CN103065369B - 一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子不停车收费系统，特别公开了一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统。本发明通过在ETC车道布设激光雷达代替光栅和电磁感应线圈用于计重车辆的分离，同时激光雷达判别车辆行驶方向，实时跟踪ETC车道内车辆，在车辆进入ETC车道时预先判断车辆长度，引导超长车辆转入MTC车道缴费；同时布置2条石英晶体传感器用于车辆轴组测量，在车辆以较快速度从ETC车道通过时仍可保持计重的准确性。本发明结构紧凑、设计合理，适用范围广、检测准确，具有可对超长货车进行预警，可判断跳磅等作弊手段等功能。

Description

一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统

（一）技术领域

本发明涉及电子不停车收费系统，特别涉及一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统。

（二）背景技术

电子不停车收费（ETC）目前已在国内得到广泛推广，但目前已运营的ETC车道都只支持车型计费，而国内多数公路都对货运车辆实施计重收费，多数货运车辆无法感受ETC车道的便利；另外在一些货车较多的收费站，在拥堵时段排队等待缴费的车辆会造成安装有电子标签的客车无法转入ETC专用车道，同样会造成收费效率降低。目前国内已有一些关于电子不停车计重收费的研究，包括车道布局、动态计重传感器的选择和布局等方面的研究。本方案在以上研究的基础上，通过使用激光雷达设备提高车辆分离的准确度，保证在已计重车辆转出或者有其他车辆插入到ETC车道时的计重顺序正确，并预测车辆在本车道是否可以完成动态计重，解决现有技术中存在的以下问题：

（1）车辆分离存在错误率的问题。目前动态称重技术多是采用红外光栅和电磁感应线圈进行车辆分离，这种分离技术存在一定的错误率，在人工收费可由收费员进行复核，对被错误分离的车辆进行合并或者拆分操作；但在ETC车道，没有人工复核这一步，即使ETC车道有人值班，在出现计重数据错误的情况下也来不及进行修改，而车辆分离错误直接影响到通行费的计算是否正确，会引起用户投诉或者造成高速公路通行费损失；

（2）已计重车辆队列问题。动态称重会维护一个已计重车辆的队列，每一辆车经过秤台后，会加入到队尾，车辆放行后从队首将车辆删除，车辆倒车后从队尾删除（要求正确判别车辆行驶方向）；对前置式的ETC车道来说，车辆还可能转向相邻的MTC车道，在某些情况下也不能排除有车辆从相邻道插入到ETC车道，这样就会造成车辆顺序混乱；

（3）车辆长度的验证问题。交通运输部2007年发布的《收费公路联网收费技术要求》规定了实施计重收费的收费岛尺寸要求，但能够在车道完成动态计重的车辆最大长度受实际车道长度、秤台安装位置和收费位置等多种因素影响；为避免超长车辆进入计重ETC车道，可提前验证车辆长度，而为货车发行的OBU内记录的车辆长度很难做到真实准确（如拖挂车长度会变化）；

（4）司机跳磅、刹车等作弊问题。部分司机通过加减速改变各车轴的动态承重，从而达到减轻车货总重、偷逃通行费的目的；在MTC车道，收费员可以根据车速判断司机是否通过跳磅、刹车等手段判断司机是否作弊，并可要求作弊司机倒车后重新过磅；但在ETC车道即使发现司机作弊也来不及阻止，也难以要求司机重新过磅。

激光雷达使用激光测距原理，利用高速旋转的镜面以不同角度向被测目标发射激光脉冲，从而得到被测目标的二维扫描，广泛用于物体的外形轮廓计算、坐标定位、距离判断和速度计算等方面。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种适用范围广、检测准确的使用激光雷达的电子不停车计重收费系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统，包括设置在ETC车道一侧的收费岛，收费岛上设置有收费亭和称重控制柜，收费亭内设置有ETC车道控制柜，收费岛上设置有位于收费亭后的电动栏杆B，电动栏杆B上设置有对应的落杆线圈B，其特征在于：收费岛前端的RTC车道上设置有轮胎识别器，轮胎识别器后面设置有前后排列的石英晶体传感器A和石英晶体传感器B，收费岛上设置有车牌识别单元、L型支架、车道摄像机和费额显示器B，激光雷达A和激光雷达B安装在L型支架上，天线B安装在收费岛的立柱、L型支架或龙门架上；石英晶体传感器A和石英晶体传感器B通过电荷放大器、轮胎识别器通过轮胎识别控制器、激光雷达A和激光雷达B通过专用以太网通讯线缆分别与称重控制器连接，称重控制器安装在称重控制柜内；车牌识别单元、车道摄像机和天线B、费额显示器B和电动栏杆B、称重控制器分别与ETC车道主控制器连接，落杆线圈B通过车辆检测器与ETC车道主控制器连接，ETC车道主控制器和车辆检测器安装在ETC车道控制柜内。

本技术方案通过在ETC车道布设激光雷达代替光栅和电磁感应线圈用于计重车辆的分离，同时激光雷达判别车辆行驶方向，实时跟踪ETC车道内车辆，在车辆进入ETC车道时预先判断车辆长度，引导超长车辆转入MTC车道缴费；在车辆通行过程中，激光雷达实时监测车速和车辆行驶方向，可配置为禁止有跳磅作弊车辆和反复倒车车辆通行；同时，本技术方案布置2条称重精度高、动态响应快、车速适应范围广（0km/h~200km/h）、温度漂移小的石英晶体传感器用于车辆轴组测量，在车辆以较快速度从ETC车道通过时仍可保持计重的准确性。

本发明的更优方案为：

所述收费岛的中部设置有费额显示器A和电动栏杆A，电动栏杆A上设置有对应的落杆线圈A，天线A安装在L型支架上；通过费额显示器A和电动栏杆A对进入ETC车道内的车辆进行费用的提前预警。

所述天线A位于车道中心线上方5.5米处，其通信覆盖区域为8米，天线B距地面5米，其通信覆盖区域延伸至电动栏杆B后的0.5米，以适应货车慢速通过。

所述激光雷达A和激光雷达B位于车道上方7.5米处，其投影点将车道均分为3段，扫描范围为投影点前20米和后14米的区域，以防止车身较窄的车辆有时无法被检测到。

所述费额显示器A安装在电动栏杆A的前面，费额显示器A上安装有报警器，电动栏杆A的长度为4.5米；费额显示器B安装在电动栏杆B前，通过报警器提示驾驶员及时查看费额显示器A上显示的交易失败原因及给驾驶员的建议。

所述石英晶体传感器A和石英晶体传感器B的间距为3米，覆盖整个ETC车道，轮胎识别器紧靠石英晶体传感器A安装，石英晶体传感器A和石英晶体传感器B分别对车辆的轮轴进行称重，通过重量加权平均可有效防止车辆通过跳磅等方式进行作弊。

本发明的有益效果为：

（1）激光雷达连续对车道内所有车辆进行扫描，将多次扫描的结果用于车辆分离，可以确保车辆分离正确。同时激光扫描结果可以准确识别倒车、插入ETC车道和转出ETC车道的车辆，确保计重车辆队列正确；

（2）通过激光雷达识别车辆长度，可对超长车辆进行预警，禁止超长车辆进入ETC车道；

（3）激光雷达可以实时监测车辆的行驶速度并计算出车辆的加速度，通过速度的变化判断司机是否通过跳磅、刹车等手段进行作弊，并由此禁止作弊车辆从ETC车道通行；

（4）可识别车辆车长、车高、车型，杜绝更换OBU逃费。激光雷达可以识别车辆的车长、车高、车型，通过与OBU内记录信息比较，可以将OBU发行时可能出现的大车小标、车主在不触发OBU防拆机制的前提下将小车OBU转移到大车上而偷逃通行费。发现车型不符可以现场拦截，或者通过事后通过ETC车道采集的数据稽核；

（5）激光雷达识别扫描范围内的车辆数目，在有多辆车处于通信区域和栏杆前时，如果不能通过车牌识别结果和车辆长度、车型等特征判断哪一辆车为首辆车，将不进行交易，可有效防止跟车干扰的发生；

（6）本技术方案可以减少ETC车道所需地感线圈数量，不依赖地感线圈定位车辆，也不需要在车道两侧安装光栅，可以减少对路面的破坏，并可减少维护工作量。

本发明结构紧凑、设计合理，适用范围广、检测准确，具有可对超长货车进行预警，可判断跳磅等作弊手段，同时利用激光雷达和车辆轴数判断车辆车长、车高和车型，可防止车辆更换OBU偷逃通行费等功能。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的平面布置结构示意图；

图2为本发明的设备连接示意图。

图中，1轮胎识别器，2石英晶体传感器A，3车牌识别单元，4石英晶体传感器B，5L型支架，6激光雷达A，7天线A，8激光雷达B，9费额显示器A，10电动栏杆A，11落杆线圈A，12车道摄像机，13称重控制柜，14ETC车道控制柜，15收费亭，16费额显示器B，17电动栏杆B，18落杆线圈B，19天线B，20电荷放大器，21轮胎识别控制器，22称重控制器，23ETC车道主控制器，24车辆检测器。

（五）具体实施方式

实施例1：前栏杆中置加双天线收费系统

如附图所示，该实施例包括设置在ETC车道一侧的收费岛，收费岛上设置有收费亭15和称重控制柜13，收费亭15内设置有ETC车道控制柜14，收费岛上设置有位于收费亭15后的电动栏杆B17，电动栏杆B17上设置有对应的落杆线圈B18，收费岛前端的RTC车道上设置有轮胎识别器1，轮胎识别器1后面设置有前后排列的石英晶体传感器A2和石英晶体传感器B4，收费岛上设置有车牌识别单元3、L型支架5、车道摄像机12和费额显示器B16，激光雷达A6和激光雷达B8安装在L型支架5上，天线B19安装在收费岛的立柱、L型支架或龙门架上；石英晶体传感器A1和石英晶体传感器B4通过电荷放大器20、轮胎识别器1通过轮胎识别控制器21、激光雷达A6和激光雷达B8通过专用以太网通讯线缆分别与称重控制器22连接，称重控制器22安装在称重控制柜13内；车牌识别单元3、车道摄像机12和天线B19、费额显示器B16和电动栏杆B17、称重控制器22分别与ETC车道主控制器23连接，落杆线圈B18通过车辆检测器24与ETC车道主控制器23连接，ETC车道主控制器23和车辆检测器24安装在ETC车道控制柜14内；所述收费岛的中部设置有费额显示器A9和电动栏杆A10，电动栏杆A10上设置有对应的落杆线圈A11，天线A7安装在L型支架5上；所述天线A7位于车道中心线上方5.5米处，其通信覆盖区域为8米，天线B19距地面5米，其通信覆盖区域延伸至电动栏杆B17后的0.5米；所述激光雷达A6和激光雷达B8位于车道上方7.5米处，其投影点将车道均分为3段，扫描范围为投影点前20米和后14米的区域。

天线A7和B19分别以一定角度向来车方向照射，天线A7的通信覆盖区域约为8米，主要用于客车交易、按照客车收费货车（如皮卡车）的交易和其它货车OBU的验证。电动栏杆A10与车辆可转出位置约4.5米，这个距离可以保证成功交易的车辆在限速内不刹车即可通过，同时车辆进入ETC车道前可以清晰看到电动栏杆A10，交易失败的车辆行驶到栏杆前也可快速倒出并转至相邻车道。激光雷达A6和B8扫描其投影点前20米（用于超长车辆预警）和后14米的区域，在有未交易车辆停留在电动栏杆A10前的区域时，系统不处理后面的车辆，可以有效防止跟车干扰现象的发生。车牌识别单元3采用视频触发的方式进行车辆牌照识别，焦距对准天线A7的通信覆盖区域远端附近的位置。石英晶体传感器A2和B4相距3米左右，覆盖整个车道宽度，需有保护措施防止车轮未完整压到石英晶体传感器，在收费岛允许的情况下可尽量向前安装。石英晶体传感器A2和B4分别对车辆的轮轴进行称重，通过重量加权平均可有效防止车辆通过跳磅等方式进行作弊。轮胎识别器1紧靠石英晶体传感器A2安装，在车辆限载与轮胎组合（单双胎、双连轴、三连轴等）无关的收费站可以不必安装。收费站可以设置标志标牌注明本车道是否允许货车通行并注明允许通行货车的长度和限载等。

费额显示器A9安装在电动栏杆A10前，正常交易时向驾驶员显示入口站、消费金额、卡内余额等信息，在货车临时放行时显示入口站、卡内余额和类似“前方计重收费”的信息。在因车辆未安装电子标签、车辆超长、卡内余额不足、未插卡等原因不能放行时，费额显示器A9上将显示交易失败原因和给的驾驶员建议，同时费额显示器上黄闪报警会启动，提示驾驶员查看。

电动栏杆B17安装在收费岛末端附近，保持常开，在电动栏杆A10放行未完整交易的货车进入时落下，由天线B19完成交易后放行。天线B19的通信覆盖区域约为6.5米，正常情况下只交易通过天线A7验证但未交易的OBU，也用于交易未经天线A7交易但跟车进入的车辆，系统控制对同一OBU只交易一次，以防止重复交易。天线B19的通信覆盖区域延伸至电动栏杆B17后0.5米左右，以适应货车慢速通过。

费额显示器B16安装在电动栏杆B18前，对客车显示的信息同费额显示器A9，对临时放行的货车，在交易成功后显示车辆总重、超限率、本次消费金额、卡内余额等信息，交易失败时显示交易失败原因和给的驾驶员建议，同时费额显示器上黄闪报警会启动，提示驾驶员查看。

上述使用激光雷达的电子不停车计重收费系统的工作流程具体为：

（1）激光雷达A6和B8连续扫描其投影点前20米（用于超长车辆预警）和后14米的区域，扫描数据实时发送给称重控制器22，称重控制器将极坐标形式的位置数据转换成以电动栏杆A10在车道的投影点为坐标原电的直角坐标，从而得到二维的车辆实时轮廓、车速和加速度；

（2）称重控制器22收到石英晶体传感器A2和B4的数据时，查询同一时间激光雷达识别的车速，以判别车辆是否为倒车，防止车辆反复倒车增加车辆轴数和限载；

（3）前方没有车辆，车辆加速度超出正常的车辆为跳磅嫌隙车辆，此时石英晶体传感器A2和B4的计重结果可能有差异，称重控制器22对重量差异超出范围且车辆加速度较大的结果进行加权平均，较重的轴重占比大。对重量差异较小的轴重结果进行算术平均作为最终结果；在出现车辆加速度小，但轴重差异大的情况作为设备异常进行报警；

（4）称重控制器22将分析出的车辆数量、各车车头的坐标信息、各车的重量、跳磅嫌隙率、各车的车长、车型和车速等信息发送给ETC车道主控制器23，未经过石英晶体传感器插入到队列的车辆、或者从ETC车道转出的车辆使用特殊标记标出，并以事件方式通知ETC车道主控制器23；

（5）如果OBU内车辆为客车，或者可以作为客车收费的小型货车（如皮卡），则在正常交易后电动栏杆A10抬起，将车辆放行（此时栏杆B17保持为抬起状态）；如果OBU内车辆为其它货车，系统进行卡内余额、货车长度、入口站信息检查等判断，如果条件符合，则抬起电动栏杆A10，并落下电动栏杆B17，否则黄闪报警，费额显示器A9显示错误信息和操作提示。为保证被放行的货车被栏杆B17拦截的几率小，系统会根据入口站、对应车辆轴数的车辆和假定超限率预计算一个应收金额，以此应收金额与卡内余额进行比较；

（6）电动栏杆A10临时放行的车辆通过后，电动栏杆A10落下。货车完成计重收尾后，由天线B19对其进行交易，在交易成功后，费额显示器B16显示车辆总重、限载、本次收费金额和收费后余额等信息；如果交易失败，费额显示器B16显示错误信息，黄闪报警，在错误恢复前天线A7不再交易放行其它车辆。如果因余额不足等原因故障无法恢复，收费管理人员需要人工收费，或人工将车辆引导出ETC车道进行补费；

（7）ETC车道系统也可以配置为在天线A7完成货车交易前，电动栏杆A10保持抬起，在货车交易失败后可倒车，跟随货车通过电动栏杆A10的车辆由天线B19完成交易。

实施例2：栏杆后置收费系统

本实施例适合ETC车道普及、误闯ETC专用车道车辆较少或者ETC有收费员值守的收费站。相对实施例1，不需要天线A7、费额显示器A9、电动栏杆A10、落杆线圈A11，天线B19需更改为安装在适合通讯区域更长的龙门架或L型支架上，车道摄像机12改为安装在电动栏杆B17后的位置。轮胎识别器1、石英晶体传感器A2、车牌识别单元3、石英晶体传感器B4、激光雷达A6、激光雷达B8等视收费岛土建情况适当后移。L型支架5只需要一个7.5米高的横杆，安装在其上的激光雷达A6和B8的有效扫描范围应覆盖轮胎识别器1至电动栏杆B17前的位置。

本实施例无法对超长车辆进行预警，超长车辆进入后可人工收费或引导出ETC车道。

Claims (4)

1.一种使用激光雷达的电子不停车计重收费系统，包括设置在ETC车道一侧的收费岛，收费岛上设置有收费亭（15）和称重控制柜（13），收费亭（15）内设置有ETC车道控制柜（14），收费岛上设置有位于收费亭（15）后的电动栏杆B（17），电动栏杆B（17）上设置有对应的落杆线圈B（18），其特征在于：收费岛前端的RTC车道上设置有轮胎识别器（1），轮胎识别器（1）后面设置有前后排列的石英晶体传感器A（2）和石英晶体传感器B（4），收费岛上设置有车牌识别单元（3）、L型支架（5）、车道摄像机（12）和费额显示器B（16），激光雷达A（6）和激光雷达B（8）安装在L型支架（5）上，天线B（19）安装在收费岛的立柱、L型支架或龙门架上；石英晶体传感器A（2）和石英晶体传感器B（4）通过电荷放大器（20）、轮胎识别器（1）通过轮胎识别控制器（21）、激光雷达A（6）和激光雷达B（8）通过专用以太网通讯线缆分别与称重控制器（22）连接，称重控制器（22）安装在称重控制柜（13）内；车牌识别单元（3）、车道摄像机（12）和天线B（19）、费额显示器B（16）和电动栏杆B（17）、称重控制器（22）分别与ETC车道主控制器（23）连接，落杆线圈B（18）通过车辆检测器（24）与ETC车道主控制器（23）连接，ETC车道主控制器（23）和车辆检测器（24）安装在ETC车道控制柜（14）内；所述收费岛的中部设置有费额显示器A（9）和电动栏杆A（10），电动栏杆A（10）上设置有对应的落杆线圈A（11），天线A（7）安装在L型支架（5）上；所述激光雷达A（6）和激光雷达B（8）位于车道上方7.5米处，其投影点将车道均分为3段，扫描范围为投影点前20米和后14米的区域。

2.根据权利要求1所述的使用激光雷达的电子不停车计重收费系统，其特征在于：所述天线A（7）位于车道中心线上方5.5米处，其通信覆盖区域为8米，天线B（19）距地面5米，其通信覆盖区域延伸至电动栏杆B后的0.5米。

3.根据权利要求2所述的使用激光雷达的电子不停车计重收费系统，其特征在于：所述费额显示器A（9）安装在电动栏杆A（10）的前面，费额显示器A（9）上安装有报警器，电动栏杆A（10）的长度为4.5米；费额显示器B（16）安装在电动栏杆B（17）前。

4.根据权利要求1或2所述的使用激光雷达的电子不停车计重收费系统，其特征在于：所述石英晶体传感器A（2）和石英晶体传感器B（4）的间距为3米，覆盖整个ETC车道，轮胎识别器（1）紧靠石英晶体传感器A（2）安装。