基于LBS基站定位二義性路徑識(shí)別系統(tǒng)分析

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)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(wèn)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(wèn)題也越來(lái)越 突出［1］。為了解決二義性路徑識(shí)別問(wèn)題，目前通常采用 ETC電子標(biāo)簽識(shí)別、RFID復(fù)合通行卡識(shí)別和車牌識(shí)別 三種方法，前兩者無(wú)外乎都是通行卡（ETC為車載設(shè)備 OBU）通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)接收來(lái)自路面標(biāo)識(shí)站的標(biāo)識(shí) 信息，后一種的車牌識(shí)別方法則通過(guò)路面上的高速攝像 機(jī)識(shí)別車輛的牌照，了解車輛具體經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)別技術(shù)介紹

1.1 車牌識(shí)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(duì)行 駛的每一車輛進(jìn)行抓拍并識(shí)別車牌，了解哪些車輛經(jīng)過(guò) 了該路段，從而判斷車輛的行駛路徑，二義性路徑問(wèn)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(shí)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(shí)別率更低，導(dǎo)致路徑識(shí)別率也不高。

1.2 ETC電子標(biāo)簽和RFID復(fù)合通行

卡識(shí)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(guò)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(dòng)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(guò)程。

高速公路RFID復(fù)合通行卡在普通IC卡中增加射頻 識(shí)別單元，RFID射頻識(shí)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(duì)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(guò)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(shí) 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(shí)站，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)短距離無(wú)線通信技術(shù)將 路徑標(biāo)識(shí)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(guò)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(guó)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(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越成熟，即使車輛高 速行駛情況下路面標(biāo)識(shí)站依然能準(zhǔn)確的將路徑標(biāo)識(shí)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(shí)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(lái)接收路面標(biāo)識(shí)站廣播發(fā)出 的標(biāo)識(shí)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(shí)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(huì)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(shí)別原理是通過(guò)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(wèn)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(shí)別法相比較，不需 要安裝路面標(biāo)識(shí)站，減少了系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)也免去 路面標(biāo)識(shí)站后期的維護(hù)費(fèi)用。

缺點(diǎn)：對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的依賴較強(qiáng)，要至少捕捉到三顆 衛(wèi)星信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)有效定位，車內(nèi)、陰雨天氣衛(wèi)星信號(hào) 較弱的時(shí)候比較難定位，信號(hào)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(duì)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(shí)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(dòng)通信的用戶，通 過(guò)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（如GSM、CDMA 網(wǎng)）獲取移動(dòng)終端用戶位置信息，在GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)平臺(tái)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(dòng)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(kāi) 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(dòng)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(hào)（LAC和Cell ID），收費(fèi)軟件通 過(guò)基站號(hào)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(shí)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(wú) 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(kāi)GSM模塊，通過(guò)串口接收基站信息，并通過(guò)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(wú)線 充電的感應(yīng)線圈，可以通過(guò)對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)收費(fèi)軟件運(yùn)算、判斷、比 對(duì)，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(duì)通行卡進(jìn)行充電，具體的軟件 流程圖見(jiàn)圖2，圖中的GPC為GSM路徑識(shí)別通行卡的英 文縮寫（GSM pass card）。

為符合交通部制定的《全國(guó)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(guò)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(cè)

為了測(cè)試通行卡對(duì)路徑識(shí)別的效果，模擬通行卡在 高速公路收費(fèi)中的全過(guò)程。具體操作是，將通行卡通 過(guò)讀寫器激活放入車中，沿高速公路行駛一段路程后， 再通過(guò)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(yǔ)

基于LBS移動(dòng)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(wú)法精確識(shí)別的問(wèn)題， 對(duì)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(wú)需新建標(biāo)識(shí)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(shí)別的應(yīng)用 設(shè)計(jì)［J］。電子設(shè)計(jì)工程。 2009，17（8）：15-17.