CN101783032A - 一种电子车辆收费系统及其收费方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子车辆收费系统，其中，路边站向收费区域连续地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，所述车载台的检测周期与交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。本发明可以大大降低车载台静态功率，从而确保国标中规定的电池使用5年的要求得以实现。

Description

一种电子车辆收费系统及其收费方法

技术领域

本发明涉及电子车辆收费技术，特别涉及电子车辆收费系统中降低车载台静态功率的技术。

背景技术

随着高速公路和智能交通事业的高速发展，传统的人工收费系统越来越不能满足人们对于高速公路收费快速准确节能安全的要求。新一代的电子车辆收费系统正在逐渐发展起来。它以快速准确节能安全受到人们的喜爱，并逐渐占据了市场。

在中国这种被称为ETC(Electronic Toll Collection，电子车辆收费)的系统近几年才逐渐开始被应用。2007年，国家制定了基于5.8GHzDSRC(Dedicated Short Range Communication，专用短程通信技术)系统的国家标准。随后北京、上海等地的高速公路开始逐渐推广应用。

类似的车辆自动收费系统还被应用在城市的自由流交通管理以及停车场收费等方面，其应用前景还在不断的扩大之中。

在ETC系统中，车载台(On board Unit，OBU)的低功耗设计是一个非常重要的问题，它直接关系到在电池供电的情况下，车载台可以使用多少年而不用更换电池。比如，在2007年制定的国标高速公路的ETC系统中，OBU被要求在仅仅依靠电池且不更换的情况下，连续使用5年以上。

首先请参看图1，图1是一个现有ETC系统的结构示意图，在图1中，一个ETC系统一般包括路边站(Road Side Unit，RSU)和随车装的车载台。

当汽车没有驶入RSU天线的有效覆盖区，OBU处在不做交易的情况下，其大部分电路都在休眠状态已达到省电的目的。但它的唤醒电路却是一直在工作的，这时的电流为静态电流，一般为几微安到几十微安。一般来说，OBU的唤醒电路必需随时处于工作状态，这样才能在需要交易时及时将整个装置唤醒，来完成交易。交易的时间过长或唤醒延迟，可能导致装有车载台的车辆来不及进行交易，需要减速行使才能成功完成交易，顺利通过收费站。

在收费站，对应于车载台OBU的装置叫做路边站。RSU发射唤醒信号。一般为加或不加调制的载波。当然也可以是其它频率的其它信号。OBU的唤醒电路一旦检测到唤醒信号就会让整个OBU醒来。在目前的系统中，唤醒信号一般不是连续发射的。而是发一段，停一段。比如在国标ETC系统中，唤醒信号为14KHz的方波，每次发15-17个周期，再停下来，再发，其周期为10毫秒到40毫秒。而OBU的检测电路则是连续工作的。比如，当车速为每小时90公里时，跨过10米有信号交易区的时间为400毫秒。唤醒电路做连续检测可以保证OBU有充足的时间交易。

当OBU处于工作状态时(与RSU通讯做交易时)，其工作电流可以达到50-100毫安甚至更高。假设其平均工作电流为100毫安，每次交易需要2.4秒，每天要做8此交易，则每年需要的电量是192毫安时。再假设OBU的静态电流为20微安，那每天需要的电量是0.48毫安时，一年是173毫安时，两项加起来大约是每年365毫安时，这样，一个1200毫安时的电池只能用不到4年。

目前的解决方法不外以下几种：(1)使用2400毫安时或更大容量的电池，这当然是加大了OBU的体积和成本，而且对于一些更频繁使用OBU的用户，可能最终电量还是不够；(2)使用太阳能电池板进行充电，也是增加了成本和体积，更重要的是，太阳能电池板的质量可能影响其有效工作时间，在5年内很可能要做一次替换；(3)改进OBU的电路设计，以进一步减少耗电，但能这样做的空间是很有限的，需要增加的成本可能使这些努力显的得不偿失。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种电子车辆收费系统，这种电子车辆收费系统可以降低车载台功耗，延长电池使用时间。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：路边站向收费区域连续地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，其中，车载台的检测周期与交易所需时间之和应小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

其中，车载台的检测周期是20毫秒，其中工作4毫秒，其余16毫秒休息。

本发明要解决的另一技术问题在于提供一种电子车辆收费系统，这种电子车辆收费系统可以降低车载台功耗，延长电池使用时间，同时降低路边站的功耗。其技术方案如下：

一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，所述路边站向收费区域以第一周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，所述的车载台以第二周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，所述第一周期的休息时间要小于第二周期的工作时间，或第一周期的工作时间要大于第二周期的休息时间，所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，其中，车辆驶入路边站有效信号发射范围至被唤醒所需的时间加上交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

进一步的，本发明的又一技术方案如下：

一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，所述路边站向收费区域以mL为周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，所述的车载台以nL为周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，m和n是两个互素的正整数，可以都是1，所述的两个周期在各自周期内具有固定模式，两个周期中工作时间较小者应大于车载台的唤醒电路能检测到唤醒信号所需的最小时间Q两倍；

路边站的周期从时间t0开始，车载台的周期从t1开始，0＜＝t1-t0＜mL；

当t1取t0到t0+mL之间的任意值时，寻找连续两次成功检测之间时间间隔的最大值，以此作为最坏情况下所需的检测时间；

该最坏情况下的检测时间加上交易时间小于车辆以最快的允许速度通过有信号区域所需的时间。

相较与现有技术，本发明提供的电子车辆收费技术中，车载台并不是连续检测唤醒型号，而是周期性地进行，从而节省了对车载台的电池用电，可以大大降低车载台静态功率，从而确保国标中规定的电池使用5年的要求得以实现。

附图说明

图1是一个现有ETC系统的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的示意图。

图3是本发明唤醒信号周期和检测信号周期叠加的一个实施例的示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，在本实施例中，与现有技术不同，路边站向收费区域连续地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，而反过来车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，在这里，车载台的检测周期与交易所需时间之和应小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间，以确保通过车辆无需降低车速通过收费区就能完成收费过程。

在本实施例所涉及的方法中，RSU连续地发射唤醒信号，而OBU周期性的不连续地进行检测。比如，以20毫秒为周期，OBU的唤醒电路每次工作4毫秒，其余16毫秒休息。由于每一个毫秒有14KHz方波的14个周期，4个毫秒有52个周期，应能满足检测器进行可靠的工作。这样的检测的占空比为20％，唤醒电路的电可以被省掉80％。

可能存在的问题是唤醒的延时，但这个延时不会超过20毫秒，相当于半米或更短。应该几乎感觉不出来。

沿用背景部分的计算，交易所用电量还是每年192毫安时，而静态电量却减少为原来的1/5，即35毫安时，总共为227毫安时，这样，1200毫安时的电池可以用5年以上。

从以上所述，本发明所提出的方法非常简单，只要RSU的唤醒信号能连续发射，OBU就可以做周期性不连续的检测，这样可以显著地节省OBU的待机电流。原来20微安的待机电流有可能减到2微安。对目前的ETC国标来说，这可能意味着对标准的一些小小修正。

本发明的第二实施方式涉及一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，与现有技术相同，路边站向收费区域以第一周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，这里唤醒信号虽然不连续，但是足够密，即空档的间距足够短。在本实施例中，车载台以第二周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易。这里如果RSU和OBU如果恰好周期和进入时的相位相同或者周期或相位之间存在一定对应关系，进入时处在特定的相位，使得两个周期的工作时间永远没有重合部分，则存在漏检而不能确保完成缴费的可能性，对于一个收费系统而言这是不能允许的，为了消除这种可能，我们把所述第一周期的休息时间要小于第二周期的工作时间，或第一周期的工作时间要大于第二周期的休息时间，这样第一个周期两者的工作时间就有重合部分，并且不存在极少数的工作时间无法重合的漏检情形，延时也比较短。此时，车辆驶入路边站有效信号发射范围至被唤醒所需的时间加上交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间，就能保证完成不停车不减速自动收费。按照国标由于检测信号是14KHz的方波，而路边站有效信号发射范围一般大于几十米甚至上百米，所以只要第一周期的休息时间不要特别大都能有充分时间在路边站有效信号范围内完成交易。

值得讨论的是这种RSU的唤醒信号不连续的情形，如果唤醒信号虽然不连续，但是足够密，而且空档的间距足够短，那么，我们所提议的OBU不连续的唤醒检测也是可以工作的，唤醒的延时可能会稍微加长。

请参阅图2，图2是本发明的一个实施例的示意图。本发明的上述两个实施方案可以在图2中被形象地表达出来。在图2中RSU发射连续或不连续的唤醒信号，而OBU的唤醒电路周期性地开关用小的占空比来省电。较佳地在图2的实施例中，OBU的检测周期是20毫秒，其中工作4毫秒，其余16毫秒休息。由于每一个毫秒有14KHz方波的14个周期，4个毫秒有52个周期。

对于可能采用的唤醒信号这里也作一个简单的讨论。主要考虑以下几种情形：

1.加或未加调制的载波。在国标ETC中，应该是下行的5.83GHz，或5.84GHz。作为一个特例，就是在现行的国标系统中，当RSU不发交易信息包时，都发射14KHz的方波。这样，RSU只有非常小的改动，OBU如果不用进一步节省电流，可以不用改。

2.离载波不远的单频信号，调制或未调制的，在国标ETC中，比如5.835GHz。

3.任何其它信号，只要其功能是用来被OBU上的唤醒电路检测。

同样的设计也可以用在其他的自动收费系统或其他的智能交通系统中，以达到显著地减少OBU待机电流的目的。比如，可以自动记录车辆经过路径的交通卡系统。

请参阅图3，图3是本发明唤醒信号周期和检测信号周期叠加的一个实施例的示意图。由于图2中路边站不连续发射唤醒信号的实施例，对信号密度有较高要求，特别是对检测电路来说难以获得较小的占空比以充分节电。在图3的例子中，使RSU的发射周期是mL，固定模式为头一个L时长内发射，后面的(m-1)L时间长度内不发射，假如m＝2，其结构如图3中的A周期，使OBU的接收周期为(m+1)L，固定模式与上类似，头一个L时长内接收，后面的mL时间长度内关闭，假如m＝2，其结构如图3中的B周期。RSU和OBU的公共周期为m(m+1)L，m＝2时，其为6L；假设RSU的某个周期从t0开始，OBU的相应周期从t1开始，且t1-t0为0至2L之间的任意值，(总可以找到这样的组合)，其相对结构如图3中的A周期与B周期对比部分。在一个公共周期中，发射与接收的打开时间有两次重叠的部分，两次时间长度之和为L，其中至少有一次长度大于L/2，假设L/2是OBU成功检测唤醒信号所需的周期，则最坏情况下的检测周期为6L。如果6L加上交易时间小于汽车以所允许的最快速率通过有信号区域所需的时间，则这个设计可以成功地工作，因为OBU只有1/3的时间在接收，所需静态功耗可以减小2/3。

如上所述，要求OBU和RSU的两个周期之比为分数，当然也有不是分数的情况，比如是2的平方根。但这样的设计几乎是无法进行的，所以我们在这里不作考虑。

进一步可以考虑在RSU不连续发射的情况下，通过信号模式的设计达到类似的效果的一般规律。实际上，当RSU的发射信号和OBU的接收满足某些条件，同样可以达到省电的效果。具体的要求描述如下：

(1)假设RSU的发射周期为mL，在其周期内具有固定模式；

(2)OBU的接收周期为nL，在其周期内具有固定模式；

(3)两种模式可以相同，类似，或不同；

(4)假定m和n是两个互素的正整数，可以都是1；

(5)RSU的周期从时间t0开始，OBU的周期从t1开始，0＜＝t1-t0＜mL；

(6)在最小公共周期mnL内，RSU的发射周期与OBU的接收周期至少有一次有大于Q的连续重叠时间，这里Q是OBU的唤醒电路能检测到唤醒信号所需的最小时间；

(7)当t1取t0到t0+mL之间的任意值时，寻找连续两次成功检测之间时间间隔的最大值，以此作为最坏情况下所需的检测时间；

(8)如果最坏情况下的检测时间加上交易时间小于车辆以最快的允许速度通过有信号区域所需的时间，则这是一个可行的设计；这里实际静态功耗的减少由OBU信号模型的占空比决定。

进一步地，两个周期的工作时间可以相等，如上述实施例中提到的都为L，也可以不等，但两个周期中工作时间较小者应大于车载台的唤醒电路能检测到唤醒信号所需的最小时间Q两倍。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，其特征在于：

所述路边站向收费区域连续地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，

所述的车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，

所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

所述车载台的检测周期与交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

2.根据权利要求1所述的电子车辆收费系统，其特征在于，所述的车载台的检测周期是20毫秒，其中工作4毫秒，其余16毫秒休息。

3.一种电子车辆收费方法，其特征在于：

路边站向收费区域连续地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，

车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，

车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，车载台的检测周期与交易所需时间之和应小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

4.根据权利要求3所述的电子车辆收费系统，其特征在于，所述的车载台的检测周期是20毫秒，其中工作4毫秒，其余16毫秒休息。

5.一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，其特征在于：

所述路边站向收费区域以第一周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，

所述的车载台以第二周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，

所述第一周期的休息时间要小于第二周期的工作时间，或第一周期的工作时间要大于第二周期的休息时间，

所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，车辆驶入路边站有效信号发射范围至被唤醒所需的时间加上交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

6.一种电子车辆收费方法，其特征在于：

路边站向收费区域以第一周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，

车载台以第二周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，

所述第一周期的休息时间要小于第二周期的工作时间，或第一周期的工作时间要大于第二周期的休息时间，

车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，车辆驶入路边站有效信号发射范围至被唤醒所需的时间加上交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

7.一种电子车辆收费系统的车载台，其特征在于：

所述的车载台周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，

所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，车辆驶入路边站有效信号发射范围至被唤醒所需的时间加上交易所需时间之和小于车辆以收费路段规定最高速度通过路边站有效信号发射范围的所需的时间。

8.一种电子车辆收费系统，包括车载台，路边站，其特征在于：

所述路边站向收费区域以mL为周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，所述的车载台以nL为周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，m和n是两个互素的正整数，可以都是1，所述的两个周期在各自周期内具有固定模式，两个周期中工作时间较小者应大于车载台的唤醒电路能检测到唤醒信号所需的最小时间Q两倍；

路边站的周期从时间t0开始，车载台的周期从t1开始，0＜＝t1-t0＜mL；

当t1取t0到t0+mL之间的任意值时，寻找连续两次成功检测之间时间间隔的最大值，以此作为最坏情况下所需的检测时间；

该最坏情况下的检测时间加上交易时间小于车辆以最快的允许速度通过有信号区域所需的时间。

9.一种电子车辆收费方法，其特征在于：

路边站向收费区域以mL为周期周期性地发射唤醒车载台进行收费交易的信号，所述的车载台以nL为周期周期性地检测是否接收到路边站发出的唤醒信号，所述车载台被唤醒后与路边站交互信息完成收费交易，

其中，m和n是两个互素的正整数，可以都是1，所述的两个周期在各自周期内具有固定模式，两个周期中工作时间较小者应大于车载台的唤醒电路能检测到唤醒信号所需的最小时间Q两倍；

路边站的周期从时间t0开始，车载台的周期从t1开始，0＜＝t1-t0＜mL；

当t1取t0到t0+mL之间的任意值时，寻找连续两次成功检测之间时间间隔的最大值，以此作为最坏情况下所需的检测时间；

该最坏情况下的检测时间加上交易时间小于车辆以最快的允许速度通过有信号区域所需的时间。

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