CN101071516A - 高速公路收费方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是将目前标准的IC卡收费卡和OOK/ASK/FSK调制的RF信号接收器合成在一起做成一接收装置，在高速公路的入口处，司机领取收费管理人员提交的经初始化的接收装置，在车辆行驶路径的关键点上安装无线信号发射器，在车辆行驶经过出口处时司机提交接收装置给收费管理人员，收费管理人员通过解读装置，可读出所有途经关键点的位置信息和时间信息，并计算出车辆行驶途径，从而确定收费金额。接收装置在结构上可以做成和目前的收费卡一致，并采用标准的ISO14443非接触卡输入输出接口兼容目前的收费系统，改造成本低。

Description

高速公路收费方法及系统

技术领域

本发明属于高速公路收费系统领域，具体涉及一种利用无线传输技术来实现高速公路多路径收费和资金结算系统的处理系统技术。

背景技术

随着以高速公路为框架的公路网快速建设发展，促进了车辆大幅度超前快速增加，对拉动经济发展起到了明显的促进作用。但是，路网和车辆的快速增加，在现行道路收费模式下已经出现了收费站点过多过密而引起车辆通行不畅、尾气排放加剧空气污染，同时加大了建设和运营维护成本；高速与高速相交(高接高)的枢纽型互通立交的快速通过能力由于受到设站人工收费的制约而大打折扣；甚至产生局部道路交通状况逐渐恶化，引起大范围交通拥堵。这些显然与努力加快高速公路建设的初衷不符，与运营公司为社会公众服务的形象不符。

所以，解决高速公路由于人工收费引起的高速快速通过能力问题，最好的办法是采取自动收费系统，但高速公路运营公司需要解决起点到终点的多路径情况下，车辆行驶路线的判定，此外，不同的路径分属不同的地界资金结算问题，改造现有系统的投资问题，一车一卡的商业操作问题等都是十分困难的事情。

目前类似场合解决方案基本都是采用的DSRC(Dedicated Short Range Communication)即专用短程通信技术。

主要是采用所谓开放式收费自动收费系统，采用DSRC技术对车辆进行识别，要求车辆安装射频识别电子标签(RFID TAG)，并要求“一车一卡”相互对应(即每车必须安装电子标签)，对没有安装电子标签的所谓非法车辆进行视频图像抓拍，事后追讨通行费，实施的基础是必须“一车一卡”。

“一车一卡”如果纯粹作为商业行为推广将是十分困难的，主要存在以下而且目前较难克服的问题：

1.RFID TAG价格昂贵；

2.RFID TAG在车辆上安装位置的要求比较苛刻，临时卡因为有其放置的随意性，造成车辆高速行驶时的读写可靠性大大降低，完全不能达到实际应用的要求；

3.“一车一卡”自动收费是一种预收费(卡内充值)方式，当卡内费用透支时，在管理上非常麻烦；

4.必须对现有收费系统进行革命性的改造，所有的收费卡读写设备都必须替换，造成改造成本大幅度上升；

发明内容

本发明的目的是提出一种低成本的半自动收费方式，在整个多收费点高速公路系统中，行驶车辆仅在入口处和出口处进行停车处理，并可兼容目前收费系统的解决方案。

本发明的基本思想是：利用目前的非接触收费卡上增加单向无线接收技术来实现机动车辆的行车路径判断，从而可解决目前高速公路多路径情况下车辆必须多点停车处理，或者实现一车一卡的收费问题。

如图1所示，利用目前的多收费点高速公路的收费系统，在多收费点高速公路的进口处，由收费管理员提交一接收装置(2)给驾驶员，该接收装置可接收无线信号，在车辆行驶路径的关键点上安装可发射位置和时间信息的无线信号发射器(1)，所谓关键点即为能确定车辆行驶行驶路径的点；并不断发射加密后的对应路径关键点的位置信息和时间信息数据；当车辆行驶至路径的关键点时，接收装置(2)接收到无线信号发射器(1)发出的该点的位置信息和时间信息数据，保存至接收装置(2)的存储器(3)中，在车辆行驶经过多收费点高速公路的出口处时司机提交接收装置(2)给收费管理人员，收费管理人员通过安装在出口处的解读装置(4)可读出车辆行驶所有途经关键点的位置信息和时间信息，并计算出车辆行驶途径，从而确定收费金额，完成收费管理。

目前高速公路收费卡一般使用符合ISO14443标准的非接触IC卡，其实不管使用什么类型的卡，本发明的实现方式都是一样的，就是在现有收费卡的基础上附加RF信号接收器。

无线信号发射器(1)将已编码位置及时间信息的数据经功率放大器调制在UHF指定频率或其他指定的频率，交由天线发射，可采用ASK、FSK或OOK调制方式。ASK是振幅变换调制，FSK是频率变换调制，OOK是键控通断调制。放在车上的接收装置(2)的天线接收到的信号经RF模拟前端的LAN放大、LPF滤波、ASK或FSK OOK解调，取出的数据将之存储在标准的非接触卡的存储器中，经出口的解读装置处理还原出位置信息和时间信息，并计算出车辆的行驶途径，从而确定收费金额，完成收费管理。

本发明的多收费点高速公路的半自动收费方法，其特征是，在车辆行驶路径的关键点上安装可发射位置和时间信息的无线信号发射器(1)，在行驶车辆上放置可接收无线信号发射器(1)发射信号的接收装置(2)；无线信号发射器(1)不断发射加密后的对应路径关键点的位置信息和时间信息数据；在多收费点高速公路的入口处，司机领取收费管理人员提交的经初始化的接收装置(2)，当车辆行驶至路径的关键点时，接收装置(2)接收到无线信号发射器(1)发出的该点的位置信息和时间信息数据，保存至接收装置(2)中的存储器(3)中，在车辆行驶经过多收费点高速公路的出口处时司机提交接收装置(2)给收费管理人员，收费管理人员通过解读装置(4)可读出所有途经的位置信息和时间信息，并计算出车辆行驶途径，从而确定收费金额。

根据多收费点高速公路的半自动收费方法实现的收费系统，其特征是，该系统包括无线信号发射器(1)、接收装置(2)及解读装置(4)，所述的无线信号发射器(1)安装在车辆行驶路径的关键点上，所述的接收装置(2)放置在行驶的车辆上，所述的解读装置(4)安装在出口收费处。

所述的无线信号发射器(1)工作原理如图9所示，包括：位置及时间信息数据产生电路(13)、脉冲编码电路(14)、调制电路(15)、功率放大电路(16)、计算机接口电路(17)及天线(18)，采用调频或调幅的方式完成无线信号的发射，其发射的位置信息和时间信息数据采用脉冲编码调制方式实现向接收装置(2)传输数据。其中个人计算机(12)主要是通过计算机接口电路(17)实现对无线信号发射器(1)工作状态的设置，包括位置及时间信息数据的设置和变更以及位置及时间信息数据的加密，不参与无线信号发射器(1)的实时工作。

所述的接收装置(2)包括：存储器(3)、微控制器及其周边电路(5)、无线接收装置(6)、数据输入输出装置(7)、电源电路(8)。所述的数据输入输出装置(7)可采用符合国际标准的非接触IC卡无线耦合传输方式实现信息数据的传输。

所述的接收装置(2)也可采用如下方式实现，包括：符合国际标准的带微控制器的非接触IC卡(9)、数据接口电路(10)、无线接收装置(6)、电源电路(8)。

所述的无线接收装置(6)为调频或调幅无线信号的接收、放大及解调电路，可采用标准的单片超外差式UHF接收电路解决方案。

所述的无线信号发射器(1)还可包括移动通信接收及处理模块，通过移动通信网络例如GMS、CDMA、GPS实现对无线信号发射器(1)的自动校时，实时改变加密密钥和算法。

所述的解读装置(4)包括：微控制器及其周边电路(5)、非接触IC卡读写装置(11)及个人计算机(12)、电源电路(8)。

附图说明

图1为高速公路收费系统示意图，

图2为接收装置原理框图，

图3为带微控制器的非接触IC卡的接收装置原理框图，

图4为带微控制器的非接触IC卡的接收装置电原理图，

图5标准单片微控制器的程序工作流程图，

图6标准IC卡内部的程序工作流程图，

图7为解读装置原理框图，

图8解读装置个人计算机程序工作流程图

图9为无线信号发射器工作原理框图。

附图标号：

1为无线信号发射器，

2为接收装置，

3为存储器，

4为解读装置，

5为微控制器及其周边电路，

6为无线接收装置，

7为数据输入输出装置，

8为电源电路，

9为双界面非接触IC卡，

10为数据接口电路，

11为非接触IC卡读写装置，

12为个人计算机，

13为位置及时间信息数据产生电路，

14为脉冲编码电路，

15为调制电路，

16为功率放大电路，

17为计算机接口电路，

18为无线信号发射器的天线，

19为初始上电及复位，

20为读来自MICRF008 DO口数据，

21为检查DO数据有效否，

22为复位双界面卡，

23为CLKENA置有效，

24发送数据至双界面卡，

25为成功否，

26为延时，

27为读接触口和非接触口数据，

28为非接触口数据合法，

29为相互认证，

30为合法否，

31为读写及传输操作，

32为操作结束否，

33为接触口数据有效否，

34为写数据到EEPROM，

35为询卡，

36为是合法的卡否，

37为读取卡内相关数据，

38为解密操作还原数据，

39为计算车辆行驶途径，

40表示途径合法，

41为确定收费金额，

42为非法状况处理。

具体实施方式

本发明的实施方式通过分别对无线信号发射器(1)、接收装置(2)、解读装置(4)的描述完成。

无线信号发射器(1)工作原理如图9所示，主要包括：功率放大电路(16)、调制电路(15)、脉冲编码电路(14)、位置及时间信息数据产生电路(13)及计算机接口电路(17)。其中个人计算机(12)主要是通过计算机接口电路(17)实现对无线信号发射器(1)工作状态的设置，包括位置及时间信息数据的设置和变更以及位置及时间信息数据的加密，不参与无线信号发射器(1)的实时工作。

位置及时间信息数据电路(13)实际为一数据寄存器，接受来自个人计算机(12)的设置数据，并传输给脉冲编码电路(14)产生一约定编码格式的位置及时间信息数据，经过调制电路(15)调制后，通过功率放大电路(16)由天线(18)发射信号。

本实施例中，数据编码可采用如下格式：用4个字节“ABCD”表示全部位置及时间信息，其中AB表示位置信息，CD表示时间信息，位置数据两个字节可表示65536个不同的位置，时间数据用二个字节表示65535个时间单位，这里1个时间单位表示2s，0表示零点，例如43199表示23点59分58秒，位置及时间信息数据的的加密可采用标准的DES算法，采用OOK调制方式，OOK调制是键控通断调制，无线信号发射频率固定，如433.92兆。

接收装置(2)的工作原理如图2所示，主要包括：微控制器及其周边电路(5)、存储器(3)、无线接收装置(6)、数据输出输入装置(7)及电源电路(8)。

微控制器及其周边电路(5)、存储器(3)可采用标准的双界面IC卡芯片(P8RF6008)，该双界面IC卡芯片内包括了微控制器及其周边电路(5)、存储器(3)和对应的输出输入装置(7)。

因此，本实施例的实际基本工作原理如图3所示，其中，数据接口电路(10)主要完成将来自无线接收装置(6)的输出数据转换成双界面IC卡芯片可以接受的信号形式并通过符合IS07816标准的接触接口传输给双界面IC卡芯片。

本实施例中双界面IC卡芯片采用标准的P8RF6008电路，数据接口电路(10)采用标准的单片微控制器电路12F683实现。

无线接收装置(6)主要为一调频或调幅无线信号的接收、放大及解调电路，本实施例中采用标准的超外差式UHF接收电路MICRF008，接收频率固定，如433.92兆。

本实施例中接收装置(2)的电原理图如图4所示。

其中，U2/MICRF008为标准的单片超外差式UHF接收电路，L1、C1、C2、C4为MICRF008标准的周边电路，Y1为其所需的晶振，C6为电源滤波电容。

U1/12F683为一标准的单片微控制器电路，接受来自标准的单片超外差式UHF接收电路U2/MICRF008的输出数据。

U1/12F683将接受到的数据转换成双界面IC卡芯片电路U5/P8RF6008可以接受的数据格式，L2为非接触IC卡U5/P8RF6008的感应天线。

U3、U4、R1、R2、C7及Y2构成了接收装置(2)的时钟电路的产生和控制，其中Y2为晶振。

BT1为电池，C3、C5为电源滤波电容。

本实施例中收费系统的工作流程是：

安装在高速公路关键路径的无线信号发射器(1)不断发出对应关键路径点的位置及时间信息数据。

行驶车辆中的接收装置(2)中的单片超外差式UHF接收电路U2/MICRF008将收到的由无线信号发射器(1)发出的位置及时间信息数据首先送到U1/12F683，单片微控制器电路U1/12F683将收到的数据转换成规定格式并通过ISO7816标准的接触接口送给双界面IC卡芯片U5/P8RF6008，双界面IC卡芯片U5/P8RF6008将数据保存在其内部存储器中。

在高速公路的出口处，收费管理人员通过解读装置(4)的符合ISO14443B标准的非接触接口可读出保存在双界面IC卡芯片U5/P8RF6008内部存储器中的所有数据。

其中，接收装置中标准单片控制器的程序工作流程如图5所示。

其工作过程是：电路在完成初始上电复位后(19)，MCU不断检测MICRF008 DO管脚的数据(20)，当有数据进入即确认其数据的有效性(21)，当确认其数据有效即复位双界面卡(22)，并置CLKENA有效(23)，将clk信号输入双界面卡，然后将接收的数据发送到双界面卡，写入其相应的EEPROM中(24)。通过标准的非接触IC卡的读写检验程序，检查数据是否写入成功(25)，如写入失败，则重试；如成功则延迟一段时间(26)例如3~5秒后重新回到检测DO数据的程序。延迟一段时间的目的是防止写入重复相同数据，该功能也可通过在检测数据时判断该数据是否为前一已写入数据来达到。

接收装置中标准IC卡内部的程序工作流程如图6所示。

其工作过程是：电路在完成初始上电复位后(19)，首先检测接触接口和非接触接口的数据(27)，当接触口收到位置和时间信息数据时并判断为有效时(33)，将其写到指定的EEPROM(34)，通过标准的非接触IC卡的读写检验程序，检查数据是否写入成功(25)，如写入失败，则重试；如成功则返回到检测接触接口和非接触接口的数据程序；当检测到非接触口有数据操作请求时，经判断数据有效后(28)，进行相互认证(29)，确认解读装置的合法身份(30)，然后开始读写及传输操作(31)。操作结束返回到检测接触接口和非接触接口数据程序(32)。

本实施例中解读装置(4)的工作原理图如图7所示，主要包括：微控制器及其周边电路(5)、非接触IC卡读写装置(11)及个人计算机(12)。

其中，非接触IC卡读写装置(11)读出接收装置中保存在非接触IC卡U5/P8RF6008中的数据，该数据被传输到微控制器及其周边电路(5)，并被送到个人计算机(12)。

微控制器及其周边电路(5)主要完成非接触IC卡读写装置(11)与个人计算机(12)之间的数据传输，解读装置中个人计算机(12)的程序工作流程如图8所示。

其工作过程是：解读装置电路在完成初始上电复位后(19)，首先进入询卡状态(35)，并检测有无合法的卡进入操作范围(36)，如有，则读取卡内相关数据(37)，并对数据进行解密操作还原数据信息(38)，然后计算出车辆的行驶途径(39)，确定收费金额(41)，并结合相关的时间信息可判断车辆行驶途径的合法性(40)，通过时间信息和位置信息的综合分析还可判断数据是否经人为的破坏，从而保证系统的安全性。当发现行驶途径不具合法性或有其他非正常情况，则进入非法状况处理程序(42)。

本发明的实施方式也可以采用专用集成电路(ASIC)设计，将接收装置(2)所需电路集成到单片电路上，成本会大幅度的下降，适合做大范围的推广应用。

本发明的关键点在于将目前标准的IC卡收费卡和OOK/ASK/FSK调制的RF信号接收器合成在一起，结构上可以做成和目前的收费卡一致，并和目前的收费系统兼容。RF接收器接收位置和时间信号，标准的ISO14443非接触卡输入输出接口兼容目前的收费系统，改造成本低。

本发明和DSRC方案不同的是位置及时间信息只需单向传输，发射的信号为广播信息且数据量少、数据传输速率要求不高，所以不存在信息通道的容量问题，因此，接收器接收的可靠性高；同时，和多少车辆同时经过也没有关系，并且对收费卡的放置点没有苛刻的要求，只要不被如工具箱之类的金属外壳屏蔽，一般来说信号接收都没有问题；路径信息发射器制造成本和维护成本低廉；信息发射器可自动较时，对时间信息和位置信息混合加密，加密密钥和算法可实时改变，出口处可根据经过各个点的时间信息来判断路径信息是否受到恶意破坏数据安全性高，可防止恶性的篡改。

Claims (8)

1.一种实现多收费点高速公路的半自动收费方法，其特征是，在车辆行驶路径的关键点上安装可发射位置和时间信息的无线信号发射器(1)，所谓关键点即为能确定车辆行驶路径的点；在行驶车辆上放置可接收无线信号发射器(1)发射信号的接收装置(2)；无线信号发射器(1)不断发射加密后的对应路径关键点的位置信息和时间信息数据，在多收费点高速公路的入口处，司机领取收费管理人员提交的经初始化的接收装置(2)，当车辆行驶至路径的关键点时，接收装置(2)接收到无线信号发射器(1)发出的该点位置信息和时间信息数据，保存至接收装置(2)中的存储器(3)中，在车辆行驶经过多收费点高速公路的出口处时司机提交接收装置(2)给收费管理人员，收费管理人员通过解读装置(4)可读出所有途经关键点的位置信息和时间信息，并计算出车辆行驶途径，从而确定收费金额。

2.一种实现多收费点高速公路的收费系统，其特征是，该系统包括无线信号发射器(1)、接收装置(2)及解读装置(4)，所述的无线信号发射器(1)安装在车辆行驶路径的关键点上，所述的接收装置(2)放置在行驶的车辆上，所述的解读装置(4)安装在出口收费处。

3.根据权利要求1、2所述的多收费点高速公路的收费方法及系统，其特征是，所述的无线信号发射器(1)包括：位置及时间信息数据产生电路(13)、脉冲编码电路(14)、调制电路(15)、功率放大电路(16)、计算机接口电路(17)及天线(18)，采用调频或调幅的方式完成无线信号的发射，其发射的位置信息和时间信息数据采用脉冲编码调制方式实现向接收装置(2)传输数据。

4.根据权利要求1、2所述的多收费点高速公路的收费系统，其特征是，所述的接收装置(2)包括：存储器(3)、微控制器及其周边电路(5)、无线接收装置(6)、数据输入输出装置(7)、电源电路(8)。

5.根据权利要求4所述的多收费点高速公路的收费系统，其特征是，所述的数据输入输出装置(7)可采用符合国际标准的非接触IC卡无线耦合传输方式实现信息数据的传输。

6.根据权利要求1、2所述的多收费点高速公路的收费系统，其特征是，所述的接收装置(2)包括：符合国际标准的带微控制器的非接触IC卡(9)、数据接口电路(10)、无线接收装置(6)、电源电路(8)。

7.根据权利要求4、6所述的多收费点高速公路的收费系统，其特征是，所述的无线接收装置(6)为标准调频或调幅无线信号的接收、放大及解调电路，可采用标准的单片超外差式UHF接收电路解决方案。

8.根据权利要求1、2所述的多收费点高速公路的收费方法及系统，其特征是，无线信号发射器(1)还可包括移动通信接收及处理模块，通过移动通信网络例如GMS、CDMA、GPS实现对无线信号发射器(1)的自动校时，实时改变加密密钥和算法。

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