桂嵐，黃炎，譚峰

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省高速公路管理局監(jiān)控中心，湖南長(zhǎng)沙 410001）

?

基于衛(wèi)星定位的新型高速公路通行卡
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理?

桂嵐1，黃炎1，譚峰2

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省高速公路管理局監(jiān)控中心，湖南長(zhǎng)沙 410001）

摘要：高速公路的發(fā)展給人們的出行帶來(lái)了快捷和方便，但也帶來(lái)了與收費(fèi)相關(guān)的一系列問(wèn)題，如停車(chē)收費(fèi)造成的入口堵塞、按最短路徑收費(fèi)造成的分配不均等。文中提出將衛(wèi)星定位技術(shù)引入高速公路復(fù)合式通行卡的方案，首先對(duì)新通行卡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次對(duì)適用于高速公路車(chē)輛行駛路徑的識(shí)別算法及通行卡的關(guān)鍵設(shè)備選型進(jìn)行研究。運(yùn)用該通行卡實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛行駛軌跡的跟蹤與記錄，解決按實(shí)際路徑收費(fèi)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高速公路；通行卡；衛(wèi)星定位技術(shù)；路徑識(shí)別

隨著中國(guó)高速公路的全面發(fā)展，高速公路網(wǎng)變得密而龐大。行車(chē)路線也開(kāi)始不僅局限于一種方式，而是有多條路線可選，由此產(chǎn)生了高速公路行駛路徑多義性的問(wèn)題，需對(duì)車(chē)輛行駛路徑進(jìn)行跟蹤和識(shí)別加以解決。解決方式主要有兩種：一種是通過(guò)技術(shù)手段在行車(chē)和收費(fèi)的過(guò)程中精確識(shí)別車(chē)輛行駛路徑，解決收費(fèi)和拆分的問(wèn)題，如射頻復(fù)合式卡。這種方式是通過(guò)對(duì)高速公路收費(fèi)使用的通行卡進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新改造，再在高速公路交叉口建立射頻信號(hào)發(fā)射站，通過(guò)記錄車(chē)輛經(jīng)過(guò)的交叉口來(lái)判定其實(shí)際行駛路徑。另一種方式是直接以起、終點(diǎn)之間的最短路徑收費(fèi)，通過(guò)相應(yīng)的路徑選擇分配方式對(duì)車(chē)輛的通行費(fèi)進(jìn)行拆分。這種方式為目前的主流方式，全國(guó)29個(gè)省市區(qū)建立的電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)ETC專(zhuān)用車(chē)道采用的就是這種計(jì)費(fèi)方式。總而言之，目前采用的方式不管是在精度上還是在操作性上都受到現(xiàn)有技術(shù)條件的制約和高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)運(yùn)營(yíng)管理模式的限制，使高速公路收費(fèi)管理的成本效益較低。針對(duì)以上問(wèn)題，該文將基于衛(wèi)星定位的路徑識(shí)別技術(shù)引入高速公路通行卡。

1　通行卡工作狀態(tài)模擬

基于衛(wèi)星定位路徑識(shí)別技術(shù)的高速公路通行卡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，所包含的主要電子器件有雙界面CPU卡、充電鋰電池、衛(wèi)星定位模塊、CPU模塊和充電線圈。

圖1　基于衛(wèi)星定位路徑識(shí)別技術(shù)的高速公路通行卡結(jié)構(gòu)示意圖

車(chē)輛在進(jìn)入高速公路收費(fèi)站入口時(shí)，通過(guò)自助發(fā)卡或人工發(fā)卡的方式得到一張記錄了車(chē)輛信息的通行卡，這張卡在休眠狀態(tài)下通過(guò)貼近于非接觸式IC卡讀寫(xiě)器時(shí)，磁場(chǎng)感應(yīng)器將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，激活卡內(nèi)的CPU模塊后，通行卡開(kāi)啟工作模式，CPU模塊控制雙界面CPU卡將車(chē)輛信息寫(xiě)入存儲(chǔ)器中。通行卡內(nèi)的信息主要有車(chē)牌號(hào)、車(chē)型大小、入口坐標(biāo)、入口地點(diǎn)名稱(chēng)和發(fā)卡時(shí)間等，這些信息將作為車(chē)輛行駛路徑的起點(diǎn)信息。車(chē)輛在高速公路上進(jìn)入正常行駛狀態(tài)時(shí)，CPU模塊會(huì)定時(shí)開(kāi)啟與切斷充電鋰電池與雙界面CPU卡及衛(wèi)星定位模塊之間的電流，使新卡保持在低能耗狀態(tài)，以確保其工作時(shí)間。在切斷電源期間，通行卡保持休眠狀態(tài)，而在電源開(kāi)啟期間，衛(wèi)星定位模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，獲取當(dāng)前的車(chē)輛地理定位信息（經(jīng)緯度），并將該信息記錄在雙界面CPU卡的存儲(chǔ)器中。完成一次定位信息記錄后，通行卡立即進(jìn)入下一輪的休眠狀態(tài)。休眠時(shí)間依據(jù)高速公路網(wǎng)的最短邊長(zhǎng)里程與高速公路最快設(shè)計(jì)速度120 km/h得到，一般情況下不小于5 min，休眠時(shí)間一到重啟電源進(jìn)入新一輪的工作狀態(tài)。如此循環(huán)，直到進(jìn)入高速公路出口收費(fèi)站，收費(fèi)員將卡貼近于非接觸式IC卡讀寫(xiě)器上，磁場(chǎng)感應(yīng)器再次激活CPU模塊，令其控制雙界面CPU卡，使讀寫(xiě)器可讀取其存儲(chǔ)器中記錄的入口信息和車(chē)輛地理定位信息（經(jīng)緯度），經(jīng)后臺(tái)收費(fèi)軟件與高速公路地圖相匹配后得出車(chē)輛的最終行駛路徑。后臺(tái)收費(fèi)軟件根據(jù)路徑信息收取相應(yīng)路費(fèi)，并根據(jù)駛過(guò)的高速公路所屬投資主體不同進(jìn)行路費(fèi)拆分。通行卡被收入后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)線充電。

2　通行卡路徑匹配算法

由于通行卡的使用范圍僅限于高速公路，而車(chē)輛的行駛路徑是由一條或多條高速公路的路段組合而成，需確定車(chē)輛通過(guò)的高速公路路段。綜合高速公路路段長(zhǎng)、互通轉(zhuǎn)向角大、路網(wǎng)間距較大的特點(diǎn)，選用直接投影算法判斷車(chē)輛行駛路徑。投影法原理是將車(chē)輛當(dāng)前行駛的定位數(shù)據(jù)投影到離定位位置最近的一條高速公路路段上，再將該路段上的投影點(diǎn)坐標(biāo)匹配到車(chē)輛當(dāng)前位置，以判斷該路段為車(chē)輛所行駛路段。圖2為直接投影法原理示意圖。

圖2　直接投影法原理示意圖

將P點(diǎn)分別向L1和L2做投影，得到當(dāng)前位置與路段間的投影距離ri及車(chē)輛行駛方向與道路間的夾角θi，以符合這兩項(xiàng)值小于閾值為條件的所有路段為預(yù)選路段，從中分別計(jì)算預(yù)選路段距離度量值λi：

計(jì)算出所有預(yù)選路段的距離度量值，選擇其中最小值的路段作為車(chē)輛當(dāng)前的行駛路段。

直接投影法的特點(diǎn)主要在于過(guò)程簡(jiǎn)便、計(jì)算迅速及占用內(nèi)存小，在車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站時(shí)能實(shí)時(shí)結(jié)算，滿(mǎn)足實(shí)用要求，且車(chē)輛在行駛方向上的徑向分量可用于提高車(chē)輛路徑識(shí)別的精度。

基于投影法的路徑匹配算法流程（見(jiàn)圖3）為：1）收集衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。將衛(wèi)星定位接收器收到的衛(wèi)星信號(hào)讀取至后臺(tái)收費(fèi)系統(tǒng)，這些信息主要有時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、速度、方向等。2）判斷定位數(shù)據(jù)是否有效，若無(wú)效，則根據(jù)歷史定位數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)。3）判斷定位數(shù)據(jù)是否處于停止?fàn)顟B(tài)，若是，則保留一次有效數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)定位數(shù)據(jù)。4）如果在一定閾值內(nèi)搜索道路數(shù)＜1，表明定位數(shù)據(jù)誤差太大，則根據(jù)歷史定位數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)。5）如果在一定閾值內(nèi)搜索的道路數(shù)=1，表明車(chē)輛在道路上，直接投影，把該道路作為車(chē)輛行駛的當(dāng)前道路。6）如果在一定閾值內(nèi)搜索到的道路數(shù)＞1，表明附近有多條預(yù)選路段，計(jì)算預(yù)選道路距離度量值，選出當(dāng)前行駛路段。7）匹配結(jié)束。

圖3　投影地圖匹配的算法流程

3　新卡關(guān)鍵設(shè)備選型

3.1電池

充電電池采用超薄聚合物鋰電池，其厚度不到1 mm，猶如紙張一樣薄，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自耗電低，且能經(jīng)受過(guò)充、過(guò)放、短路、針刺、熱沖擊、重物撞擊，不著火，不爆炸。

由于通行卡的體積限制，電池容量不可能很大，必須在電路設(shè)計(jì)及固化程序上采取措施。首先集成電路采用低功耗的芯片，其次加入電源管理模塊及磁場(chǎng)感應(yīng)器，使通行卡在大部分時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)。通行卡在休眠狀態(tài)下的整體功耗小于300μA。通行卡在發(fā)出前及回收后均處于低功耗的休眠狀態(tài)，通行卡發(fā)出后跟隨車(chē)輛在高速公路上行駛的過(guò)程中，沒(méi)有必要全程啟動(dòng)衛(wèi)星定位檢測(cè)記錄地理位置信息，程序每7～8 min喚醒工作一次，每次工作時(shí)間不超過(guò)500 ms，其余時(shí)間均處于休眠狀態(tài)，這樣充一次電可維持車(chē)輛在高速公路行駛時(shí)通行卡工作所需時(shí)間。

3.2衛(wèi)星定位模塊

衛(wèi)星定位技術(shù)能提供全天候的定位、授時(shí)、測(cè)速功能，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、測(cè)量和勘探等領(lǐng)域。隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展，其尺寸愈來(lái)愈小，而人們對(duì)于定位功能的需求也愈來(lái)愈大，電子技術(shù)開(kāi)發(fā)商們適時(shí)地將衛(wèi)星定位技術(shù)嵌入日常生活所用的移動(dòng)終端與電子產(chǎn)品中。衛(wèi)星定位技術(shù)的優(yōu)劣很大程度上取決于芯片技術(shù)的好壞，衛(wèi)星定位產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展方向與技術(shù)指標(biāo)也直接受到衛(wèi)星定位芯片技術(shù)發(fā)展的影響。在目前的芯片市場(chǎng)上，占主要份額的除中國(guó)北斗芯片外，還有幾家國(guó)外大型生產(chǎn)廠商（包括Sirf、Garmin、U-blox、摩托羅拉、索尼、nxp等）的產(chǎn)品，其中瑞士U-blox公司的衛(wèi)星定位芯片在歐洲主攻車(chē)載定位系統(tǒng)市場(chǎng)，也是U-blox的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)，奔馳、寶馬、法拉利、保時(shí)捷、奧迪、富豪等豪華車(chē)大都采用U-blox的芯片。U-blox新推出的CAM-M8Q天線模組在僅（9.6 ×14.0×1.95）mm的精巧封裝尺寸中整合了U -blox M8衛(wèi)星接收器IC、SAW濾波器、LNA、TCXO、RTC、被動(dòng)元件及預(yù)先調(diào)校的GNSS晶片天線，只需提供電源，便可立即擁有單機(jī)式的全球定位功能。CAM-M8Q表面粘著模組結(jié)合了低功耗、高靈敏度、優(yōu)異抗干擾性及支援同步GNSS運(yùn)作（GPS/GLONASS、GPS/北斗、或GLONASS/北斗）等重要特性，是真正的隨插即用解決方案，可在全球任何一個(gè)角落提供可靠與精準(zhǔn)的衛(wèi)星定位信息。因此，新型高速公路通行卡選用CAM-M8Q模塊作為衛(wèi)星定位模塊。

3.3雙界面CPU卡

目前，中國(guó)高速公路人工收費(fèi)車(chē)道均使用非接觸式IC卡作為通行卡。非接觸式IC卡是非接觸式邏輯加密卡，它遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議ISO 14443A，存儲(chǔ)容量為8 kb，有16個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)2組密碼，工作頻率為13.56 MHz。ETC車(chē)道車(chē)載OBU里用的是雙界面CPU卡。雙界面CPU卡是一種同時(shí)支持接觸式與非接觸式兩種通訊方式的CPU卡，接觸接口和非接觸接口共用一個(gè)CPU進(jìn)行控制，接觸模式和非接觸模式自動(dòng)選擇。它一方面具備接觸式CPU卡的功能，具有安全性高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)；另一方面具備非接觸式CPU卡的功能，具有傳輸速度快、交易時(shí)間短（一般不超過(guò)100 ms）等特點(diǎn)，同時(shí)支持ISO/IEC 7816和ISO/ IEC 14443技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，符合《中國(guó)金融集成電路IC卡規(guī)范》。

基于衛(wèi)星定位路徑識(shí)別技術(shù)的高速公路通行卡既要接收衛(wèi)星定位模塊采集的地理信息坐標(biāo)，又要兼容收費(fèi)崗?fù)ぴ械姆墙佑|式IC卡讀寫(xiě)器，故采用雙界面CPU卡。其接觸部分符合ISO 7816和《中國(guó)金融集成電路IC卡規(guī)范》的要求，非接觸部分符合ISO 14443規(guī)范中TYPE A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。這樣高速公路收費(fèi)系統(tǒng)原有的非接觸式IC卡讀寫(xiě)器無(wú)須更換，收費(fèi)系統(tǒng)的認(rèn)證機(jī)制也無(wú)須修改，新的通行卡與現(xiàn)有系統(tǒng)高度兼容。

4　結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛行駛路徑的精確識(shí)別與路費(fèi)拆分問(wèn)題是隨著高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的升級(jí)而面臨的新問(wèn)題。該文提出以衛(wèi)星定位為技術(shù)核心的高速公路通行卡設(shè)計(jì)方案，力圖實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在高速公路上行駛路徑的精確識(shí)別，在技術(shù)上不僅具有可行性，在經(jīng)濟(jì)上也具有合理性。

方案在實(shí)施過(guò)程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)都以不同的方式廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，希望這些新的應(yīng)用方式與思路能為提高高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的整體效益起到促進(jìn)作用。

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式中：ωr和ωθ分別為距離和方向夾角的權(quán)值。

中圖分類(lèi)號(hào)：U495

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0262-03

基金項(xiàng)目：?湖南省交通科技項(xiàng)目（201346）

收稿日期：2015-11-26