CN104778840A - 一种车辆信息感知系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆信息感知系统及方法，包括车载单元、多个感知单元和综合管理平台；所述车载单元，设置于车辆内，用于向所述感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；所述多个感知单元沿道路分布设置，各感知单元间通过无线自组织通信网络相互通信，所述多个感知单元用于接收所述车辆信息并将其发送至所述综合管理平台；所述综合管理平台，用于根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。本发明能及时获取道路车辆信息。

Description

一种车辆信息感知系统及方法

技术领域

本发明属于道路交通领域，特别涉及一种车辆信息感知系统及方法。

背景技术

近些年来，我国高速公路建设发展如火如荼，通车里程数持续增加，截至2011年底，我国高速公路通车里程已达8.5万公里数。目前，高速公路收费方式仍然以传统的MTC方式为主。MTC方式下的收费流程复杂，效率低下，限制了车辆的通行速度，极大的限制了高速公路通行能力的发挥；并且使用现金进行费用的缴扣也给用户带来极大的不便，因此，这种收费方式越来越不能适应经济和社会发展的需要。另一方面，在车流量较大的高速公路收费站经常出现交通拥挤甚至交通堵塞，停车次数的增加必然带来尾气及噪声的环境污染，影响环境质量，造成巨大的经济及社会效益的流失。因而，安全、准确且便捷的非现金收费方式——电子不停车收费系统ETC逐渐受到人们的青睐。

交通运输部组织开展的京津冀与长三角区域高速公路联网不停车收费示范工程进展顺利且已在北京市、天津市、河北省、上海市、江苏省、江西省、浙江省、安徽省等地开通运营。截至2011年6月，全国范围内已有22个省市相继使用ETC系统，并开通了2197条ETC车道，不停车收费用户达到150.50万。为了鼓励更多的车主使用ETC方式通行，全国各地都在推广ETC不停车收费系统。以北京市为例，机动车主预存一定的通行费即可免费获得车载单元，同时对通行费实行9.5折优惠，而且还规定市域范围内公务车必须安装车载单元。

推广ETC符合环保理念和科学发展观的要求，在政府和公路交通主管部门强有力的推动及高速公路业主的积极响应下，目前ETC技术的应用不断推进，促进了行业的发展。ETC系统是一种广泛应用于公路、桥梁和隧道的全自动不停车收费系统，也是目前世界上最先进的高速公路收费系统,该收费系统通过安装在车辆挡风玻璃上的车载单元与收费站ETC车道上的路侧单元之间的专用短程通讯，并利用计算机联网等技术实现通行费用的结算，从而达到车辆通过路桥收费站时不需停车即可交纳路桥费的目的。该技术在缓解交通拥堵、节能减排及节约收费单位管理运营成本等诸多方面有着巨大的经济和社会效益,ETC技术是一种新兴的收费技术，ETC方式的运营效率和MTC方式相比可提高4至5倍。

但是通常的ETC系统只能做到在收费站、加油站和服务区等地点的车辆的部分信息的感知。不能做到车辆在高速公路全路段的全方位的实时感知，例如：车速测量、车辆定位、可变情报板、车辆的智能诱导、心跳信号频率控制和智能决策等功能。现有的收费系统具有相当大局限性。

传统车辆感知产品，如视频，地感线圈，微波，存在很多劣势。传统的环形线圈车辆检测器，是目前交通领域应用最广泛检测器，但系统费用较高，设立和维护都需要挖掘路面，费时费力并且影响交通。视频交通车辆检测系统，利用图像处理技术实现对交通目标检测的计算，是目前高速公路车辆检测技术之一，但图像处理的实时性较差、对现场照明条件要求高、价格高、对快速运动物体的检测精度差。微波监测系统，测量方式在车型单一，车流稳定，车速分布均匀的道路上准确度较高，但是在车流大、车型杂的情况下，测量精度会受很大的影响，而且安装困难，价格昂贵。传统的车辆感知产品有投资大、施工难、使用和维护成本高、信息采集范围和质量差，往往无法满足高速公路路网全方位可视、可测、可控的要求等诸多不足。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种车辆信息感知系统及方法。

一种车辆信息感知系统，包括车载单元、多个感知单元和综合管理平台；所述车载单元，设置于车辆内，用于向所述感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；所述多个感知单元沿道路分布设置，各感知单元间通过无线自组织通信网络相互通信，所述多个感知单元用于接收所述车辆信息并将其发送至所述综合管理平台；所述综合管理平台，用于根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。

可选的，所述车载单元包括VU中央处理模块、微波接收及检波模块、和微波调制及发射模块；所述微波接收及检波模块通过放大整形模块和VU调频解码模块与所述VU中央处理模块连接；所述VU中央处理模块通过VU调频编码模块与所述微波调制及发射模块连接。

可选的，所述车载单元还包括电池，电池通过电源控制模块和触发模块与所述微波接收及检波模块连接。

可选的，所述感知单元包括传感器接口模块、发射信号处理模块、接收信号处理模块、载波频率源模块和SU中央处理模块；所述SU中央处理模块通过SU调频编码模块与发射信号处理模块连接，所述发射信号处理模块通过发射天线将调制后的信号发射出去；所述接收信号处理模块通过SU调频解码模块与所述SU中央处理模块连接，所述接收信号处理模块通过接收天线接收信号；所述载波频率源模块与所述发射信号处理模块、以及接收信号处理模块连接。

可选的，所述感知单元还包括与所述SU中央处理模块连接的图形交互模块、网络接口模块和路灯控制模块；所述图形交互模块，用于设置或显示感知单元的参数信息；所述路灯控制模块，用于在所述感知单元感知到车辆到来后开启路灯，在车辆经过后关闭路灯；所述网络接口模块，用于与所述综合管理平台实现网络通信。

可选的，所述车载单元，向所述感知单元发送车辆信息的频率f为；

$f=\left\{\begin{array}{cc}f1,& \mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_n\\ f2,& {\mathrm{\&Delta;T}}_n<\mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_m\\ f3,& {\mathrm{\&Delta;T}}_m<\mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_z\\ 0,& \mathrm{\&Delta;T}>{\mathrm{\&Delta;T}}_z\end{array}\right.$

其中，ΔT＝|T1-T2|，T1、T2分别为相邻感知单元感知到同一车辆信号的时间；ΔTn、ΔTm、ΔTz为拥堵程度的时间差阀值，其中轻微路堵为ΔTn,中度拥堵为ΔTm,堵死为ΔTz；所述感知单元根据感知到的时间差ΔT所在的阀值段，向所述车载单元发送调节频率f的指令，所述车载单元根据调节频率f的指令调整发送车辆信息的频率f；当ΔT>ΔTz时，此时SU进入休眠状态。

可选的，还包括多个基站单元，所述多个感知单元分别隶属于不同的基站单元，所述多个感知单元通过其隶属的基站单元向所述综合管理平台发送所述车辆信息。

可选的，所述车辆身份信息包括预存储于所述车载单元内的车牌信息和/或所述车载单元读取的交通信息卡的卡片信息。

一种车辆信息感知方法，包括以下步骤：S100：沿道路分布设置多个感知单元，多个感知单元间形成无线自组织通信网络，车辆内设置车载单元；S200：车载单元向感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；S300：感知单元接收所述车辆信息并将其发送至综合管理平台；S400：综合管理平台根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。

可选的，所述步骤S200具体包括读取交通卡的卡片信息，将该卡片信息作为车辆身份信息发送至感知单元。

本发明的有益效果是：本发明提出了将车载单元(VU)和现有高速公路通行卡捆绑集成的新方法，使其可以兼容现有的MTC收费系统，同时也兼容新型的ETC收费系统；将感知单元铺在公路路边，实现信息的分布式采集。感知单元间组成无线自组织通信网络，感知单元可从邻近其它多个感知单元提前获取机动车辆到来的事件，多个感知单元协作实现对路灯的亮灭和亮度设定控制，从而实现路灯的智能控制；凭借感知单元可以获取车辆位置、车速、车流量等交通信息。

附图说明

图1是本发明车辆信息感知系统的结构示意图；

图2是本发明车载单元的结构示意图；

图3是本发明感知单元的结构示意图；

图4是本发明车辆信息感知方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

首先，对本发明所涉及到的相关名字做以下解释。车载单元，简称VU(Vehicle Unit)：VU采用卡式有源设计，具备与路边设置的感知单元(SU)之间的双向低功耗无线通信功能，VU周期性向SU定时发送身份标识数据(“心跳”)和其它有用信息。感知单元，简称SU(Sensor Unit)：SU由SU天线和SU控制器组成。SU实现与车上单元VU之间的双向低功耗无线通信，可与邻近SU构成无线自组织通信网络，可对VU和邻近SU送来的数据执行数据融合和其他应用层网关功能，从而可协作完成路灯智能感知和控制及测速等其他有关功能。优选的，每隔100米～200米架设感知单元(SU)，架设高度一般为4.5米～5.5米。

实施例1

请参阅图1，本发明的车辆信息感知系统包括车载单元(VU)、感知单元(SU)和综合管理平台。图1中车载单元1至车载单元n可以通过无线的方式与布设在高速公路路边的感知单元(SU)进行无线通信，这样通过感知单元(SU)来实现车辆数据的分布采集。感知单元(SU)可以与其隶属的基站单元进行有线或无线的通信，图1中包含基站单元1至基站单元n，每个基站单元可以与多个感知单元(SU)进行通信，图1中隶属于基站单元1的感知单元1至感知单元n与基站单元1进行通信，隶属于基站单元n的感知单元1至感知单元L与基站单元n通信。感知单元(SU)除可以与车载单元(VU)、及其隶属的基站单元通信外，各感知单元(SU)相互间也可以进行通信，在本发明的后续部分将对其进行详细介绍。各基站单元可以通过网络(例如以太网)与远端的智能综合管理平台进行通信，从而将采集到的数据发送至智能综合管理平台，智能综合管理平台，负责数据的集中处理。当然除以太网外，各基站单元与智能综合管理平台间也可采用CDMA、有线、GPRS等通信方式，本发明并非意在限制基站单元与智能综合管理平台间的通信方式。

车载单元(VU)的结构如图2所示，其包括VU中央处理模块、微波接收及检波模块、和微波调制及发射模块；所述微波接收及检波模块通过放大整形模块和VU调频解码模块与所述中央处理模块连接；所述中央处理模块通过VU调频编码模块与所述微波调制及发射模块连接，通过微波调制及发射模块可以将车辆的车辆信息发送出去，例如将车辆的身份信息(“心跳”)发送给感知单元，这一发送可以采用定时循环(“心跳”)的发送，车辆的身份信息可以是例如车牌号、车辆在高速入口所领取的通行卡的卡号等；更进一步的，还可以包括电池，电池通过电源控制模块和触发模块与所述微波接收及检波模块连接。

感知单元(SU)的结构如图3所示，其包括传感器接口模块、发射信号处理模块、接收信号处理模块和SU中央处理模块；所述SU中央处理模块通过SU调频编码模块与发射信号处理模块连接，发射信号处理模块通过发射天线将调制后的信号发射出去；所述接收信号处理模块通过SU调频解码模块与所述SU中央处理模块连接，接收信号处理模块通过接收天线接收信号，信号经过调制解码后发送给SU中央处理模块处理；载波频率源模块与所述发射信号处理模块、和接收信号处理模块连接，为其提供载波频率；更进一步的，还可以包括与SU中央处理模块连接的图形交互模块、网络接口模块和路灯控制模块；通过图形交互模块可以设置或显示感知单元(SU)的参数等信息，通过路灯控制模块可以实现对路灯的控制，网络接口模块用于完成与基站单元间的通信。

本发明中车载单元(VU)与感知单元(SU)之间采用的通信技术为移动自组织网通信技术(Ad Hoc网络)，与传统通信网络相比，具有无中心和自组织性、网络拓扑动态变化、移动便携性、资源局限性等特点，其无中心设施的优点可以广泛应用于智能交通等领域，建立车与路、车与车之间的通信链路。优选的，为了降低VU功耗，例如在高速路入口和出口处，车载单元(VU)与感知单元(SU)之间双向通信，而在途中仅需VU至SU单向通信，发卡和结算点需要双向通信的特点，结合高速公路交叉互通口稀疏的特点，采用了单双向通信方式切换策略；针对车辆在高速公路场景下的快速移动，VU上传数据包短小以及SU间隔100米的高密度分布三个特点，采用简单高效的退避算法和重发策略。与传统CSMA协议相比，提高了吞吐量，减小了接入时延。

本发明由多个SU构成无线自组织网络，通过在SU的SU中央处理模块(例如嵌入式MCU)上，实现自组织网络拓扑生成和自组织路由算法协议，具体包括：针对高速公路应用不同的业务数据，采用广播和多跳路由相结合，实现简单、节省了开销，同时保障关键数据的延时和带宽要求；针对高速公路业务和网络线性拓扑特点，改进传统Ad-Hoc路由机制，实现负载均衡和QoS保障；在MCU上基于实现物理层和MAC层协议栈802.15.4，在此基础上，实现6LoWPAN网络层才协议栈开发。

进一步的，可以将将车载单元(VU)和现有高速公路通行卡进行捆绑，例如可以是将车载单元和高速公路通行卡集成为一体化的复合卡，或者将车载单元(VU)做成卡套，进行和高速公路通行卡的分体式捆绑。通过这种捆绑可以方便的实现对于车辆的识别，同时可完全兼容现有的MTC收费系统，同时也兼容新型的ETC收费系统，并可对现有的MTC和ETC收费系统进行功能完善和提升。

本发明将感知单元(SU)铺在高速公路路边，例如可以每隔100米～200米设置一个感知单元(SU)，通过感知单元(SU)实现车辆信息的分布式采集。例如可以是对其中某一辆汽车的车辆信息(通过车载单元VU)的分布式采集、也可以是对所铺设SU全路段的所有汽车的信息的分布式采集。本发明采用基于VU和SU之间的双向低功耗通信，SU可感知机动车辆的到来，例如可以通过传感器接口模块接收传感器检测到的车辆到来的信号，这些传感器可以是地感线圈、红外、雷达等等现有的公知传感器，更进一步的SU亦可从邻近其它多个SU提前获取机动车辆到来的事件，例如在某一SU感知到车辆到来后，经过一段时间通过无线自组织网络将车辆到来信息发送至另一感知单元(SU)，这样另一感知单元便可以获知车辆即将到来；更为优选的是，当感知单元(SU)感知到车辆即将到来时通过路灯控制模块开启路灯，当车辆经过后关闭路灯，从而实现了路灯的智能控制。

本发明还可以通过设置于路边的感知单元(SU)的位置信息，根据事先地理坐标信息利用多点SU来确定车辆VU具体位置信息和感知的时间差，再由VU具体位置信息和感知的时间差获得车辆的速度。例如车载单元VU可以定时循环向感知单元(SU)发送车辆信息，不同感知单元(SU)接收到的车辆信息会存在时间差，在此事件差内车辆所行驶过的距离等于不同感知单元(SU)之间的距离，这一距离可以根据事先设置感知单元(SU)时的位置信息而获得，距离与时间差的比值即为车速。

考虑到车辆拥堵，路边单元SU接受到大量的VU可能处于超负荷状态甚至瘫痪，使SU造成不可修复性破坏，同时后台信息量也会剧增，也给综管系统的信息处理带来巨大压力。有鉴于此，本发明中对VU的心跳信号的频率f采用自适应控制，具体而言设相邻间SU通过感知到同一车辆VU信号的时间为T1、T2，则时间差值为ΔT＝|T1-T2|。经试验数据处理和分析，得到对应拥堵程度的时间差阀值：轻微路堵为ΔTn,中度拥堵为ΔTm,堵死为ΔTz。路边单元SU可根据感知到的时间差ΔT所在的阀值段，对VU进行信息反馈来调节VU的心跳信号的频率f，对应的调节关系如下：

$f=\left\{\begin{array}{cc}f1,& \mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_n\\ f2,& {\mathrm{\&Delta;T}}_n<\mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_m\\ f3,& {\mathrm{\&Delta;T}}_m<\mathrm{\&Delta;T}\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_z\\ 0,& \mathrm{\&Delta;T}>{\mathrm{\&Delta;T}}_z\end{array}\right.$

当ΔT>ΔTz时，此时SU进入休眠状态，不接收任何VU信号。

利用本发明的车载单元(VU)与感知单元(SU)还可以对车流量进行统计。具体而言，本发明中SU将读取到的所有车辆VU的“心跳”数据，实时上传至后端平台分析处理，由于“心跳”信号与车辆一一对应，通过收集“心跳”信号便可以获知道路内车辆的多少，从而实现对车流量的统计。

本发明中的VU与SU之间的通信采用窄带通信方式，信号传输速率在.6-600kbps范围内可调，正常运行时需占用通信频点资源较少，占用频段可根据实际情况在300-348MHz、387-464MHz、779-928MHz范围内进行选择。

实施例2

如图4所示相应的，本发明还提供了一种车辆信息感知方法，包括以下步骤：S100：沿道路分布设置多个感知单元，多个感知单元间形成无线自组织通信网络，车辆内设置车载单元；S200：车载单元向感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；S300：感知单元接收所述车辆信息并将其发送至综合管理平台；S400：综合管理平台根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。所述步骤S200具体包括读取交通卡的卡片信息，将该卡片信息作为车辆身份信息发送至感知单元。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种车辆信息感知系统，其特征在于包括车载单元、多个感知单元和综合管理平台；

所述车载单元，设置于车辆内，用于向所述感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；

所述多个感知单元沿道路分布设置，各感知单元间通过无线自组织通信网络相互通信，所述多个感知单元用于接收所述车辆信息并将其发送至所述综合管理平台；

所述综合管理平台，用于根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。

2.根据权利要求1所述的车辆信息感知系统，其特征在于，所述车载单元包括VU中央处理模块、微波接收及检波模块、和微波调制及发射模块；所述微波接收及检波模块通过放大整形模块和VU调频解码模块与所述VU中央处理模块连接；所述VU中央处理模块通过VU调频编码模块与所述微波调制及发射模块连接。

3.根据权利要求2所述的车辆信息感知系统，其特征在于，所述车载单元还包括电池，电池通过电源控制模块和触发模块与所述微波接收及检波模块连接。

4.根据权利要求1所述的车辆信息感知系统，其特征在于，所述感知单元包括传感器接口模块、发射信号处理模块、接收信号处理模块、载波频率源模块和SU中央处理模块；所述SU中央处理模块通过SU调频编码模块与发射信号处理模块连接，所述发射信号处理模块通过发射天线将调制后的信号发射出去；所述接收信号处理模块通过SU调频解码模块与所述SU中央处理模块连接，所述接收信号处理模块通过接收天线接收信号；所述载波频率源模块与所述发射信号处理模块、以及接收信号处理模块连接。

5.根据权利要求4所述的车辆信息感知系统，其特征在于，所述感知单元还包括与所述SU中央处理模块连接的图形交互模块、网络接口模块和路灯控制模块；所述图形交互模块，用于设置或显示感知单元的参数信息；所述路灯控制模块，用于在所述感知单元感知到车辆到来后开启路灯，在车辆经过后关闭路灯；所述网络接口模块，用于与所述综合管理平台实现网络通信。

6.根据权利要求1所述的车辆信息感知系统，其特征在于所述车载单元，向所述感知单元发送车辆信息的频率f为；

$f=\left\{\begin{array}{cc}f1,& \mathrm{\&Delta;T}\&le;\mathrm{\&Delta;}{T}_n\\ f2,& \mathrm{\&Delta;}{T}_n<\mathrm{\&Delta;T}\&le;\mathrm{\&Delta;}{T}_m\\ f3,& \mathrm{\&Delta;}{T}_m<\mathrm{\&Delta;T}\&le;\mathrm{\&Delta;}{T}_z\\ 0,& \mathrm{\&Delta;T}>\mathrm{\&Delta;}{T}_z\end{array}\right.$

其中，ΔT＝|T1-T2|，T1、T2分别为相邻感知单元感知到同一车辆信号的时间；ΔTn、ΔTm、ΔTz为拥堵程度的时间差阀值，其中轻微路堵为ΔTn,中度拥堵为ΔTm,堵死为ΔTz；所述感知单元根据感知到的时间差ΔT所在的阀值段，向所述车载单元发送调节频率f的指令，所述车载单元根据调节频率f的指令调整发送车辆信息的频率f；当ΔT>ΔTz时，此时SU进入休眠状态。

7.根据权利要求1所述的车辆信息感知系统，其特征在于，还包括多个基站单元，所述多个感知单元分别隶属于不同的基站单元，所述多个感知单元通过其隶属的基站单元向所述综合管理平台发送所述车辆信息。

8.根据权利要求1所述的车辆信息感知系统，其特征在于，所述车辆身份信息包括预存储于所述车载单元内的车牌信息和/或所述车载单元读取的交通信息卡的卡片信息。

9.一种车辆信息感知方法，其特征在于包括以下步骤：

S100：沿道路分布设置多个感知单元，多个感知单元间形成无线自组织通信网络，车辆内设置车载单元；

S200：车载单元向感知单元发送至少包含车辆身份信息的车辆信息；

S300：感知单元接收所述车辆信息并将其发送至综合管理平台；

S400：综合管理平台根据接收到的所述车辆信息得到车速、车辆位置和/或车流量信息。

10.根据权利要求9所述的车辆信息感知方法，其特征在于所述步骤S200具体包括读取交通卡的卡片信息，将该卡片信息作为车辆身份信息发送至感知单元。