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反思兰海高速事故:公路收费技术如何升级(图)
2018-11-07 13:23:54  澎湃资讯  官阳  
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【声明】:转载《中国公路》《中国交通信息化》《中国高速公路》《中国交通建设监理》稿件须经书面授权。索取授权书 QQ: 6673744。

  11月3日,兰海高速兰州南收费站发生特大交通事故,失控的重型半挂载重牵引车从山坡上冲入正在等候交费的车队中,连续撞击31辆车。

  有人就此追问,当时在这个收费广场上为何滞留那么多等待交费的车辆?如果没有这么多车排队,就不会造成如此严重的伤亡。

  不是已经有了ETC的收费技术吗?为何还需要设置那么庞大的公路收费站?一些跨省界和重要节点的收费站,为何还会有那么长的车流迟滞?ETC技术的推广到底卡在哪里?这还要从公路收费技术的演变说起。

  路桥收费的方式主要是人工收费和电子技术收费(ETC, Electronic Toll Collection),要减少收费站,提高收费效率,显然需要依靠电子技术收费方式,也就是大家熟知的ETC技术。

  事实上,“ETC”也是统称。ETC有三条技术路线:DSRC技术,RFID技术和车辆牌照图像自动识别。这三条技术路线,都是用电子技术完成对车辆身份的甄别和车辆行程记录,进而实现网络扣费。

  中国在20多年前,就选择了DSRC技术作为ETC的解决方案来优化公路收费效率。交通运输部发布的数据显示,截至2017年底,中国大陆的ETC用户为5900万,推广速度依旧缓慢,这与打造交通强国的目标相去甚远。

  在车辆牌照识别技术达到高精度之前,ETC技术主要使用电子标签的形式。笼统地说,是“通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯,确认车辆是身份和道路使用节点,利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理,从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的”。但不同类型的电子标签技术,成本和效率差别很大。

  ETC用的电子标签技术,实际上都属于电子通信技术,也叫RFID(Radio FrequencyIdentification),即射频识别技术。RFID并不是新技术,在二战时就被用于军事通信,盟军通过无线电波的独特波长,识别发电者的身份。这个技术后来随着计算机技术的进展,被海量运算识别能力所支撑,焕发了新生,被广泛应用于资产管理、物流运输等。由于无线电波的特性,RFID的应用受到一个很大的挑战,那就是遇到金属物质,会出现屏蔽和反射,进而影响射频的运动方向和距离。

  汽车在高速运动,且车身以金属为主,很多车的挡风玻璃都有金属线,道路上还有多车并行的情况。因此,为了在汽车上用好RFID,就衍生出了两个技术方向。

  最初的方向是,使用有源的射频发射装置(主动型RFID技术)以对抗金属车体的干扰,主动发出短程信令,请求与采集信号的天线(读取和反馈射频信号的装置)进行通信,把信令写入装置内的标签,完成内容记录,同时天线会把采集到的信息传输入网络后台,完成里程计算和费用扣减等。这个技术就是ETC的第一代技术平台,业内称DSRC(Dedicated Short RangeCommunication),即专用短程通信。

  另一个方向是使用无源的RFID标签(被动型RFID技术),本身不发射信号,不需要电力,而是在接收来自天线的电波后,通过射频震动芯片引发的微弱电能,激活标签上的芯片发出特定的无线电信号,与天线(射频读写装置)装置完成通信,实现读写,这就是第二代ETC技术的核心。

瑞典首都斯德哥尔摩的自由流不停车收费系统,使用被动型RFID技术,带有车辆前后牌照拍照系统支撑,由激光触发装置激发 RFID天线发射信号。
美国的自由流不停车收费系统,主流也是视频识别和被动型RFID技术结合的双系统。

  DSRC的技术之所以最初被选定为车载电子收费系统的平台技术,是因为理论上,主动发射无线射频信号可以更抗干扰、距离更远、读写效率更高,但这个技术的最大缺点,是单车成本高,发放和安装都要求太高,特别是,如果大规模使用,等于每个车上都要安装一个有电力支撑的装置,这就大大影响了这个技术的后续发展。所以,第二代的被动RFID技术在问世几年后,就开始广泛应用了。

伦敦街头的拥堵收费系统的摄像头
伦敦街头的拥堵收费系统的告知标志

  第三代的ETC技术,也就是不停车收费系统,使用的是纯车牌图像识别技术。最有代表性的应用,是伦敦的不停车收费系统,完全依靠车牌拍照系统,没有依靠RFID标签。这个技术在很大程度上受车牌质量和图像识别系统能力的限制,但最大的优点就是成本低。

  从性能来说,DSRC最初是很好的,因为自带电力,可以非常快速地在本地进行识别和读写,但问题是成本过高;随着RFID标签的技术越来越好,解决了远程快速识别和读写问题,DSRC就不再是主流了。

  而在不停车收费的技术路径选择与改善上,台湾地区是个很好的案例。2006年时,全台的1000公里高速公路上,有22个收费站使用了136个ETC通道与人工收费通道并行。那时的技术与大陆现在的方案基本一致,都是DSRC的平台。但到2014年,随着被动式RFID技术的引进和应用(中间有并行过渡期),取消了大量收费站,设置了319个收费门架和1246个全自由流车道。

  可以看看台湾地区的技术方案。2012年,被动式RFID技术引进初期,每车单车配装RFID的成本是不足40元人民币,每个通道的读写天线成本也不到10万人民币(多通道并列时,可以共享主机,每车道成本会下降到约2-4万元人民币),可以达到车速180公里情况下准确识别,信号的雨衰问题也都处理得很好。目前,这种RFID标签因为产量很大,国际厂家的报价已低于1美金,大大降低了单车配装成本。

左图是台湾地区2004年开始使用的车载电子标签装置,最初的收费技术和大陆基本一样,需要插卡和有一个车载终端,也是采用的ETC和人工共用收费站。到2012年,开始与被动型RFID技术并用(右图),并陆续全面进入自由流收费状态。
台湾地区道路ETC技术升级改造前(上图)与改造后(下图)的场景对比,完全取消了收费站,实现了自由流。
台湾的ETC标签有两种,一种粘贴在风挡内部,一种粘贴在车灯罩上。
2014年4月11日,一份台湾报纸报道ETC新技术系统的情况。

  相比之下,目前大陆地区ETC所使用的主动型RFID技术(DSRC)就乏善可陈了。现在仅能支撑20公里时速的读取(这是DSRC技术应用于ETC里很罕见的低速度),而且单车安装成本目前仍然在300-400元左右,每个车道成本在30-40万元之间,这样的成本与效率,要推广到全国,确实难度太大。

  按照交通运输部数据显示,预计2020年底,中国大陆的汽车保有量将达到2亿辆,高速公路通车里程将达到16万公里,预计将建收费站约7500个,按照每个收费站两进两出4个收费车道规划,就需要建设ETC车道3万条。

  相关分析指出,如果采用5.8GHz的DSRC 技术全面建设,按每个车道建设成本30-40万元计算,全国ETC车道建设总投资将达到90至120亿元。如果每个车载电子标签按300元计算,全民的总开支约为600亿元(数据来自:http://business.sohu.com/20140417/n398405940.shtml)。

  可以看出,与被动型RFID的单车成本低于10元相比,以上数据相差悬殊,更不用说离车牌拍照技术的差距有多远了。这些因技术选择原因而导致的成本因素,很可能是制约ETC应用推广的重要原因之一。

  随着车联网技术的推进,目前国际汽车制造业,已经开始陆续研究在车上原配DSRC装置和物联网通信单元。也就是说,在不远的将来,每辆车都会自动带有独立的电子身份射频信号。美国在几年前曾有立法提案论及此事。

  对电子收费有影响的另一些因素是,车辆牌照表面材料呈现技术和图像识别技术的进展,最新的美国车辆牌照材料,已经出现了高精度印刷和图像隐形加密技术,提供了摄像头识别与人眼识别出不同内容的能力,这个技术也会加速车辆身份的机器识别能力。相信这些新技术会带来不停车收费技术的发展与变革。

  中国幅员辽阔,人口众多,如果采用不停车收费,技术抉择和升级换代都不可能一蹴而就。但就现在的ETC技术而言,既然推广速度缓慢,而且存在使用寿命和不断更新问题,市场尚未普及,也许应该考虑使用成本更低的技术和设备,加速推动收费技术的升级换代。否则,解决拥堵收费、取消收费站、减少收费延误等问题,都无法真正实现。而在建立高效率的道路交通路网、减少浪费和排放、打造交通强国的进程中,这些都是无法忽视的障碍。

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