一种新型公路不停车收费系统的制作方法

专利名称：一种新型公路不停车收费系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于高速公路的电子不停车收费系统。
背景技术：
随着卫星定位技术和移动通信技术的发展及其应用的扩展，以及
移动位置服务不断进步，尤其是GSM的短消息服务技术的诞生，国际 上基于卫星定位与GSM的定位技术已广泛地应用在出租车、公交、公 安、急救、物流、信息服务等行业，实现了对移动目标全天候的监控、 报警、指挥、防盗和调度的功能。与此同时，许多发达国家正在对基 于GSM无线通信和GPS卫星定位技术的车辆定位系统(VPS)进行研 究。领先的汽车制造商已经开始研发以无线通信和卫星定位和电子地 图技术为基础的信息服务系统和信息通信系统。但到目前为止，将车 辆定位系统实际应用于道路不停车收费的国家只有德国。这种新型的 收费系统不仅是一个收费系统，更可视为集车辆管理、交通警报与导 航为一体的基础服务平台。智能车载收费终端最终可能升级为实时告 诉司机如何开车的交通信息服务系统，甚至具有更多功能。在该系统 中，车载收费终端实时接收GPS信号，并将车辆的GPS实时位置信息 与车载收费终端中存储的高速公路的信息进行对比，如果对比成功， 就开始记录，该路段就是缴费路段。车载收费终端会按照费率表内的 费率和路段的长度计算该路段的费用，通过短消息将缴费信息传送到
收费中公，己录妾lj数据库当中o
德国，电子收费系统的明显缺陷是，车载地图的应用不符合中国道 路收费国情和交通运输特点。
在我国，基于卫星定位技术的应用很多，特别是在导航方面，而 且基于GPS/GSM的定位通信技术在移动目标的监控管理方面也有许 多应用，如广东的出租车和公交车管理系统。对基于卫星定位和无线 接入技术的电子收费技术，虽然也有个别企业在技术方面有所探索， 但由于这种收费系统的实施需要很大程度地依赖于相关政策法规，所 以国内企业在此方面所作的研究还都停留在初级阶段，并没有形成体 系，尤其是在实际系统方面的研究更是空白。
随着交通领域各行业的蓬勃发展，传统收费方法的缺点(如效率 低下、漏洞大等)就显得越来越突出。采用多种技术手段实现车辆收 费管理的自动化，解决路桥拥挤的状况，建立有效、可靠的车辆自动 收费管理系统已成为交通管理的新课题。国内在车辆定位相关方面也 有初步的研究，包括基于GPS技术的车辆定位监控、车辆导航，以及融合无线通信技术的信息服务。但具有自主知识产权的研发成果较 少，并且主要应用集中在公共交通运输领域或运营车辆管理领域，针 对个人的应用服务非常缺乏。此外，相关的实际应用中，采用的技术
手段相对单一1)无线通信技术局限在GPRS/GSM或CDMA等方式中， 没有将专用短程通信(DSRC)技术融合在内；2)电子地图技术的应 用正处于起步阶段，车载地图的应用范围限于车辆定位监控及车辆导 航。目前还没有专门用于道路收费的专用电子地图，相关的研发工作 也未实现，没有和数字地图技术进行深入结合。目前，将GPS卫星定 位技术、融合了 DSRC技术的无线接入技术，以及电子地图技术应用 于不停车收费系统的研究和相关设备的研发还处于空白。除此之外， 符合中国国情和交通运输特点的收费计算模型及相关算法和优化技 术的研究也处于空白状态。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种新型公路不停车收费系统，以解决 通过虚拟收费站替代当前规模宏大的收费站并且实现不停车收费的 问题；还解决了传统的电子收费系统受地域限制的问题；又解决了配 合智能交通，协助运输和物流管理及协助超载超限检测等技术问题。
本实用新型所述的一种新型公路不停车收费系统，它包括车载设 备系统、逃费稽査系统和后台管理系统三部分；所述车载设备包括用 于实现专用短程通信和基于卫星定位与无线接入通信技术的收费功 能的两个独立的处理器、连接两个处理器之间的高速接口、与第一处 理器通过数据总线、控制总线连接的专用短程通信的射频功能部分， 以及第二个处理器的外围电路；所述第二个处理器的外围电路至少包 括GPS装置、GSM/GPRS无线通信装置、显示器及显示器接口、存储 器、IC接口和UBS接口；所述逃费稽查系统包括ARM处理器、与处 理器通过数据总线、控制总线连接的专用短程通讯的射频功能部分及 ARM处理器的外围其他电路；所述ARM处理器的外围其他电路至少包 括以太网接口、 USB接口和RS232接口；所述ARM处理器的输入接口 还与具有图像检测以及车牌抓拍与识别功能的设备的输出端连接；所 述后台管理系统包括一个以数据库为核心的处理器、移动通信装置、 以太网接口，以及三个独立运行的管理应用软件子系统，分别为用户 管理子系统，逃费稽査管理子系统以及一个B/S架构的信息服务查询 子系统。
如上所述的一种新型公路不停车收费系统，所述车载设备与路侧 稽查系统由专用短程通信实现车辆信息交互的连接，车载终端和管理 中心之间由移动通信装置实现交互连接；后台管理系统和路侧稽査系 统的数据交互连接由以太网或无线通信进行数据传输。
本实用新型的效果如下1、新型的公路收费系统采用复合式通信方式，通信稳定、可靠、 抗干扰、可扩展性强。
2、 新型的公路收费系统在保证功能完善的前提下，选用的设备
成本较低。
3、 采用高速DSRC技术，通信速率可达1.5Mbps。可在距接收器 数十米内完成大容量信息的交换。
4、 基于卫星定位和无线接入的电子不停车收费技术兼容传统的 不停车收费技术。
5、 新型的收费系统提供了较为可靠的计费、收费设备，收费计 算方式快捷准确，提高了监管效率，使用范围不受限制。
6、 采用IC卡自动扣款方式，收费信息与车辆绑定，交易安全可靠；
7、 收费过程不影响车辆的正常行驶，提高车道的通行能力。

图1是本实用新型的系统结构示意图。 图2是本实用新型的车载设备的硬件结构图。 图3是本实用新型的专用短程通信的软件架构图。 图4是本实用新型的车载设备专用短程通信的主程序流程图。 图5是本实用新型的卫星定位一无线接入收费应用软件架构图。 图6是本实用新型的卫星定位一无线接入收费应用主流程图。 图7是本实用新型的收费过程框图。 图8是本实用新型的路侧稽查设备硬件结构图。 图9是本实用新型的路侧稽查系统主程序流程图。 图10是本实用新型的后台稽查系统构成图。
具体实施方式

本实用新型是在基于卫星定位技术的车载终端集成技术、道路通 行费计算技术、嵌入式车载专用电子收费地图、收费车载终端地图匹 配与费率信息动态更新技术、5.8GHz频段高速收发及控制技术等基 础之上研发基于卫星定位和无线接入技术的智能车载设备及路侧稽 査设备，并结合卫星定位收费系统在我国的应用环境，研究形成后台 管理系统和经济可行的逃费稽查系统。
本实用新型将一种新型公路不停车收费系统主要划分3个部分 车载设备，逃费稽査系统及后台管理系统。
车载设备主要完成的任务包括自动完成收费数据存储、路径匹
配、费用计算、数据传输、车辆识别等任务，并且可扩展动态交通信 息接收功能。车载设备不仅具备卫星定位功能、无线传输(用于逃费
稽查的DSRC和用于与收费相关的移动通信GSM/GPRS)功能及信息显 示功能，而且加载了嵌入式电子收费地图，且具备位置匹配、费额计 算及用户信息存储和查询及其它信息服务功能。逃费稽査系统主要完成的任务是检査车载收费终端的工作状态 是否正常，并记录车载终端非正常工作的车辆车牌。安装在道路上的
摄像机自动拍摄车辆的车牌，同时通过DSRC通信技术，实现路侧稽 査设备与车载终端的信息传递，来确认车辆是否正确安装车载设备、
是否与信息库中车辆信息一致。存在问题的车辆信息将传输到收费服 务中心进行确认。
后台管理系统是进行收费结算和客户服务的专职机构，存储收费 终端传递的详细数据，通过与所管理的用户的帐户信息以及运营车辆 基本信息库进行关联，对违法车辆进行最终认定。
本实用新型中，车载设备与路侧稽査系统采用DSRC形式进行车 辆信息交互，车载终端和管理中心之间采用移动通信(如短信GSM) 方式进行交互；而对于管理中心和路侧稽査系统的数据交互，原则上 采用以太网进行数据传输，但是考虑到有些应用条件下不易具备有线 传输条件，所以路侧稽查系统和管理中心之间还具备无线数据传输功 能。本实用新型在公路收费系统中的应用参见图l。
一、车载设备
基于卫星定位和无线接入技术的收费车载设备是采用ARM处理 器的功能复合型智能车载终端机，它综合利用了卫星定位、无线通信 及专用短程通信等技术，实现了道路不停车收费功能，并支持信息服 务功能。该车载设备加载嵌入专用电子收费地图，具备道路匹配算法， 可通过卫星定位技术自动记录车辆行驶的位置和里程，自动完成收费 数据存储、路径生成，并综合考虑道路收费车辆参数和道路收费因素， 自动计算车辆的通行费；与收费相关的数据由无线传输网络传输至收
费管理中心，从而完成车辆通信费的收取；而且设备具备基于专用短 程通信技术的逃费稽査功能，可配合管理单位对车辆的缴费状态进行 监督管理。此外，车载设备携带车辆基本信息(车牌号、车型等)、 卫星定位收费信息(如通信号码)，可通过接口模式配置设备参数和 应用参数，并读取设备记录信息；设备具有的显示功能，除告知司机 收费金额、帐户余额及的收费道路提示功能外，还可扩展地图显示和 服务信息提示功能。
车载设备采用模块化结构、数模分离、多处理器协作、DSRC收发 分隔的技术原则。车载设备划分为DSRC数字功能模i央、DSRC模拟 功能模块、卫星定位+无线通信收费功能模块三个主要模块。可通过 串行模式配置设备参数和应用参数，并读取设备记录信息。
车载系统采用两个处理器，分别用于实现DSRC相关功能和基于卫 星定位+无线接入通信技术的收费功能，两个处理器之间采用SPI接 口进行功能协作。车载设备的硬件组成参见图2，包括用于实现专用 短程通讯和基于卫星定位与无线接入通信技术的收费计算软件的两个ARM处理器、连接两个处理器之间的SPI接口、与第一处理器通过 数据总线、控制总线连接的专用短程通讯的射频接收、发送部分以及 第二个处理器的外围连接的至少包括GPS装置、专用短程通讯装置、 显示器及显示器接口、存储器、IC接口和UBS接口。
1. 硬件功能
加载嵌入式linux操作系统，支持16M数据存储空间和16M程序 空间的扩展；具备GPS功能，可实时确定车辆位置；支持GSM和GPRS 两种无线通信模式；符合电子收费专用短程通讯物理层标准中基于 FSK调制解调方式参数要求，且通信速率可以升级到1.5Mbps;可驱 动无线通信大功率模块，卫星定位相关的硬件系统采取汽车取电，且 工作电源稳定。射频环节采用电池供电，具备电源管理功能，至少具 备工作和休眠两种电源工作模式，外接电源时可对电池进行充电，并 有充电保护电路；具备接触式IC卡读写接口，液晶显示接口及USB 接口。
2. 软件功能
根据车载设备硬件结构的模块化设计，软件功能可通过串行模式 配置设备参数和应用参数，读取设备记录信息实现卫星定位信息接收 和解析，GSM短信收发功能，GPRS上网功能，DSRC稽查通信协议， 稽查应用，DSRC广播功能，实现嵌入专用电子收费地图功能。
DSRC模块
车载设备的DSRC模块用于实现卫星收费逃费稽查功能，并作为 信息服务的通道。主要软件模块包括设备接口驱动、应用软件及 PC配置及监控软件。
卫星收费+无线接入模块
车载设备携带简洁的可以表征点线关系的道路信息，根据卫星定 位信息将车辆投影到当前路段，并记忆车辆行驶路段。实现嵌入专用 电子收费地图，具备道路匹配算法，根据当前位置信息和历史数据准 确地确定车辆行驶路段，并记忆车辆行驶路段，根据路段信息和费率
信息自动计算道路使用费；具有显示功能，告知司机收费金额、帐户 余额及简单的收费道路提示功能并扩展地图显示和服务信息提示功 能；按照文本或PDU格式的短信息编码协议实现GSM短信收发功能，并 实现GPRS上网功能，并在此功能上实现收费信息上传和信息服务扩 展。本实用新型的专用短程通讯的软件架构见图3;本实用新型的车 载设备专用短程通讯的主程序流程图见图4;本实用新型的卫星定位
一无线接入收费应用软件架构图见图5;本实用新型的卫星定位一无
线接入收费应用主流程图见图6。
用于道路收费的专用车载地图通常电子地图由记录实际地物的
地理数据和与实际地物相关的标识、整饰信息以及各类附加信息组成。电子地图主要由道路形状数据、背景数据、拓扑数据和属性数据 构成，它们之间紧密衔接，共同为车辆导航应用提供服务。由于目前 收费是针对道路来说，所以涉及道路的形状数据、拓扑数据和属性数 据是必不可少的要素。此外电子地图数据必须在保证精度和信息量的 情况下尽可能的精炼，同时其数据结构也必须更加符合嵌入式设备显 示、运算和分析的要求。电子地图可通过精简地图数据进行压缩，去 除不必要的连接点，可以大大縮减电子地图的数据量，节省数据存储 空间和减小程序计算量。
车载设备地图属性定义主要是路段属性定义，原则尽量减少属性 数量，去除不必要的属性定义。通过对系统的需求分析，精简如道路 名称、长度等信息放到后台保存，前端只保留路段编号和收费类型两 个信息。
结合我国实际情况，高速公路分属不同的高速公路公司，收费的 费率也存在差异，这样实施的优点在于，按公里计费，费率可以随时 段(高峰时段与正常时段)变化，也可随地段变化(拥堵路段)。可
以较好的解决拥堵问题。具体收费过程的流程见图7。车载地图是嵌 入在车载设备中的。
车载设备技术指标1、系统加载嵌入式linux操作系统，主
频100M，支持薩U;数据接口 USB接口；空间扩展数据存储空间 〉=16M，程序存储空间X6M;数据速率①DSRC:上行通讯速率>二 1.5Mbps，下行通讯速率〉=1.5Mbps;②GSM: 9600bps;③GPRS (升 级后具备)接收速率可达86.20kbps，发送速率可达21.5kbps;④ GPS: 9600bps; 2、交易误差小于10—5，指在DSRC交易区域，正常 工作的设备完成一次稽查流程的交易误差；3、通讯距离DSRC通信 距离〉二15m; 4、卫星定位性能①接收到4颗星以上时，定位精度 可达5—6米(结合专用地图数据追溯，可以准确定位并行道路上的 车辆)；②跟踪方式全视场；③接收频率Ll 1575.42MHz C/A码， 12个并行通道；④热启动〈15米。5、 GSM传输方式MT/MO/CB/PDU 模式；6、接触式IC卡符合区域联网收费技术要求；6、能耗正 常工作时定位及通信部分的平均工作电流为580mA，休眠模式电流 40mA 。
二、逃费稽査系统 卫星收费路侧稽查设备是采用ARM处理器的安装在收费道路上的 用户逃费稽査管理设备。该设备采用基于5.8GHz的专用短程通信技 术，对通过其通信区域的过往车辆的缴费状况和设备使用状态进行监 查，从而配合管理单位对车辆的缴费状态进行监督管理
路侧设备采用模块化结构、数模分离、DSRC收发分隔的技术原 则。设备主要包括DSRC数字功能模块和DSRC模拟功能模块。可通过串行模式配置设备参数和应用参数，并读取设备记录信息。FSK调制 解调；Machester编码解码；收发通信速率为1. 5Mbps;载波频率缺 省为5.790MHz，且可由用户配置；发送功率大于等于Odbm。
1、 硬件功能
符合电子收费专用短程通讯物理层标准中基于FSK调制解调方 式参数要求，且通信速率可以升级到1.5Mbps;支持基于TCP/IP协 议包地网络通信；支持GSM和GPRS两种无线通信模式；可驱动无线 通信大功率模块；RS232接口及USB接口。图8给出了一个路侧稽查 设备的电路原理框图，包括ARM处理器、与ARM处理器通过数据总线、 控制总线连接的专用短程通讯的射频接收、发送部分及ARM处理器的 外围连接的至少包括移动通信装置、以太网接口、 USB接口和UART 接口等电路。
2、 软件功能
根据路侧稽査设备硬件的模块化设计，软件功能可通过串行模式 配置设备参数和应用参数，读取设备记录信息，实现GSM短信收发功 能，且实现GPRS上网功能，实现DSRC稽查通信协议，稽査应用，实 现DSRC广播功能，扩展信息服务，实现TCP/IP协议包，并具备与后 台管理中心信息交互的应用功能
DSRC路侧稽査设备软件采用分层模块化设计思想，将涉及不同 应用的功能进行模块划分，同模块中的功能函数采用分层调用方式。 主要模块包括微波应用软件、管理中心PC通信软件、设备接口驱 动。每一模块中包括三个层次的功能函数物理层、数据链路层及应 用层，其中物理层为硬件驱动程序，只允许在本模块内被调用，数据 处理层及应用层的功能函数可被主函数调用。路侧稽査设备的主程序 流程图参见图9。
路侧稽查设备可将稽査到的逃费车辆信息及时间信息、车牌照图 片上传给稽査管理中心，即路侧设备需要加载网络通信协议，即实现 移植TCP/IP;支持TCP/IP幼、议包括:ARP、 IP、 ICMP、 UDP、 TCP、 DHCP;支持动态(DHCP)或静态获取IP地址；实现一个WEB服务器功 能。管理人员可通过WEB服务器对路侧设备进行远端配置。
逃费稽査设备技术指标主频30M，内置大容量存储器；接口能
力以太网、USB、RS232;数据速率①DSRC上行通讯速率〉=1. 5Mbps， 下行通讯速率>=1.5Mbps;②GPRS (升级后具备)速率接收速率 可达86.20kbps，发送速率可达21.5kbps;③以太网100M带宽； ④RS232: 300bps — 115200bps;交易误差小于10—5，指在DSRC交 易区域，正常工作的设备完成一次稽查流程的交易误差；通讯距离 DSRC通信距离>=15m;能耗平均工作电流为400mA;逃费稽査系统功能安装在道路上的摄像机自动拍摄车辆的车
牌，同时通过DSRC通信技术，实现路侧稽査设备与车载终端的信息
传递，来确认车辆是否正确安装车载设备、是否与信息库中车辆信息 一致。存在问题的车辆信息将传输到收费服务中心进行确认。
稽查系统的基本实现思路将具有图像检测以及车牌抓拍与识别
功能的设备的输出作为路侧稽查设备的输入(如通过RS232、 RS485)， 由路侧稽査设备依据车牌抓拍/识别信息和DSRC交易信息直接对车 载设备使用的规范性进行稽查，并将稽査结果和图像信息通过以太网 (或G网)传送给管理中心。
在本系统中，根据我现行收费系统和技术特点提出以下稽査站建 立方案在道路中间设置稽查站，将基于5.8GHz、 FSK调制解调、通 信速率1Mbps的射频DSRC技术和图像识别技术相结合，根据图像识 别结果和DSRC通信匹配结果，找出逃费车辆，并通知稽査管理中心 对逃费车辆作后续违章处理。
后台管理系统-
后台管理中心，根据收费路网的规模和收费模式，研究合理的路 网空间数据、收费数据存储模式；设计高效的道路通行费计算模型， 准确计算车辆的通行费；结合中国路网更新快、多种费率等特点，研
究对车载设备路网数据、费率表及地图信息的动态更新技术。
1、 后台管理系统功能-
后台管理系统的构建的原则是以一个数据库为核心，实现用户数 据和路侧稽査数据独立接入，同时提供网络版查询服务。后台管理系 统的原理参见图IO。软件系统包括一个数据库管理系统、GIS系统、 三个应用软件(用户监控系统、稽査系统、查询服务系统)。具备数 据远程无线通信功能(GSM/GPRS);数据远程有线通信功能 (Internet);地图显示和匹配能力；里程和费用计算功能；实现收 费业务管理以及帐户管理；支持信息査询/服务；存储收费终端和路 侧设备传递的详细数据；对违法车辆进行最终认定和提示；具备和传 统收费管理中心数据交换的能力。
2、 数据交互交互方式
无线交互管理中心与车载设备之间通过移动通信或短程通信方
式进行收费信息交互，还支持基于GPRS方式的面向车辆的信息服务。
在和路侧设备不能用以太网进行信息交互的情况下，管理中心可通过
GPRS和路侧稽査设备进行稽查信息交互；且升级后，可向路侧稽査设 备提供面向车辆的服务信息。后台管理中心设计两个GSM/GPRS设备 (单收单发模式)，避免发送信息时影响其它车辆信息收费信息的接
收。来自车载设备的短信包含短信内容长度、车牌号、进入收费路
段时间(时/分/秒)、离开收费路段时间(时/分/秒)、路段个数、路段ID (按顺序一一个路段一个字节)、费额(如果没有，填0)及其它 附加信息(视短信长度而定最快行驶速度)；管理中心需要将收费 金额用短信形式返回给卫星定位收费用户，包含短信长度、短信类 型、收费金额、累积收费、剩余金额等信息。当前计算帐户金额低于 某一域值时通知用户充值，同时在数据库记录通知次数，通知超过三 次没充值的用户放入黑名单。
有线交互管理中心支持与路侧稽查系统间采用TCP/IP协议栈通 过以太网传送大数据包的功能，包括稽查抓拍的图像的传输等。
权利要求1、一种新型公路不停车收费系统，其特征在于它包括车载设备系统、逃费稽查系统和后台管理系统三部分；所述车载设备包括用于实现专用短程通信和基于卫星定位与无线接入通信技术的收费功能的两个独立的处理器、连接两个处理器之间的高速接口、与第一处理器通过数据总线、控制总线连接的专用短程通信的射频功能部分，以及第二个处理器的外围电路；所述第二个处理器的外围电路至少包括GPS装置、GSM/GPRS无线通信装置、显示器及显示器接口、存储器、IC接口和UBS接口；所述逃费稽查系统包括ARM处理器、与处理器通过数据总线、控制总线连接的专用短程通讯的射频功能部分及ARM处理器的外围其他电路；所述ARM处理器的外围其他电路至少包括以太网接口、USB接口和RS232接口；所述ARM处理器的输入接口还与具有图像检测以及车牌抓拍与识别功能的设备的输出端连接；所述后台管理系统包括一个以数据库为核心的处理器、移动通信装置、以太网接口，以及三个独立运行的管理应用软件子系统，分别为用户管理子系统，逃费稽查管理子系统以及一个B/S架构的信息服务查询子系统。
2、 如权利要求1所述的一种新型公路不停车收费系统，其特征 在于所述车载设备与路侧稽査系统由专用短程通信实现车辆信息交 互的连接，车载终端和管理中心之间由移动通信装置实现交互连接； 后台管理系统和路侧稽査系统的数据交互连接由以太网或无线通信 进行数据传输。
专利摘要本实用新型公开了一种新型公路不停车收费系统，其特征在于它包括车载设备系统、逃费稽查系统和后台管理系统三部分；所述车载设备包括两个独立的处理器、连接两个处理器之间的高速接口、与第一处理器连接的专用短程通信的射频功能部分；所述逃费稽查系统包括ARM处理器、与处理器连接的专用短程通讯的射频功能部分；所述ARM处理器的输入接口还与具有图像检测以及车牌抓拍与识别功能的设备的输出端连接；所述后台管理系统包括一个以数据库为核心的处理器、移动通信装置、以太网接口。本实用新型采用复合式通信方式，通信稳定、可靠、抗干扰、可扩展性强；系统提供了较为可靠的计费、收费设备，使用范围不受限制。
文档编号G07B15/06GK201226156SQ20082008024
公开日2009年4月22日 申请日期2008年4月28日 优先权日2008年4月28日
发明者楠 刘, 宋向辉, 朱书善, 李亚檬, 琪 杨, 王东柱, 王笑京, 仪 谌, 齐彤岩 申请人:交通部公路科学研究所