CN104240503B - 一种高速公路安全通行装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有实时通信、安全防护功能的高速公路安全通行装置，包括高速公路安全通行卡、与高速公路安全通行卡相配套的车载OBU、装有与车载OBU通信的路侧单元(RSU)。将安全通行卡置于车载单元(OBU)中，利用专用短程通信技术(DSRC)进行通信，实时告知驾驶员应注意的行车信息。特别地，通过数据的交互、运算，阻断事故链的产生，将高速公路车辆事故造成的连环危害减至最小。本发明所述高速公路安全通行卡全程锁死在车载OBU中，可防止车辆偷逃高速公路过路费；使用DSRC进行通信，在恶劣天气条件下可保证通信质量，同时DSRC通信模块具有加密功能，可保证通信的安全性。

Description

一种高速公路安全通行装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及高速公路通信装置领域，特别涉及一种高速公路安全通行装置及其工作方法。

背景技术

高速公路的发展推动了我国社会、经济的快速发展，高速公路行车安全逐渐成为人们关注的焦点。高速公路采取全封闭管理，具有行车速度快、交通流量大的特点。在高速公路上特别是在雪、雾等恶劣天气条件下，一旦发生如碰撞、倒行、高速抛锚、侧翻、起火等事故，会引起一系列后续事故的发生，造成的损失难以估计。

针对高速公路行车特点，为了提高高速公路行车安全，申请号为201120182142.6、授权公告号为CN202120457U的专利提出一种高速公路智能监控系统。可是，汽车在高速行驶状态下，GPS、北斗卫星导航系统、2G、3G、Zigbee等无线传输系统各自存在通信速度慢、通信不稳定的问题，无法实现专利中提出的疲劳驾驶提醒、防追尾提醒、车距提醒等功能。同时，目前我国高速公路通行卡功能单一，不具备实时通信、安全防护等功能，与日益发达的高速公路网络不匹配。

发明内容

针对现实存在的问题，本发明提出一种具有实时通信、安全防护功能的高速公路安全通行卡。将高速公路安全通行卡(带有微控制单元MCU)置于车载单元(OBU)中，利用专用短程通信技术(DSRC)和路侧单元(RSU)进行通信，全程监控车辆状态，实时告知驾驶员应注意的行车信息。特别地，通过数据的交互、运算，阻断事故链的产生，将高速公路车辆事故造成的危害减至最小。

本发明装置解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高速公路安全通行装置，包括高速公路安全通行卡、与高速公路安全通行卡相配套的车载OBU、路侧RSU；所述高速公路安全通行卡包括MCU、存储模块、通行卡接口模块，所述MCU分别与存储模块、通行卡接口模块相连；所述通行卡接口模块用来实现同车载OBU之间的通信，接收反馈从车载OBU各个模块传递过来的信息，并负责向高速公路安全通行卡供电；所述车载OBU包括车载OBU接口模块、车载OBU的DSRC模块、语音模块、按钮、天线，所述车载OBU接口模块分别与车载OBU的DSRC模块、语音模块、按钮相连，所述车载OBU的DSRC模块与所述天线相连；所述路侧RSU包括路侧RSU的DSRC模块，用于和车载OBU进行通信；所述路侧RSU之间通过光纤宽带连接，用于实现信息交互传输；所述车载OBU的DSRC模块通过天线与路侧RSU的DSRC模块通信连接，用于接收路侧RSU传来的路况信息、前方车辆事故信息，以及发送从高速公路安全通行卡MCU中传出来的汽车状态信息。

进一步，所述MCU选用英飞凌单片机XC878。

进一步，所述天线使用圆极化缝隙耦合微带天线。

进一步，所述DSRC模块工作频段为5.8GHz，通信速率：500kbps/250kbps，通信距离为400m。

进一步，所述车载OBU安置在汽车中控台右侧、副驾驶座椅前方，天线置于车顶。

进一步，所述存储模块中存储的信息包括驾驶员目的地、汽车车牌号、通行卡卡号；所述按钮用于车辆发生抛锚、机械故障等突发情况时，驾驶员发送“求救信号”；所述语音模块用于向驾驶员播报路况信息。

本发明工作方法的技术方案为：一种高速公路安全通行装置的工作方法，包括如下步骤：

a)车辆进入高速公路收费口后，高速公路安全通行卡插入车载OBU中，然后安全通行卡读取存储器预设信息，确认后车载OBU的DSRC模块发送“放行”信号，同时高速公路安全通行卡被锁死在卡槽内，路侧RSU接收到“放行”信号后，打开高速公路入口闸道；

b)正常行驶时，路侧RSU通过光纤接收实时路况信息，信息发送给车载OBU的DSRC模块，车载OBU的DSRC模块将此信息发送给高速公路安全通行卡，高速公路安全通行卡MCU接收路况信息，向车载OBU中的语音模块发送工作指令，语音模块向驾驶员播报路况信息；

c)当前方车辆发生事故时，路侧RSU的DSRC模块根据接收到的信息，判断事故的严重程度，并向事故车辆后方车辆发送“避让”或者“紧急避让”的提醒，同时通知交通和医护部门及时救援；

d)若车辆发生抛锚、机械故障的突发情况，通过按下“求救”按钮，车载OBU的DSRC模块向路侧RSU发送“求救信号”，路侧RSU的DSRC模块根据接收到的信息向事故车辆后方车辆发送“紧急避让”提醒，同时通知交通部门及时救援；

e)车辆驶出高速公路出口时，路侧RSU的DSRC模块向车载OBU中发送“确认”信号，高速公路安全通行卡弹出，收费员在驾驶员缴费完成后，向路侧RSU中DSRC模块发送“放行”信号，打开高速公路出口闸道。

进一步，所述车载OBU的DSRC模块在通信时需要对电文进行加密处理。

本发明的有益效果是：

1)本发明使用DSRC进行通信，在恶劣天气条件下可保证通信质量。

2)本发明针对高速公路事故链，提出可行的解决方法，将高速公路车辆事故造成的危害减至最小。

3)所述车载OBU中DSRC模块通过天线与路侧RSU中DSRC模块通信，接收路侧RSU传来的路况信息、前方车辆事故信息，发送从高速公路安全通行卡MCU中传出来的汽车状态信息。鉴于DSRC模块通信距离较短，所以在车顶加装DSRC通信天线，保证DSRC有足够的通信时间，还可保证车流密度较大时DSRC通信质量；

4)在DSRC通信时，对电文进行加密处理，还可以提高通信的安全性。特别地，由于DSRC通信速度快、通信容量大，在汽车高速行驶状态下可保证通信的稳定性和实时性，车辆可以在非常短的时间内知晓前方交通事故，让驾驶员有时间进行避让，阻止事故链的产生，从而避免大面积的交通事故，提高了高速公路的行车安全。

5)所述路侧RSU中DSRC模块负责与车载OBU中DSRC模块进行通信，由于所有路侧RSU通过光纤宽带连接，可保证数据传输的容量和速度，让高速公路实时通信得以实现。

6)驾驶员将高速公路安全通行卡插入车载OBU中，通过接口模块读取预设信息，向车载OBU中DSRC模块发送确认信息，以此判断车辆是否可以驶入或驶出高速公路；通过在高速公路路段全程监控车辆，防止车辆偷逃过路费、下错高速路口等情况发生。

附图说明

图1是本发明高速公路安全通行卡系统结构示意图。

图2是本发明高速公路安全通行卡信息数据流向图。

图3是本发明高速公路安全通行卡和车载OBU安装示意图。

图4是本发明高速公路安全通行卡实际工作场景示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作以下具体的详细说明。

如附图1所示，本发明的系统结构包括高速公路安全通行卡(包括MCU、存储模块、接口模块)，车载OBU(包括DSRC模块、语音模块、接口模块、按钮、天线)，路侧RSU(主要包括DSRC模块)。高速公路安全通行卡的MCU与存储模块、接口模块相连，高速公路安全通行卡中MCU通过接口模块实现与车载OBU的通信；车载OBU中的接口模块与DSRC模块、语音模块、按钮相连；车载OBU中天线与DSRC模块相连；路侧RSU和车载OBU通过DSRC模块进行通信；所有路侧RSU之间通过光纤宽带连接。

所述MCU选用英飞凌单片机XC878，应用在车载领域中，具有安全可靠、抗干扰能力强的特点，同时数据预处理功能强，可以提高DSRC模块实时通信能力；所述天线使用圆极化缝隙耦合微带天线。所述DSRC模块工作频段为5.8GHz，通信速率：500kbps/250kbps，通信距离为400m。

通行卡接口模块负责车载OBU与高速公路安全通行卡之间的通信，并负责向高速公路安全通行卡供电；高速公路安全通行卡存储模块中存储的信息包括驾驶员目的地、汽车车牌号、通行卡卡号；MCU通过接口模块实现与车载OBU的通信，接收从车载OBU各个模块传递过来的信息，如从接口模块接收车载OBU中传来的路况信息、前方车辆事故信息，然后将各种信息进行处理运算，最后向车载OBU中的语音模块发出工作指令。

如附图2所示，车载OBU安置在汽车中控台右侧、副驾驶座椅前方，天线置于车顶。

通过数据的交互、运算，阻断事故链的产生，将高速公路车辆事故造成的危害减至最小。

本发一种高速公路安全通行卡的工作原理如附图3所示：

高速公路安全通行卡存储模块中存储的信息包括驾驶员目的地、汽车车牌号、通行卡卡号。高速公路安全通行卡中MCU通过接口模块实现与车载OBU的通信，接收从车载OBU各个模块传递过来的信息。从接口模块接收车载OBU中传来的路况信息、前方车辆事故信息，然后将各种信息进行处理运算，最后向车载OBU中的语音模块发出工作指令。

车载OBU中DSRC模块通过天线与路侧RSU中DSRC模块通信，接收路侧RSU传来的路况信息、前方车辆事故信息，发送从高速公路安全通行卡MCU中传出来的汽车状态信息。在DSRC通信时，使用祖冲之密码算法对电文进行加密处理，保证通信的安全性。路侧RSU中DSRC模块负责与车载OBU中DSRC模块进行通信。

特别地，由于DSRC通信速度快、通信容量大，在汽车高速行驶状态下可保证通信的稳定性和实时性，车辆可以在非常短的时间内知晓前方交通事故，让驾驶员有时间进行避让，阻止事故链的产生，从而避免大面积的交通事故，提高了高速公路的行车安全。

如附图4所示，高速公路安全通行卡工作方法，包括如下步骤：

(1)汽车驾驶员驾车驶入高速公路收费口，收费员将汽车车牌号、汽车目的地等预设信息输入高速公路安全通行卡的存储器中，驾驶员将高速公路安全通行卡插入车载OBU中。高速公路安全通行卡读取预设信息，确认后车载OBU中的DSRC模块发送“放行”信号，同时车载OBU将高速公路安全通行卡锁死在卡槽内。路侧RSU中DSRC模块接收到“放行”信号后，打开高速公路入口闸道，车辆驶入高速公路。

(2)车辆在高速公路正常行驶时，路侧RSU通过光纤接收实时路况信息，路侧RSU中DSRC模块将接收的信息编码并加密，发送给车载OBU中的DSRC模块。车载OBU中的DSRC模块接收此信息，进行解密并把解密后信息发送给高速公路安全通行卡。高速公路安全通行卡MCU接收到路况信息，向车载OBU中的语音模块发送工作指令，语音模块向驾驶员播报路况信息。

(3)当前方车辆发生事故时，路侧RSU中DSRC模块根据接收到的信息，判断事故的严重程度。若发生轻微事故，则向事故车辆后方5km范围内车辆发送“避让”提醒。若事故情节严重，则立即向事故车辆后方20km范围内车辆发送“紧急避让”提醒，同时通知交通和医护部门，及时救援。

(4)若车辆发生抛锚、机械故障等突发情况，可立即按下车载OBU上的“求救”按钮，车载OBU中DSRC模块向路侧RSU发送“求救信号”。路侧RSU中DSRC模块根据接收到的信息，则立即向事故车辆后方20km范围内车辆发送“紧急避让”提醒。同时通知交通部门，及时救援。

(5)当车辆行驶到高速公路出口时，路侧RSU中DSRC模块向车载OBU中发送“确认”信号，高速公路安全通行卡弹出，由驾驶员交付高速公路收费员。收费员在驾驶员缴费完成后，向路侧RSU中DSRC模块发送“放行”信号，打开高速公路出口闸道，车辆驶离高速公路。

上述步骤中，车辆事故信息有两种：一种是驾驶员按下“求救”按钮，通过路侧RSU把这个信息发送至周围车辆上的车载OBU；另一种是车辆发生追尾或刮蹭等事故，此时发生事故的车辆上车载OBU与路侧RSU进行通信时，应答双方获得信息的时间一致，即不存在多普勒效应，此时可判定为车辆发生事故。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速公路安全通行装置，其特征在于：包括高速公路安全通行卡、与高速公路安全通行卡相配套的车载OBU、路侧RSU；

所述高速公路安全通行卡包括MCU、存储模块、通行卡接口模块，所述MCU分别与存储模块、通行卡接口模块相连；所述通行卡接口模块用来实现同车载OBU之间的通信，接收反馈从车载OBU各个模块传递过来的信息，并负责向高速公路安全通行卡供电；

所述车载OBU包括车载OBU接口模块、车载OBU的DSRC模块、语音模块、按钮、天线，所述车载OBU接口模块分别与车载OBU的DSRC模块、语音模块、按钮相连，所述车载OBU的DSRC模块与所述天线相连；

所述路侧RSU包括路侧RSU的DSRC模块，用于和车载OBU进行通信；所述路侧RSU之间通过光纤宽带连接，用于实现信息交互传输；

所述车载OBU的DSRC模块通过天线与路侧RSU的DSRC模块通信连接，用于接收路侧RSU传来的路况信息、前方车辆事故信息，以及发送从高速公路安全通行卡MCU中传出来的汽车状态信息。

2.根据权利要求1所述的高速公路安全通行装置，其特征在于：所述MCU选用英飞凌单片机XC878。

3.根据权利要求1所述的高速公路安全通行装置，其特征在于：所述天线使用圆极化缝隙耦合微带天线。

4.根据权利要求1所述的高速公路安全通行装置，其特征在于：所述DSRC模块工作频段为5.8GHz，通信速率：500kbps/250kbps，通信距离为400m。

5.根据权利要求1所述的高速公路安全通行装置，其特征在于：所述车载OBU安置在汽车中控台右侧、副驾驶座椅前方，天线置于车顶。

6.根据权利要求1所述的高速公路安全通行装置，其特征在于：所述存储模块中存储的信息包括驾驶员目的地、汽车车牌号、通行卡卡号；所述按钮用于车辆发生抛锚、机械故障突发情况时，驾驶员发送“求救信号”；所述语音模块用于向驾驶员播报路况信息。

7.一种高速公路安全通行装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)车辆进入高速公路收费口后，高速公路安全通行卡插入车载OBU中，然后安全通行卡读取存储器预设信息，确认后车载OBU的DSRC模块发送“放行”信号，同时高速公路安全通行卡被锁死在卡槽内，路侧RSU接收到“放行”信号后，打开高速公路入口闸道；

b)正常行驶时，路侧RSU通过光纤接收实时路况信息，信息发送给车载OBU的DSRC模块，车载OBU的DSRC模块将此信息发送给高速公路安全通行卡，高速公路安全通行卡MCU接收路况信息，向车载OBU中的语音模块发送工作指令，语音模块向驾驶员播报路况信息；

c)当前方车辆发生事故时，路侧RSU的DSRC模块根据接收到的信息，判断事故的严重程度，并向事故车辆后方车辆发送“避让”或者“紧急避让”的提醒，同时通知交通和医护部门及时救援；

d)若车辆发生抛锚、机械故障的突发情况，通过按下“求救”按钮，车载OBU的DSRC模块向路侧RSU发送“求救信号”，路侧RSU的DSRC模块根据接收到的信息向事故车辆后方车辆发送“紧急避让”提醒，同时通知交通部门及时救援；

e)车辆驶出高速公路出口时，路侧RSU的DSRC模块向车载OBU中发送“确认”信号，高速公路安全通行卡弹出，收费员在驾驶员缴费完成后，向路侧RSU中DSRC模块发送“放行”信号，打开高速公路出口闸道；

所述车载OBU的DSRC模块在通信时需要对电文进行加密处理。