1.1  概述

    聯(lián)網(wǎng)收費是提升高速公路收費服務(wù)水平和管理效率的一項重要工作，也是國家實現(xiàn)高速公路信息化和智能交通發(fā)展戰(zhàn)略重要組成部分。自2000年10月份國家交通部正式出臺了《高速公路聯(lián)網(wǎng)收費暫行技術(shù)要求》后，以省級行政區(qū)域為單位的各省市高速公路聯(lián)網(wǎng)收費工作紛紛加快推進(jìn)。

    由于我國高速公路普遍采用封閉式收費制式，各省市在聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)中，普遍采用了基于IC卡作為通行券的人工現(xiàn)金收費（MTC）方式。隨著國家系列金卡工程、金融電子化和交通一卡通進(jìn)程的加速，公路收費中電子支付的需求被提上了議事日程。顧名思義，電子支付就是采用電子化的方式實現(xiàn)貨幣支付，公路收費中的電子支付就是采用非現(xiàn)金付費的方式實現(xiàn)過路費支付，它代表了公路收費行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。公路收費中實現(xiàn)電子支付的主要方式有記帳卡、信用卡、預(yù)付卡、電子錢包等等。

    在各種公路收費的電子支付手段當(dāng)中，基于專用短程通訊（DSRC）技術(shù)的電子不停車收費（ETC）技術(shù)，以其具有免除現(xiàn)金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務(wù)水平、簡化收費管理、降低環(huán)境污染等等明顯特點和優(yōu)勢廣為受人青睞。這種技術(shù)自90年代初面世以來，先后在北美、歐洲、日本、澳洲、新加坡等地，得到了廣泛應(yīng)用，被實踐證明是一種必將取代傳統(tǒng)人工收費的先進(jìn)的非現(xiàn)金支付方式的電子收費技術(shù)手段。

    為適應(yīng)中國國情，交通部《高速公路聯(lián)網(wǎng)收費暫行技術(shù)要求》要求采取“人工半自動收費為主，電子不停車收費為輔”的組合方式，并明確提出“電子不停車收費系統(tǒng)宜采用兩片式ETC電子標(biāo)簽加雙界面CPU卡的高安全性組合預(yù)付卡方案，以實現(xiàn)電子不停車收費方式與IC卡半自動收費方式的兼容與互補”，即在ETC的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出了組合式電子收費技術(shù)。

    組合式電子收費方式將ETC收費方式和IC卡半自動收費方式進(jìn)行有機結(jié)合，從而在大范圍高速公路聯(lián)網(wǎng)收費以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡的條件下，以最經(jīng)濟、最有效的手段在部分有實際需求的收費站點實現(xiàn)電子不停車收費，避免收費站的交通擁堵，提高服務(wù)水平。它既解決了高速公路聯(lián)網(wǎng)收費的電子化支付問題，又能克服ETC應(yīng)用初期管理與推廣應(yīng)用方面面臨的困難。

    1.2 系統(tǒng)目標(biāo)

    組合式電子收費系統(tǒng)的整體目標(biāo)是：在各路段已經(jīng)實現(xiàn)IC卡現(xiàn)金收費的基礎(chǔ)上，采用基于兩片式電子標(biāo)簽的組合式收費技術(shù)，向用戶提供MTC和ETC兩種方式下的非現(xiàn)金方式電子支付服務(wù)，以最經(jīng)濟、最有效的手段實現(xiàn)準(zhǔn)確收費、避免交通擁堵、提高服務(wù)質(zhì)量、降低運營管理成本。

    1.3  應(yīng)用方式

    組合式收費系統(tǒng)的用戶在封閉路網(wǎng)下典型應(yīng)用方式如下：

    組合式電子收費的服務(wù)方式包括：

    (1) 停車方式的現(xiàn)金付費

    以目前廣泛采用的非接觸式邏輯加密IC卡作通行券實現(xiàn)人工收費方式的現(xiàn)金交費。繼續(xù)為公路用戶提供熟悉的“入口領(lǐng)卡、出口交費”的持通行卡現(xiàn)金付費業(yè)務(wù)，一方面是主流的現(xiàn)實需求，另一方面可以保護(hù)已有車道系統(tǒng)投資。

    (2) 停車方式的電子付費（非現(xiàn)金）

    以IC卡（CPU卡或邏輯加密卡）實現(xiàn)人工收費方式的電子付費。用戶省去了攜帶大量現(xiàn)金的麻煩，也不用交額外的服務(wù)費。收費單位也避免了現(xiàn)金收費中錯收、漏收、找零、貪污等現(xiàn)象。如果使用符合PBOC規(guī)范的CPU卡，除了可作為記帳卡使用之外，還可作為儲值卡使用，在收費車道從卡上電子錢包直接扣款，免去了透支等弊病，系統(tǒng)運營管理成本和風(fēng)險可大大降低。

    (3) 不停車方式的電子付費（非現(xiàn)金）

    以IC卡加兩片式電子標(biāo)簽實現(xiàn)不停車收費方式的電子付費。車輛快速通過ETC車道，安裝在車道的電子標(biāo)簽讀寫器（天線）可以借助車載電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離快速讀寫雙界面CPU卡中的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)免停車通過收費站并完成收費交易。

    1.4 運營模式

    高速公路組合式收費系統(tǒng)運營模式如下：

    (1) 一卡通服務(wù)中心主要負(fù)責(zé)支付卡與電子標(biāo)簽的管理（其中包括支付卡與電子標(biāo)簽的發(fā)行及日常管理、支付卡的后臺結(jié)算等），并向用戶提供多種客戶服務(wù)，同時負(fù)責(zé)統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和“聯(lián)網(wǎng)收費、一卡通行”的有關(guān)管理條例。作為整個系統(tǒng)的運營中心，一卡通服務(wù)中心向用戶提供各種完善的客戶服務(wù)；為路橋業(yè)主提供結(jié)算服務(wù)；委托發(fā)行代理發(fā)行儲值卡；委托清算銀行完成清算的劃帳業(yè)務(wù)。

    (2) 路橋業(yè)主是收費系統(tǒng)的投資建設(shè)單位，負(fù)責(zé)收費系統(tǒng)的運營管理及維護(hù)。路橋業(yè)主接受一卡通服務(wù)中心提供帳務(wù)清分等系統(tǒng)服務(wù)，向一卡通服務(wù)中心繳納一定比例的結(jié)算服務(wù)費。

    (3) 銀行主要負(fù)責(zé)根據(jù)一卡通服務(wù)中心的轉(zhuǎn)帳指令，實現(xiàn)對一卡通服務(wù)中心、路橋業(yè)主及記帳卡用戶間的帳務(wù)清算。

    (4) 用于高速公路組合式收費系統(tǒng)的電子支付卡（IC卡）及電子標(biāo)簽（OBU）由一卡通服務(wù)中心統(tǒng)一進(jìn)行初始化和發(fā)行，用戶在服務(wù)中心或其指定的營業(yè)網(wǎng)點辦理電子支付卡和電子標(biāo)簽申購手續(xù)。一卡通服務(wù)中心為用戶提供各項服務(wù)；對于記帳卡用戶，還應(yīng)與銀行簽訂帳戶的轉(zhuǎn)帳授權(quán)書，以保證一卡通服務(wù)中心能夠及時獲取通行費用。

    (5) 用戶持有電子支付卡并安裝了兩片式電子標(biāo)簽，則可使用本路段上面的ETC車道，享受不停車收費的服務(wù)，當(dāng)然也可以從MTC車道通過；但如果只申請了電子支付IC卡，則只能從MTC車道通過。

    (6) 用戶在MTC和ETC車道的通車和消費交易數(shù)據(jù)通過收費站上傳到收費管理中心，由收費管理中心進(jìn)行清算。

    (7) 帳號卡用戶需定期（例如月結(jié)）到收費管理中心進(jìn)行還款，儲值卡（預(yù)付卡）用戶則需在余額不足的時候到指定服務(wù)網(wǎng)點進(jìn)行IC卡充值。

    1.5 系統(tǒng)架構(gòu)

    在規(guī)劃和設(shè)計聯(lián)網(wǎng)收費一卡通行系統(tǒng)的時候，系統(tǒng)的整個架構(gòu)從完整性上考慮，應(yīng)該包括區(qū)域收費系統(tǒng)和一卡通服務(wù)系統(tǒng)兩大部分。區(qū)域收費系統(tǒng)是指區(qū)域級聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)，即通常包括車道系統(tǒng)、收費站系統(tǒng)、收費分中心（區(qū)域）系統(tǒng)、收費中心系統(tǒng)四級架構(gòu)。一卡通服務(wù)系統(tǒng)是指聯(lián)網(wǎng)收費的后臺支撐結(jié)算系統(tǒng)和支付卡的發(fā)行與用戶服務(wù)系統(tǒng)。

    組合式收費系統(tǒng)在收費站級以上部分，與一般的收費系統(tǒng)配置完全一致，所不同的是在前臺的車道級系統(tǒng)上，采用一種獨特的以“兩片式電子標(biāo)簽+雙界面CPU卡”為核心的組合式收費技術(shù)，實現(xiàn)了一張卡片可以從任意的ETC車道或者M(jìn)TC車道出入。前臺系統(tǒng)框架如下圖所示：

    1.6 ETC車道系統(tǒng)

    1.6.1 ETC車道設(shè)計要點

    ETC收費車道系統(tǒng)是組合式收費系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。按照交通部《聯(lián)網(wǎng)收費暫行技術(shù)要求》中提出的ETC車道設(shè)計基本原則是“內(nèi)側(cè)、低速、專用”，這個要求是切合國內(nèi)高速公路的使用實際的。組合式收費車道系統(tǒng)正是遵循這一原則，并結(jié)合“兩片式電子標(biāo)簽+雙界面CPU卡”的技術(shù)特點，把ETC車道系統(tǒng)設(shè)計成相對低速的收費車道。在匝道式收費車道條件下，這種車道系統(tǒng)一般允許的速度是在60公里/小時以下，為了便于收費現(xiàn)場管理，一般把車道通行速度限制在30公里/小時以內(nèi)，限速主要通過輔助的交通標(biāo)志和安全控制設(shè)施（自動欄桿）來實現(xiàn)。在這個設(shè)計速度下，每個匝道的通行能力已經(jīng)超過1500車次/小時，比普通的MTC車道（180~250車次/小時）高出5~7倍，比較充分地發(fā)揮了ETC車道快速處理的能力。

    ETC車道控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計也是一個重要的方面。整體的可靠性保障需要綜合考慮硬件和軟件平臺的選型與架構(gòu)設(shè)計，同時，要有具備充分容錯能力的車道模式和控制流程的設(shè)計。組合式收費車道系統(tǒng)中的ETC車道一般采用“專用”車道模式，這樣，任何在ETC車道未能正常處理和放行通過的車輛，包括誤入車輛和系統(tǒng)設(shè)備（或車載設(shè)備）失效引起的未交易車輛等，均通過輔助的車流引導(dǎo)設(shè)施（交通標(biāo)志、地面標(biāo)線、隔離墩、交通錐等）引導(dǎo)至旁邊MTC車道，交由人工收費系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。一個簡單的圖例示意如下圖：

    在“專用”車道模式下，車道控制流程可以得到大大的簡化，從而使得車道控制系統(tǒng)的容錯性設(shè)計相對沒有那么困難，系統(tǒng)的可靠性大大提高。一個簡單的車道主控流程如下圖所示：

    1.6.2 ETC車道設(shè)置原則

    說明：考慮到充分發(fā)揮ETC的優(yōu)勢，組合式ETC收費車道的設(shè)置原則為如下三點：（1）主線收費站；（2）重要城市出入口；（3）其他交通流量大的地方。在交通量較大或重要城市出入口，且車道資源豐富的收費站，可設(shè)置ETC專用車道，車輛用戶可以將雙界面CPU卡插入兩片式電子標(biāo)簽，以不停車付費的方式通過ETC專用車道；在交通量相對較小或車道資源有限的條件下，僅設(shè)置人工收費車道，用戶可以采用雙界面CPU卡以預(yù)付刷卡的方式通過收費站。這樣就能按需設(shè)置ETC車道數(shù)量，系統(tǒng)可靠性高、投資及規(guī)模富有彈性，易于試點和推廣。

    另外，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，組合式ETC收費車道系統(tǒng)的設(shè)計原則為：（1）專用；（2）中置；（3）低速。這主要考慮到雙片式ETC交易中，對電子錢包的處理流程比較復(fù)雜（典型交易時間為0.25秒），同時，充分結(jié)合交通管理上的安全需要而確定的。

    1.6.3 ETC車道布局

    說明：ETC收費島比MTC收費島向前加長7米，主要的ETC車道設(shè)備均安裝在這加長的7米島頭上。

    ETC車道主要組成設(shè)備有：路側(cè)讀寫控制器（RSU）、車載機（OBU）、通行信號燈、報警器、字符疊加器、費額顯示器、自動欄桿機、車道計算機（含顯示器、鍵盤、主機）、車道控制器、雨棚信號燈、車輛檢測器、地感線圈、攝像機，讀卡機具等。見下圖：

    1.7 技術(shù)特點

    (1) 擴展性強

    ETC車道可根據(jù)實際需要進(jìn)行逐步擴展，初期可以只在高速公路主線收費站和車流量大、形成交通瓶頸的城市出入口收費站設(shè)置ETC車道，以實現(xiàn)電子不停車收費，提高收費效率，緩解交通壓力。而大多數(shù)匝道收費站的交通量較小、收費車道數(shù)量少，單設(shè)一條ETC專用車道既困難又不經(jīng)濟，不符合按需進(jìn)行系統(tǒng)配置的原則，因此暫不設(shè)置ETC車道，待用戶群擴大、需求真正形成后再進(jìn)行擴充設(shè)置。在該方案大大降低了高速公路收費系統(tǒng)實現(xiàn)“一卡通行”的改造成本，在資金投入和系統(tǒng)規(guī)模上富有彈性、易于試點和推廣，投資風(fēng)險大大降低。

    (2) 真正“一卡通行”
 
    用戶安裝電子標(biāo)簽后，可將支付卡插入電子標(biāo)簽，在有提供ETC收費服務(wù)的車流量大的收費站和主線站通過ETC車道，實現(xiàn)免停車、免現(xiàn)金的支付卡交費；而在車流量小的匝道收費站，可以將支付卡抽出，交給收費員，使用停車方式的支付卡交費。真正實現(xiàn)了持一張路橋收費卡即可從任何一個收費站的任何一條入口車道（無論ETC或MTC）進(jìn)入封閉的高速公路，又可以從任何一個收費站的任何一條出口車道（無論ETC或MTC）交費通過。

    (3) 真正電子錢包

    在傳統(tǒng)的單片式電子標(biāo)簽收費系統(tǒng)和普通非接觸邏輯加密IC卡系統(tǒng)中，由于缺乏足夠安全的雙向認(rèn)證技術(shù)，最多只能當(dāng)作記帳卡使用，無法進(jìn)行實時的資金驗證，給系統(tǒng)運營單位帶來巨大的透支風(fēng)險。組合式收費技術(shù)方案采用高安全性的CPU卡作為存儲介質(zhì)，并采取規(guī)范的雙向認(rèn)證技術(shù)，可以勝任在任何沒有實時在線連接和后臺驗證的收費點，脫機進(jìn)行基于電子錢包方式的金融交易。這種技術(shù)，在應(yīng)用上完全符合中國人民銀行（PBOC）發(fā)布的《中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范》，為聯(lián)網(wǎng)收費開展儲值卡業(yè)務(wù)提供了安全、可靠的解決途徑，并且符合國家大力倡導(dǎo)的金卡工程和電子商務(wù)發(fā)展方向。

    (4) 支持多應(yīng)用擴展

    IC卡電子支付方式的引入，還使得組合式收費技術(shù)的擁有了另一個明顯優(yōu)點，即系統(tǒng)具備極強的多應(yīng)用擴展能力，可以結(jié)合高速公路相關(guān)產(chǎn)業(yè)的特點，無縫擴展到服務(wù)區(qū)、加油站、便利店、餐飲、汽修點、汽車美容服務(wù)等場合，也可以擴展到城市中的公交一卡通、出租車收費，公安交通管理中的車輛管理、駕駛員管理，交通運輸中的運政管理、規(guī)費征收等場合，作為一張交通IC卡使用，真正做到交通一卡通。

    1.8 關(guān)鍵設(shè)備

    1.8.1 概述

    在組合式收費技術(shù)中，收費車道系統(tǒng)使用一種基于5.8GHz微波頻段的專用短程通信（DSRC）技術(shù)設(shè)備來實現(xiàn)電子不停車收費（ETC）。DSRC設(shè)備主要由路側(cè)設(shè)備（RSU）和車載設(shè)備（OBU）組成，路側(cè)設(shè)備主要是指安裝在車道控制系統(tǒng)前端的起信息采集作用的微波讀寫控制器，其由天線和讀寫控制器組成；車載設(shè)備（OBU）主要是指安裝在用戶車輛上作為記錄車輛通行信息的移動設(shè)備，由兩片式電子標(biāo)簽與IC卡組成。DSRC設(shè)備的構(gòu)成如下圖：

    在微波讀寫控制器中，天線是一個微波收發(fā)模塊，負(fù)責(zé)調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼無線鏈路傳送的數(shù)據(jù)；讀寫控制器是控制發(fā)射和接收數(shù)據(jù)、以及處理信號收發(fā)的模塊。微波讀寫控制器以無線通訊的方式，與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采集和更新標(biāo)簽中的收費信息，并通過串行口與計算機通訊。

    在車載設(shè)備中，電子標(biāo)簽是一種具有智能卡接口的兩片式電子標(biāo)簽，兩片式電子標(biāo)簽本身是一個數(shù)據(jù)存儲器，可以根據(jù)需要存儲收費應(yīng)用中有關(guān)的電子信息（例如車輛物理參數(shù)信息、車主信息、標(biāo)簽發(fā)行信息等），同時，它還起到了通信中繼器的作用，路側(cè)設(shè)備通過它與智能卡進(jìn)行快速的移動通信，讀取并往智能卡中寫入相關(guān)的收費數(shù)據(jù)。

    與DSRC設(shè)備中兩片式電子標(biāo)簽配套使用的還有IC卡。IC卡可以是邏輯加密卡，也可以是CPU卡。IC卡作為通行券和付費卡使用，可以根據(jù)運營需要設(shè)計成記賬卡方式和儲值卡方式的兩種應(yīng)用。記賬卡方式下，與普通的帳號卡付費形式完全一致，操作簡便快捷，后臺電子結(jié)算，對于大宗固定的車隊式用戶有較大的吸引力；儲值卡方式下，實際上是一個電子錢包，這對于降低運營風(fēng)險，向廣大社會車輛用戶大面積推廣有很大的好處。通常在IC卡片技術(shù)選擇的時候，考慮到公路收費行業(yè)IC卡中儲存的資金額度比較大，IC卡建議采用符合PBOC金融安全應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CPU卡。

    1.8.2 兩片式電子標(biāo)簽

    兩片式電子標(biāo)簽同單片式電子標(biāo)簽比較，多一片可插拔的作為擴展存儲器使用的IC卡。兩片式電子標(biāo)簽主要作為車輛識別卡和通信中繼器使用，電子標(biāo)簽中只記錄車牌號、車型或車輛的物理參數(shù)，為車道系統(tǒng)提供車輛識別信息，而帳號、金額方面的信息則儲存在IC卡內(nèi)，電子標(biāo)簽與IC卡之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ETC車道天線可以借助車載電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離快速讀取IC卡中的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)免停車通過收費站并完成收費交易。

    通常兩片式電子標(biāo)簽具有支持接觸式IC卡和非接觸IC卡讀寫的能力。但由于進(jìn)行非接觸IC卡讀寫時，電子標(biāo)簽要消耗大量電能產(chǎn)生電磁波以激活非接觸IC卡進(jìn)行短距離通信，大多數(shù)用戶希望電子標(biāo)簽是自帶電池的免維護(hù)長壽命產(chǎn)品，因此要實現(xiàn)電子標(biāo)簽對非接觸IC卡的長壽命操作十分困難，而現(xiàn)實的情況是電子標(biāo)簽?zāi)軐佑|式IC卡長壽命操作，所以，兩片式電子標(biāo)簽采用接觸式通信方式與IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    與傳統(tǒng)的采用記帳方式的單片式或兩片式電子標(biāo)簽不同，本系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽必須內(nèi)置PSAM安全認(rèn)證模塊以適應(yīng)儲值卡業(yè)務(wù)的需要。

    1.8.3 雙界面CPU卡（Mifare pro卡）

    雙界面CPU卡是基于單芯片的、集接觸式與非接觸式接口為一體的智能卡，接觸式與非接觸式兩種接口共享同一個微處理器、操作系統(tǒng)和EEPROM。雙界面CPU卡具有接觸和非接觸兩套通信接口，其中非接觸通信接口標(biāo)準(zhǔn)分為TYPE A型和TYPE B型。由于TYPE A型通信方式完全兼容Mifare I標(biāo)準(zhǔn)，所以在本系統(tǒng)中采用TYPE A型的雙界面CPU卡，以便于同一臺IC卡讀寫機具完成兩種類型卡片的操作。

    1.8.4 非接觸式IC卡讀寫機具

    目前國內(nèi)高速公路已使用的非接觸IC卡讀寫設(shè)備完全具有支持雙界面CPU卡進(jìn)行通信的能力，或者通過讀寫設(shè)備軟件升級就可以很容易地具備這種能力。但由于雙界面CPU卡必須在雙向安全認(rèn)證的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行電子交易，要求IC卡車道專用收費機具預(yù)置安全認(rèn)證模塊（PSAM卡）接口及卡座，PSAM卡由儲值卡發(fā)行管理機構(gòu)統(tǒng)一安裝。

    1.8.5 電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備

    ETC設(shè)備需符合交通部《關(guān)于高速公路聯(lián)網(wǎng)收費的暫行規(guī)定》附錄四“電子不停車收費設(shè)備應(yīng)用技術(shù)條件暫行規(guī)定”。

    1.8.6 DSRC設(shè)備的國產(chǎn)化

    基于兩片式電子標(biāo)簽的組合式聯(lián)網(wǎng)收費和電子支付系統(tǒng)的順利建成，大大推動了我國組合式收費關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備——DSRC設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程。目前，國內(nèi)有少數(shù)廠商已掌握了高端的、自主知識產(chǎn)權(quán)的5.8GHz微波頻段兩片式DSRC技術(shù)，研制出國產(chǎn)兩片式DSRC設(shè)備（OBU電子標(biāo)簽和RSU車道微波天線），并成功應(yīng)用于高速公路組合式收費系統(tǒng)建設(shè)項目中。