一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统及方法与流程

本发明实施例涉及车道收费技术，尤其涉及一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统及方法。

背景技术：

由于我国的特殊国情，拥堵是我国交通发展的一大桎梏，作为世界上最先进的路桥收费方式之一的不停车收费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)的使命就是使用智能技术改变这一现状。通过安装在车辆前挡风玻璃内侧的车载电子标签(On board Unit，简称OBU)与在收费站ETC车道路边架设的路侧天线单元之间通过微波进行通讯，在车辆行驶过程中进行信息交换，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，提高车辆的通行效率。

然而，现有技术中，利用远区和近区两个通信区进行车辆收费交易，当远区交易不成功时，关闭远区交易天线，开启近区交易天线，因为近区使用的普通天线交易速度慢，而远区天线关闭导致车辆不断地涌入近区，进而整个收费车道落入了近区交易，交易范围小且离自动栏杆的位置比较近，随着ETC系统用户的增多，服务需求增大，尤其在车流量比较大的地区或时段，造成车辆通行处理效率不高，车辆拥堵，以牺牲车辆处理效率和车辆通行流畅性换取交易的可靠性，导致用户通行体验感差。而且，普通天线易受到干扰，随着OBU厂家的增多，各种OBU灵敏度等特性差异性越来越大，在车速较快，OBU质量不高时，特别是在车流量密集的时候，天线对多个OBU的识别精度不高，造成一些没有电子标签的车辆在没有缴费的情况下被放行。因此，系统车辆通行处理效率和电子标签的识别精度亟待提升。

中国专利号201320545851.5的实用新型专利公开了一种“基于车辆动态检测技术的电子不停车收费车道系统”利用远区天线常开收集OBU信息，对检测传感器数据分析建立车辆队列模型，根据车辆队列模型判断是否符合交易情况，提高车道的交易顺畅度。但是，该系统切换到近区天线工作时，远区天线也要求处于打开状态，导致远区车辆的OBU被远区天线激活、被激活的OBU容易与正在工作的近区天线进行交易，从而放行近区未交易的车辆，影响交易的可靠性，与此同时，远区天线辐射单元干扰近区天线工作，导致天线的识别精度不高。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法及系统，以避免天线信号相互干扰，提升车辆通行效率和交易的可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统，包括：

至少两个车辆队列检测传感器，沿收费通道的主识别区域进行间隔设置，用于检测通过所述主识别区域的车辆位置信息；

主读写设备，沿所述收费通道设置在所述主识别区域临近车辆栏杆的一侧，所述主读写设备包括相控阵天线，用于发射天线信号，在所述主识别区域中对车辆的标签进行通信识别，以获取所述车辆的收费信息和标签位置信息；

主控机，分别与所述车辆队列检测传感器和主读写设备相连，用于获取所述车辆位置信息、标签位置信息和收费信息，用于在待收费车辆的车辆位置信息和标签位置信息匹配时，根据所述收费信息进行计费。

进一步地，系统还包括：

所述主识别区域与所述车辆栏杆之间相距设定距离，所述主识别区域与车辆栏杆之间形成有辅助识别区域；

所述辅助识别区域的收费通道中设置有至少两个车辆队列检测传感器；

所述辅助识别区域临近所述车辆栏杆的一侧形成有辅助读写设备；

所述辅助读写设备中设置有微波天线或相控阵天线，用于发射天线信号，在所述辅助识别区域中对车辆的标签进行通信识别，以获取所述车辆的收费信息和标签位置信息，并提供给所述主控机。

进一步地，系统还包括：

离开车道检测传感器，设置在所述车辆栏杆远离所述主读写设备的一侧，用于检测离开收费通道的车辆位置，并提供给所述主控机。

进一步地，所述车辆队列检测传感器由一组或多组检测传感器组成，每组检测传感器至少包括一个检测传感器，所述检测传感器用于检测车辆存在的信号，包括地感线圈、地磁装置、红外装置、视频检测装置或激光装置。

第二方面，本实施例还提供了一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法，基于相控阵的智能ETC车道收费系统来执行，包括：

主控机获取车辆队列检测传感器反馈的车辆位置信息和主读写设备中相控阵天线识别的收费信息和标签位置信息，构建车辆队列模型信息；

所述主控机根据所述车辆队列模型信息确定当前待交易车辆，并对比所述当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息是否一致；

如果当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息一致，则所述主控机根据所述收费信息对当前待交易车辆进行计费；

如果当前待交易车辆经过多次计费交易后的交易状态为不成功，且当前待交易车辆进入辅助识别区域，则所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，开启所述辅助读写设备中的天线，以获取收费信息和标签位置信息，并返回执行计费交易的操作；

如果当前待交易车辆的计费交易状态为成功，则所述主控机控制车辆栏杆打开放行，并更新所述车辆队列模型信息，重新确定当前待交易车辆。

进一步地，主控机获取的信息还包括：

车辆车牌信息、车辆与电子标签绑定信息、车辆通行信息、车辆速度信息、车辆长度信息和车辆数量信息。

进一步地，所述主控机根据所述车辆队列模型信息确定当前待交易车辆，并对比所述当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息是否一致包括：

如果当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息不一致，丢弃所述标签位置信息，重新搜索多次。

进一步地，如果当前待交易车辆经过多次计费交易后的交易状态为不成功，且当前待交易车辆进入辅助识别区域，则所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，开启所述辅助读写设备中的天线，以获取收费信息和标签位置信息，并返回执行计费交易的操作包括：

如果所述主控机开启所述辅助读写设备中的天线失败，则当前待交易车辆从预留空间退离车道或通过人工处理。

进一步地，如果当前待交易车辆经过多次计费交易后的交易状态为不成功，且当前待交易车辆进入辅助识别区域，则所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，开启所述辅助读写设备中的天线，以获取收费信息和标签位置信息，并返回执行计费交易的操作还包括：

当所述辅助读写设备与处于所述辅助识别区域的待交易车辆完成计费交易或开启所述辅助读写设备中的天线失败时，重新开启所述主读写设备的相控阵天线，关闭所述辅助读写设备的天线，并更新车辆队列模型信息。

进一步地，如果当前待交易车辆的计费交易状态为成功，则所述主控机控制车辆栏杆打开放行，并更新所述车辆队列模型信息，重新确定当前待交易车辆包括：

如果当前待交易车辆的计费交易状态为不成功，则所述主控机控制车辆栏杆拦截车辆，从预留空间退离车道或通过人工处理。

本发明实施例提供一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统及方法，通过对比车辆队列检测传感器反馈的车辆位置信息和主读写设备中相控阵天线识别的标签位置信息是否一致，如果一致，才与当前待交易车辆进行计费交易，避免了跟车干扰，提升了交易的可靠性。当主识别区域计费交易不成功时，主控机关闭主读写设备中的相控阵天线，开启辅助读写设备中的天线，在辅助识别区域交易，避免了辅助识别区域的车辆在没有交易的情况下被放行，同时避免了天线之间的信号干扰，提高了交易的准确性。主读写设备采用相控阵天线，不需要通过天线不停地收集车载电子标签信息，加快了交易速度，从而提高车道的通行处理效率，降低了系统的复杂度，即使处于车流量密集时段，也能准确识别多个车载电子标签，提升了标签识别的精度，能够提升主识别区域的交易效率。

此外，根据实际需要，可以设置辅助读写设备中的天线为相控阵天线或者普通微波天线，也可以不设置辅助读写设备，提高了系统建设的灵活性。

附图说明

图1A是本发明实施例一中一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统的结构示意图；

图1B是本发明实施例一中一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统的示意图；

图2是本发明实施例二中一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法的流程图；

图3是本发明实施例三中一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法的一种优选方式的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1A为本发明实施例一提供的一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统的结构示意图，本实施例可应用于车道收费，该系统可采用软件和硬件的方式实现，该系统包括：

至少两个车辆队列检测传感器1，沿收费通道的主识别区域进行间隔设置，用于检测通过所述主识别区域的车辆位置信息；

主读写设备2，沿所述收费通道设置在所述主识别区域临近车辆栏杆的一侧，所述主读写设备2包括相控阵天线，用于发射天线信号，在所述主识别区域中对车辆的标签进行通信识别，以获取所述车辆的收费信息和标签位置信息；

主控机3，分别与所述车辆队列检测传感器1和主读写设备2相连，用于获取所述车辆位置信息、标签位置信息和收费信息，用于在待收费车辆的车辆位置信息和标签位置信息匹配时，根据所述收费信息进行计费。

具体的，主读写设备2上的相控阵天线可以识别多个车载电子标签的标签位置信息和收费信息，尤其在车流量比较密集的情况下，识别多个标签位置信息和收费信息后，与车辆队列检测传感器1反馈的车辆位置信息进行比对，如果一致，在根据主读写设备2在车道上的信号投射区域所划定的主识别区域上，依次与队列中的待交易车辆进行计费交易。

优选的，如图1B所示，系统还包括：

所述主识别区域17与所述车辆栏杆5之间相距设定距离，所述主识别区域17与车辆栏杆5之间形成有辅助识别区域18；

所述辅助识别区域18的收费通道中设置有至少两个车辆队列检测传感器；

所述辅助识别区域18临近所述车辆栏杆5的一侧形成有辅助读写设备4；

所述辅助读写设备4中设置有微波天线或相控阵天线，用于发射天线信号，在所述辅助识别区域18中对车辆的标签进行通信识别，以获取所述车辆的收费信息和标签位置信息，并提供给所述主控机1。

具体的，在主识别区域17计费交易不成功的情况下，关闭主读写设备3的相控阵天线，开启辅助读写设备4的天线，在根据辅助识别设备4在车道上的信号投射区域所划定的辅助识别区域18中，获取车载电子标签的收费信息和标签位置信息，对车辆进行计费交易。计费交易成功后，重新开启主读写设备3的相控阵天线，关闭辅助读写设备4的天线。

优选的，系统还包括：

离开车道检测传感器，设置在所述车辆栏杆远离所述主读写设备3的一侧，用于检测离开收费通道的车辆位置，并提供给所述主控机1。

优选的，所述车辆队列检测传感器由一组或多组检测传感器组成，每组检测传感器至少包括一个检测传感器，所述检测传感器用于检测车辆存在的信号，包括地感线圈、地磁装置、红外装置、视频检测装置或激光装置。

如图1B所示，具体的，本实施例提供的一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统，包括：主控机1，立柱2，主读写设备3，辅助读写设备4，栏杆5，费额显示器6，至少两个车辆队列检测传感器，每个车辆队列检测传感器由一组或多组车辆检测传感器组成，每组车辆检测传感器至少采用一个地感线圈构成，所述车辆检测传感器用于检测该传感器上是否有车辆存在。在主识别区域17中，第一个车辆队列检测传感器包括第一组车辆检测传感器7、第二组车辆检测传感器8、第三组车辆检测传感器9，其中，第一组车辆检测传感器7设置在主识别区域17前方位置，第二组车辆检测传感器8和第三组车辆检测传感器9由前至后依次设置在主识别区域17内，第二个车辆队列检测传感器包括第四组车辆检测传感器10和第五组车辆检测传感器11，由前至后依次设置在主识别区域17内。在辅助识别区域18中，第一个车辆队列检测传感器包括第六组车辆检测传感器12，第二个车辆队列检测传感器包括第七组车辆检测传感器13，所述第六组车辆检测传感器12和第七组车辆检测传感器13由前至后依次设置在辅助识别区域18内，离开车道检测传感器包括第八组车辆检测传感器14，设置在栏杆5的后方位置，其前沿与栏杆5的栏杆臂在车道平面的垂直投影大致重叠。每组检测传感器至少包括一个检测传感器。立柱2上设置有前悬臂15和后悬臂16。

其中，所述第一组车辆检测传感器7在车辆行驶方向上的宽度A为0.8米，第二组车辆检测传感器8在车辆行驶方向上的宽度C、第三组车辆检测传感器9在车辆行驶方向上的宽度E、第四组车辆检测传感器10在车辆行驶方向上的宽度G、第五组车辆检测传感11在车辆行驶方向上的宽度I、第六组车辆检测传感器12在车辆行驶方向上的宽度K和第八组车辆检测传感器14在车辆行驶方向上的宽度o均为1米。所述第七组车辆检测传感器13在车辆行驶方向上的宽度M为2米。所述第一组车辆检测传感器7后沿与第二组车辆检测传感器8前沿之间的距离B、第二组车辆检测传感器8后沿与第三组车辆检测传感器9前沿之间的距离D、第三组车辆检测传感器9后沿与第四组车辆检测传感器10前沿之间的距离F、第四组车辆检测传感器10后沿与第五组车辆检测传感器11前沿之间的距离H、第五组车辆检测传感器11后沿与第六组车辆检测传感器12前沿之间的距离J、第六组车辆检测传感器12后沿与第七组车辆检测传感器13前沿之间的距离L、第七组车辆检测传感器13后沿与第八组车辆检测传感器14前沿之间的距离N均为2.5米。所述第一组车辆检测传感器7、第二组车辆检测传感器8、第三组车辆检测传感器9、第四组车辆检测传感器10、第五组车辆检测传感器11、第六组车辆检测传感器12、第七组车辆检测传感器13和第八组车辆检测传感器14构建的可为车辆提供业务处理的长度范围，即第一组车辆检测传感器7前沿与第八组车辆检测传感器14后沿之间的距离为25.5米。所述主识别区域17的前沿与主读写设备3之间的距离P为14.5米，所述主读写设备3与辅助读写设备4之间的距离Q为10米，所述辅助识别区域18的前沿与辅助读写设备4之间的距离R为9.5米，所述主识别区域17前沿与辅助识别区域18后沿的距离S约为23.5米。

本发明实施例一提供的一种基于相控阵的智能ETC车道收费系统，车道布局的设计消除了ETC车道系统的通信盲区，主读写设备中采用相控阵天线，不需要通过天线不停地收集车载电子标签信息，加快了交易速度，从而提高车道的通行处理效率，降低了系统的复杂度，即使处于车流量密集时段，也能准确识别多个车载电子标签，提升了标签识别的精度，能够提升主识别区域的交易效率。

实施例二

图2是本发明实施例二中一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法的流程图，本实施例可应用于车道基于相控阵的智能ETC车道收费系统，该方法包括：

S101、主控机获取车辆队列检测传感器反馈的车辆位置信息和主读写设备中相控阵天线识别的收费信息和标签位置信息，构建车辆队列模型信息。

优选的，步骤S101包括：

主控机获取的信息还包括车辆车牌信息、车辆与电子标签绑定信息、车辆通行信息、车辆速度信息、车辆长度信息和车辆数量信息。

具体的，主读写设备上的相控阵天线和辅助读写设备上的天线能够识别车辆电子标签的收费信息、标签位置信息、车辆车牌信息、车辆与电子标签绑定信息。主识别区域和辅助识别区域铺设的车辆队列检测传感器能够检测是否存在车辆信号以及车辆的位置信号，车辆位置信号会随着车辆通行产生变化，根据车辆位置信号的变化，可以知道车辆行驶在哪一组或者哪几组车辆检测传感器上，确定车辆的具体位置，并可以判断出车辆的移动方向，根据某两组车辆检测传感器之间的距离以及车辆经过这两组车辆检测传感器的时间差计算车辆的速度信息。车辆位于某几组车辆检测传感器上时，利用这几组车辆检测传感器间的距离车辆检测传感器在车辆行驶方向上的宽度，估计车辆长度信息。根据车辆位置信号变化，对车辆进行分隔，并计算车道上的车辆数量信息。

S102、所述主控机根据所述车辆队列模型信息确定当前待交易车辆，并对比所述当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息是否一致。

S103、如果当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息一致，则所述主控机根据所述收费信息对当前待交易车辆进行计费。

优选的，步骤S101包括：

如果当前待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息不一致，丢弃所述标签位置信息，重新搜索多次。

本实施例中，根据实际情况，进行多次搜索后(可以设置为2次)，待交易车辆的车辆位置信息和标签位置信息依然不一致，即车辆检测传感器反馈了当前待交易车辆的位置信息，但是相控阵天线不能识别到车载电子标签的位置信息，表明车道内存在该辆车，但是无法进行计费交易，主控器会控制栏杆对车辆进行拦截，防止跟车干扰。

S104、如果当前待交易车辆经过多次计费交易后的交易状态为不成功，且当前待交易车辆进入辅助识别区域，则所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，开启所述辅助读写设备中的天线，以获取收费信息和标签位置信息，并返回执行计费交易的操作。

具体的，如果在主识别区域的首次计费交易状态为不成功，主读写设备会与处于主识别区域的车辆继续进行多次计费交易，根据车道主识别区域的长度和车辆行驶速度，可以继续进行2次或3次的计费交易，直至主控机接收到辅助识别区域的车辆检测传感器的反馈信号，车辆驶入辅助识别区域，在辅助识别区域继续进行交易，所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，否则，在主识别区域车辆与主识别设备的相控阵天线交易成功的信号会触发栏杆开启，从而放行辅助识别区域交易未成功的车辆。然后，开启所述辅助读写设备中的天线，获取收费信息和标签位置信息，在辅助识别区域与车辆进行交易。

S105、如果当前待交易车辆的计费交易状态为成功，则所述主控机控制车辆栏杆打开放行，并更新所述车辆队列模型信息，重新确定当前待交易车辆。

优选的，步骤S105包括：

如果当前待交易车辆的计费交易状态为不成功，则所述主控机控制车辆栏杆拦截车辆，从预留空间退离车道或通过人工处理。

在本实施例中，当前待交易车辆的计费交易状态为成功，主控机控制车辆栏杆打开放行，并更新车辆队列模型信息，重新确定当前待交易车辆的计费交易状态，如果计费交易状态为成功，主控机控制车辆栏杆继续打开放行，如果计费交易状态为不成功，主控机控制车辆栏杆拦截车辆，从预留空间退离车道或通过人工处理。

本发明实施例二提供的一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法，通过对比车辆队列检测传感器反馈的车辆位置信息和主读写设备中相控阵天线识别的标签位置信息是否一致，如果一致，才与当前待交易车辆进行计费交易，避免了跟车干扰，提升了交易的可靠性。当主识别区域计费交易不成功时，主控机关闭主读写设备中的相控阵天线，开启辅助读写设备中的天线，避免了辅助识别区域的车辆在没有交易的情况下被放行，同时避免了天线之间的信号干扰，提高了交易的可靠性和准确性。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法的一种优选方式的方法流程图，本实施例以前述实施例为基础，提供了开启辅助读写设备失败的优选方案，具体是如果当前待交易车辆经过多次计费交易后的交易状态为不成功，且当前待交易车辆进入辅助识别区域，则所述主控机关闭所述主读写设备中的相控阵天线，开启所述辅助读写设备中的天线，以获取收费信息和标签位置信息，并返回执行计费交易的操作，具体包括：

如果所述主控机开启所述辅助读写设备中的天线失败，则当前待交易车辆从预留空间退离车道或通过人工处理。

具体的，主控机开启所述辅助读写设备中的天线失败包括两种情况，一种是辅助读写设备中的相控阵天线或者微波天线出现故障，则当前待交易车辆从预留空间退离车道或通过人工处理；另一种是基于车流量和经济成本的考虑，没有安装辅助读写设备，车辆与主读写设备上的相控阵天线进行计费交易，极少数交易不成功的车辆从预留空间退离车道或通过人工处理。

优选的，当所述辅助读写设备与处于所述辅助识别区域的待交易车辆完成计费交易或开启所述辅助读写设备中的天线失败时，重新开启所述主读写设备的相控阵天线，关闭所述辅助读写设备的天线，并更新车辆队列模型信息。

具体的，当所述辅助读写设备与处于所述辅助识别区域的待交易车辆完成计费交易时，重新开启所述主读写设备的相控阵天线，关闭所述辅助读写设备的天线，主控机控制栏杆放行车辆，并更新车辆队列模型信息；当开启所述辅助读写设备中的天线失败时，当前待交易车辆从预留空间退离车道或通过人工处理，重新开启所述主读写设备的相控阵天线，关闭所述辅助读写设备的天线，并更新车辆队列模型信息；重新开启的主读写设备的相控阵天线根据更新的车辆队列模型信息，继续识别多个车载电子标签的信息，并依次与车辆队列中的待交易车辆进行计费交易。

本发明实施例三提供了一种基于相控阵的智能ETC车道收费方法的一种优选方式的方法，当主识别区域计费交易不成功时，主控机关闭主读写设备中的相控阵天线，开启辅助读写设备中的天线，提高了交易的准确性和可靠性。根据实际需要，可以设置辅助读写设备中的天线为相控阵天线或者普通微波天线，也可以不设置辅助读写设备，提高了系统建设的灵活性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。