CN103268640B - 基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统及方法，包括：后台系统和前端车道系统，后台系统进行计费处理、用户服务和信息查询；前端车道系统包括：车路通信与电子标签定位子系统，采用多波束天线定位车载电子标签，发射定向下行波束与车载电子标签通信完成收费交易，发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整；车辆检测与定位子系统，检测收费区车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；图像抓拍与车牌识别子系统，进行车辆图像抓拍和车牌识别；车道控制子系统，收集处理上述子系统输出信息，将处理数据传输至后台系统。本发明可保证现有国标ETC电子标签在公路及城市道路的多车道自由流电子收费应用中的适用性。

Description

基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统及方法

技术领域

本发明涉及ITS(IntelligentTransportSystem，智能交通系统)技术领域，尤其涉及基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统及其工作方法。

背景技术

随着高速公路通车里程不断增长，收费技术的不断进步，我国很多省市都建设了高速公路ETC(ElectronicTollCollection，电子不停车收费)系统。现有的高速公路ETC系统采用单车道模式，安装车载电子标签的车辆需要进入指定的车道，以低速(目前高速公路ETC车道限速为20km/h)通过ETC车道；对于进入ETC车道的非法车辆，车道栏杆自动拦截，由人工干预处理。

ETC交易是由ETC天线和车载电子标签通过无线通信的方式实现的，通信协议采用DSRC(DedicatedShortRangeCommunication，专用短程通信)协议，其处理过程为：ETC天线RSU(RoadsideUnit，也称路侧单元)周期性发射下行BST(BeaconServiceTable，信标服务表)信号，安装有车载电子标签OBU(OnBoardUnit，也称车载单元)的车辆驶入ETC收费区域时，收到BST信号，返回VST(VehicleServiceTable，车辆服务表)信号。VST信号中包含有车载电子标签的MAC(MediaAccessControl，媒体访问控制)地址、序列号和其他信息，其中车载电子标签的MAC地址是其与天线通信的主要识别码。天线收到上行DSRC数据帧后，以其MAC地址区分不同的车载电子标签；天线发给不同车载电子标签的下行数据帧，均以目标车载电子标签的MAC地址为下行帧的专有链路标识。车载电子标签只接收专有链路标识与自己的MAC地址相同的下行数据帧。天线收到VST信号之后，首先与车载电子标签进行加密认证，认证的目的是辨别车辆是否安装了合法注册的车载电子标签，认证通过后进行ETC收费交易。ETC交易通信结束后，天线发射结束指令，然后继续发射周期性的下行BST信号，等待后续车辆的驶入。

现有的ETC天线有收发一体的结构，也有发射天线和接收天线分体的结构，但天线都不具备车辆定位功能。虽然单车道模式的电子收费系统相对传统的人工收费有很大的技术进步，提高了车道通行能力，减少了交费服务时间，起到了节能减排的效果，但是仍然存在土建费用较高、通车速度相对较低、非法车辆需现场人工处理等不便。为了适应高速公路和城市道路无障碍通行和收费，一种被称为多车道自由流电子收费技术被提出。

多车道自由流电子收费是指在收费站点没有车道隔离设施，收费设施架设在车道上方的龙门架上，和过站车辆安装的车载电子标签通过无线通信的方式完成收费交易，车辆可按照正常车速(0-120km/h)、以任意方式(包括按车道、跨车道和变车道)通过收费站点。

现有的高速公路ETC电子标签在城市道路拥堵收费应用(多车道)环境下主要面临如下挑战：

现有的专用短程通信(DSRC)标准不支持协议层面的并发通信机制，从而无法实现在同一个无线信道内多个电子标签的并发交易。

无法使用连续的下行数据帧(如ECHO(EchoProtocol，应答协议)指令)让车载电子标签一直处于唤醒工作状态，从而连续跟踪车载电子标签的位置信息以用于违章稽查。现有车载电子标签大都在交易超时时自动掉电。

双片式OBU的交易时间过长(270ms左右)，需要较长通信区域。基于IC卡的ETC消费交易导致OBU的定位信息无法很好适配车辆位置检测设备获得的横向车辆位置信息，从而无法实现有效地违章稽查。与单片式车载电子标签相比，现有双片式车载电子标签用于自由流收费交易的成功率相对较低，均因其产品参数和通信协议导致。

因此，依靠现有技术手段很难实现多车道自由流电子收费。

发明内容

本发明实施例提供一种基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，用以实现有效地违章稽查，保证多车道自由流电子收费成功，该基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统包括：

后台系统，用于记录过站数据和交易信息，进行计费处理、用户服务和信息查询；

前端车道系统，连接后台系统，包括：

车路通信与电子标签定位子系统，用于采用多波束天线对车载电子标签进行定位，提供车载电子标签位置信息；根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，所述定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；

车辆检测与定位子系统，用于检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；

图像抓拍与车牌识别子系统，连接车辆检测与定位子系统，用于根据车辆位置信息进行车辆图像抓拍和车牌识别；

车道控制子系统，连接控制车路通信与电子标签定位子系统、车辆检测与定位子系统和图像抓拍与车牌识别子系统，用于收集和处理车载电子标签位置信息、车辆位置信息、车辆抓拍图像和车牌识别结果，完成现场的收费交易、取证和非法车辆认定过程，将过站数据和交易信息传输至后台系统。

一个实施例中，所述多波束天线采用相控阵或数字波束成形DBF技术，根据车载电子标签响应信号计算车载电子标签的位置信息，并进行实时位置追踪。

一个实施例中，所述定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。

一个实施例中，所述多波束天线全时、全区域覆盖自身的通信区域，在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，无扰接收对应位置的车载电子标签发射的信号。

一个实施例中，车辆检测与定位子系统采用高速高清摄像机，通过车辆视频轨迹跟踪的方式检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息。

一个实施例中，车辆检测与定位子系统采用激光幕墙或地感线圈检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息。

一个实施例中，在摄像机的功能性能满足要求的情况下，车辆检测与定位子系统和图像抓拍与识别子系统采用同一套高速高清摄像机。

本发明实施例还提供一种上述基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作方法，用以实现有效地违章稽查，保证多车道自由流电子收费成功，该基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作方法包括：

车路通信与电子标签定位子系统采用多波束天线对车载电子标签进行定位，提供车载电子标签位置信息；根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，所述定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；

车辆检测与定位子系统检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；

图像抓拍与车牌识别子系统根据车辆位置信息进行车辆图像抓拍和车牌自动识别；

车道控制子系统收集和处理车载电子标签位置信息、车辆位置信息、车辆抓拍图像和车牌识别结果，完成现场的收费交易、取证和非法车辆认定过程，将过站数据和交易信息传输至后台系统；

后台系统记录过站数据和交易信息，进行计费处理、用户服务和信息查询。

一个实施例中，所述非法车辆认定过程包括：

车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置信息和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置信息进行匹配；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向和横向坐标之差均小于设定数值，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向和横向坐标之差均小于设定数据，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆。

本发明实施例中，根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，可实现在同一个无线信道内多个电子标签的并发交易；其中定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，从而可以使用连续的下行数据帧(如ECHO指令)让车载电子标签一直处于唤醒工作状态，以连续跟踪车载电子标签的位置信息用于违章稽查。

实施中可采用高速高清摄像机，通过车辆视频轨迹跟踪的方式检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，可以使车辆的位置信息变成二维，从而使得车载电子标签的检测定位区域(天线通信区域)与车辆的检测定位区域(高速高清摄像机视场)相互重合，以实现有效地违章稽查。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中三车道情况下配置三台多波束天线的示意图；

图3为本发明实施例中视频轨迹跟踪实现车辆位置检测的方案的基本配置原理图；

图4为本发明实施例中基于二维位置匹配的多车道自由流前端车道布局图；

图5为本发明实施例中基于车牌匹配的准多车道自由流车道布局图；

图6为本发明实施例中基于车牌辅助位置匹配的多车道自由流车道布局图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统以多波束天线为核心设备，实现与现有的车载电子标签的自由流交易。图1为本发明实施例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统可以包括：

后台系统101，用于记录过站数据和交易信息，进行计费处理、用户服务和信息查询等；

前端车道系统102，连接后台系统101，包括：

车路通信与电子标签定位子系统1021，用于采用多波束天线对车载电子标签进行定位，提供车载电子标签位置信息；根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，所述定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整；

车辆检测与定位子系统1022，用于检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；

图像抓拍与车牌识别子系统1023，连接车辆检测与定位子系统1022，用于根据车辆位置信息进行车辆图像抓拍和车牌识别；

车道控制子系统1024，连接控制车路通信与电子标签定位子系统1021、车辆检测与定位子系统1022和图像抓拍与车牌识别子系统1023，用于收集和处理车载电子标签位置信息、车辆位置信息、车辆抓拍图像和车牌识别结果，完成现场的收费交易、取证和非法车辆认定过程，将过站数据和交易信息传输至后台系统101。图1中还示出了车辆103及安装于车辆103的车载电子标签104。

具体实施时，车路通信与电子标签定位子系统是根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，可实现在同一个无线信道内多个电子标签的并发交易；其中定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，这样可以使用连续的下行数据帧(如ECHO指令)让车载电子标签一直处于唤醒工作状态，以连续跟踪车载电子标签的位置信息用于违章稽查。

具体实施时，车路通信与电子标签定位子系统是采用多波束天线对车载电子标签进行定位，并与车载电子标签进行通信，完成收费交易的。以多波束天线为核心实现车路通信与电子标签定位子系统的功能，是发明人基于如下考虑而实施的：现有DSRC协议中，无法使用连续的下行数据帧(如ECHO指令)让车载电子标签一直处于唤醒工作状态，从而连续跟踪车载电子标签的位置信息以用于违章稽查，现有车载电子标签大都在交易超时时自动掉电。而因为GB/T20851-2007系列ETC国家标准是时分系统(TDMA：TimeDivisionMultipleAccess，时分多址)，无法进行码分复用技术；而有限的信道资源也无法实现频分复用(FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess)；所以只能从空间角度来解决连续跟踪车载电子标签位置以用于违章稽查的问题。利用多波束天线，能够根据车载电子标签位置信息，发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，在同一个无线信道内实现多个电子标签的并发交易；并且，定向下行波束的发射区域能够根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，可使用较少的天线进行多车道自由流收费，实现违章车辆的检测稽查，保证现有国标ETC电子标签在公路及城市道路的多车道自由流电子收费应用中的适用性。

具体实施时，多波束天线根据交易过程中车载电子标签的响应信号确定车载电子标签相对于多波束天线的角度偏移，结合多波束天线的位置，获得车载电子标签位置信息。

本发明实施例中的多波束天线可以采用DBF(DigitalBeamForming，数字波束成形)技术，数字波束成型采用DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)技术，对天线各阵元信号进行快速的并行数字处理，并根据自适应滤波算法优化的最大信噪比算法原则，通过控制天线辐射器面板的天线阵列的发射信号幅度和相位，进行信号加权和波束成形，针对特定区域的信号收发信噪比最大，而邻近区域的信号强度很弱，从而实现定向通信。如果定位区域有来自OBU的微波信号，则根据OBU与天线阵列法线之间的夹角，结合天线的安装位置，可计算出OBU相对于RSU在车道上的垂直投影位置前方的具体坐标。

多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域(波束群)内根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发送携带专用数据帧的定向下行波束。根据天线获取的车载电子标签位置信息，与该车载电子标签对应的天线交易发射通信子区域可以实时动态调整，跟踪电子标签的运动轨迹而随之移动，从而完成整个交易过程。

本发明实施例中定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。

多波束天线可以全时、全区域覆盖整个通信区域，在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，无扰接收对应位置的车载电子标签发射的信号。多波束天线所在车道通信区域内多个车载电子标签同时发射的信号可在不同的通信子区域(波束群)内无干扰地同时接收。

图2为本发明实施例中同向三车道情况下配置三台多波束天线的示意图。如图2所示，多波束天线通信区域内同时存在4个车载电子标签；实线圆圈标识多波束天线的一个波束所覆盖的通信区域；粗虚线区域表示由多个波束构成的天线发射定向下行波束的发射区域，该区域可动态移动。

上行信号检测和OBU位置追踪原理如下：

如图2所示的同向三车道布局，设单条车道宽度为3.5米，多波束天线架设在车道上方龙门架车道中线的位置，高度为5.5～6米，单个天线的通信范围横向宽度为4米，纵向长度为0～10米。设天线单个波束的通信区域为0.5x0.5米，则每个天线的通信区域被划分为8x20＝160个波束群。

工作时，多波束天线接收单元处于全时接收状态，未有车辆驶入时，发射单元以5ms为周期，向各波束区域发射BST唤醒信号。当接收单元到某个OBU的上行信号后，天线根据位置检测结果，以OBU所在的位置为中心，在其左右各1米、前后各2米的32个波束范围(图2所示的虚线椭圆区域)发射后续的下行信号，以确保该下行信号只能被目标OBU接收到，且不影响其他的OBU。当天线收到OBU下一帧的上行回复信号时，再次检测OBU所在的位置，并以更新后的OBU位置为中心，以同样的方式重新选择发射波束群，发射后续下行数据。这种方法实时追踪车辆的行驶轨迹，以空分复用的方式，实现单个天线与多个移动目标的并发通信，在不改变现有DSRC通信协议和设备软硬件现状的基础上，实现了多车道自由流收费。

具体实施时，考虑到现有高速公路的双片式ETC车载电子标签的交易时间较长，因此天线纵向通信区域也相应增加(从单片式电子标签的3-4米增加到10-12米以上)。考虑到较长的建议时间会造成天线获得的OBU位置信息与激光幕墙检测到的车辆位置信息的匹配成功率和准确率都不高，从而造成违章稽查的困难。因此，实施中车辆检测与定位子系统采用高速高清摄像机，通过车辆视频轨迹跟踪的方式检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息。采用高速高清摄像机通过车辆视频轨迹跟踪的方式进行车辆的检测、定位，这样可以使车辆的位置信息变成二维，从而使得OBU的检测定位区域(通信区域)与车辆的检测定位区域(高清摄像机的视场)相互重合，提高位置匹配的准确性。采用的高速高清摄像机的像素须足够大，如500万像素以上，摄像机的场频在100Hz以上，且摄像机的图像处理速度足够快，以实时检测追踪车辆位置。

图3为本发明实施例中视频轨迹跟踪实现车辆位置检测的方案的基本配置原理图。图3中，三车道配置三台高清摄像机，摄像机采用“垂直”安装模式(沿车道纵向长，覆盖10～12米视场；横向窄，覆盖约5～6米视场)，三个摄像机视场重叠，整体视场范围与天线通信区域范围大致相当。经标定后，摄像机可用视频处理的方式实时获得车辆在整体视场范围内的二维坐标，可以很好地适配电子标签的二维位置信息。

具体实施时，车辆检测与定位子系统也可以采用激光幕墙设备或者地感线圈实现车辆位置检测。

具体实施时，在设备符合设计需求的条件下，车辆检测与定位子系统和图像抓拍与识别子系统可采用同一套高速高清摄像机。

下面举一例说明本发明实施例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作原理，本例中车辆检测与定位子系统采用高速高清摄像机实现，本例中基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作方法包括：

步骤1、车载电子标签定位与交易收费：

车路通信与电子标签定位子系统的多波速天线快速向通信区域发射周期性的下行唤醒信号；

如果进入通信区域的车辆上没有安装车载电子标签，则天线接收不到该车辆的信息，车路通信与电子标签定位子系统无该车辆经过收费站信息；

如果进入通信区域的车辆上安装有车载电子标签，则车载电子标签被下行唤醒信号唤酲，返回上行信号，车路通信与电子标签定位子系统收到上行信号后，对车载电子标签的合法性进行验证：若车载电子标签为非法车载电子标签，则车路通信与电子标签定位子系统不再与车载电子标签通信，若车载电子标签为合法注册的车载电子标签，则车路通信与电子标签定位子系统继续与车载电子标签进行通信，完成电子不停车收费交易，通信时根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，其中定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整；

无论车载电子标签是否合法，车路通信与电子标签定位子系统利用多波束天线辐射单元对来自于车载电子标签的上行信号进行位置扫描，检测车载电子标签相对于天线的横向和纵向偏移角度，并计算出车载电子标签的位置，然后，车路通信与电子标签定位子系统将车载电子标签的位置信息、电子收费交易结果、以及定位时间输出给车道控制子系统；

步骤2、视频车辆检测与定位：

在上述车路通信与电子标签定位子系统工作的同时，车辆检测与定位子系统通过高速高清摄像机检测是否有车辆进入收费区域，当有车辆进入时，摄像头检测并跟踪车辆位置信息，当检测到车辆行驶到图像抓拍摄像头适合抓拍的区域时，将车辆位置信息和触发抓拍信息提供给车道控制子系统；

步骤3、车辆位置匹配、车辆图像抓拍与车牌识别：

车道控制子系统根据车辆检测与定位子系统提供的车辆位置信息，控制并触发图像抓拍与车牌识别子系统在设定区域对车辆进行全景图像和前(后)车牌抓拍识别，将抓拍的图像和识别结果提供给车道控制子系统；

当检测到车辆经过，或者一次收费交易结束后，由车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置进行匹配：

A、若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向坐标和横向坐标之差小于设定数值，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

B、若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向和横向坐标之差小于设定数值，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

C、若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆；

步骤4、后台数据处理：

车道控制子系统将步骤3中的定位匹配结果，电子不停车收费交易结果、车辆图像抓拍与车牌识别结果上传给后台数据处理系统，进行后续处理。

下面列举本发明实施例的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统在不同应用场景的具体实施，以说明本发明实施例的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统如何使用较少的天线进行多车道自由流收费，同时利用多波束天线技术能保证现有国标ETC电子标签在公路及城市道路的多车道自由流电子收费应用中的适用性。

实施例1：基于二维位置匹配的多车道自由流前端车道布局

本实施例的前端车道系统设备安装和工作原理示意图如图4所示，本方案为双龙门架车道布局，其中车辆由左向右行驶，龙门架A上安装有后车辆抓拍及车牌识别摄像头403，龙门架B上安装有多波束天线407、视频轨迹追踪系统409和前车辆抓拍及车牌识别摄像头408。本实施例中，车路通信与电子标签定位子系统由三条车道的多波束天线为主组成，三个天线同时进行信号发射和接收，实现对车道通信区域的全覆盖。车辆检测与定位子系统由高速高清摄像机为主组成，负责检测车辆驶入位置和抓拍触发信号产生，本实施例中安装有3个高速高清摄像机(即视频轨迹追踪系统409)。图像抓拍与车牌识别子系统由前车辆抓拍及车牌识别和后车辆抓拍及车牌识别摄像头为主的设备组成，摄像头的个数由其视场决定，本实施例中龙门架A、B上各有6个摄像头。图4中还示出了触发图像抓拍区域401、接收天线通信区域及视频轨迹跟踪区域402、视频检测到的车辆外轮廓404、车载电子标签405和发射天线通信区域406。

本实施例的多车道自由流收费系统工作原理如下：

步骤1、车载电子标签定位与交易收费：

车路通信与电子标签定位子系统的多波速天线快速向通信区域发射周期性的下行唤醒信号，即不断发射5毫秒为周期的BST信号，唤醒可能存在的OBU。

如果OBU收到BST信号，并返回响应的VST信号，如果2个以上的多波束天线收到同一个OBU的返回信号(返回VST的MAC地址相同)，则这些多波束天线对比各自的接收信号，选择接收信号强度最大的天线与OBU进行自由流交易。交易过程中，天线每次收到上行DSRC数据都检测OBU的位置，记录其横向和纵向的坐标轨迹，提供给车道计算机；

步骤2、视频车辆检测与定位：

车辆检测与定位子系统通过高速高清摄像机检测是否有车辆进入收费区域，当有车辆进入时，摄像头检测并跟踪车辆位置信息，当车辆行驶到图像抓拍摄像头适合抓拍的区域时，车辆检测与定位子系统将车辆位置信息和触发抓拍信息提供给车道控制子系统的车道计算机；

步骤3、车辆位置匹配、车辆图像抓拍与车牌识别：

车道计算机根据车辆检测与定位子系统提供的车辆位置信息，控制并触发图像抓拍与车牌识别子系统在设定区域(图4中401)对车辆进行全景图像和前(后)车牌抓拍识别，将抓拍的图像和识别结果提供给车道计算机；

当检测到车辆经过，或者一次收费交易结束后，由车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置进行匹配：

A、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

B、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

C、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆；

步骤4、后台数据处理：

车道控制子系统将步骤3中的定位匹配结果，电子不停车收费交易结果、车辆图像抓拍与车牌识别结果上传给后台数据处理系统，进行后续处理。

实施例2：基于车牌匹配的准多车道自由流车道布局

本实施例的前端车道系统设备安装和工作原理示意图如图5所示，本方案为双龙门架车道布局，其中车辆由左向右行驶，龙门架A上安装有后车辆抓拍及车牌识别摄像头503，龙门架B上安装有前车辆抓拍及车牌识别摄像头507和多波束天线506。本实施例中，车路通信与电子标签定位子系统由三条车道的多波束天线为主组成，三个天线同时进行信号发射和接收，实现对车道通信区域的全覆盖。车辆检测与定位子系统由地感线圈508为主组成，负责检测车辆驶入位置和抓拍触发信号产生，本实施例的三车道安装有6组地感线圈，对应每条车道有一个前车轮压过触发的入车线圈(左侧)和后车轮压过触发的出车线圈(右侧)。图像抓拍与车牌识别子系统由前车辆抓拍及车牌识别和后车辆抓拍及车牌识别摄像头为主的设备组成，摄像头的个数由其视场决定，本实施例中龙门架A、B上各有6个摄像头。图5中还示出了视频抓拍区域501、接收天线通信区域502、车载电子标签505和发射天线通信区域504。

本实施例的多车道自由流收费系统工作原理如下：

步骤1、车载电子标签定位与交易收费：

车路通信与电子标签定位子系统的多波速天线快速向通信区域发射周期性的下行唤醒信号，即不断发射5毫秒为周期的BST信号，唤醒可能存在的OBU。

如果OBU收到BST信号，并返回响应的VST信号，如果2个以上的多波束天线收到同一个OBU的返回信号(返回VST的MAC地址相同)，则这些多波束天线对比各自的接收信号，选择接收信号强度最大的天线与OBU进行自由流交易。交易过程中，天线每次收到上行DSRC数据都检测OBU的位置，记录其横向和纵向的坐标轨迹，提供给车道计算机；

步骤2、车辆检测与定位：

车辆进入收费区域，车轮压过地感线圈时，地感线圈的磁场强度发生变化，输出车辆位置信息给车道控制子系统的车道计算机，由车道计算机记录该位置和过站时间信息，并将车辆位置信息和触发抓拍信息提供给图像抓拍与车牌识别子系统；

步骤3、车辆位置匹配、车辆图像抓拍与车牌识别：

图像抓拍与车牌识别子系统根据车道计算机的控制和触发信息，在设定区域(图5中501)对车辆进行全景图像和前(后)车牌抓拍识别，将抓拍的图像和识别结果提供给车道计算机；

当检测到车辆经过，或者一次收费交易结束后，由车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置进行匹配：

A、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

B、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

C、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆；

步骤4、后台数据处理：

车道控制子系统将步骤3中的定位匹配结果，电子不停车收费交易结果、车辆图像抓拍与车牌识别结果上传给后台数据处理系统，进行后续处理。

实施例3：基于车牌辅助位置匹配的多车道自由流车道布局

本实施例的前端车道系统设备安装和工作原理示意图如图6所示，本方案为三龙门架车道布局，其中车辆由左向右行驶，龙门架A上安装有后车辆抓拍及车牌识别摄像头603，龙门架B上安装有车辆检测设备如激光幕墙604，龙门架C上安装有前车辆抓拍及车牌识别摄像头608和多波束天线607。本实施例中，车路通信与电子标签定位子系统由三台多波束天线为核心设备，三个天线同时进行信号发射和接收，实现对车道通信区域的全覆盖。车辆检测与定位子系统以激光幕墙为核心设备，3台激光幕墙设备覆盖三个车道，向下垂直发射激光信号并检测回波，车辆通过激光幕墙正下方时，触发激光幕墙的回波信号，检测车辆位置、车型和轮廓信息。图像抓拍与车牌识别子系统以前、后两组抓拍摄像头为核心设备，摄像头的个数由其视场决定，本实施例中龙门架A、C上各有6个摄像头。图6中还示出了视频抓拍区域601(激光幕墙监测区域位于其中)、接收天线通信区域602、车载电子标签606和发射天线通信区域605。

本实施例的多车道自由流收费系统工作原理如下：

步骤1、车载电子标签定位与交易收费：

车路通信与电子标签定位子系统的多波速天线快速向通信区域发射周期性的下行唤醒信号，即不断发射5毫秒的周期性BST信号，唤醒可能存在的OBU。

如果OBU收到BST信号，并返回响应的VST信号，如果2个以上的多波束天线收到同一个OBU的返回信号(返回VST的MAC地址相同)，则这些多波束天线对比各自的接收信号，选择接收信号强度最大的天线与OBU进行自由流交易。交易过程中，天线每次收到上行DSRC数据都检测OBU的位置，记录其横向和纵向的坐标轨迹，提供给车道计算机；

步骤2、车辆检测与定位：

车辆检测与定位子系统的激光幕墙检测是否有车辆进入收费区域，当有车辆进入时，车辆前缘触发激光幕墙光波信号时，触发前摄像头组抓拍；车辆后缘触发激光幕墙的光波信号时，触发后摄像头组抓拍。激光幕墙将车辆位置信息和触发信息输出给车道控制子系统的车道计算机；

步骤3、车辆位置匹配、车辆图像抓拍与车牌识别：

车道计算机根据激光幕墙提供的车辆位置信息，控制并触发图像抓拍与车牌识别子系统在设定区域(图6中601)对车辆进行全景图像和前(后)车牌抓拍识别，将抓拍的图像和识别结果提供给车道计算机；

当检测到车辆经过，或者一次收费交易结束后，由车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置进行匹配：

A、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

B、若在设定的时间5毫秒段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向(行车方向)坐标之差小于2米，且横向坐标之差小于1米，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

C、若在设定的时间段5毫秒内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆；

步骤4、后台数据处理：

车道控制子系统将步骤3中的定位匹配结果，电子不停车收费交易结果、车辆图像抓拍与车牌识别结果上传给后台数据处理系统，进行后续处理。

综上所述，本发明实施例中，根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，可实现在同一个无线信道内多个电子标签的并发交易；其中定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，从而可以使用连续的下行数据帧(如ECHO指令)让车载电子标签一直处于唤醒工作状态，以连续跟踪车载电子标签的位置信息用于违章稽查。利用多波束成形技术，可使用较少的天线进行多车道自由流收费。

实施中可采用高速高清摄像机，通过车辆视频轨迹跟踪的方式检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，可以使车辆的位置信息变成二维，从而使得车载电子标签的检测定位区域(天线通信区域)与车辆的检测定位区域(高速高清摄像机视场)相互重合，以实现有效地违章稽查。利用高速高清摄像机和图像处理技术，记录车辆行驶位置，实现违章车辆的检测稽查，可保证现有国标ETC电子标签在公路及城市道路的多车道自由流电子收费应用中的适用性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，包括：

后台系统，用于记录过站数据和交易信息，进行计费处理、用户服务和信息查询；

前端车道系统，连接后台系统，包括：

车路通信与电子标签定位子系统，用于采用多波束天线对车载电子标签进行定位，提供车载电子标签位置信息；根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，所述定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；

车辆检测与定位子系统，用于检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；

图像抓拍与车牌识别子系统，连接车辆检测与定位子系统，用于根据车辆位置信息进行车辆图像抓拍和车牌识别；

车道控制子系统，连接控制车路通信与电子标签定位子系统、车辆检测与定位子系统和图像抓拍与车牌识别子系统，用于收集和处理车载电子标签位置信息、车辆位置信息、车辆抓拍图像和车牌识别结果，完成现场的收费交易、取证和非法车辆认定过程，将过站数据和交易信息传输至后台系统。

2.如权利要求1所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，所述多波束天线采用相控阵或数字波束成形DBF技术，根据车载电子标签响应信号计算车载电子标签的位置信息，并进行实时位置追踪。

3.如权利要求1所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，所述定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。

4.如权利要求2所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，所述多波束天线全时、全区域覆盖自身的通信区域，在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，无扰接收对应位置的车载电子标签发射的信号。

5.如权利要求1所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，车辆检测与定位子系统采用高速高清摄像机，通过车辆视频轨迹跟踪的方式检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息。

6.如权利要求1所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，车辆检测与定位子系统采用激光幕墙或地感线圈检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息。

7.如权利要求1所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统，其特征在于，在摄像机的功能性能满足要求的情况下，车辆检测与定位子系统和图像抓拍与识别子系统采用同一套高速高清摄像机。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作方法，其特征在于，包括：

车路通信与电子标签定位子系统采用多波束天线对车载电子标签进行定位，提供车载电子标签位置信息；根据车载电子标签位置信息，采用多波束天线发射定向下行波束与车载电子标签通信，完成收费交易，所述定向下行波束的发射区域根据车载电子标签的运动轨迹进行实时自适应动态调整，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；

车辆检测与定位子系统检测收费区域的车辆，提供车辆位置信息，触发车牌图像抓拍；

图像抓拍与车牌识别子系统根据车辆位置信息进行车辆图像抓拍和车牌自动识别；

车道控制子系统收集和处理车载电子标签位置信息、车辆位置信息、车辆抓拍图像和车牌识别结果，完成现场的收费交易、取证和非法车辆认定过程，将过站数据和交易信息传输至后台系统；

后台系统记录过站数据和交易信息，进行计费处理、用户服务和信息查询。

9.如权利要求8所述的基于多波束天线的多车道自由流电子收费系统的工作方法，其特征在于，所述非法车辆认定过程包括：

车道控制子系统对车路通信与电子标签定位子系统提供的车载电子标签位置信息和车辆检测与定位子系统提供的车辆位置信息进行匹配；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向和横向坐标之差均小于设定数值，且车载电子标签为合法车载电子标签，则认为该车辆为合法车辆；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到的车辆位置，和车路通信与电子标签定位子系统检测到的车载电子标签位置，二者中心点的纵向和横向坐标之差均小于设定数值，但车载电子标签为非法车载电子标签，则认为该车辆为非法安装电子标签的车辆；

若在设定的时间段内，车辆检测与定位子系统检测到有车辆通过，但是车路通信与电子标签定位子系统未检测到车载电子标签，则认为该车辆为未安装车载电子标签的车辆。