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.
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:
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.
На прикладном уровне происходит обмен информацией в рамках соответствующих приложений. На текущий момент наиболее распространены следующие приложения:
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:
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).
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:
- 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.
- Антенна и транспондер определяют канал, по которому будет осуществляться обмен. По дороге едет множество автомобилей, и разделение канала необходимо.
- Транспондер при помощи структуры данных VST сообщает о приложении (или приложениях), которое ему необходимо. Например, EFC — электронная оплата проезда.
- 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).
