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国标ETC应用中的主要问题浅析及应对解决措施

来源:中国交通技术网      2013-10-10 9:44:20

  高速公路电子收费(ETC)国家标准自2007年颁布实施以来,经过国内多个省市的实践,已经证明能够为广大高速公路使用者提供方便、快速的通行方式,有效地减少了繁忙时段主要收费站的拥堵情况,充分体现了人文高速、科技高速和绿色高速的建设思想。

  快通公司作为国标ETC应用的最大运营商,经过两年多的运营,积累了丰富的运营经验,在贯彻实施国标方面暂时走在了兄弟省市的前面,在实际运营中,我们也遇到了一系列技术问题,这是一个新的标准实施过程中不可避免的。下面我们将实际遇到的几个主要问题逐一列出,并根据我们的应用经验以及与OBU厂商的技术交流,提出了相应的解决措施。

  1. 分离元件与芯片的选择

  目前在用的电子标签(OBU)基本采用分离元件构成,特别是射频发射部分通常采用介质振荡器,因而OBU工作的发射中心频率由于容易受到器件的选择、温度、元器件老化等影响而偏移量过大,超出国标要求,也经常超出路测单元(RSU)的接收带宽范围,从而造成OBU与RSU无法正常通信,严重影响了ETC车辆的不停车通行。在这两年的运营中,根据对召回产品的分析,OBU频偏的影响是影响ETC车道天线交易成功率的主要原因之一。因而我们在OBU到货验收中也加强了频率偏移的检查,多次发生过OBU因为频偏严重而批次退货的情况,从而推动厂商加强元器件的选择和出厂检验的严格管理,但是在用户返修的OBU故障原因中也经常出现因器件老化等原因而造成的频偏现象。

  因而,为解决这一问题,仅仅依靠元器件的选择是不够的,成本、供货源、长时间的验证测试都是很现实的问题。最根本或最终的解决方式就是产品的集成化,特别是ETC国标射频芯片的开发和应用。目前,适用于国标ETC应用的主流射频芯片主要有以下几种:

  单发芯片,即发射部分为芯片,唤醒和接收部分为分离元件。这一类以美国RFMD公司的ML5830为代表。

  收发一体芯片,即发射和接收部分集成为一个芯片,唤醒电路为分离元件。该类芯片以日本东芝公司的TB32160、OKI公司的ML9636、韩国PHYCHIPS公司的PD5000为代表。

  全集成射频芯片,即发射、接收、唤醒完全集成为一个芯片。目前已经研制成功的为上海博通公司的BK5822。

  全集成芯片,即将射频、MCU和ESAM完全集成为一个单一芯片,尚处于研发的初级阶段。

  前三种芯片已经分别被国内大多数OBU厂商逐步采用,但均尚处于试验或试用阶段,测试结果表明能够有效地解决上述频偏问题,但芯片本身的成熟度和工作的稳定性尚未完全得到验证,仍有待时间的考验。预计今年(2010年)下半年上述三类芯片会逐步开始正式投入商用,但发展方向仍然是向集成化更高的后两类芯片过渡,最终的全集成芯片成熟期则至少需要2~3年的时间。

  2. 射频指标的一致性

  目前国标ETC应用中的最大问题之一是RSU和OBU射频指标的一致性。由于国标中暂时只对部分射频指标的上限做出了规定,比如国标中OBU的发射功率(e.i.r.p)≤+10dBm、唤醒灵敏度≤-40dBm和接收灵敏度≤-50dBm,RSU的发射功率(e.i.r.p)≤+33dBm和接收灵敏度≤-70dBm,并未对上述射频指标的下限做出明确要求,换句话而言,尚没有针对实际ETC车道的布局和有效通信范围给出一个合理的天线射频指标范围。因而,各ETC专用设备厂商只是根据自己的理解和产品设计、生产条件自行确定设备的射频指标,从而造成不仅不同厂商的产品射频指标的不一致,甚至同一厂商的不同批次产品射频指标也不一致。快通公司近两年的运营经验表明,由于没有统一的射频指标体系约束,不同ETC收费车道的交易成功率差别很大,并且经常发生ETC车辆在某些站点通行顺畅,某些站点却无法在车道RSU天线下正常交易不得不停车刷卡缴费的情况,而邻道干扰问题也时有发生。这种情况给包括快通公司在内的ETC运营商造成了很大的困扰,一定程度上影响了ETC系统的大规模扩展和应用。

  射频指标的确定,不是简单的定一个值,既要考虑到新RSU和OBU的需求,也要兼顾到已投入应用的大多数RSU和OBU。因而,首先需要结合ETC专用车道的布局进行理论分析和仿真计算,确定一个合理的取值范围;然后需要进行大量的室内和室外测试,特别是获取在用RSU和OBU的典型指标值。

  上述测试中的难点在于测试方法,RSU的射频指标相对容易,因为天线增益和线缆损耗都是可测可控的,但OBU却因为体积小、电池供电或受环境影响比较大等原因,其测试方法很值得商榷。对于传导测量,由于OBU引线比较困难,且OBU开盖测量引入的误差会很大,因而我们推荐采用辐射等效的测量方法。

  3. OBU供电方案

  目前,出于安全性、可靠性、持续供电、大电流放电需求和使用寿命等方面的考虑,现有的厂商大多采用一次性锂电池(锂亚硫酰氯电池)+ 超级电容供电的方式。不同的OBU厂商因为产品设计、芯片、元器件选择的不同,功耗(包括待机功耗和工作功耗)也大相径庭。虽然从理论上计算,交易次数或电池寿命都能够满足5年以上的使用要求,但由于误唤醒问题,实际使用中发现,两到三年的OBU电池使用期限已经是非常好的了。误唤醒的解决方案有:

  双重滤波器的使用,即只有载波在国标OBU工作频率范围内且调制信号为14kHz方波时才能够将OBU唤醒并进入工作状态。由于OBU体积限制、国内技术工艺水平以及成本控制的原因,尚无厂商采用本方案。而在未来的芯片设计中,如果将唤醒电路集成进射频或全集成芯片中,也根本没有可能不给芯片供电而单单启动芯片中的唤醒电路。

  软件滤波,即在唤醒电路启动后,通过软件进行14kHz方波的判别,根据判别结果决定打开射频接收电路或回复休眠状态。这种方式力图将唤醒时间控制在最小范围内。本方案的成功与否取决于软硬件的合理设计。

  电池+超级电容+太阳能供电方式。太阳能作为主供电方式、电池作为后备供电方式。本方案对于误唤醒控制的要求大大降低,但如何防止太阳能对电池的反充造成的安全设计是至关重要的。目前已有多个厂商已经采用本方案,实际的效果尚需时间考验。

  此外,目前国内的电池市场基本由某国外厂商垄断,电池成本居高不下,占据整个OBU成本的15%以上。但由于目前国内尚无针对电池安全、供电的权威测试机构,而OBU作为消费类电子产品,引进新的电池厂商尚需时日,也需要相关部门和OBU厂商共同努力。

  4. IC卡读写方式

  早期的OBU和IC卡通信均采用接触式方式,但实际应用中发现由于IC卡插拔不到位或客户插反的原因,经常造成OBU读取不到IC卡的现象从而造成交易失败。因而同时支持非接触式和接触式或只支持非接触式的OBU产品已经进入实用阶段,并取得了很好的使用效果。但问题也是客观存在的,OBU工作在非接触式时功耗明显要大于接触式的功耗。这也是部分厂商采用太阳能供电的一个原因。

  5. PC-RSU接口

  在用的车道工控机和RSU接口多为串口方式,实测表明,如果改为网络接口,至少可以节省60~70ms的时间,而目前一次完整的交易时间为200~300ms,此外网口通信在工作的可靠性方面也毫不逊色。

  限于篇幅限制,上面我们只针对在实际应用中遇到的几个主要问题进行了探讨,以供相关研究单位、ETC专用设备厂商以及其他国标ETC运营商参考。

  作者:李全发、张北海、高文宝(北京快通高速路电子收费系统有限公司)

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