LBS基站定位在高速公路二義性路徑識別的應(yīng)用
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黃? 濤，陳廣輝 （江西方興科技有限公司，江西?南昌?330025）
摘? 要：在全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的情況下，隨著高速公路不斷建設(shè)，路網(wǎng)越來越復(fù)雜，二義性路徑問題已經(jīng)成為高速 公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)普遍性存在的問題。本文描述了基于LBS基站定位在二義性路徑識別的原理，并通過與其他路徑 識別方案對比，分別描述它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為高速公路二義性路徑識別提供一種可行的方案。
0 引言
近年來，隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，大量 路網(wǎng)連接造成多路徑問題，也就是車輛從路網(wǎng)內(nèi)的甲 地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，二義性路徑路環(huán) 不斷增多，導(dǎo)致車輛通行費(fèi)的收取和拆分問題也越來越 突出[1]。為了解決二義性路徑識別問題，目前通常采用 ETC電子標(biāo)簽識別、RFID復(fù)合通行卡識別和車牌識別 三種方法，前兩者無外乎都是通行卡（ETC為車載設(shè)備 OBU）通過無線通信技術(shù)接收來自路面標(biāo)識站的標(biāo)識 信息，后一種的車牌識別方法則通過路面上的高速攝像 機(jī)識別車輛的牌照，了解車輛具體經(jīng)過哪些路段，從而 判斷車輛的行駛路徑，這三種方法最大的特點(diǎn)就是都必 須在高速公路關(guān)鍵點(diǎn)安裝路面標(biāo)識站或車牌抓拍系統(tǒng)。 采用基于LBS基站定位的高速公路通行卡可以不要專門 安裝路面標(biāo)識站，每間隔一段時(shí)間實(shí)時(shí)定位車輛行駛位 置，從而真實(shí)的反應(yīng)車輛行駛路徑。
1 目前各種二義性路徑識別技術(shù)介紹
1.1 車牌識別法
由于車輛的牌照具有唯一性，可以作為在高速公路 中行駛車輛身份認(rèn)定的依據(jù)。居于車牌具有“唯一性” 這一顯著特點(diǎn)，在高速公路關(guān)鍵點(diǎn)安裝高速攝像機(jī)對行 駛的每一車輛進(jìn)行抓拍并識別車牌，了解哪些車輛經(jīng)過 了該路段，從而判斷車輛的行駛路徑，二義性路徑問題 則得到了解決。 優(yōu)點(diǎn)：只需在高速公路關(guān)鍵點(diǎn)安裝車牌抓拍系統(tǒng)， 通行卡不需要更改，系統(tǒng)投入最低。 缺點(diǎn)：由于車牌識別系統(tǒng)技術(shù)的原因，準(zhǔn)確率不可 能達(dá)到100%，尤其在雨雪、大霧天氣或車輛牌照有污 漬的情況下識別率更低，導(dǎo)致路徑識別率也不高。
1.2 ETC電子標(biāo)簽和RFID復(fù)合通行
卡識別法 ETC全稱為電子收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection System）的英文縮寫，通過設(shè)置在高速公路收費(fèi)站的入口和出口車道上方的ETC天線與車載單元OBU建立專用 短程通信，在不需要司機(jī)停車和收費(fèi)人員操作的情況下 自動完成入口的寫入和出口的讀取以及通行費(fèi)扣除等一 些列收費(fèi)處理過程。
高速公路RFID復(fù)合通行卡在普通IC卡中增加射頻 識別單元，RFID射頻識別單元主要用于接收和處理二 義性路徑信息，而非接觸式IC卡跟傳統(tǒng)通行卡功能一 樣，主要記錄收費(fèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)，兩者工作相對獨(dú)立。在 車輛出高速公路刷卡繳費(fèi)時(shí)，二義性路徑數(shù)據(jù)和收費(fèi)數(shù) 據(jù)通過讀卡器同時(shí)讀取。
ETC電子標(biāo)簽和RFID復(fù)合通行卡在二義性路徑識 別本質(zhì)的原理是一樣的，都是在高速公路關(guān)鍵點(diǎn)安裝路 面標(biāo)識站,當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)，通過短距離無線通信技術(shù)將 路徑標(biāo)識信息寫入自由流車輛內(nèi)的車載單元（ETC電子 標(biāo)簽或復(fù)合通行卡），只不過兩者的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一樣， ETC電子標(biāo)簽采用道路收費(fèi)領(lǐng)域國際通用和干擾源較少 的5.8G Hz頻段，而RFID復(fù)合通行卡一般采用繞射能力 強(qiáng)和傳輸距離更遠(yuǎn)的433M Hz頻段。
優(yōu)點(diǎn)：隨著無線通信技術(shù)越來越成熟，即使車輛高 速行駛情況下路面標(biāo)識站依然能準(zhǔn)確的將路徑標(biāo)識信息 寫入車載單元，表示準(zhǔn)確率高，可以實(shí)現(xiàn)精確收費(fèi)。另 外，采用該識別技術(shù)的車載單元在高速公路上行駛大部 分時(shí)間都處于功耗極低（幾個(gè)微安以內(nèi)）的休眠模式， 一般每間隔1 s激活5 ms，用來接收路面標(biāo)識站廣播發(fā)出 的標(biāo)識信息，所以該技術(shù)具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合通行 卡的內(nèi)置電池一般可以使用3～5年。
缺點(diǎn)：需要在高速公路關(guān)鍵點(diǎn)安裝路面標(biāo)識站，增 加系統(tǒng)建設(shè)的投入成本，相應(yīng)的維護(hù)成本也會增加。
1.3 GPS定位法
GPS是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System） 的英文縮寫，利用全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星 提供全天候、高精度、連續(xù)和實(shí)時(shí)的三維（經(jīng)度、維度 和海拔）立體定位。其路徑識別原理是通過通行卡內(nèi) 置的GPS模塊接收到的位置信息確定車輛的具體行駛路 徑，從理論上看GPS定位法可以有效解決高速公路二義 性路徑問題。
優(yōu)點(diǎn)：GPS定位具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，定位精度可達(dá)2.5米，能準(zhǔn)確反映車輛具體在哪條高速公路上行駛， 與ETC電子標(biāo)簽和RFID復(fù)合通行卡識別法相比較，不需 要安裝路面標(biāo)識站，減少了系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)也免去 路面標(biāo)識站后期的維護(hù)費(fèi)用。
缺點(diǎn)：對衛(wèi)星信號的依賴較強(qiáng)，要至少捕捉到三顆 衛(wèi)星信號才能實(shí)現(xiàn)有效定位，車內(nèi)、陰雨天氣衛(wèi)星信號 較弱的時(shí)候比較難定位，信號盲區(qū)較多。另外GPS模塊 工作時(shí)功耗較大，電池電量消耗很快，需要對通行卡經(jīng) 常充電，使用不方便。
2 LBS基站定位二義性路徑識別系統(tǒng)
LBS基站定位是基于位置服務(wù)（Location Based Service）的英文縮寫，一般應(yīng)用于移動通信的用戶，通 過移動通信運(yùn)營商的無線通信網(wǎng)絡(luò)（如GSM、CDMA 網(wǎng)）獲取移動終端用戶位置信息，在GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)平臺的支持下，為用 于提供基于位置服務(wù)的一種業(yè)務(wù)。
在高速公路通行卡中嵌入GSM移動通信模塊，當(dāng) 車輛在高速公路行駛時(shí)通行卡每間隔一段時(shí)間定時(shí)打開 GSM模塊并接收途經(jīng)基站數(shù)據(jù)，將接收到的基站區(qū)域碼 （LAC）和移動基站碼（Cell ID）保存在雙界面CPU卡 內(nèi)。出站時(shí)，收費(fèi)站讀卡器讀取通行卡內(nèi)保存的入口信 息、出口信息和基站號（LAC和Cell ID），收費(fèi)軟件通 過基站號判斷車輛實(shí)際行駛路徑，算出該車輛實(shí)際通行 費(fèi)金額。
LBS基站定位路徑識別通行卡主要由GSM模塊、 雙界面CPU卡芯片、單片機(jī)、13.56 MHz讀寫線圈、無 線充電電路、鋰電池和電源模塊等電路組成，如圖1。 MCU采用TI公司的以低功耗著稱的MSP430系列單片 機(jī)，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，車輛進(jìn)站取卡時(shí)讀寫器將入口 信息寫入通行卡，同時(shí)激活通行卡，單片機(jī)每間隔一段 時(shí)間打開GSM模塊，通過串口接收基站信息，并通過接 觸式接口將基站信息寫入雙界面CPU卡芯片。通行卡采 用充電鋰電池供電，CPU卡芯片的讀寫線圈可作為無線 充電的感應(yīng)線圈，可以通過對高速公路入口處的發(fā)卡機(jī) 進(jìn)行改造，在通行卡裝入發(fā)卡機(jī)的卡夾內(nèi)及時(shí)對通行卡 進(jìn)行充電。
3 通行卡軟件設(shè)計(jì)
通行卡平時(shí)處于休眠狀態(tài)，在收費(fèi)站入口通過讀寫 器非接觸寫卡時(shí)產(chǎn)生的電磁波喚醒通行卡，通行卡進(jìn)入 激活狀態(tài)，激活后通行卡每間隔一段時(shí)間采集一次GSM 基站的ID和通行卡內(nèi)電池的剩余電量信息，并將基站 ID和電池剩余容量寫入通行卡內(nèi)部的雙界面CPU卡芯片 中，每次采集完一次數(shù)據(jù)后通行卡進(jìn)入低功耗狀態(tài)，以 節(jié)省電池消耗量。在收費(fèi)站出口時(shí)，收費(fèi)系統(tǒng)通過讀卡 器讀取通行卡內(nèi)保存的入口站信息及沿途采集到的一系 列的GSM基站ID信息，通過收費(fèi)軟件運(yùn)算、判斷、比 對，確定行駛路徑并計(jì)算收費(fèi)金額，然后將通行卡置休 眠狀態(tài)。此外，通行卡在入口和出口收費(fèi)站進(jìn)行讀寫數(shù) 據(jù)時(shí)收費(fèi)軟件都將讀取通行卡的電量信息，當(dāng)剩余電量 不足時(shí)提醒收費(fèi)員及時(shí)對通行卡進(jìn)行充電，具體的軟件 流程圖見圖2，圖中的GPC為GSM路徑識別通行卡的英 文縮寫（GSM pass card）。
為符合交通部制定的《全國高速公路電子不停車收 費(fèi)聯(lián)網(wǎng)用戶卡、ESAM文件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)定義》的規(guī)定， 電池剩余容量和采集到的系列GSM基站ID必須通過雙 界面CPU卡的接觸式接點(diǎn)保存到雙界面CPU卡內(nèi)的0009 文件內(nèi)，該文件大小為512字節(jié)，可自由讀，自由寫。
4 路測
為了測試通行卡對路徑識別的效果，模擬通行卡在 高速公路收費(fèi)中的全過程。具體操作是，將通行卡通 過讀寫器激活放入車中，沿高速公路行駛一段路程后， 再通過讀寫器讀取通行卡內(nèi)保存的沿途基站信息，然后 將每個(gè)基站的位置標(biāo)注在地圖上，如圖3。從圖3可以看 出，通行卡采集到的基站一般都在高速公路附近，并且 清晰的顯示出車輛行駛軌跡。
5 結(jié)語
基于LBS移動通信基站定位技術(shù)的通行卡能有效的 解決車輛行駛路線的二義性路徑無法精確識別的問題， 對減少高速公路通行費(fèi)的流失，實(shí)現(xiàn)通行費(fèi)在各投資 主體之間合理、公平的拆賬情分具有重要的意義。同 時(shí)，本方案中通行卡內(nèi)部集成GSM模塊，采集沿途現(xiàn)有的GSM基站數(shù)據(jù)，無需新建標(biāo)識站，方案可行且成本 較低。
參考文獻(xiàn)：
[1]何鵬,史望聰,陳輝. RFID技術(shù)在電子收費(fèi)系統(tǒng)路徑識別的應(yīng)用 設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程. 2009,17（8）:15-17.
本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第76頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。
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