Системы оплаты проезда на основе DSRC снаружи и внутри

    Платные дороги в России становятся суровой реальностью. Кто-то этим доволен, учитывая тот очевидный факт, что оператор платной дороги обеспечивает «более лучшие» условия проезда. Кто-то указывает на многокилометровые очереди на пунктах оплаты, а кому-то в принципе не нравится идея платить за то, что раньше предлагалось бесплатно. Независимо от нашего отношения к вопросу платных дорог, они уже есть, и они будут создаваться в будущем. В рамках данной статьи мне хотелось бы более подробно рассмотреть электронные средства безостановочной оплаты проезда, применяемые на современных российских платных дорогах.

    В качестве средства безостановочной оплаты проезда в Европе и в России используются транспондеры DSRC — недорогие «коробочки», крепящиеся к лобовому стеклу и обеспечивающие обмен информацией по радиоканалу с антеннами на пунктах взимания платы. Коллеги из компании ОССП, оператора трассы М-4, предоставили мне для опытов один из своих транспондеров, который мы разберем с целью изучения. Но перед тем как начать ломать транспондер, нужно отдать должное тематике хаба и рассмотреть архитектуру, лежащую в основе системы безостановочной оплаты проезда.

    Стек DSRC


    Транспондер и антенна реализуют стек протоколов из 1-ого, 2-ого и 7-ого уровней модели OSI, как показано на рисунке.


    Архитектура стека DSRC (ISO 12834-2003)

    Основное отличие DSRC от ближайшего своего родственника Wi-Fi заключается в том, что DSRC «заточен» под связь с быстро движущимся объектом. То есть, пока машина проезжает в зоне действия антенны, транспондер должен проснуться, установить соединение и произвести обмен информацией. По опыту, на скорости 90 км/ч можно вполне надежно передать 1 МБ информации. Получалось передавать и до 4 МБ, но уже появлялись риски дисконнекта. Японцы активно тестируют DSRC нового стандарта, когда можно надежно обмениваться 10-20 МБ информации за сеанс, но до промышленного внедрения у них пока не дошло.

    Во время проезда автомобиля под антенной происходит примерно следующее:

    1. Транспондер получает сигнал маяка и «просыпается». Сигнал маяка содержит структуру данных BST с перечнем предоставляемых сервисов (приложений), которые поддерживаются на данной точке. Время между получением первого сигнала антенны (любого, не обязательно содержащего BST) и готовностью транспондера к работе составляет 5 мс.
    2. Антенна и транспондер определяют канал, по которому будет осуществляться обмен. По дороге едет множество автомобилей, и разделение канала необходимо.
    3. Транспондер при помощи структуры данных VST сообщает о приложении (или приложениях), которое ему необходимо. Например, EFC — электронная оплата проезда.
    4. Антенна и транспондер устанавливают защищенное соединение и обмениваются данными в рамках выбранного приложения.


    Установление соединения антенны DSRC и транспондера

    На следующей картинке представлена инкапсуляция фреймов данных разных уровней.


    Формат фрейма DSRC

    Преамбула (preamble) нужна для синхронизации транспондера и антенны.
    Start flag — 0111 1110.
    LID — идентификатор линка для броадкаста 11111111, для остальных случаев — четыре октета случайно выбранных во время установления соединения чисел для идентификации канала обмена с конкретным транспондером.
    MAC control field содержит информацию о содержимом пакета — аплинк или даунлинк, команда или ответ на команду и т.п.
    LLC control содержит тип команды или ответа на команду, LLC status, соответственно, содержит результат выполнения команды
    LPDU — собственно, информация прикладного уровня (рассмотрим ее отдельно). Прикладной блок может передаваться по частям, если не умещается в один физический пакет. В общем, для знающих стек TCP/IP ничего принципиально нового тут нет.
    Завершается фрейм CRC контрольной суммой и стоп-битами аналогичными стартовому флагу.

    Прикладной уровень стека DSRC


    На прикладном уровне происходит обмен информацией в рамках соответствующих приложений. На текущий момент наиболее распространены следующие приложения:

    • Собственно, EFC — электронное взимание платы, AID=1 (идентификатор приложения в таблице VST). Прикладной уровень подробно рассмотрен в стандарте ISO 14906-2011
    • Localisation augmentation communication (LAC) — протокол записи в память БУ данных о местоположении антенны, AID=21, стандарт ISO 13141-2010
    • Compliance Checking Communication (CCC) — обмен контрольной информацией о ТС с целью проверки соблюдения правил взимания платы, ISO 12813-2009

    На пунктах оплаты для организации безостановочного проезда используется приложение EFC.

    В ходе взаимодействия антенны и транспондера формируется транзакция проезда, которая может дополняться данными измерения автомобиля. В зависимости от введенных тарифов и правил взимания платы, на пункте оплаты может производиться классификация автомобиля, фотографирование, распознавание номерного знака и даже весогабаритный контроль. Каждый транспондер перед выдачей клиенту проходит через этап инициализации, в ходе которого в его память записывается блок информации EFC, который транспондер обязан передавать в ходе информационного обмена.

    Информационный блок в «максимальной комплектации» представляет собой около 50-ти стандартизированных атрибутов, которые можно разделить на следующие группы:

    • Информация о контракте пользователя. Эти атрибуты заполняются всегда, так как без них невозможно сформировать транзакцию и списать средства со счета пользователя.
    • Информация для чека (финансовая часть, сопроводительная информация по требованиям локального законодательства и т.п.)
    • Информация об автомобиле — что-то аналогичное данным нашего ПТС, только в цифровом виде. Заполняются только необходимые для тарификации и контроля атрибуты.
    • Информация о транспондере: заводской номер, номер смарт-карты (для БУ, в которые вставляется смарт-карта — в основном такая схема применяется в Японии), статус БУ.
    • Информация о водителе и пассажирах (если количество пассажиров учитывается в тарифе)
    • Информация о средствах платежа, если транспондер является одновременно средством оплаты (как в Японии и в некоторых азиатских странах)
    • Резервные поля для прочих приложений DSRC — LAC, CCC и что там еще придумают в будущем.


    Как это все реализовано физически


    В России DSRC применяется на пункта оплаты в Санкт-Петербурге (Северо-западный скоростной диаметр), в Москве (трасса М-1 в обход Одинцово), М-4 (в районе Домодедово), а также на той же трассе ближе в Воронежу. На проектируемых и строящихся трассах тоже будут создаваться полосы электронной оплаты проезда.

    Основной проблемой применения EFC является невозможность проехать с одним транспондером по всем платным трассам. Если на технологическом уровне проблема эта вполне решаемая, то на уровне приложений требуется провести большой объем дополнительной работы, связанной с организацией обмена ключами шифрования и организации взаимозачета между компаниями-операторами.

    Тарифные схемы EFC у нас применяются минимально достаточные. То есть, транспондер сам по себе не является средством оплаты и не привязывается к транспортному средству. Фактически, у нас транспондер — это просто цифровая метка некоего абонента. На пункте взимания платы каждый автомобиль классифицируется и со счета, привязанного к транспондеру, списывается сумма тарифа в зависимости от результатов классификации. То есть, транспондер можно без проблем переставить с легковушки на грузовик и обратно.

    Подобный упрощенный подход имеет свои плюсы и свои минусы. Плюсом является возможность проводить инициализацию транспондеров в ходе производства. На каждый транспондер наносится штрих-код, который в процессе продажи сопоставляется с контрактом пользователя, после чего пользователь может свободно пользоваться транспондером. Если бы, к примеру, тариф был бы привязан к автомобилю, на пунктах продаж необходимо было бы устанавливать специальные программаторы, позволяющие записать в память транспондера необходимые атрибуты — например, номер автомобиля и его класс.

    Вторым плюсом упрощенной схемы является простота обеспечения совместимости транспондеров у разных операторов. Независимо от системы классификации у каждого оператора, транзакция проезда формируется без ошибок. Иначе пришлось бы выравнивать принципы классификации автомобилей по всем операторам.

    А к минусам относится невозможность автономного контроля оплаты (без обращения в регистрационную базу данных пользователей).

    Работает схема таким образом. В ходе продажи, как я уже сказал, происходит сопоставление номера транспондера и контракта пользователя. В учетной системе оператора ведется баланс средств на электронном счете транспондера. Транспондеры с суммой баланса ниже определенной отметки попадают в зону предупреждения — «оранжевый список». Если суммы не хватает на оплату проезда, такие транспондеры попадают в «красный» или «черный» список. «Цветные» списки транспондеров распространяются по всем пунктам взимания платы и загружаются в контроллеры полос проезда (или сразу в память антенн некоторых производителей).

    Когда автомобиль приближается к пункту взимания платы по специальной полосе, он попадает в зоны действия антенны данной полосы, которая считывает идентификатор транспондера. Контроллер полосы (или ПО антенны) производит сверку с «цветным» списком. Если транзакция сформировалась нормально и номер транспондера в списке отсутствует, ПО контроллера полосы дает сигнал на открытие шлагбаума. При этом автомобиль проезжает пункт оплаты со скоростью около 30 км/ч без остановки. Если транспондер находится в «оранжевой» зоне, водитель получает предупреждение, например зажигается специальный знак «Низкий баланс» и шлагбаум открывается. Если же средств недостаточно, то шлагбаум не открывается, и пользователю приходится оплачивать проезд наличными.


    Антенны DSRC в зоне оплаты пункта взимания платы М-4

    Для оплаты проезда на М-4 используются транспондеры TS3203 производства Kapsch. Также могут быть использованы полностью совместимые транспондеры Q-Free, Norbit, G.E.A. и др.

    Внешний вид транспондера TS3203

    По договоренности с оператором дороги производитель наносит на корпус транспондера штрих-код и номер. Эти идентификаторы транспондеров передаются в виде файла вместе с партией транспондеров. Данные из файла загружаются в расчетную систему оператора для последующего сопоставления с контрактами в ходе продаж. Транспондеры содержат в памяти зашифрованный блок данных оператора, который он может прочитать со своими ключами. Ключи загружаются и хранятся на антеннах полос EFC. Таким образом, транспондеры полностью готовы к продаже и использованию.


    Фабричная маркировка транспондера

    Внутри мы видим простейшую плату и динамик-пищалку, через который транспондер сообщает об успешной транзакции или об ошибке. Как видно, защита от вскрытия полностью отсутствует. Ни предохранителей, ни фоторезисторов нет.


    Плата транспондера

    С другой стороны платы расположена батарейка, намертво впрессованная в держатель. По спецификации Kapsch, батарейки должно хватить на 7 лет при 2000 транзакций в год.


    Обратная сторона платы

    Ядро транспондера — проприетарная ASIC микросхема, содержащая память, процессор и всю логику. Аналоговое ядро у Kapsch традиционно называется Ella, цифровое ядро — Alex. В предыдущих версиях эти ядра выполнялись в виде отдельных микросхем (фото).


    Плата крупным планом

    Как мы убедились, DSRC транспондер — надежное и дешевое устройство. Именно поэтому электронное взимание платы повсеместно производится при помощи DSRC. У технологии DSRC есть только один недостаток — для расчета тарифа необходимо устанавливать антенны на всех съездах с трассы (или в середине каждого участка, как в Австрии). Если же мы хотим закрыть «платностью» большую дорожную сеть, то тогда нужно внимательно смотреть в сторону систем на базе спутниковой навигации, о которых я уже писал (с продолжением).
    Share post
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 19

      +6
      «Внутри мы видим простейшую плату...»
      это вы про СВЧ 6ГГц так сказали? низкий поклон, если для Вас это простейшая
        0
        СВЧ-часть красиво смотрится.
          +1
          да, ради такого комментария я потратил половину субботы :)
          Каким образом частота DSRC связана со сложностью печатной платы?
            0
            ну хз — для меня эти свч загогулинки просто магия, рад, что для кого то это легко и просто
              0
              Кроме шуток, устройство Kapsch — это практически шедевр, прошедший несколько лет жесточайшей доработки при постоянной эксплуатации миллионами пользователей. И простота печатной платы это нисколько не недостаток, а положительный результат инженерной работы по снижению стоимости устройства при одновременном улучшении его характеристик.
                0
                ну я имел в виду именно сложность проектирования
              0
              Чем выше частота передачи, тем больше требований к качеству изготовления антенны.
              А так как в данном случает антенна PCB-типа, то к плате предъявляются повышенные требования как в части схемы и разводки, так и к материалам самой платы.

              Да действительно можно и на простой кусок провода принимать сигналы СВЧ, но тогда цена электронной части приёмника будет соответствующей.
              По этому здесь пошли другим путём — более качественная антенна, имеющая хорошую схему согласования с приёмопередающей частью ASIX, что и позволило сделать схему относительно (ещё раз повторюсь относительно) простой в плане малого количества элементов.
              Но вместе с тем сложность проектирования данной схемы достаточно высока, не смотря на то что изготовление её не сложно.
                0
                Согласен полностью, ответ дал комментатору выше.
            0
            Недорогие коробочки? Почему же автодор их по 800 рублей продает (http://avtodor-tr.ru/paid_tool)?

            Вообще, могли бы сделать оплату картами PayPass/PayWave. Но не хотят. Зато продают какие-то свои T-card за 50 рублей, которые надо где-то пополнять еще. Правильно, пусть пробки на въездах/выездах остаются.
              0
              О цене коробочек — трудно профессионально комментировать деяния Автодора, так что воздержусь :)

              Оплата смарт-картами все равно предполагает остановку у шлагбаума, так что скорость движения очереди возрастет незначительно. Чтобы пробок не было, крайне важно, чтобы машины двигались без остановки. Из сложных кейсов — если полоса полностью автоматическая, а у автомобилиста предоплатный тариф, он застревает наглухо. Решается овердрафтом, но требует доработки системы оператора. И еще, для эффективной работы EFC необходимо обеспечить 80-90% проездов с транспондерами.
                0
                К PayPass и PayWave всё идёт. Медленно, но дороги (к примеру, ЗСД) имеют намеренья отказаться от эмитирования БСК, потому что это создаёт множество разных проблем. К сожалению, не всё так просто и с PP/PW (есть лимит на оффлайновые транзакции), и с разработчиками софта, поэтому всё движется с великим скрипом.
                0
                В Дубае используются так называемые самоклеющиеся «Salik Tag» www.salik.gov.ae/en/about/salik-tag
                По идее используется технология RFID. Вопрос знатокам, каковы + и — данной технологии?
                з.ы. «ворота» пролетаются со скоростью 100-120 кмч — всё норм считывается.
                  0
                  Попробую себя в роли «знатока». RFID тэги в сравнении с тем, как у нас используется DSRC имеют больше преимуществ:
                  1. Они гораздо дешевле, включая ответную часть — антенны и считыватели
                  2. Их можно выполнить на клеящейся основе, которая не позволит отодрать тег без повреждения и приклеить его на другую машину

                  Из минусов:
                  1. Расстояние уверенного считывания тегов меньше, «пятно» считывания тоже меньше
                  2. Отсутствует интерактивное оповещение водителя (критично для систем «свободного проезда»)
                  3. Слабая безопасность. В DSRC используется полноценное шифрование, но в пассивной метке это невозможно.
                  4. У тегов мало памяти, используются они в режиме «только чтение» — полноценное использование в парадигме ISO затруднено.

                  То есть, при прочих равных, если бы у нас прижилась RFID технология, сейчас было бы только лучше. Но у нас прижилась DSRC, поэтому придется жить с ней. В DSRC немного утешает только то, что и придорожное оборудование, и сами метки являются универсальными устройствами, пригодными под разные нужды, не только для сбора платы.
                    0
                    Сляпал RFID ридер, подошёл к нужной машине (или нескольким), считал метку, записал.
                    Сляпал свою RFID метку, загрузил туда коды чужих меток и… поехал кататься.
                    0
                    SunPass както поприятней в использовании получаеться, никаких шлагбаумов и снижения скорости, да и цена поменьше.
                      0
                      Шлагбаумы это не обязательный элемент. От них можно отказаться, если количество электронных проездов превысит 80%. Снижение скорости необходимо для того, чтобы сработали средства классификации пункта оплаты. Сейчас это или оптические барьеры или анализ видео. В случае, если теги привяжут к автомобилю и пропишут в них класс автомобиля и его номер, можно будет реализовать систему оплаты в режиме свободного потока, как это сделано для грузовиков и автобусов в Европе.
                      0
                      Подскажите, батарейка транспондера не перезаряжается и не подлежит замене? Т.е. возможна ситуация неработоспособности по вине разряженной батареи?
                        0
                        Батарейка обычная литиевая cr-чего-то-там. Держатель впрессован в батарейку. По спецификации Капш ее должно хватать на 7 лет при 2000 проездах в год (как я писал). Другие транспондеры должны иметь схожие параметры. Если транспондер не работает, его должны бесплатно заменить (по идее)
                        0

                        Кто может подсказать название микросхемы или производителя микросхемы?

                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.