基于GNSS_CN高速公路自動收費系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王 勇

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

隨著我國汽車保有量的快速增加和高速公路的快速投資建設(shè)，高速公路管理以及組網(wǎng)收費越來越復(fù)雜。交通擁堵、交通安全、能源浪費、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)峻[1]。高速公路收費高、收費期限模糊的問題一直備受公眾的質(zhì)疑，當(dāng)前，全球有超過70%的收費公路在中國，中國的智能交通系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用前景廣闊，因此，規(guī)范我國交通管理，解決交通網(wǎng)中的交通信息服務(wù)系統(tǒng)(ATIS)、交通管理系統(tǒng)(ATMS) 、公共交通系統(tǒng)(APTS)、車輛控制系統(tǒng)(AVCS)、貨運管理系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)(ETC)、緊急救援系統(tǒng)(EMS)等七大應(yīng)用中的問題迫在眉睫。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計是針對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（包括GPS、GLONASS、GALILEO和BD）和蜂窩通信系統(tǒng)，即Global Navigation Satellite System / Cellular Network（GNSS/CN）開發(fā)的智能交通系統(tǒng)中的車載單元，車載單元通過車載GPS和慣性傳感器以及微機(jī)電傳感器獲取當(dāng)前車輛的經(jīng)度，緯度，速度等參數(shù)，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)中GPRS/GSM或CDMA技術(shù)向交通控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，在交通控制中心的顯示設(shè)備上可動態(tài)顯示和收費，根據(jù)車輛的當(dāng)前狀態(tài)，科學(xué)地進(jìn)行調(diào)度和管理，從而提高運營效率。

整個系統(tǒng)由GPS 衛(wèi)星、車載終端、通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS 和Internet ）和監(jiān)控中心組成。車輛在運行過程中，車載終端的GPS 接收機(jī)接收定位數(shù)據(jù)，計算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、速度、航向和其他信息（時間、狀態(tài)），然后通過GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)傳送到具有靜態(tài)IP 地址的監(jiān)控中心，并存入中心數(shù)據(jù)庫，實時電子地圖進(jìn)行匹配[2]并動態(tài)跟蹤顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由九部分組成：分別為GPS/BD接收機(jī)模塊、嵌入式雙核控制模塊和GPRS/GSM 模塊、DRSC模塊、INS/MEMS慣性傳感器模塊、藍(lán)牙通信模塊、觸摸屏顯示模塊、GIS數(shù)據(jù)庫模塊、電源管理模塊。硬件框圖如圖1[3-7]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig. 1 Block diagram of hardware system

在本系統(tǒng)中處理器采用嵌入式雙核，主要由兩個部分組成, 一部分是ARM處理核, 一部分是DSP處理核。ARM核因為有豐富的接口驅(qū)動和軟件的開源性，主要處理藍(lán)牙模塊、GIS數(shù)據(jù)庫模塊、TFT觸摸屏模塊、DRSC模塊的處理工作。DSP核具有高速的計算能力，主要處理GPRS/GSM模塊、GPS/GLONASS模塊、MEMS/INS傳感器模塊、以及卡爾曼濾波器[12-13]的軟件設(shè)計和電源模塊等。為了節(jié)省車輛設(shè)備空間和其他車載設(shè)備像速度表、里程表等的融合增值，以后可以增加媒體播放等娛樂功能和自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）等汽車防撞功能?？紤]到GPS信號在隧道或者城市峽谷、高架橋下等環(huán)境中GPS信號可能被遮擋或不能達(dá)到精確定位所需的最少衛(wèi)星數(shù)時，增加以慣性傳感器（INS）或微機(jī)電傳感器（MEMS）為基礎(chǔ)的推算導(dǎo)航，采用卡爾曼濾波器將兩者融合在一起，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精確定位的可靠性，為電子地圖匹配提供了有力數(shù)據(jù)支持。此外為方便車載通話和數(shù)據(jù)傳輸，采用了藍(lán)牙通信機(jī)制，增加了藍(lán)牙模塊。還配備了液晶顯示和各種豐富的用戶接口資源等。

通過硬件設(shè)計, 車載終端將實現(xiàn)對GNSS 定位數(shù)據(jù)的接收與分類處理，實現(xiàn)對監(jiān)控收費中心命令的接收與解析，并且向監(jiān)控收費中心發(fā)送定位信息等功能。

3 多衛(wèi)星定位系統(tǒng)融合的實現(xiàn)

卡爾曼濾波（KF）已經(jīng)被認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)的濾波與信息融合方法，并且被廣泛應(yīng)用于車輛定位中。但是，如果直接將卡爾曼濾波應(yīng)用于GPS/DR組合定位系統(tǒng)，即采用卡爾曼濾波集中處理所有傳感器的量測數(shù)據(jù)，不僅濾波器的階次高、計算量大；且系統(tǒng)不具有容錯能力，一旦某個傳感器發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個組合定位系統(tǒng)無法正常工作?；诖?，本文采用了一種簡化的聯(lián)合卡爾曼濾波器，以實現(xiàn)GPS/DR組合系統(tǒng)的濾波與信息融合。參照通用聯(lián)邦卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)，去除其中的參考系統(tǒng)，且讓主濾波器無信息分配，這樣就得到如圖2所示的簡化了的聯(lián)合卡爾曼濾波器，其顯著特點是主系統(tǒng)的計算量最小，而且總體系統(tǒng)前向濾波速度最快，系統(tǒng)設(shè)計最佳。

圖2 聯(lián)合卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)Fig. 2 Calman filter structure

其基本原理是：兩個局部傳感器分別處理GPS和DR系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)。兩者的狀態(tài)估計輸送到主濾波器進(jìn)行最優(yōu)融合并產(chǎn)生高精度的全局估計，然后按照信息分配系數(shù)對局部濾波器進(jìn)行狀態(tài)反饋重置，從而使局部濾波器的精度也獲得提高。一旦某個子系統(tǒng)發(fā)生故障，只需要調(diào)整信息分配系數(shù)便可實現(xiàn)另一個子系統(tǒng)獨立定位。

簡化的聯(lián)合卡爾曼濾波的主濾波器部分不進(jìn)行濾波處理，只對來自不同傳感器的定位數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的綜合。這種分散式濾波結(jié)構(gòu)，不僅沒有降低組合系統(tǒng)的定位精度，而且計算量小，穩(wěn)定性高，且避免了誤差的“污染”,具有很強(qiáng)的容錯能力，因而更適用于車載GPS/DR組合定位系統(tǒng)的信息融合。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個軟件系統(tǒng)分三大塊：操作系統(tǒng)及硬件驅(qū)動、導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)軟件、收費系統(tǒng)及其他應(yīng)用軟件。分主控模塊、GNSS模塊、蜂窩通信模塊、藍(lán)牙等設(shè)計組合而成。軟件系統(tǒng)模塊如圖3。

圖3 軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Software system module structure diagram

圖2中導(dǎo)航系統(tǒng)的I/O層，包括一個可以伸縮的I/O硬件抽象層和實際的I/O接口。核心層讀取從I/O抽象層傳過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實現(xiàn)的主要功能主要包括：地圖顯示、POI查詢、路線引導(dǎo)、車輛信息管理、媒體播放等。核心層一樣對這些功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，它提供可伸縮的架構(gòu)，如果需要新的功能，只需要選用預(yù)先定義的接口即可，無須改變?nèi)魏蔚能浖Y(jié)構(gòu)。

車載單元裝置軟件主要實現(xiàn)的功能是從主控模塊的串口接收到GNSS模塊的定位信息，經(jīng)過主控模塊的處理后通過串口傳送到蜂窩通信模塊，由蜂窩通信模塊通過無線數(shù)傳方式發(fā)送到收費監(jiān)控中心上。其程序包括看門狗程序、串口通信程序、GPS數(shù)據(jù)接收程序、蜂窩通信收發(fā)程序、數(shù)據(jù)處理及控制程序。系統(tǒng)通過收費監(jiān)控中心的遠(yuǎn)端控制方，按預(yù)先設(shè)置的流程進(jìn)行控制與獲取相應(yīng)的信息，同時還可控制其工作模式，為了節(jié)省供電消耗，只有在進(jìn)入收費路段時，才啟用收費價目表的下載，啟動計費子程序。

人機(jī)交互層（HMI）主要包含圖形渲染器、邏輯控制模塊、輸入控制模塊3部分。其軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig. 4 Navigation system software architecture

圖形渲染器主要是顯示最終的界面（包括地圖顯示和其他顯示部分），圖形渲染器是一套完整的圖形渲染接口，可以使用不同平臺的不同圖形接口來實現(xiàn)。邏輯控制主要對界面邏輯進(jìn)行控制，菜單、按鈕、對話框的狀態(tài)都經(jīng)過邏輯控制集中控制。輸入控制直接接受鼠標(biāo)、鍵盤、遙控器或者觸摸屏返回的信息，來反映當(dāng)前用戶的操作狀態(tài)，提供給用戶操作接口。人機(jī)交互層實現(xiàn)了完整的界面元素、消息控制，用于和終端用戶進(jìn)行互操作，最終圖形化的元素也均通過這一層顯示在屏幕上。

5 結(jié) 論

本論文獨創(chuàng)性的提出將多衛(wèi)星定位系統(tǒng)融合來提高定位精度，并采用高可靠、高精度的定位應(yīng)用于高速公路等收費系統(tǒng)中，實現(xiàn)了基于GNSS/CN高速公路收費車載單元的研究與設(shè)計。此車載[8-9]單元利用GPS或/和BD等系統(tǒng)獲取車輛的位置、速度等信息，通過蜂窩網(wǎng) 絡(luò)和控制中心進(jìn)行通信，將位置、速度等信息發(fā)送到控制收費中心，可在控制收費中心和車載單元上進(jìn)行地圖匹配，動態(tài)顯示車輛位置、速度等以及收費等信息。

[1] 王東柱.高速公路衛(wèi)星定位不停車收費試驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].交通信息與安全,2012,9(1):34-36.WANG Dong-zhu.,Highway toll collection experimental satellite positioning system design and implementation [J].Transport Information and Safety, 2012,9 (1):34-36.

[2] 王忠軍，基于GIS的智能高速公路管理關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院,2009.

[3] 徐志揚，施鵬飛. 基于DSRC 的ITS 電子收費系統(tǒng)研究 [J].中國公路學(xué)報,2001(4):81-84.XU Zhi-Yang,SHI Peng-fei.DSRC-based ITS Electronic Toll Collection System [J].Chinese Journal of Highway 2001(4):81-84.

[4] 成潔,呂遵明,敖雪.基于嵌入式Linux 的嵌入式GIS 的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子工程師,2006,24(3):69-71.CHENG Jie,LU Zun-ming,AO Xue.Linux embedded GIS based on embedded design and implementation [J].Electronics Engineers,2006,24(3):69-71.

[5] 江春鵬. 基于GPS/GPRS的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [D].濟(jì)南:山東大學(xué),2008.

[6] 蔡春波.基于ARM的液晶模塊測試系統(tǒng)硬件設(shè)計 [D].西安:電子科技大學(xué),2006.

[7] 馬思宇.基于達(dá)芬奇平臺的GPS與慣性輔助導(dǎo)航技術(shù)研究[D].北京: 北京交通大學(xué),2009.

[8] 韓熙瑾.一種車載通信系統(tǒng)電磁兼容性測試驗證方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(9):161-164.HAN Xi-jin.Comfirmation method of electromagnetic compatibility for vehicle-mounted communication system.[J].Modern Electronics Technique,2013(9):161-164.

[9] 李民，邱紫敬，王曉明，等.一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析[J].電子科技,2012(7):125-129.LI Min，QIU Zi-jing，WANG Xiao-ming，et al EMC analysis of a switching mode power supply for the vechicular charging system[J].Electronic Science and Technology,2012(7):125-129.