基于衛星定位的新型高速公路通行卡結構設計及原理?

桂嵐，黃炎，譚峰

（1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004；2.湖南省高速公路管理局監控中心，湖南長沙 410001）

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基于衛星定位的新型高速公路通行卡
結構設計及原理?

桂嵐1，黃炎1，譚峰2

（1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004；2.湖南省高速公路管理局監控中心，湖南長沙 410001）

摘要：高速公路的發展給人們的出行帶來了快捷和方便，但也帶來了與收費相關的一系列問題，如停車收費造成的入口堵塞、按最短路徑收費造成的分配不均等。文中提出將衛星定位技術引入高速公路復合式通行卡的方案，首先對新通行卡的結構進行設計，其次對適用于高速公路車輛行駛路徑的識別算法及通行卡的關鍵設備選型進行研究。運用該通行卡實現對車輛行駛軌跡的跟蹤與記錄，解決按實際路徑收費的問題。

關鍵詞：高速公路；通行卡；衛星定位技術；路徑識別

隨著中國高速公路的全面發展，高速公路網變得密而龐大。行車路線也開始不僅局限于一種方式，而是有多條路線可選，由此產生了高速公路行駛路徑多義性的問題，需對車輛行駛路徑進行跟蹤和識別加以解決。解決方式主要有兩種：一種是通過技術手段在行車和收費的過程中精確識別車輛行駛路徑，解決收費和拆分的問題，如射頻復合式卡。這種方式是通過對高速公路收費使用的通行卡進行技術創新改造，再在高速公路交叉口建立射頻信號發射站，通過記錄車輛經過的交叉口來判定其實際行駛路徑。另一種方式是直接以起、終點之間的最短路徑收費，通過相應的路徑選擇分配方式對車輛的通行費進行拆分。這種方式為目前的主流方式，全國29個省市區建立的電子不停車收費系統ETC專用車道采用的就是這種計費方式?？偠灾?，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有技術條件的制約和高速公路聯網收費運營管理模式的限制，使高速公路收費管理的成本效益較低。針對以上問題，該文將基于衛星定位的路徑識別技術引入高速公路通行卡。

1　通行卡工作狀態模擬

基于衛星定位路徑識別技術的高速公路通行卡的結構如圖1所示，所包含的主要電子器件有雙界面CPU卡、充電鋰電池、衛星定位模塊、CPU模塊和充電線圈。

圖1　基于衛星定位路徑識別技術的高速公路通行卡結構示意圖

車輛在進入高速公路收費站入口時，通過自助發卡或人工發卡的方式得到一張記錄了車輛信息的通行卡，這張卡在休眠狀態下通過貼近于非接觸式IC卡讀寫器時，磁場感應器將磁信號轉換成電信號，激活卡內的CPU模塊后，通行卡開啟工作模式，CPU模塊控制雙界面CPU卡將車輛信息寫入存儲器中。通行卡內的信息主要有車牌號、車型大小、入口坐標、入口地點名稱和發卡時間等，這些信息將作為車輛行駛路徑的起點信息。車輛在高速公路上進入正常行駛狀態時，CPU模塊會定時開啟與切斷充電鋰電池與雙界面CPU卡及衛星定位模塊之間的電流，使新卡保持在低能耗狀態，以確保其工作時間。在切斷電源期間，通行卡保持休眠狀態，而在電源開啟期間，衛星定位模塊進入工作狀態，獲取當前的車輛地理定位信息（經緯度），并將該信息記錄在雙界面CPU卡的存儲器中。完成一次定位信息記錄后，通行卡立即進入下一輪的休眠狀態。休眠時間依據高速公路網的最短邊長里程與高速公路最快設計速度120 km/h得到，一般情況下不小于5 min，休眠時間一到重啟電源進入新一輪的工作狀態。如此循環，直到進入高速公路出口收費站，收費員將卡貼近于非接觸式IC卡讀寫器上，磁場感應器再次激活CPU模塊，令其控制雙界面CPU卡，使讀寫器可讀取其存儲器中記錄的入口信息和車輛地理定位信息（經緯度），經后臺收費軟件與高速公路地圖相匹配后得出車輛的最終行駛路徑。后臺收費軟件根據路徑信息收取相應路費，并根據駛過的高速公路所屬投資主體不同進行路費拆分。通行卡被收入后，進入休眠狀態，并對其進行無線充電。

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，需確定車輛通過的高速公路路段。綜合高速公路路段長、互通轉向角大、路網間距較大的特點，選用直接投影算法判斷車輛行駛路徑。投影法原理是將車輛當前行駛的定位數據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坐標匹配到車輛當前位置，以判斷該路段為車輛所行駛路段。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點分別向L1和L2做投影，得到當前位置與路段間的投影距離ri及車輛行駛方向與道路間的夾角θi，以符合這兩項值小于閾值為條件的所有路段為預選路段，從中分別計算預選路段距離度量值λi：

計算出所有預選路段的距離度量值，選擇其中最小值的路段作為車輛當前的行駛路段。

直接投影法的特點主要在于過程簡便、計算迅速及占用內存小，在車輛通過收費站時能實時結算，滿足實用要求，且車輛在行駛方向上的徑向分量可用于提高車輛路徑識別的精度。

基于投影法的路徑匹配算法流程（見圖3）為：1）收集衛星定位數據。將衛星定位接收器收到的衛星信號讀取至后臺收費系統，這些信息主要有時間、經緯度、高度、速度、方向等。2）判斷定位數據是否有效，若無效，則根據歷史定位數據進行推測。3）判斷定位數據是否處于停止狀態，若是，則保留一次有效數據，剔除重復定位數據。4）如果在一定閾值內搜索道路數＜1，表明定位數據誤差太大，則根據歷史定位數據進行推測。5）如果在一定閾值內搜索的道路數=1，表明車輛在道路上，直接投影，把該道路作為車輛行駛的當前道路。6）如果在一定閾值內搜索到的道路數＞1，表明附近有多條預選路段，計算預選道路距離度量值，選出當前行駛路段。7）匹配結束。

圖3　投影地圖匹配的算法流程

3　新卡關鍵設備選型

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，循環壽命長，自耗電低，且能經受過充、過放、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，必須在電路設計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感應器，使通行卡在大部分時間內處于休眠狀態。通行卡在休眠狀態下的整體功耗小于300μA。通行卡在發出前及回收后均處于低功耗的休眠狀態，通行卡發出后跟隨車輛在高速公路上行駛的過程中，沒有必要全程啟動衛星定位檢測記錄地理位置信息，程序每7～8 min喚醒工作一次，每次工作時間不超過500 ms，其余時間均處于休眠狀態，這樣充一次電可維持車輛在高速公路行駛時通行卡工作所需時間。

3.2衛星定位模塊

衛星定位技術能提供全天候的定位、授時、測速功能，已被廣泛應用于航空、航天、航海、測量和勘探等領域。隨著數字大規模集成電路的發展，其尺寸愈來愈小，而人們對于定位功能的需求也愈來愈大，電子技術開發商們適時地將衛星定位技術嵌入日常生活所用的移動終端與電子產品中。衛星定位技術的優劣很大程度上取決于芯片技術的好壞，衛星定位產品未來的發展方向與技術指標也直接受到衛星定位芯片技術發展的影響。在目前的芯片市場上，占主要份額的除中國北斗芯片外，還有幾家國外大型生產廠商（包括Sirf、Garmin、U-blox、摩托羅拉、索尼、nxp等）的產品，其中瑞士U-blox公司的衛星定位芯片在歐洲主攻車載定位系統市場，也是U-blox的傳統優勢市場，奔馳、寶馬、法拉利、保時捷、奧迪、富豪等豪華車大都采用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衛星接收器IC、SAW濾波器、LNA、TCXO、RTC、被動元件及預先調校的GNSS晶片天線，只需提供電源，便可立即擁有單機式的全球定位功能。CAM-M8Q表面粘著模組結合了低功耗、高靈敏度、優異抗干擾性及支援同步GNSS運作（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，可在全球任何一個角落提供可靠與精準的衛星定位信息。因此，新型高速公路通行卡選用CAM-M8Q模塊作為衛星定位模塊。

3.3雙界面CPU卡

目前，中國高速公路人工收費車道均使用非接觸式IC卡作為通行卡。非接觸式IC卡是非接觸式邏輯加密卡，它遵循標準協議ISO 14443A，存儲容量為8 kb，有16個分區，每個分區2組密碼，工作頻率為13.56 MHz。ETC車道車載OBU里用的是雙界面CPU卡。雙界面CPU卡是一種同時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CPU進行控制，接觸模式和非接觸模式自動選擇。它一方面具備接觸式CPU卡的功能，具有安全性高、數據傳輸穩定、存儲容量大等特點；另一方面具備非接觸式CPU卡的功能，具有傳輸速度快、交易時間短（一般不超過100 ms）等特點，同時支持ISO/IEC 7816和ISO/ IEC 14443技術標準，符合《中國金融集成電路IC卡規范》。

基于衛星定位路徑識別技術的高速公路通行卡既要接收衛星定位模塊采集的地理信息坐標，又要兼容收費崗亭原有的非接觸式IC卡讀寫器，故采用雙界面CPU卡。其接觸部分符合ISO 7816和《中國金融集成電路IC卡規范》的要求，非接觸部分符合ISO 14443規范中TYPE A類標準。這樣高速公路收費系統原有的非接觸式IC卡讀寫器無須更換，收費系統的認證機制也無須修改，新的通行卡與現有系統高度兼容。

4　結語

車輛行駛路徑的精確識別與路費拆分問題是隨著高速公路聯網收費的升級而面臨的新問題。該文提出以衛星定位為技術核心的高速公路通行卡設計方案，力圖實現車輛在高速公路上行駛路徑的精確識別，在技術上不僅具有可行性，在經濟上也具有合理性。

方案在實施過程中所涉及到的關鍵技術與難點都以不同的方式廣泛應用于各個領域，希望這些新的應用方式與思路能為提高高速公路聯網收費的整體效益起到促進作用。

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式中：ωr和ωθ分別為距離和方向夾角的權值。

中圖分類號：U495

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0262-03

基金項目：?湖南省交通科技項目（201346）

收稿日期：2015-11-26