LBS基站定位在高速公路二義性路徑識別的應用

作者：黃濤，陳廣輝時間：2020-03-03 來源：電子產品世界

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黃? 濤，陳廣輝（江西方興科技有限公司，江西?南昌?330025）

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202003/410495.htm

摘? 要：在全國聯網收費的情況下，隨著高速公路不斷建設，路網越來越復雜，二義性路徑問題已經成為高速公路聯網收費普遍性存在的問題。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，分別描述它們的優缺點，為高速公路二義性路徑識別提供一種可行的方案。

關鍵詞：雙界面CPU卡；路徑識別；通行卡

0 引言

近年來，隨著我國高速公路建設的快速發展，大量路網連接造成多路徑問題，也就是車輛從路網內的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，二義性路徑路環不斷增多，導致車輛通行費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電子標簽識別、RFID復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為車載設備 OBU）通過無線通信技術接收來自路面標識站的標識信息，后一種的車牌識別方法則通過路面上的高速攝像機識別車輛的牌照，了解車輛具體經過哪些路段，從而判斷車輛的行駛路徑，這三種方法最大的特點就是都必須在高速公路關鍵點安裝路面標識站或車牌抓拍系統。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識站，每間隔一段時間實時定位車輛行駛位置，從而真實的反應車輛行駛路徑。

1 目前各種二義性路徑識別技術介紹

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定的依據。居于車牌具有“唯一性” 這一顯著特點，在高速公路關鍵點安裝高速攝像機對行駛的每一車輛進行抓拍并識別車牌，了解哪些車輛經過了該路段，從而判斷車輛的行駛路徑，二義性路徑問題則得到了解決。優點：只需在高速公路關鍵點安裝車牌抓拍系統，通行卡不需要更改，系統投入最低。缺點：由于車牌識別系統技術的原因，準確率不可能達到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，導致路徑識別率也不高。

1.2 ETC電子標簽和RFID復合通行

卡識別法 ETC全稱為電子收費系統（Electronic Toll Collection System）的英文縮寫，通過設置在高速公路收費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，在不需要司機停車和收費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扣除等一些列收費處理過程。

高速公路RFID復合通行卡在普通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卡跟傳統通行卡功能一樣，主要記錄收費相關的數據，兩者工作相對獨立。在車輛出高速公路刷卡繳費時，二義性路徑數據和收費數據通過讀卡器同時讀取。

ETC電子標簽和RFID復合通行卡在二義性路徑識別本質的原理是一樣的，都是在高速公路關鍵點安裝路面標識站,當車輛經過時，通過短距離無線通信技術將路徑標識信息寫入自由流車輛內的車載單元（ETC電子標簽或復合通行卡），只不過兩者的技術標準不一樣， ETC電子標簽采用道路收費領域國際通用和干擾源較少的5.8G Hz頻段，而RFID復合通行卡一般采用繞射能力強和傳輸距離更遠的433M Hz頻段。

優點：隨著無線通信技術越來越成熟，即使車輛高速行駛情況下路面標識站依然能準確的將路徑標識信息寫入車載單元，表示準確率高，可以實現精確收費。另外，采用該識別技術的車載單元在高速公路上行駛大部分時間都處于功耗極低（幾個微安以內）的休眠模式，一般每間隔1 s激活5 ms，用來接收路面標識站廣播發出的標識信息，所以該技術具有功耗低的優點，復合通行卡的內置電池一般可以使用3～5年。

缺點：需要在高速公路關鍵點安裝路面標識站，增加系統建設的投入成本，相應的維護成本也會增加。

1.3 GPS定位法

GPS是全球定位系統（Global Positioning System）的英文縮寫，利用全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星提供全天候、高精度、連續和實時的三維（經度、維度和海拔）立體定位。其路徑識別原理是通過通行卡內置的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。

優點：GPS定位具有精度高的優點，定位精度可達2.5米，能準確反映車輛具體在哪條高速公路上行駛，與ETC電子標簽和RFID復合通行卡識別法相比較，不需要安裝路面標識站，減少了系統建設費用，同時也免去路面標識站后期的維護費用。

缺點：對衛星信號的依賴較強，要至少捕捉到三顆衛星信號才能實現有效定位，車內、陰雨天氣衛星信號較弱的時候比較難定位，信號盲區較多。另外GPS模塊工作時功耗較大，電池電量消耗很快，需要對通行卡經常充電，使用不方便。

2 LBS基站定位二義性路徑識別系統

LBS基站定位是基于位置服務（Location Based Service）的英文縮寫，一般應用于移動通信的用戶，通過移動通信運營商的無線通信網絡（如GSM、CDMA 網）獲取移動終端用戶位置信息，在GIS（Geographic Information System）地理信息系統平臺的支持下，為用于提供基于位置服務的一種業務。

在高速公路通行卡中嵌入GSM移動通信模塊，當車輛在高速公路行駛時通行卡每間隔一段時間定時打開 GSM模塊并接收途經基站數據，將接收到的基站區域碼（LAC）和移動基站碼（Cell ID）保存在雙界面CPU卡 內。出站時，收費站讀卡器讀取通行卡內保存的入口信息、出口信息和基站號（LAC和Cell ID），收費軟件通過基站號判斷車輛實際行駛路徑，算出該車輛實際通行費金額。

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、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，平時處于休眠狀態，車輛進站取卡時讀寫器將入口信息寫入通行卡，同時激活通行卡，單片機每間隔一段時間打開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線圈，可以通過對高速公路入口處的發卡機進行改造，在通行卡裝入發卡機的卡夾內及時對通行卡進行充電。

3 通行卡軟件設計

通行卡平時處于休眠狀態，在收費站入口通過讀寫器非接觸寫卡時產生的電磁波喚醒通行卡，通行卡進入激活狀態，激活后通行卡每間隔一段時間采集一次GSM 基站的ID和通行卡內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部的雙界面CPU卡芯片中，每次采集完一次數據后通行卡進入低功耗狀態，以節省電池消耗量。在收費站出口時，收費系統通過讀卡器讀取通行卡內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，通過收費軟件運算、判斷、比對，確定行駛路徑并計算收費金額，然后將通行卡置休眠狀態。此外，通行卡在入口和出口收費站進行讀寫數據時收費軟件都將讀取通行卡的電量信息，當剩余電量不足時提醒收費員及時對通行卡進行充電，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聯網用戶卡、ESAM文件結構和數據定義》的規定，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卡的接觸式接點保存到雙界面CPU卡內的0009 文件內，該文件大小為512字節，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保存的沿途基站信息，然后將每個基站的位置標注在地圖上，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。