用紅外光柵車輛分離器替代現有的地感線圈，必須將兩者結合使用， 并配合以 相應的軟件處理流程[2,3]。
3.3 紅外光柵車輛分離器在ETC 專用車道系統中的應用原理
3.3.1 防止跟車干擾
通過前文的分析我們知道，造成跟車干擾問題的原因比較復雜，包含：天線通信區域、電子標簽 喚醒靈敏度、車輛速度以及車道硬件設備區分車輛的能力等，僅僅用紅外光柵車輛分離器代替地感線 圈，并不能解決跟車干擾問題方面，必須從多個方面考慮，并配合以復雜的車道軟件處理流程。
某市高速ETC 車道系統對紅外光柵車輛分離器的應用，分為兩個階段，兩個階段的車道布設方
案、功能、性能等設計參數均不一致，從而形成了兩個解決跟車干擾的方案。由于考慮到軟件流 程的知識產權問題，在此并不能將具體的處理流程全部展現出來，只能對兩個方案的設計思想做個簡 單介紹。
3.3.1.1 方案一
基于本方案的ETC 專用車道主要應用于某市高速公路ETC 二期工程，該車道的設計平滑通行速 度為30km/h，紅外光柵、天線通行區域的布設方案如圖3 所示。
圖 3 紅外光柵、天線通行區域的布設方案一
（1） 解決跟車干擾的原理 在本方案中，天線采用常開模式，主要通過電子標簽的喚醒與車輛到達**根紅外光柵的前后時
序，實現車輛類型的基本判斷，并將ETC 交易完成情況與車輛通過**根紅外光柵相結合， 實現 ETC 交易結果與車輛通過車道順序的一一匹配；為了解決電子標簽喚醒靈敏度的差異，尤其是處理喚醒速 度較慢的電子標簽，因此，設置了第二根紅外光柵，并結合天線通信區域、車輛行駛方向以及車輛經 過光柵的時序等因素，來處理電子標簽喚醒靈敏度的差異。在ETC 交易結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。
設置光電開關是為了判斷車輛行駛方向；設置地感線圈是為了消除人通過紅外光柵對系統的影響。
（2） 優缺點
優點：在本方案中，不需要通過紅外光柵觸發天線，天線采用常開模式，ETC 交易流程只與天線、 電子標簽有關，當紅外光柵發生故障時，系統可以屏蔽發生故障的紅外光柵， 然后繼續使用。
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 車道的應用。
3.3.1.2 方案二
基于本方案的ETC 專用車道主要應用于某市高速公路ETC 三期工程，該車道的設計平滑通行速 度為40km/h，紅外光柵、天線通行區域的布設方案如圖4 所示。
圖4.紅外光柵、天線通行區域的布設方案二
1）解決跟車干擾的原理
在本方案中，天線采用常閉模式，通行區域長度加長至 8 米，當車輛到達**根紅外光柵后，天 線打開；本方案主要通過電子標簽的喚醒情況與車輛通過**根紅外光柵的時序，實現車輛類型的基 本判斷，并將 ETC 交易完成情況與車輛到達第二根紅外光柵相結合，實現ETC 交易結果與車輛通過車 道順序的一一匹配；在本方案中，設置了第二根紅外光柵除了解決電子標簽喚醒靈敏度的差異，尤其是處理喚醒速度較慢的電子標簽，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交易，對交易失敗的電子標簽進行 交易重試。在ETC 交易結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。
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設置光電開關是為了判斷車輛行駛方向；設置地感線圈是為了消除人通過紅外光柵對系統的影響。
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2）優缺點
優點：本方案的車輛通行速度可以達到40km/h，并且支持并排ETC 車道的應用，通過實際測試， 通過紅外光柵觸發天線對交易成功率無任何影響；
缺點：由于在本方案中，天線是通過光柵觸發打開，在紅外光柵發生故障時，系統無法屏蔽發生 故障的紅外光柵。
3.3.2 提升通行速度
在解決了跟車干擾問題后，車輛通行速度主要由以下兩個因素決定：典型ETC 交易時間、天線交 易區域前端與欄桿機的距離。
對于典型ETC 交易時間，根據國標要求其應小于270ms，在實際運行中，雖然不同廠商之間的天 線與電子標簽在兼容性與穩定性上仍然存在一定欠缺，但是，在通信鏈路正常、無交易重試的情況下， 其典型ETC 交易時間均小于270ms。通過優化車道軟件流程，在實際運行中，平均典型ETC 交易時間 為220ms。假設車輛車輛通行速度為80km/h，即每100ms 經過2.22 米，考慮到車輛長度差異，只要天 線通信區域不低于6m，應該可以保證交易成功率，且該結果已經通過了大量數據測試。
在排除典型ETC 交易時間這個因素后，車輛通行速度的決定性因素就是天線交易區域前端與欄桿 機的距離；車道系統只要在充分考慮安全因素的前提下，通過加大天線交易區域前端與欄桿機的距離 就可以提升車輛的通行速度，根據數據計算及大量數據測試， 車輛通行速度與天線交易區域前端與欄 桿機的距離的大致關系如下。
（1） 當要達到車輛平滑通行速度 30km/h 時，天線交易區域前端與欄桿機的距離至少需要達到15米，此時，車輛極限通行可以達到40km/h。
（2） 當要達到車輛平滑通行速度 40km/h 時，天線交易區域前端與欄桿機的距離至少需要達到20米，此時，車輛極限通行可以達到60km/h。
3.3.3 **控制欄桿機
3.3.3.1 布設方案及原理
通過上文的分析，我們已經知道現有車道系統無法**控制欄桿機的具體原因，而紅外車輛分離 器恰好可以解決現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后，其設備具體布設方案如圖5 所示。
圖 5 **控制欄桿機的設備布設方案
在車道系統中，車道軟件通過紅外光柵車輛分離器的脈沖信號 區分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測器信號，控制欄桿機落桿， 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標志 車道軟件不斷輪詢讀取紅外光柵車輛分離器和地感線。
（2） 當檢測到輸入狀態為：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標志無車時，車道軟件置車道車 輛狀態標志為有車。
（3） 當檢測到輸入狀態為：紅外光柵車輛分離器無車、且車道 車輛狀態標志有車時，欄桿機落桿，車道軟件置車道車輛狀態標志 為有無車。
（4） 當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，應判斷為非車輛通過，車道軟件 不做任何處理。
3.3.3.2 數據分析
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和離開是**控制欄桿機落桿的關 鍵，要實現這個關鍵步驟，紅外光柵車輛分離器的響應速度和分車能力、地感線圈車輛檢測器的響應 速度是重要技術指標。
（1）車輛極限通行速度
通過大量測試數據，我們認為在通過 ETC 專用車道時，車速達到60km/h 已經接近極限速度了， 因此，假設車輛已 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備，其響應時間一般在 10ms，最小分車距離為
100mm，根據以上兩個性能參數并結合車輛最高通行速度，我們認為其能夠滿足應用要求。
（ 3） 地感線圈車輛檢測器的響應速度 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，而不是用來區分車輛，在極限
通行速度下，車輛通過地感線圈需要 250ms，遠遠大于一般車輛檢測器的響應時間，我們認為其能夠 滿足應用要求。
4 基于紅外光柵車輛分離器的ETC 專用車道系統
某市高速公路 ETC 車道系統對紅外光柵車輛分離器的使用是伴隨著其建設工程展開的，在其二 期建設工程中**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，車道 布設方案如圖6 所示。
該車道系統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，極限通行速度達到 40km/h。
在實際運營中，我們發現了該車道系統的一些不足之處，并在隨后的ETC 三期建設工程中做了改 進、完善，稱之為第二代基于紅外光柵的ETC 專用車道系統，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 附近設置收費亭，所謂“欄桿后置”，是指將欄桿設置在收費車道的中后端，與原 MTC 車道一致，不 設與相鄰 MTC 車道之間連接道，收費亭設置也與原MTC 車道一致，車道布設方案如圖7 所示。
圖 7 某 市三期建設的高速公路 ETC 車道系統布設方案
該車道系統完全繼承了上一代系統的優點，并將車輛平滑通行速度提高至40km/h，極限通行速度 達到60km/h，還做了如下改進：
（1） 通過紅外光柵車輛分離器的脈沖信號區分車輛，并配合以地感線圈車輛檢測器信號，實現了 欄桿機的**控制。
（2） 對于欄桿前置模式，將收費亭遷前移至欄桿處，當非人為原因造成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入旁邊的人工車道處理。
（3） 在主線收費站的車道采用對開式電動欄桿，進一步提高欄桿機的響應速度。
（4） 更換全點陣式費額顯示牌，提升人機交互界面的美觀程度，提升用戶使用感受。 兩代車道系統的主要參數比較如表1 所示。
表 1 兩代車道系統主要參數比較
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第二代
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第三代
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紅外光柵車輛分離器
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2 組前置
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3 組（兩組前置，一組位于欄桿后方
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天線立桿與欄桿距離
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7 米
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13 米
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通信區域最遠端與欄桿
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15 米
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20 米
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電動欄桿
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0.6 秒（單欄桿）
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0.3 秒（對開式）
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舒適通行速度
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30km/h
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40km/h
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跟車干擾
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基本消除
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基本消除
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不落桿現象
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存在
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基本消除
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5 結束語
電子不停車收費系統（Electronic TollCollection）作為智能交通系統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，進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， 該車道系統已經成功應用于某市高速公路網的 200 多根 ETC 專用車道，除去人為原因后， 該車道系統交易成功率可以達到 99.7%，在主線收費站，該ETC 專用車道系統的日平均車流量超過8000 輛，高峰小時車超過1000 輛。
