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摘 要：2019年我国《交通强国建设纲要》发布，至19年5月，国务院印发《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》，明确提出：“2019年底前取消省界高速收费站，实现不停车快速收费，减少拥堵，便利群众。”本文以G50沪渝高速（上海段）为例，围绕省界高速收费站取消改造升级工程中ETC车道优化的实施进行总结与研究，针对建设、调试与运营工作中遇到的重点与难点问题，展开相关研究并介绍相应问题的解决策略。
关键词：ETC;智能交通;通行效率提升
1 背景介绍
1.1 基本情况
电子不停车收费系统，即ETC（Electronic Toll Collection）系统，是当前全球运用最广泛、最成熟的高速收费方案，更是智慧高速建设中的一项基础功能。ETC系统由RSU（Road Side Unit）路侧单元和OBU（On Board Unit）车载单元两大部分组成。
G50沪渝高速（上海段）全长47.199 km，其中徐泾收费站-朱枫公路收费站为4车道;朱枫公路收费站-省界为6车道，上海段收费站出入口2019年日均总流量为18.60万pcu/h，其中徐泾、嘉松中路、青浦城区等3处收费站较为拥堵，服务水平评价较差。
本次改造目标使各收费站ETC车道占比达50%及以上，从而提升全断面上通行能力，使各收费站服务水平得到提升。
1.2 车道改造分析
在现状交通流量下，受制于路幅宽度，G50沪渝高速（上海段）各收费站均呈现出饱和甚至过饱和状态。个别收费站服务水平五级甚至六级，严重影响到了过往车辆的行驶体验。
诸如青浦城区收费站南连接外青松公路，该节点2019年日均高峰小时交叉口总流量达到3 856 pcu/h，受出入口收费车道通行能力影响，已经对地面交通产生了重大影响，高峰时段北进口排队距离达到近700 m，出口处常规拥堵超100 m，辅道常规拥堵。
2 车道优化实施
本次改造涉及6处收费站16根MTC车道。借助本次ETC集中布置改造机会，通过大范围的ETC系统使用及更好的车道布置策略使得通行效率得到提升，服务水平在原有基础上有所提高。
按方案实施顺序，在建设过程中主要围绕以下几个重点展开：1）ETC车道布置;2）交易区布置;3）电动栏杆位置布置;4）邻道干扰的避免与解决;5）特情处置措施。
2.1 ETC车道布置
根据理论与原有ETC使用经验，将ETC车道集中布置于靠近1#车道侧对于ETC车道的通行效率最为有利。
然而在实际操作中，由于G50各收费站建设时间较早、布置相对集约，导致收费站广场狭小，某些收费站点两条匝道在广场形成汇流，完全无法利用广场辅道将车流做到全部分流。故而，除作为高速终点的徐泾收费站以外，需探讨另一种适用于通行现状的车道布置策略。
以青浦城区收费站为例，收费站现状为3进4出形式，进口处将ETC车道布置于1#车道、出口处将ETC车道集中布置于1#、2#车道的位置，致使不同方向ETC及MTC车辆在广场辅导区域互相穿插，形成对冲车流，导致调试初期收费广场月双车碰撞事故率上升327%;即使在随后有特勤疏导指挥车流的情况下，车流对冲现象也不能得到较好解决。
针对上述现象，采取将入口处ETC车道调整至1#车道、出口处ETC车道调整至2#、3#车道，并结合高流量状态下的特勤指挥一并，较好缓解了大部分流量状态下车流对冲现象。
此外，在引流分流过程中，通过加长ETC通道地面标线指引，在ETC通道内重新摊铺有别于其他通道的彩色面层等一系列措施从而提高驾驶员对ETC专用车道感知，减少非ETC车辆误入ETC车道概率对于通行效率的提升也有着较为明显的作用。在对ETC专用车道进行完彩色化铺装及延长后，可以明显感受到司机在各通道前停顿反映的减少，对通行效率乃至服务评价水平的提升起到了很好的促进作用。
2.2 交易区布置
ETC车道设备包含了如下几项：
（1）车道控制器（环形交易线圈、分车光幕）。
（2）RSU设备。
（3）高速自动栏杆。
（4）高清车牌图像识别设备。
（5）信息显示牌。
（6）车道摄像机。
其中：
（1）车道控制器;（2）RSU设备;（3）高速自动栏杆属于ETC车道核心设备。
2.2.1 RSU布置
鉴于收费站天棚网架会干扰RSU设备RFID射频信号从而降低交易成功率，故将RSU设备布置在雨棚的投影区以外。以此為基点确认车道控制器、自动栏杆机等设备的安装位置，及收费岛头相应扩展距离。
按《收费公路联网收费技术要求》，我国ETC车道标准宽度值3.50 m，一般值3.20 m～3.75 m;交易区长度未作要求，其和车辆通行速度及交易成功率呈高相关性，本市ETC车道现阶段限速20 km/h，远期要实现40 km/h目标。
根据所选用RSU设备性能与技术参数，在其5.00 m的安装高度上，RSU设备呈向下40度的倾角布置时，相控阵天线能实现最好的RFID无线射频波束扫描效果，其能够实现车速66 km/h通过过99.0%以上的交易成功率。
此时，车道交易区长度为6.0 m，宽度为3.20 m。RSU设备水平投影面与交易区之间存在2.0 m的空隙。
2.2.2 车道控制器的运用与邻道干扰的解决
邻道干扰：是指因相近/邻RUS通讯区重叠，使本车道通行车辆的OBU信息遭相邻车道RSU设备读取，从而导致交易失败甚至是重复交易的现象，是ETC车道大规模集中布置时必须解决好的关键难题。有别于以往采用的调整RSU设备角度、调整RSU功率、增设物理屏蔽等传统被动手段，利用车道控制器能够较彻底的解决邻道干扰现象的产生。 G50上海段车道控制器采取四线圈布局（2前2后），并在岛头设置分车光幕。在栏杆位置选择上，本市明确了ETC车道采取栏杆后置方案，即电动栏杆布置于RSD设备后，从而在遇到交易失败时能有足够刹车制动距离，也为后期进一步提高车辆通过速度甚至G50升级为自由流收费留出了余地。
本次采用的车道控制器包括2组光幕及4组环形线圈。其中环形线圈为提高可靠性均采取双组布置，采用2前2后的埋置形式，线圈作用依次为：
（1）前触发线圈：对进入车辆统计计数，分辨车辆类型（ETC车辆有/无效、非ETC车辆）并标记车辆进入交易区域，感知车辆先后顺序。
（2）交易线圈：车辆通过该位置触发RSU单元与OBU单元进行交易，控制高清攝像机对车辆进行拍照，若为特情车辆（ETC状态名单、超限车辆、系统自动拦截、显示特情等），则控制电动栏杆放下。
光幕分为驶入光幕及过车光幕，驶入光幕隔开进入ETC车道的车辆，过车光幕用以控制电动栏杆落下。
通过上述车道控制器的使用，使之与RSU设备形成了闭环构造，彻底杜绝了RSU设备读取多信号的可能。从根本上解决了邻道干扰现象，为集约式布置ETC车道扫除了障碍。
2.2.3 电动栏杆与交易区间距离确定
我国现行的ETC方案仍保留了电动栏杆，电动栏杆在确认车辆完成交易后放行。该方案能够在最大限度上避免车辆逃费问题的产生，而其副作用主要体现在：1）交易失败致后车追尾;2）砸杆等安全事故。
因此，电动栏杆与RSU设备间距离Lde 确认成为关系服务水平的关键要素。对其的主要影响因素有如下两点：
（1）安全刹车距离。依据《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2004）中给出的乘用车和总质量大于3 500 kg的汽车（以上为典型车辆计算值）满载情况下能够发出的平均制动减速度，分别为5.9 m/s2和5.0 m/s2。取以上制动检速度进行刹车制动距离计算，车辆“紧急制动”下的刹车距离如下表所示。
通过模拟ETC车辆通过车道的整个行为过程可知：
1）当车载OBU到达该点时开始进行交易，整个交易平均用时为240 ms。以时速40 km/h计算，车辆前进2.67 m;
2）当车头到达该点时，ETC交易处理完毕。OBU设备发声提示交易成功，司机可辨电动栏杆明显抬起动作;扣费信息同步在信息显示牌显示，信息牌位于RUS龙门架后方2.50 m处方便司机看清。以时速40 km/h计算，车辆前进距离4.50 m，本过程用时在400 ms以内;
3）若车头到达该点时尚不能看到明显抬杆动作的，务必立即采取制动措施，能够确保安全刹停的，以时速40 km/h计算，本过程中刹车距离为9.23 m;
4）当车辆完全通过该位置，电动栏杆开始复位。通过理论演算，当ETC车道设计通行时速取40 km/h时，电动栏杆与交易区距离≥9.23 m的，能够最大限度避免非人为因素的砸车、追尾事故发生。
（2）通行效率校验。装设OBU车辆在正常通过ETC车道时，驾驶员会根据栏杆位置及其起落速度调整车速，以确保心理感知上的安全距离。为确保ETC车道具有较高通行效率，电动栏杆需要较快的抬杆时间或较远的设置距离从而减弱甚至消除驾驶员心理和视觉上的负面影响。
G50上海段在本次改造前采用的电动栏杆抬杆时间为0.72 s，由于通讯及供电的方便，原布设于收费厅后约1.0 m位置，在车辆通行时有明显的迟滞感。
此外，在车辆从完成交易到通过栏杆的过程中，为确保行车安全，电动栏杆必须做到充分抬起。而抬杆动作会令大部分驾驶员作出加速行为。
根据前述确定的安全刹车距离，按照40 km/h的理论通行时速计算，当电动栏杆最大抬起时间不超过0.66 s时，能消除由驾驶员心理因素对车道通行效率造成的负面影响。
本次改建过程中，结合实际使用要求并综合了成本因素的考量，最终以落杆时间0.58 s作为选取电动栏杆的技术标准。最终确定RSU与电动栏杆之间L长度不小于7.23 m的控制目标。实际操作中，各收费站点也根据了自身条件尽可能的将L进行了拉长，从而使驾驶员获得感受更好的通行感受，最大程度提升通行效率。
3 结语
通过本次ETC车道的优化，实现了如下几个目标：（1）实现了ETC车道的技术升级改造和车道集中化布置目标;（2）G50沪渝高速（上海段）各收费站均达到四级以上服务水平，各路段原有高峰时段常规拥堵点得到了疏解;（3）为下阶段高速提升通行效率，切换为自由流通行积累经验和数据。
参考文献：
[1]陆化普，李瑞敏.高速公路收费站通行能力与车道配置策略研究[J].工程研究，2014（1）：216.
[2]王慧勇.高速公路收费站通行能力与车道配置策略研究[D].西南交通大学，2014.
[3]张玉玲，朱志强，林莉贤.日本ETC发展概括及对我国的启示[J].综合运输，2012（7）：125.
[4]查志强.复杂背景下的快速车牌识别技术研究[D].太原理工大学，2014.
关键词：ETC;智能交通;通行效率提升
1 背景介绍
1.1 基本情况
电子不停车收费系统，即ETC（Electronic Toll Collection）系统，是当前全球运用最广泛、最成熟的高速收费方案，更是智慧高速建设中的一项基础功能。ETC系统由RSU（Road Side Unit）路侧单元和OBU（On Board Unit）车载单元两大部分组成。
G50沪渝高速（上海段）全长47.199 km，其中徐泾收费站-朱枫公路收费站为4车道;朱枫公路收费站-省界为6车道，上海段收费站出入口2019年日均总流量为18.60万pcu/h，其中徐泾、嘉松中路、青浦城区等3处收费站较为拥堵，服务水平评价较差。
本次改造目标使各收费站ETC车道占比达50%及以上，从而提升全断面上通行能力，使各收费站服务水平得到提升。
1.2 车道改造分析
在现状交通流量下，受制于路幅宽度，G50沪渝高速（上海段）各收费站均呈现出饱和甚至过饱和状态。个别收费站服务水平五级甚至六级，严重影响到了过往车辆的行驶体验。
诸如青浦城区收费站南连接外青松公路，该节点2019年日均高峰小时交叉口总流量达到3 856 pcu/h，受出入口收费车道通行能力影响，已经对地面交通产生了重大影响，高峰时段北进口排队距离达到近700 m，出口处常规拥堵超100 m，辅道常规拥堵。
2 车道优化实施
本次改造涉及6处收费站16根MTC车道。借助本次ETC集中布置改造机会，通过大范围的ETC系统使用及更好的车道布置策略使得通行效率得到提升，服务水平在原有基础上有所提高。
按方案实施顺序，在建设过程中主要围绕以下几个重点展开：1）ETC车道布置;2）交易区布置;3）电动栏杆位置布置;4）邻道干扰的避免与解决;5）特情处置措施。
2.1 ETC车道布置
根据理论与原有ETC使用经验，将ETC车道集中布置于靠近1#车道侧对于ETC车道的通行效率最为有利。
然而在实际操作中，由于G50各收费站建设时间较早、布置相对集约，导致收费站广场狭小，某些收费站点两条匝道在广场形成汇流，完全无法利用广场辅道将车流做到全部分流。故而，除作为高速终点的徐泾收费站以外，需探讨另一种适用于通行现状的车道布置策略。
以青浦城区收费站为例，收费站现状为3进4出形式，进口处将ETC车道布置于1#车道、出口处将ETC车道集中布置于1#、2#车道的位置，致使不同方向ETC及MTC车辆在广场辅导区域互相穿插，形成对冲车流，导致调试初期收费广场月双车碰撞事故率上升327%;即使在随后有特勤疏导指挥车流的情况下，车流对冲现象也不能得到较好解决。
针对上述现象，采取将入口处ETC车道调整至1#车道、出口处ETC车道调整至2#、3#车道，并结合高流量状态下的特勤指挥一并，较好缓解了大部分流量状态下车流对冲现象。
此外，在引流分流过程中，通过加长ETC通道地面标线指引，在ETC通道内重新摊铺有别于其他通道的彩色面层等一系列措施从而提高驾驶员对ETC专用车道感知，减少非ETC车辆误入ETC车道概率对于通行效率的提升也有着较为明显的作用。在对ETC专用车道进行完彩色化铺装及延长后，可以明显感受到司机在各通道前停顿反映的减少，对通行效率乃至服务评价水平的提升起到了很好的促进作用。
2.2 交易区布置
ETC车道设备包含了如下几项：
（1）车道控制器（环形交易线圈、分车光幕）。
（2）RSU设备。
（3）高速自动栏杆。
（4）高清车牌图像识别设备。
（5）信息显示牌。
（6）车道摄像机。
其中：
（1）车道控制器;（2）RSU设备;（3）高速自动栏杆属于ETC车道核心设备。
2.2.1 RSU布置
鉴于收费站天棚网架会干扰RSU设备RFID射频信号从而降低交易成功率，故将RSU设备布置在雨棚的投影区以外。以此為基点确认车道控制器、自动栏杆机等设备的安装位置，及收费岛头相应扩展距离。
按《收费公路联网收费技术要求》，我国ETC车道标准宽度值3.50 m，一般值3.20 m～3.75 m;交易区长度未作要求，其和车辆通行速度及交易成功率呈高相关性，本市ETC车道现阶段限速20 km/h，远期要实现40 km/h目标。
根据所选用RSU设备性能与技术参数，在其5.00 m的安装高度上，RSU设备呈向下40度的倾角布置时，相控阵天线能实现最好的RFID无线射频波束扫描效果，其能够实现车速66 km/h通过过99.0%以上的交易成功率。
此时，车道交易区长度为6.0 m，宽度为3.20 m。RSU设备水平投影面与交易区之间存在2.0 m的空隙。
2.2.2 车道控制器的运用与邻道干扰的解决
邻道干扰：是指因相近/邻RUS通讯区重叠，使本车道通行车辆的OBU信息遭相邻车道RSU设备读取，从而导致交易失败甚至是重复交易的现象，是ETC车道大规模集中布置时必须解决好的关键难题。有别于以往采用的调整RSU设备角度、调整RSU功率、增设物理屏蔽等传统被动手段，利用车道控制器能够较彻底的解决邻道干扰现象的产生。 G50上海段车道控制器采取四线圈布局（2前2后），并在岛头设置分车光幕。在栏杆位置选择上，本市明确了ETC车道采取栏杆后置方案，即电动栏杆布置于RSD设备后，从而在遇到交易失败时能有足够刹车制动距离，也为后期进一步提高车辆通过速度甚至G50升级为自由流收费留出了余地。
本次采用的车道控制器包括2组光幕及4组环形线圈。其中环形线圈为提高可靠性均采取双组布置，采用2前2后的埋置形式，线圈作用依次为：
（1）前触发线圈：对进入车辆统计计数，分辨车辆类型（ETC车辆有/无效、非ETC车辆）并标记车辆进入交易区域，感知车辆先后顺序。
（2）交易线圈：车辆通过该位置触发RSU单元与OBU单元进行交易，控制高清攝像机对车辆进行拍照，若为特情车辆（ETC状态名单、超限车辆、系统自动拦截、显示特情等），则控制电动栏杆放下。
光幕分为驶入光幕及过车光幕，驶入光幕隔开进入ETC车道的车辆，过车光幕用以控制电动栏杆落下。
通过上述车道控制器的使用，使之与RSU设备形成了闭环构造，彻底杜绝了RSU设备读取多信号的可能。从根本上解决了邻道干扰现象，为集约式布置ETC车道扫除了障碍。
2.2.3 电动栏杆与交易区间距离确定
我国现行的ETC方案仍保留了电动栏杆，电动栏杆在确认车辆完成交易后放行。该方案能够在最大限度上避免车辆逃费问题的产生，而其副作用主要体现在：1）交易失败致后车追尾;2）砸杆等安全事故。
因此，电动栏杆与RSU设备间距离Lde 确认成为关系服务水平的关键要素。对其的主要影响因素有如下两点：
（1）安全刹车距离。依据《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2004）中给出的乘用车和总质量大于3 500 kg的汽车（以上为典型车辆计算值）满载情况下能够发出的平均制动减速度，分别为5.9 m/s2和5.0 m/s2。取以上制动检速度进行刹车制动距离计算，车辆“紧急制动”下的刹车距离如下表所示。
通过模拟ETC车辆通过车道的整个行为过程可知：
1）当车载OBU到达该点时开始进行交易，整个交易平均用时为240 ms。以时速40 km/h计算，车辆前进2.67 m;
2）当车头到达该点时，ETC交易处理完毕。OBU设备发声提示交易成功，司机可辨电动栏杆明显抬起动作;扣费信息同步在信息显示牌显示，信息牌位于RUS龙门架后方2.50 m处方便司机看清。以时速40 km/h计算，车辆前进距离4.50 m，本过程用时在400 ms以内;
3）若车头到达该点时尚不能看到明显抬杆动作的，务必立即采取制动措施，能够确保安全刹停的，以时速40 km/h计算，本过程中刹车距离为9.23 m;
4）当车辆完全通过该位置，电动栏杆开始复位。通过理论演算，当ETC车道设计通行时速取40 km/h时，电动栏杆与交易区距离≥9.23 m的，能够最大限度避免非人为因素的砸车、追尾事故发生。
（2）通行效率校验。装设OBU车辆在正常通过ETC车道时，驾驶员会根据栏杆位置及其起落速度调整车速，以确保心理感知上的安全距离。为确保ETC车道具有较高通行效率，电动栏杆需要较快的抬杆时间或较远的设置距离从而减弱甚至消除驾驶员心理和视觉上的负面影响。
G50上海段在本次改造前采用的电动栏杆抬杆时间为0.72 s，由于通讯及供电的方便，原布设于收费厅后约1.0 m位置，在车辆通行时有明显的迟滞感。
此外，在车辆从完成交易到通过栏杆的过程中，为确保行车安全，电动栏杆必须做到充分抬起。而抬杆动作会令大部分驾驶员作出加速行为。
根据前述确定的安全刹车距离，按照40 km/h的理论通行时速计算，当电动栏杆最大抬起时间不超过0.66 s时，能消除由驾驶员心理因素对车道通行效率造成的负面影响。
本次改建过程中，结合实际使用要求并综合了成本因素的考量，最终以落杆时间0.58 s作为选取电动栏杆的技术标准。最终确定RSU与电动栏杆之间L长度不小于7.23 m的控制目标。实际操作中，各收费站点也根据了自身条件尽可能的将L进行了拉长，从而使驾驶员获得感受更好的通行感受，最大程度提升通行效率。
3 结语
通过本次ETC车道的优化，实现了如下几个目标：（1）实现了ETC车道的技术升级改造和车道集中化布置目标;（2）G50沪渝高速（上海段）各收费站均达到四级以上服务水平，各路段原有高峰时段常规拥堵点得到了疏解;（3）为下阶段高速提升通行效率，切换为自由流通行积累经验和数据。
参考文献：
[1]陆化普，李瑞敏.高速公路收费站通行能力与车道配置策略研究[J].工程研究，2014（1）：216.
[2]王慧勇.高速公路收费站通行能力与车道配置策略研究[D].西南交通大学，2014.
[3]张玉玲，朱志强，林莉贤.日本ETC发展概括及对我国的启示[J].综合运输，2012（7）：125.
[4]查志强.复杂背景下的快速车牌识别技术研究[D].太原理工大学，2014.