ETC门架测试方案及对比分析

一、引言

        ETC门架系统是取消省界收费站、实现电子不停车收费的重要设施，具备对通行车辆进行多路径识别、自动计费等功能，提升高速公路路网运行状态概况感知的全覆盖，因为依托门架数据，可以准确获取到行车时间流量、车速，包括路网整体的运行状况。

        这种技术可以为驾驶者和收费站的工作人员提供非常大的便利，实现自动收费，同时还可以节省收费的时间。ETC门架系统具备通行车辆分段计费、流量调查、视频监控、超速筛查等功能，汽车经过门架之后，门架上安装的监控系统会自动识别汽车，同时实现计费。

        随着ETC应用的发展，提高ETC服务质量、减少故障率成为了突出的问题。使安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签（OBU）与在车道ETC门架系统通讯的可靠性尤其重要。其中车载单元（OBU）和路测单元（RSU）的协议一致性是ETC系统运行的根本，包括核心物理层指标、可靠性和通信流程完整性（协议一致性）等。对ETC门架依据《GB/T 20851-2019》、《JTG 2182-2020》和《JTG 3520-2021》进行测试不仅能够保证相关设备的标准符合性，更能保证门架系统日常使用中的稳定性及可靠性，为ETC的应用和发展奠定基础。

二、测试标准概述

        本方案主要测试内容为《JTG 2182-2020 公路工程质量检验评定标准 第二册 机电工程》标准中6.4 ETC门架系统中表6.4.2 ETC门架系统实测项目中的第20-25项进行测试，包括通信区域、RSU工作信号强度、RSU工作频率、RSU占用带宽、RSU前导码、RSU通信流程。具体内容如下图：

图1  ETC门架系统实测项目表（节选图）

        具体测试方法主要参照《GB/T 20851-2019 电子收费 专用短程通信》和《JTG 3520-2021公路机电工程测试规程》。

三、ETC门架测试方案对比

3.1 基于暂停测试路段通行的实时测试方案

3.1.1 方案概述

        基于暂停测试路段通行的实时测试方案为目前公路交通行业常用测试方案，此方案首先需要暂停测试路段（约被测车道ETC门架前后数十米距离）的车辆通行，并且在测试特定测试项目时，需要调整RSU处于对应测试状态，实时使用测试设备进行测试，同时需要进行测试结果记录等工作。

3.1.2 所用设备

        此方案一般需要使用手持频谱仪+全向天线。要求两者频率范围至少覆盖ETC通信频率，并且需要已知天线相关参数（天线K因子、线缆损耗和天线增益）。

3.1.3 测试流程

• 通信区域（OBU测试）：

1）被测RSU 设置为连续发射工作信号状态

2）在测试线的车道中轴线位置，保持OBU距离水平地面1.2m 高度处，由车道中轴线位置先后分别向车道两边缘缓慢移动OBU，查找RSU 发射信号无法与OBU 通信的边界点，用卷尺分别测量两侧边界点至车道中轴线的距离并记录。

• 通信区域（场强测试）：

1）被测RSU 设置为连续发射载波信号状态，无法设置发射载波信号时，可设置为连续发射工作信号状态

2）在测试线的车道中轴线位置，保持测试天线距离水平地面1.2m 高度处，由车道中轴线位置先后分别向车道两边缘缓慢移动测试天线，测量RSU发射信号场强，查找场强降低至规定最小值（113dBμV/m）的边界点，用卷尺分别测量两侧边界点至车道中轴线的距离并记录。

• RSU工作信号强度：

1）根据测试要求，将测试天线放置于RSU 通信区域内的测试位置，开始测试。

2）调整频谱分析仪功率幅度标尺至合适值，测量范围应覆盖被测信号。

3）设置扫频宽度为5MHz，测试信道功率，读取测试值并记录。

注意：测试时应确保读取通信区域内最大信道功率。被测RSU 可采用工作信号作为被测信号。

• RSU工作频率：

1）将测试天线放置于RSU 通信区域内的测试位置，开始测试。

2）设置扫频宽度为5MHz，读取信号主纵模峰值处频率值并记录。

注意：被测RSU 最好采用发射持续载波信号状态，条件不允许时也可采用工作信号作为被测信号。

• RSU占用带宽：

1）将测试天线放置于RSU 通信区域内的测试位置，开始测试。

2）设置扫频宽度为30MHz，测量功率比例为99%，读取占用带宽结果数值。

注意：被测RSU 采用发射持续工作信号状态。

• RSU前导码：

1）将测试天线放置于RSU 通信区域内的测试位置，开始测试。

2）设置扫频宽度为0，切换为时域模式，观察信号包络，判断前导码。

注意：被测RSU 采用发射持续工作信号状态。

• RSU通信流程：

1）将测试天线放置于RSU 通信区域内的测试位置，开始测试。

2）设置频谱分析仪为记录模式，扫频宽度应大于5MHz，使用解调模式输出解调后的编码信号，开始测试。

3）将正常交易的车载单元（OBU）放入通信区域的测试位置和RSU 进行交互。

4）将存储的编码信号解码为信息源码并记录输出结果。

注意：以输出的信息源码是否符合电子收费专用短程通信应用层服务原语的数据结构作为测试结果。应用层服务原语包括BST、GetSecure.request、TransferChannel.request、SetMMI.request、Event_Report 等。

3.1.4 测试方案弊端

• 测试过程复杂，对测试人员要求较高；
• 长时间占用车道，存在堵塞交通风险；
• 信息源码解读难度大，测试人员识别服务原语极其困难。

3.2 基于分析录制IQ文件的便捷测试方案

3.2.1 方案概述

        录制IQ文件的便捷测试方案是一种基于对频谱仪或射频记录仪录制的IQ文件进行处理分析和解析的便捷测试方案，该方案最大程度上提高了ETC门架测试的效率，极大的简化了测试的复杂程度，并且降低了暂停车道可能导致堵塞的风险。

3.2.2 所用设备

        此方案所需设备有两种组合：

        1）频谱仪（支持IQ录制功能，带宽至少5MHz，录制时间不小于15s）+全向天线+ETC交易过程分析软件ProEye

        2）射频记录仪+全向天线+ETC交易过程分析软件ProEye

3.2.3 测试流程简述

• 通信区域（场强测试）：

1）被测RSU 设置为连续发射载波信号状态，无法设置发射载波信号时，可设置为连续发射工作信号状态

2）在测试线的车道中轴线位置，保持测试天线距离水平地面1.2m 高度处，由车道中轴线位置先后分别向车道两边缘缓慢移动测试天线，测量RSU发射信号场强，查找场强降低至规定最小值（113dBμV/m）的边界点，用卷尺分别测量两侧边界点至车道中轴线的距离并记录。

• RSU工作信号强度/RSU工作频率/RSU占用带宽/RSU前导码/RSU通信流程：

1）将可与被测RSU正常通信的OBU安装在测试车挡风玻璃上；并将测试天线放置于测试车内挡风玻璃旁，确保天线可接收到下行信号。

2）测试车辆正常驶过被测ETC门架相应车道，测试车辆进入ETC交易区域前打开频谱仪或射频记录仪的IQ记录功能，待交易完成后停止记录。

3）打开ETC交易过程分析软件ProEye，导入录制的IQ文件，分析RSU工作信号强度、工作频率、占用带宽、前导码及通信流程。

3.2.4 测试方案优势

• 极大地简化测试过程复杂程度，避免实时测试不慎造成的误差；
• 核心软件一键测试结果，降低测试人员要求，；
• 避免长时间占用车道，降低堵塞交通风险；
• 精确解析查找信息源码，解决应用层服务原语极难解析的核心困难；
• 支持数据截图保存，便于数据存储分析。

四、核心测试软件-ETC交易过程分析软件ProEye

4.1 软件概述

        ETC交易过程分析软件ProEye是一款分析ETC系统通信流程（协议一致性）的专业测试软件。主要是对已录制的包含ETC射频交互过程的IQ文件进行分析。支持常用的IQ文件格式；支持解析射频指标、应用层及设备应用层的关键交互语句和特征数据。射频指标包括信号强度、载波频率、频率容限、调制系数、占用带宽等指标；应用层及设备应用层解析可自动搜索关键交互语句，例如前导码、BST、VST、SetMMI.rs、SetMMI.rq等信息。以此来判断ETC系统的通信流程是否正常。支持提供C#的API，供二次开发使用。

4.2 软件结构框图

图2  软件结构框图

4.3 软件界面示意图

图3  软件主界面示意图图4  数据解析子界面示意图