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高速公路不停车收费管理系统
作者：晓辉
来源：RFID技术与应用
日期：2007-05-06 15:32:57
摘要：高速公路越建越多，但仍然很难满足经济发展的需要。高速公路堵车现象时有发生，大部分高速公路收费管理却仍停留在比较低效的人工收费阶段。不停车收费系统又称电子收费系统，简称ETC系统。它利用车辆自动识别(简称 AVI)技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网路对收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。可以极大地提高收费效率，目前为越来越多的国家和地区所重视。本文将对国内外高速公路不停车收费系统原理和应用现状进行简单介绍。
1 高速公路收费管理现状
截止2006年1月，我国高速公路通车里程已经达到4.1万公里。高速公路通车里程稳居世界第二位。“十一五”期间我国将新建高速公路2.4万公里，到2010年，全国高速公路通车里程将达到6.5万公里。
高速公路越建越多，但仍然很难满足经济发展的需要。高速公路堵车现象时有发生，拥堵严重的路段可能会天天堵，有时候一堵好几天。高速公路管理手段越来越先进，但大部分已通车高速公路收费管理却仍停留在比较低效的人工收费阶段。这就给高速公路使用带来诸多不便。2005年十一长假期间，为了缓解北京地区高速公路收费站带来的拥堵，北京市100%开道敞开收费口、进出口，由此造成大量过路费流失。在2002年之前，高速公路收费站几乎成了日本高速公路的瓶颈，因为汽车在收费站排队交费造成的拥堵已经占到了日本交通堵塞原因的第三位。
传统的收费管理方式主要有以下不便：
(1) 车辆停车排队交费等候通关的时间较长，在车流量增加时很容易造成拥堵；
(2) 因停车等候交费的时间较长，降低了大桥的通行能力和服务水准；
(3) 各收费站点的现金结算工作量巨大，所需工作人员较多，增加了人力使用成本；
(4) 人工收费存在人员交接班的现金复核、稽查和统计工作量，同时还存在现金移交的资金安全问题；
(5) 存在收费漏、交钱不给票或给假票的情况时有发生，甚至出现假钞假币方面损失；
(6) 不便于路况和车流信息及时交流；
(７)由不同投资主体修建的公路收入分配问题日益严重；
(８)经过收费站时停车缴费造成的通行速度缓慢、频繁制动引起的机械磨损、油耗、噪音和由此产生的大量有害尾气等问题严重。
上述问题的存在大大降低了高速公路的通车能力和使用效率。使得高速公路方便快捷的优势难以全面发挥，还带来了贪污腐化、职务犯罪和能源浪费环境污染等问题，给经济建设和社会发展带来了极大的不便。
2 高速公路不停车收费管理系统概述
在车辆自动识别技术的发展过程中，试验和实施了多种不同的自动识别技术，如感应线圈识别技术、声表面波识别技术、条码识别技术、红外通信识别技术和射频识别技术等，但最终主流归结到采用射频识别技术作为不停车收费系统的车辆自动识别技术。
不停车收费系统又称电子收费系统 （Electronic Toll Collection System），简称ETC系统。它利用车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification 简称 AVI)技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网路对收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。
该系统通过安装在车辆挡风玻璃上或者车身其他部位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，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。不停车收费系统主要利用车辆自动识别技术，通过路侧车道控制系统的信号发射与接收装置识别通过车辆的编号，自动从该用户的专用账户中扣除通行费。
射频识别系统是利用安装在车内的射频卡（无线电收发器）存贮车辆编号及相关信息， 安装在车道的射频天线可与该无线电收发器以专用短程通信（Dedicated Short-Range Communication， 简称DSRC）方式交换信息，并对其存储内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆。除了用于收费以外，射频电子标签（Electronic Tag，简称ET）的一些型号也可以用于车路通讯（Vehicle-Road Communication）， 这一技术甚至允许车道设备向配备有显示器的射频电子标签发送交通管理信息，这就使得不停车收费系统拥有城市交通管理和控制的潜在能力。
ETC技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。日本在2003年就已经有超过1000条ETC收费车道被安装在收费站，几乎遍及日本所有的高速公路。目前，关东高速已全部实现了ETC收费，只保留部分车道进行ETC和半自动混合收费。绝大部分的商业运营车辆已经装备了ETC车载单元，我国很多地区已经开始使用ＥＴＣ系统对高速公路收费管理系统进行升级。
不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。在传统采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统，在无车道隔离情况下的自由交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。实施不停车收费，可以允许车辆在较高的速度之内通过，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。另外，不停车收费系统对于城市来说，就不仅仅是一项先进的收费技术，它还是一种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道,不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回收能力。
3 技术原理
系统是通过远距离、非接触采集射频卡的信息，实现车辆在快速移动状态下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。该系统产品集计算机软硬件、无线通信、信息采集处理、数据传输、网络通讯、自动控制和智能卡制作等技术综合应用为一体，属于先进的智能交通信息采集设备和高安全性的智能身份识别系统，是一种能有效对车辆进行自动识别和联网监管的重要技术手段。
目前，RFID ETC高速公路不停车收费，其要求远距离读卡器能识读在至少十米的距离。以目前的技术手段而言，只有两种方式能够实现:一种是采用半有源电子标签的远距离读卡器，识读距离能达到十米；另一种是采用有源电子标签（有源射频卡）的远距离读卡器，识读距离最远可达到100米。这两种远距离读卡器的重要区别在于识读可靠性：半有源射频卡的远距离读卡器识读可靠性不能达到100％，而有源射频卡的远距离读卡器可靠性能得到完全保证。当然，后者支持的电子标签成本也相应高于前者。因此，对于远距离读卡器的选择取决于应用需求。
系统产品中的阅读器将低频的载波信号经发射天线向外发送；射频卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，发射出载有目标识别码的高频加密载波信号被接收天线接收，经阅读器接收处理后，提取出目标识别码送至计算机，完成预设的系统管理功能，从而实现目标的自动化管理。
系统的工作原理简图如图3所示。
目前，公路收费领域的射频识别技术主要是工作在微波频段（5．8GHz）的短距离（8米－30米）通信技术，射频自动识别系统中，国际上研究和使用过的频率有三种：915MHz、2．45GHz、5．8GHz。从已建成的不停车收费系统看，915MHz系统主要用于北美地区，尤其是集装箱识别系统，5．8GHz系统主要用于欧洲和亚洲以及大洋洲地区，2．45GHz系统没有形成主流。目前，电子收费确定在5．8GHz附近频段已是不争的事实。另一方面，欧洲、日本、美国、中国等大多数国家的标准定在5．8GHz至5．9GHz频段。
在我国选用5．8GHz频段具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲标准体系，无线电频率资源的分配大致相同。其次，5．8GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解决915MHz、2．45GHz容易。再次，5．8GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本，也有利于将来开展智能运输系统领域的其他服务。
4 技术系统组成
4.1 硬件系统构成
不停车收费硬件系统包括收费站数据采集部分、数据传输部分、监控管理部分三部分组成。
收费站数据采集设备主要是远距离非接触采集车辆通过的时间、地点信息。收费站数据采集设备由若干个收费站组成局域网，每个收费站配置如下设备：
（1） 远距离射频识别系统（每套包括发射天线、接收天线、天线调谐器、阅读器和嵌入式软件）
（2） 车辆感应器
（3） 执行机构控制器(用于控制摄像机、交通信号灯、报警器等)
（4） 摄像机
（5） 交通信号灯
（6） 报警器
（7） 工控机
（8） 不间断电源
数据采集系统主要实现不停车快速读取通行车辆卡号，并上传至收费管理中心；判断通过车辆所持卡号的合法性，控制红绿灯动作；对持有效卡的车辆绿灯放行；持无效卡的车辆红灯禁行；对无卡车辆向控制中心发出警报信号或抓拍车辆图像。
每一个收费站是系统中的基本管理单元，其数据通过网络联接，将车辆通行的相关资料经专用电缆（通常采用单模光纤）通过计算机网络实时传输至控制中心。图像捕捉设备将自动捕捉、存储车辆的图像，以供核查。
数据传输主要是完成收费站与监控室或收费管理中心之间的网络连接。它由若干个收费站数据采集设备通过IP协议组成广（局）域网，数据传输配置网络通信接口设备、数字交换机、光收发设备、网络终端设备。
监控管理部分主要是完成对上传数据进行处理，提供完整的通行记录报告和自动生成各类收费数据、客户对账单、交通流量的统计报表供查询和打印，并实时监控车辆通行状态，将数据存机备查；当车辆非法进入或不按规定通道通行时，系统报警。监控管理配置网络服务器、管理计算机、不间断电源、系统软件 。
监控管理部分实时采集、存储各监控点处理计算机的通行数据，并进行逻辑判断和处理；完成各种信息的存储、备份以便稽核人员核查。自动生成各类数据、交通流量的统计报表供查询和打印；负责发放射频卡、建立用户档案、修改卡片档案库资料，设定用户查询密码等工作，保障发卡操作的合法性及安全性。设立卡片挂失、补卡、清卡、退卡、用户服务查询系统。
4.2 软件系统构成
不停车收费管理系统是由服务器、管理计算机、车道计算机通过星形及总线形的混合网络拓扑结构连接而成的具备实时数据监视及采集、图像监视及采集、数据统计、信息检索等多项功能的计算机综合管理系统。其中包括由采用星型结构连接在一起的车道计算机为主，远距离射频识别系统设备、信号灯、显示牌和红外车辆检测器等为辅而构成的车道收费系统；由通过集线器连接的服务器、管理计算机、报表打印机组成的上端管理系统；由通过数据通道与图像信息通道与网络连接在一起的以计算机为主，视频采集设备为辅的多媒体采集系统。其各组成部分功能如下：
(1)车道计算机:主要是完成车型的自动录入，射频卡的读写、网络检测、数据上传、信号灯控制、红外控制以及对各个收费车道特殊车辆（包括：无卡车、卡无效车、违章车等）的图像信息进行捕获并分类存入计算机以备随时检索使用等功能。
(2)管理计算机:对原始数据进行交通流量、征费金额的统计并输出各种文字和文字报表；通过各种条件对收费原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总；进行射频卡的发行、回收、挂失、恢复和充值操作；对系统进行各种初始设置等功能。
(3)网络服务器:完成整个收费系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。
系统主要由数据统计、数据查询、射频卡管理、系统维护、系统退出几个模块构成。
系统工作流程如下所示。
(1)数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能。其功能实现主要分为四部分：原始数据总条件过滤、进一步进行明细条件的查询、对查询结果进行浏览、对符合条件的数据进行汇总。
(2)数据统计模块主要是根据收费站各个收费车道的交通流量及收费情况等进行统计汇总，并按照指定的格式进行报表的输出。统计表报表包括：预缴款扣交总金额报表；车流量报表；有效卡车流量报表；冲关（无卡）/无效卡/黑名单车辆流量、明细报表；预缴款最低金额线卡号明细表；分时段统计以上指标功能报表。
(3)系统维护模块介绍主要是完成对整个收费管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。此模块只能由本系统的超级用户来完成，其他任何人员不能完成此模块的各项功能。维护项目包括：基本信息维护；操作人员维护；收费车道维护；费率库维护；值班情况浏览；射频卡初始化。
(4)射频卡管理模块主要是完成对整个收费管理系统中各种 射频卡的发行、回收、维护等工作。管理项目包括：射频卡信息浏览：射频卡发行管理；射频卡充值管理；射频卡回收管理；射频卡黑名单管理。
(5)系统退出模块主要是完成退出时再次对进行人员的身份校验及准备退出前的各种数据库的关闭及未保存的数据的保存工作。
从不停车收费管理系统软硬件系统构成，我们可以将不停车收费管理系统概括成车辆识别系统、车型分类系统、逃费抓拍系统几个部分。如果需要,还可以在收费站加装紧急救援系统,从而将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。
系统工作流程图如图4所示。
5 电子标签和车载读卡器
5.1 电子标签
将专用的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中封装而成的IC卡（Integrated Circuit card 即集成电路卡），按所嵌的芯片类型可分为：存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡三种。CPU卡以其对数据的绝对保护性、安全性高、容量大的特点和其在应用中对计算机网络的实时性、敏感性要求低，有利于在网络质量不高的环境中应用的特性，被日本ETC系统定为电子标签的最终解决方案。CPU卡内的集成电路包括中央处理器CPU、可编程只读数据存储器EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COS(Chip Operating System)。CPU卡中数据可分为外部读取和内部处理部分，可固化DES和RSA等密码算法，甚至可集成密码协处理器，在卡中就可对数据作加密/解密和数字签名/验证运算，以确保卡中数据的安全可靠。
CPU卡芯片出厂前，芯片中的数据被制造商密钥保护起来。只有掌握该密钥的IC卡制造商才能读出这些数据。在卡片中封装入保密逻辑芯片，验证IC卡的操作密钥，控制对卡中EEPROM的访问。当芯片被封装到塑料卡片中形成CPU卡后，IC 卡生产厂商可以把预处理数据（如卡序列号、厂商代码等）写入卡中的EEPROM中，并把卡个人化密钥写入读保护存储区，每张卡有一个个人化密钥，用来保护该卡不被非法初始化为伪卡。CPU卡在发行到持卡人之前，需要将卡个人化，即在CPU卡中建立应用系统的结构（创建MF、DF和EF文件）将持卡人的个人信息写入卡中的保护区里。
在个人化过程中，可以设定文件的访问权限。每张卡中可以建立多个DF文件，每个DF文件中定义一套独立的应用，每个应用有不同的口令和不同的安全控制条件。对DF访问的控制条件存入MF卡中。个人化过程结束后，卡中还可以设置持卡人密码，以保护该卡的安全使用。集成在日本ETC系统中的IC卡通过车载器与外场设备相互通讯，进行授权认可，加密数据记录。电子标签是可读写的，在采用"封闭式"收费制式的高速公路上，进入高速公路时，路侧雷达向电子标签写入入口车站信息；离开高速公路时，再读出入口信息以便系统计算通行费。由于在整个ETC的支付过程中，IC卡上的车辆型号、车牌号码、车主的相关资料等信息需要经过双向通讯才能完成交易，所以安全性至关重要。
5.2车载读卡器
作为沟通车路间通信的车载器，特别是起技术核心DSRC(Dedicated Short Range Communication,专用短距离通讯)标准的制定更是ETC关键技术。目前，国际上已形成了以欧洲CEN/TC278，美国ASTM/IEEE和日本ISO/TC204为标准的DSRC体系。1999年11月，日本ISO/TC204被ITU(International Telecommunication Union国际电信联盟)确认为国际标准，其具体技术是：标准化机构：TC204国际标准化组织第204委员会，频率：5.8GHz，通信方式：主动式本双工/双工，工作功率：300mW以下（路侧雷达（预告用）），10mW以下路侧雷达（收费站用）、车载器），调制方式：ASK，通信协议：FCMS，MDS，ACTS，传输速率：1Mb/s,通信距离：约30m,通信设计时速：∠180km/h。由于长、中、短波等波段已基本被广播电视、民用通信等相应领域占用，且车间通信距离不长（范围几十米），通信区域相对固定，通信时间较短，因此选用5.8GHz作为载波频率；同时，ITS将ETC的DSRC工作频段定为5.8GHz也是为今后开发第四代移动通信作技术支持。
6 应用难题及解决
作为智能运输系统的重要组成部分，ETC已越来越多地应用到新建的高速公路之上。任何一项技术的应用有其突出的优点，也必然会有不足，尤其是与管理融合在一起的技术更是如此。ETC有其非常明显的优点，但是它也不是在任何地方都能应用或者说能发挥其优势的。
由于ETC车道的初期建设成本投入较高和对DSRC、电子标签的保密性开发费用也过高，据日本相关调查机构统计，一条ETC专用车道的投资金额高达1，000万日元以上，并且使用者用于购买车载器方面的花费也在3、4万日元左右，因此导致ETC技术在运用上的瓶颈效应。现在，一种称之为"电子牌照"的技术正被推广。"电子牌照"就是在普通汽车牌照上嵌入一枚可读的IC芯片从而提高汽车牌照的防伪性，更便于车辆管理。若全国所有的车辆都运用了"电子牌照"技术，那么必将降低对ETC车道中AVC系统的投资。另一种称之为"蓝牙"（Blue tooth）的短距离无线网络头脑关心技术也将从根本上降低ETC系统的建设成本。"蓝牙"是一种在区域性环境内进行短距、点对多点的数据传送无线连接技术，其优点有：整个蓝牙协议结构简单，具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；功耗低；蓝牙模块应用简单，成本低廉，容易实现，易于推广，已得到了许多电脑制造商及通信器材厂商的支持。
另一个方面，不停车收费系统对可靠性要求很高，因为一旦系统开通，有车载卡的用户将在有ETC系统的高速公路(网)的任意出入口使用ETC通道，如果有哪个出入口有故障， 将给用户带来很大的麻烦，有时还会引起纠纷。有的发达国家为避免此问题，为每个收费站配备了手持式的ETC读写机。不停车收费系统一旦得到推广，那就需要在所有的高速公路出入口安装ETC车道，而实际上，有相当部分的出入口交通量不大，因此这样的系统将使设备和车道资源大量闲置。
在不停车收费系统不断的开发完善中，上述问题也许会很快得到解决，但是肯定还会有新的问题出现。我们要用平常的心去看待新技术，不要因为取得技术的突破而沾沾自喜，更不能因为困难的出现就轻易放弃。没有永远平坦的大道，存在的只有不断的沟壑和人类无休止的修缮。
截止2006年1月，我国高速公路通车里程已经达到4.1万公里。高速公路通车里程稳居世界第二位。“十一五”期间我国将新建高速公路2.4万公里，到2010年，全国高速公路通车里程将达到6.5万公里。
高速公路越建越多，但仍然很难满足经济发展的需要。高速公路堵车现象时有发生，拥堵严重的路段可能会天天堵，有时候一堵好几天。高速公路管理手段越来越先进，但大部分已通车高速公路收费管理却仍停留在比较低效的人工收费阶段。这就给高速公路使用带来诸多不便。2005年十一长假期间，为了缓解北京地区高速公路收费站带来的拥堵，北京市100%开道敞开收费口、进出口，由此造成大量过路费流失。在2002年之前，高速公路收费站几乎成了日本高速公路的瓶颈，因为汽车在收费站排队交费造成的拥堵已经占到了日本交通堵塞原因的第三位。
传统的收费管理方式主要有以下不便：
(1) 车辆停车排队交费等候通关的时间较长，在车流量增加时很容易造成拥堵；
(2) 因停车等候交费的时间较长，降低了大桥的通行能力和服务水准；
(3) 各收费站点的现金结算工作量巨大，所需工作人员较多，增加了人力使用成本；
(4) 人工收费存在人员交接班的现金复核、稽查和统计工作量，同时还存在现金移交的资金安全问题；
(5) 存在收费漏、交钱不给票或给假票的情况时有发生，甚至出现假钞假币方面损失；
(6) 不便于路况和车流信息及时交流；
(７)由不同投资主体修建的公路收入分配问题日益严重；
(８)经过收费站时停车缴费造成的通行速度缓慢、频繁制动引起的机械磨损、油耗、噪音和由此产生的大量有害尾气等问题严重。
上述问题的存在大大降低了高速公路的通车能力和使用效率。使得高速公路方便快捷的优势难以全面发挥，还带来了贪污腐化、职务犯罪和能源浪费环境污染等问题，给经济建设和社会发展带来了极大的不便。
2 高速公路不停车收费管理系统概述
在车辆自动识别技术的发展过程中，试验和实施了多种不同的自动识别技术，如感应线圈识别技术、声表面波识别技术、条码识别技术、红外通信识别技术和射频识别技术等，但最终主流归结到采用射频识别技术作为不停车收费系统的车辆自动识别技术。
不停车收费系统又称电子收费系统 （Electronic Toll Collection System），简称ETC系统。它利用车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification 简称 AVI)技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网路对收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。
该系统通过安装在车辆挡风玻璃上或者车身其他部位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，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。不停车收费系统主要利用车辆自动识别技术，通过路侧车道控制系统的信号发射与接收装置识别通过车辆的编号，自动从该用户的专用账户中扣除通行费。
射频识别系统是利用安装在车内的射频卡（无线电收发器）存贮车辆编号及相关信息， 安装在车道的射频天线可与该无线电收发器以专用短程通信（Dedicated Short-Range Communication， 简称DSRC）方式交换信息，并对其存储内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆。除了用于收费以外，射频电子标签（Electronic Tag，简称ET）的一些型号也可以用于车路通讯（Vehicle-Road Communication）， 这一技术甚至允许车道设备向配备有显示器的射频电子标签发送交通管理信息，这就使得不停车收费系统拥有城市交通管理和控制的潜在能力。
ETC技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。日本在2003年就已经有超过1000条ETC收费车道被安装在收费站，几乎遍及日本所有的高速公路。目前，关东高速已全部实现了ETC收费，只保留部分车道进行ETC和半自动混合收费。绝大部分的商业运营车辆已经装备了ETC车载单元，我国很多地区已经开始使用ＥＴＣ系统对高速公路收费管理系统进行升级。
不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。在传统采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统，在无车道隔离情况下的自由交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。实施不停车收费，可以允许车辆在较高的速度之内通过，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。另外，不停车收费系统对于城市来说，就不仅仅是一项先进的收费技术，它还是一种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道,不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回收能力。
3 技术原理
系统是通过远距离、非接触采集射频卡的信息，实现车辆在快速移动状态下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。该系统产品集计算机软硬件、无线通信、信息采集处理、数据传输、网络通讯、自动控制和智能卡制作等技术综合应用为一体，属于先进的智能交通信息采集设备和高安全性的智能身份识别系统，是一种能有效对车辆进行自动识别和联网监管的重要技术手段。
目前，RFID ETC高速公路不停车收费，其要求远距离读卡器能识读在至少十米的距离。以目前的技术手段而言，只有两种方式能够实现:一种是采用半有源电子标签的远距离读卡器，识读距离能达到十米；另一种是采用有源电子标签（有源射频卡）的远距离读卡器，识读距离最远可达到100米。这两种远距离读卡器的重要区别在于识读可靠性：半有源射频卡的远距离读卡器识读可靠性不能达到100％，而有源射频卡的远距离读卡器可靠性能得到完全保证。当然，后者支持的电子标签成本也相应高于前者。因此，对于远距离读卡器的选择取决于应用需求。
系统产品中的阅读器将低频的载波信号经发射天线向外发送；射频卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，发射出载有目标识别码的高频加密载波信号被接收天线接收，经阅读器接收处理后，提取出目标识别码送至计算机，完成预设的系统管理功能，从而实现目标的自动化管理。
系统的工作原理简图如图3所示。
目前，公路收费领域的射频识别技术主要是工作在微波频段（5．8GHz）的短距离（8米－30米）通信技术，射频自动识别系统中，国际上研究和使用过的频率有三种：915MHz、2．45GHz、5．8GHz。从已建成的不停车收费系统看，915MHz系统主要用于北美地区，尤其是集装箱识别系统，5．8GHz系统主要用于欧洲和亚洲以及大洋洲地区，2．45GHz系统没有形成主流。目前，电子收费确定在5．8GHz附近频段已是不争的事实。另一方面，欧洲、日本、美国、中国等大多数国家的标准定在5．8GHz至5．9GHz频段。
在我国选用5．8GHz频段具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲标准体系，无线电频率资源的分配大致相同。其次，5．8GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解决915MHz、2．45GHz容易。再次，5．8GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本，也有利于将来开展智能运输系统领域的其他服务。
4 技术系统组成
4.1 硬件系统构成
不停车收费硬件系统包括收费站数据采集部分、数据传输部分、监控管理部分三部分组成。
收费站数据采集设备主要是远距离非接触采集车辆通过的时间、地点信息。收费站数据采集设备由若干个收费站组成局域网，每个收费站配置如下设备：
（1） 远距离射频识别系统（每套包括发射天线、接收天线、天线调谐器、阅读器和嵌入式软件）
（2） 车辆感应器
（3） 执行机构控制器(用于控制摄像机、交通信号灯、报警器等)
（4） 摄像机
（5） 交通信号灯
（6） 报警器
（7） 工控机
（8） 不间断电源
数据采集系统主要实现不停车快速读取通行车辆卡号，并上传至收费管理中心；判断通过车辆所持卡号的合法性，控制红绿灯动作；对持有效卡的车辆绿灯放行；持无效卡的车辆红灯禁行；对无卡车辆向控制中心发出警报信号或抓拍车辆图像。
每一个收费站是系统中的基本管理单元，其数据通过网络联接，将车辆通行的相关资料经专用电缆（通常采用单模光纤）通过计算机网络实时传输至控制中心。图像捕捉设备将自动捕捉、存储车辆的图像，以供核查。
数据传输主要是完成收费站与监控室或收费管理中心之间的网络连接。它由若干个收费站数据采集设备通过IP协议组成广（局）域网，数据传输配置网络通信接口设备、数字交换机、光收发设备、网络终端设备。
监控管理部分主要是完成对上传数据进行处理，提供完整的通行记录报告和自动生成各类收费数据、客户对账单、交通流量的统计报表供查询和打印，并实时监控车辆通行状态，将数据存机备查；当车辆非法进入或不按规定通道通行时，系统报警。监控管理配置网络服务器、管理计算机、不间断电源、系统软件 。
监控管理部分实时采集、存储各监控点处理计算机的通行数据，并进行逻辑判断和处理；完成各种信息的存储、备份以便稽核人员核查。自动生成各类数据、交通流量的统计报表供查询和打印；负责发放射频卡、建立用户档案、修改卡片档案库资料，设定用户查询密码等工作，保障发卡操作的合法性及安全性。设立卡片挂失、补卡、清卡、退卡、用户服务查询系统。
4.2 软件系统构成
不停车收费管理系统是由服务器、管理计算机、车道计算机通过星形及总线形的混合网络拓扑结构连接而成的具备实时数据监视及采集、图像监视及采集、数据统计、信息检索等多项功能的计算机综合管理系统。其中包括由采用星型结构连接在一起的车道计算机为主，远距离射频识别系统设备、信号灯、显示牌和红外车辆检测器等为辅而构成的车道收费系统；由通过集线器连接的服务器、管理计算机、报表打印机组成的上端管理系统；由通过数据通道与图像信息通道与网络连接在一起的以计算机为主，视频采集设备为辅的多媒体采集系统。其各组成部分功能如下：
(1)车道计算机:主要是完成车型的自动录入，射频卡的读写、网络检测、数据上传、信号灯控制、红外控制以及对各个收费车道特殊车辆（包括：无卡车、卡无效车、违章车等）的图像信息进行捕获并分类存入计算机以备随时检索使用等功能。
(2)管理计算机:对原始数据进行交通流量、征费金额的统计并输出各种文字和文字报表；通过各种条件对收费原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总；进行射频卡的发行、回收、挂失、恢复和充值操作；对系统进行各种初始设置等功能。
(3)网络服务器:完成整个收费系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。
系统主要由数据统计、数据查询、射频卡管理、系统维护、系统退出几个模块构成。
系统工作流程如下所示。
(1)数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能。其功能实现主要分为四部分：原始数据总条件过滤、进一步进行明细条件的查询、对查询结果进行浏览、对符合条件的数据进行汇总。
(2)数据统计模块主要是根据收费站各个收费车道的交通流量及收费情况等进行统计汇总，并按照指定的格式进行报表的输出。统计表报表包括：预缴款扣交总金额报表；车流量报表；有效卡车流量报表；冲关（无卡）/无效卡/黑名单车辆流量、明细报表；预缴款最低金额线卡号明细表；分时段统计以上指标功能报表。
(3)系统维护模块介绍主要是完成对整个收费管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。此模块只能由本系统的超级用户来完成，其他任何人员不能完成此模块的各项功能。维护项目包括：基本信息维护；操作人员维护；收费车道维护；费率库维护；值班情况浏览；射频卡初始化。
(4)射频卡管理模块主要是完成对整个收费管理系统中各种 射频卡的发行、回收、维护等工作。管理项目包括：射频卡信息浏览：射频卡发行管理；射频卡充值管理；射频卡回收管理；射频卡黑名单管理。
(5)系统退出模块主要是完成退出时再次对进行人员的身份校验及准备退出前的各种数据库的关闭及未保存的数据的保存工作。
从不停车收费管理系统软硬件系统构成，我们可以将不停车收费管理系统概括成车辆识别系统、车型分类系统、逃费抓拍系统几个部分。如果需要,还可以在收费站加装紧急救援系统,从而将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。
系统工作流程图如图4所示。
5 电子标签和车载读卡器
5.1 电子标签
将专用的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中封装而成的IC卡（Integrated Circuit card 即集成电路卡），按所嵌的芯片类型可分为：存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡三种。CPU卡以其对数据的绝对保护性、安全性高、容量大的特点和其在应用中对计算机网络的实时性、敏感性要求低，有利于在网络质量不高的环境中应用的特性，被日本ETC系统定为电子标签的最终解决方案。CPU卡内的集成电路包括中央处理器CPU、可编程只读数据存储器EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COS(Chip Operating System)。CPU卡中数据可分为外部读取和内部处理部分，可固化DES和RSA等密码算法，甚至可集成密码协处理器，在卡中就可对数据作加密/解密和数字签名/验证运算，以确保卡中数据的安全可靠。
CPU卡芯片出厂前，芯片中的数据被制造商密钥保护起来。只有掌握该密钥的IC卡制造商才能读出这些数据。在卡片中封装入保密逻辑芯片，验证IC卡的操作密钥，控制对卡中EEPROM的访问。当芯片被封装到塑料卡片中形成CPU卡后，IC 卡生产厂商可以把预处理数据（如卡序列号、厂商代码等）写入卡中的EEPROM中，并把卡个人化密钥写入读保护存储区，每张卡有一个个人化密钥，用来保护该卡不被非法初始化为伪卡。CPU卡在发行到持卡人之前，需要将卡个人化，即在CPU卡中建立应用系统的结构（创建MF、DF和EF文件）将持卡人的个人信息写入卡中的保护区里。
在个人化过程中，可以设定文件的访问权限。每张卡中可以建立多个DF文件，每个DF文件中定义一套独立的应用，每个应用有不同的口令和不同的安全控制条件。对DF访问的控制条件存入MF卡中。个人化过程结束后，卡中还可以设置持卡人密码，以保护该卡的安全使用。集成在日本ETC系统中的IC卡通过车载器与外场设备相互通讯，进行授权认可，加密数据记录。电子标签是可读写的，在采用"封闭式"收费制式的高速公路上，进入高速公路时，路侧雷达向电子标签写入入口车站信息；离开高速公路时，再读出入口信息以便系统计算通行费。由于在整个ETC的支付过程中，IC卡上的车辆型号、车牌号码、车主的相关资料等信息需要经过双向通讯才能完成交易，所以安全性至关重要。
5.2车载读卡器
作为沟通车路间通信的车载器，特别是起技术核心DSRC(Dedicated Short Range Communication,专用短距离通讯)标准的制定更是ETC关键技术。目前，国际上已形成了以欧洲CEN/TC278，美国ASTM/IEEE和日本ISO/TC204为标准的DSRC体系。1999年11月，日本ISO/TC204被ITU(International Telecommunication Union国际电信联盟)确认为国际标准，其具体技术是：标准化机构：TC204国际标准化组织第204委员会，频率：5.8GHz，通信方式：主动式本双工/双工，工作功率：300mW以下（路侧雷达（预告用）），10mW以下路侧雷达（收费站用）、车载器），调制方式：ASK，通信协议：FCMS，MDS，ACTS，传输速率：1Mb/s,通信距离：约30m,通信设计时速：∠180km/h。由于长、中、短波等波段已基本被广播电视、民用通信等相应领域占用，且车间通信距离不长（范围几十米），通信区域相对固定，通信时间较短，因此选用5.8GHz作为载波频率；同时，ITS将ETC的DSRC工作频段定为5.8GHz也是为今后开发第四代移动通信作技术支持。
6 应用难题及解决
作为智能运输系统的重要组成部分，ETC已越来越多地应用到新建的高速公路之上。任何一项技术的应用有其突出的优点，也必然会有不足，尤其是与管理融合在一起的技术更是如此。ETC有其非常明显的优点，但是它也不是在任何地方都能应用或者说能发挥其优势的。
由于ETC车道的初期建设成本投入较高和对DSRC、电子标签的保密性开发费用也过高，据日本相关调查机构统计，一条ETC专用车道的投资金额高达1，000万日元以上，并且使用者用于购买车载器方面的花费也在3、4万日元左右，因此导致ETC技术在运用上的瓶颈效应。现在，一种称之为"电子牌照"的技术正被推广。"电子牌照"就是在普通汽车牌照上嵌入一枚可读的IC芯片从而提高汽车牌照的防伪性，更便于车辆管理。若全国所有的车辆都运用了"电子牌照"技术，那么必将降低对ETC车道中AVC系统的投资。另一种称之为"蓝牙"（Blue tooth）的短距离无线网络头脑关心技术也将从根本上降低ETC系统的建设成本。"蓝牙"是一种在区域性环境内进行短距、点对多点的数据传送无线连接技术，其优点有：整个蓝牙协议结构简单，具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；功耗低；蓝牙模块应用简单，成本低廉，容易实现，易于推广，已得到了许多电脑制造商及通信器材厂商的支持。
另一个方面，不停车收费系统对可靠性要求很高，因为一旦系统开通，有车载卡的用户将在有ETC系统的高速公路(网)的任意出入口使用ETC通道，如果有哪个出入口有故障， 将给用户带来很大的麻烦，有时还会引起纠纷。有的发达国家为避免此问题，为每个收费站配备了手持式的ETC读写机。不停车收费系统一旦得到推广，那就需要在所有的高速公路出入口安装ETC车道，而实际上，有相当部分的出入口交通量不大，因此这样的系统将使设备和车道资源大量闲置。
在不停车收费系统不断的开发完善中，上述问题也许会很快得到解决，但是肯定还会有新的问题出现。我们要用平常的心去看待新技术，不要因为取得技术的突破而沾沾自喜，更不能因为困难的出现就轻易放弃。没有永远平坦的大道，存在的只有不断的沟壑和人类无休止的修缮。
