反思蘭海高速事故:公路收費技術如何升級(圖)

編輯日期:2018-11-12 21:34??來源:未知??作者:鄂西北高速

  11月3日,蘭海高速蘭州南收費站發生特大交通事故,失控的重型半掛載重牽引車從山坡上沖入正在等候交費的車隊中,連續撞擊31輛車。

  有人就此追問,當時在這個收費廣場上為何滯留那么多等待交費的車輛?如果沒有這么多車排隊,就不會造成如此嚴重的傷亡。

  不是已經有了ETC的收費技術嗎?為何還需要設置那么龐大的公路收費站?一些跨省界和重要節點的收費站,為何還會有那么長的車流遲滯?ETC技術的推廣到底卡在哪里?這還要從公路收費技術的演變說起。

  路橋收費的方式主要是人工收費和電子技術收費(ETC, Electronic Toll Collection),要減少收費站,提高收費效率,顯然需要依靠電子技術收費方式,也就是大家熟知的ETC技術。

  事實上,“ETC”也是統稱。ETC有三條技術路線:DSRC技術,RFID技術和車輛牌照圖像自動識別。這三條技術路線,都是用電子技術完成對車輛身份的甄別和車輛行程記錄,進而實現網絡扣費。

  中國在20多年前,就選擇了DSRC技術作為ETC的解決方案來優化公路收費效率。交通運輸部發布的數據顯示,截至2017年底,中國大陸的ETC用戶為5900萬,推廣速度依舊緩慢,這與打造交通強國的目標相去甚遠。

  在車輛牌照識別技術達到高精度之前,ETC技術主要使用電子標簽的形式。籠統地說,是“通過安裝在車輛擋風玻璃上的車載電子標簽與在收費站 ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊,確認車輛是身份和道路使用節點,利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理,從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的”。但不同類型的電子標簽技術,成本和效率差別很大。

  ETC用的電子標簽技術,實際上都屬于電子通信技術,也叫RFID(Radio FrequencyIdentification),即射頻識別技術。RFID并不是新技術,在二戰時就被用于軍事通信,盟軍通過無線電波的獨特波長,識別發電者的身份。這個技術后來隨著計算機技術的進展,被海量運算識別能力所支撐,煥發了新生,被廣泛應用于資產管理、物流運輸等。由于無線電波的特性,RFID的應用受到一個很大的挑戰,那就是遇到金屬物質,會出現屏蔽和反射,進而影響射頻的運動方向和距離。

  汽車在高速運動,且車身以金屬為主,很多車的擋風玻璃都有金屬線,道路上還有多車并行的情況。因此,為了在汽車上用好RFID,就衍生出了兩個技術方向。

  最初的方向是,使用有源的射頻發射裝置(主動型RFID技術)以對抗金屬車體的干擾,主動發出短程信令,請求與采集信號的天線(讀取和反饋射頻信號的裝置)進行通信,把信令寫入裝置內的標簽,完成內容記錄,同時天線會把采集到的信息傳輸入網絡后臺,完成里程計算和費用扣減等。這個技術就是ETC的第一代技術平臺,業內稱DSRC(Dedicated Short RangeCommunication),即專用短程通信。

  另一個方向是使用無源的RFID標簽(被動型RFID技術),本身不發射信號,不需要電力,而是在接收來自天線的電波后,通過射頻震動芯片引發的微弱電能,激活標簽上的芯片發出特定的無線電信號,與天線(射頻讀寫裝置)裝置完成通信,實現讀寫,這就是第二代ETC技術的核心。

瑞典首都斯德哥爾摩的自由流不停車收費系統,使用被動型RFID技術,帶有車輛前后牌照拍照系統支撐,由激光觸發裝置激發 RFID天線發射信號。
美國的自由流不停車收費系統,主流也是視頻識別和被動型RFID技術結合的雙系統。

  DSRC的技術之所以最初被選定為車載電子收費系統的平臺技術,是因為理論上,主動發射無線射頻信號可以更抗干擾、距離更遠、讀寫效率更高,但這個技術的最大缺點,是單車成本高,發放和安裝都要求太高,特別是,如果大規模使用,等于每個車上都要安裝一個有電力支撐的裝置,這就大大影響了這個技術的后續發展。所以,第二代的被動RFID技術在問世幾年后,就開始廣泛應用了。


倫敦街頭的擁堵收費系統的攝像頭
倫敦街頭的擁堵收費系統的告知標志

  第三代的ETC技術,也就是不停車收費系統,使用的是純車牌圖像識別技術。最有代表性的應用,是倫敦的不停車收費系統,完全依靠車牌拍照系統,沒有依靠RFID標簽。這個技術在很大程度上受車牌質量和圖像識別系統能力的限制,但最大的優點就是成本低。


  從性能來說,DSRC最初是很好的,因為自帶電力,可以非常快速地在本地進行識別和讀寫,但問題是成本過高;隨著RFID標簽的技術越來越好,解決了遠程快速識別和讀寫問題,DSRC就不再是主流了。


  而在不停車收費的技術路徑選擇與改善上,臺灣地區是個很好的案例。2006年時,全臺的1000公里高速公路上,有22個收費站使用了136個ETC通道與人工收費通道并行。那時的技術與大陸現在的方案基本一致,都是DSRC的平臺。但到2014年,隨著被動式RFID技術的引進和應用(中間有并行過渡期),取消了大量收費站,設置了319個收費門架和1246個全自由流車道。


  可以看看臺灣地區的技術方案。2012年,被動式RFID技術引進初期,每車單車配裝RFID的成本是不足40元人民幣,每個通道的讀寫天線成本也不到10萬人民幣(多通道并列時,可以共享主機,每車道成本會下降到約2-4萬元人民幣),可以達到車速180公里情況下準確識別,信號的雨衰問題也都處理得很好。目前,這種RFID標簽因為產量很大,國際廠家的報價已低于1美元,大大降低了單車配裝成本。


左圖是臺灣地區2004年開始使用的車載電子標簽裝置,最初的收費技術和大陸基本一樣,需要插卡和有一個車載終端,也是采用的ETC和人工共用收費站。到2012年,開始與被動型RFID技術并用(右圖),并陸續全面進入自由流收費狀態。
臺灣地區道路ETC技術升級改造前(上圖)與改造后(下圖)的場景對比,完全取消了收費站,實現了自由流。
臺灣的ETC標簽有兩種,一種粘貼在風擋內部,一種粘貼在車燈罩上。
2014年4月11日,一份臺灣報紙報道ETC新技術系統的情況。

  相比之下,目前大陸地區ETC所使用的主動型RFID技術(DSRC)就乏善可陳了。現在僅能支撐20公里時速的讀取(這是DSRC技術應用于ETC里很罕見的低速度),而且單車安裝成本目前仍然在300-400元左右,每個車道成本在30-40萬元之間,這樣的成本與效率,要推廣到全國,確實難度太大。


  按照交通運輸部數據顯示,預計2020年底,中國大陸的汽車保有量將達到2億輛,高速公路通車里程將達到16萬公里,預計將建收費站約7500個,按照每個收費站兩進兩出4個收費車道規劃,就需要建設ETC車道3萬條。


  相關分析指出,如果采用5.8GHz的DSRC 技術全面建設,按每個車道建設成本30-40萬元計算,全國ETC車道建設總投資將達到90至120億元。如果每個車載電子標簽按300元計算,全民的總開支約為600億元(數據來自:http://business.sohu.com/20140417/n398405940.shtml)。

  可以看出,與被動型RFID的單車成本低于10元相比,以上數據相差懸殊,更不用說離車牌拍照技術的差距有多遠了。這些因技術選擇原因而導致的成本因素,很可能是制約ETC應用推廣的重要原因之一。


  隨著車聯網技術的推進,目前國際汽車制造業,已經開始陸續研究在車上原配DSRC裝置和物聯網通信單元。也就是說,在不遠的將來,每輛車都會自動帶有獨立的電子身份射頻信號。美國在幾年前曾有立法提案論及此事。


  對電子收費有影響的另一些因素是,車輛牌照表面材料呈現技術和圖像識別技術的進展,最新的美國車輛牌照材料,已經出現了高精度印刷和圖像隱形加密技術,提供了攝像頭識別與人眼識別出不同內容的能力,這個技術也會加速車輛身份的機器識別能力。相信這些新技術會帶來不停車收費技術的發展與變革。


  中國幅員遼闊,人口眾多,如果采用不停車收費,技術抉擇和升級換代都不可能一蹴而就。但就現在的ETC技術而言,既然推廣速度緩慢,而且存在使用壽命和不斷更新問題,市場尚未普及,也許應該考慮使用成本更低的技術和設備,加速推動收費技術的升級換代。否則,解決擁堵收費、取消收費站、減少收費延誤等問題,都無法真正實現。而在建立高效率的道路交通路網、減少浪費和排放、打造交通強國的進程中,這些都是無法忽視的障礙。


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