CN104794763B - 一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡及实现方法，所述方法包括以下步骤：车辆进入收费站，通行卡被激活，收费员将入口信息写入通行卡；车辆离开收费站进入高速公路，通行卡进入休眠状态；通行卡定时被唤醒，采集当前经纬度坐标值，并将所述经纬度坐标值写入双界面CPU卡中；车辆到达收费站出口，通行卡被激活，收费员读取卡内的入口信息及一系列经纬度坐标值；收费软件根据读取的所述入口信息及所述一系列经纬度坐标值进行运算，确定车辆行驶路径，并计算出应收通行费。本方案解决了车辆行驶路线的多义性路径无法精确识别的问题，对减少高速公路通行费的流失，实现通行费在各投资主体之间合理、公平的拆账清分具有重要意义。

Description

一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡及实现 方法

技术领域

本发明涉及公路车辆通行领域，尤其涉及一种基于卫星定位的公路多义性路径识别通行卡及实现方法。

背景技术

目前我国高速公路一般采用封闭式联网收费系统，采用人工半自动的收费方式，即“人工判型，人工收费，计算机管理，闭路电视监视”，检测器校核的半自动方式。采用非接触式IC卡作为收费介质，即入口发通行卡并写入入口信息、车型、车牌号码，出口读取通行卡内的信息按照车型和行驶里程收取通行费或在储值卡内扣款。2014年12月26日，全国14省市高速公路ETC联网正式运行。

随着我国高速公路的不断发展，目前已建成了规模庞大、结构复杂、不同业主管理的高速公路网。各省的高速公路均已实现了全省收费联网系统，对车主来说只需在驶入时领取通行卡，驶出时一次性交费即可。对不同投资主体的高速公路来说，则由省联网收费结算中心按照车辆在不同路段行驶的里程进行清分。

由于高速公路路网的复杂性，两个收费站之间往往存在有两条或两条以上不同的行驶路径这就是所谓的高速公路多义性（二义性）路径问题。在目前我国高速公路投资主体多元化环境下，解决车辆行驶路线的多义性路径精确识别问题，对减少高速公路通行费的流失，实现通行费在各投资主体之间合理、公平的拆账清分具有重要意义。

现有技术中，公开号为CN103942956A的专利文献公开了一种应用于高速公路的车辆通行卡系统包括车辆通行卡部分和控制器部分：所述控制器部分包括控制中心和电源模块，控制中心连接有射频信号通信装置和无线信号通信装置；所述车辆通行卡部分包括卡片本身，卡片本身上设置有GPS信号接收处理模块、非接触式射频通信模块，其可以通过照片或者数据的方式来记录车牌号，并且通过GPS信号接收处理模块，通过卫星定位系统，可以记录行车轨迹，是否有超车、违规停车等行为，下高速路口的时候，自动输入计算机存储系统，方便交警或者高速公路管理部门取证。然而，其方案本身无法解决现有技术中高速公路多义性问题。

发明内容

针对背景技术中出现的问题，本发明提出一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，解决了车辆行驶路线的多义性路径无法精确识别的问题，对减少高速公路通行费的流失，实现通行费在各投资主体之间合理、公平的拆账清分具有重要意义，所述通行卡包括CPU模块、锂电池、电源管理模块、无线充电模块、GPS/北斗模块、双界面CPU卡和加速度计检模块。

优选的是，所述CPU模块将所述GPS/北斗模块采集到的地理坐标写入所述双界面CPU卡中。

在上述任一方案中优选的是，所述地理坐标包括经纬度。

在上述任一方案中优选的是，所述CPU模块定时自动唤醒，并激活所述电源管理模块通知所述GPS/北斗模块采集当前的地理信息数据。

在上述任一方案中优选的是，所述电源管理模块用于管理通行卡的供电模式。

在上述任一方案中优选的是，所述供电模式包括休眠模式和工作模式。

在上述任一方案中优选的是，所述加速度计检模块用于激活所述CPU模块。

在上述任一方案中优选的是，所述激活方式包括高速路入口激活和出口激活。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡在入口激活时，非接触IC卡读写器将入口信息写入所述双界面CPU卡。

在上述任一方案中优选的是，所述入口信息包括：入口站名、入口车道、入口时间、车型、车牌号码中至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡在出口激活时，非接触IC卡读写器读出保存在所述通行卡内双界面CPU卡中的信息。

在上述任一方案中优选的是，所述双界面CPU卡中的信息包括行车过程中记录的车辆经纬度值。

在上述任一方案中优选的是，所述非接触IC卡读写器读出保存在所述通行卡内双界面CPU卡中的信息后，所述通行卡进入休眠模式。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡印刷电路板采用FPC挠性电路板。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡外壳采用塑胶材质。

在上述任一方案中优选的是，所述锂电池采用超薄聚合物锂电池。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡的厚度小于等于5毫米。

在上述任一方案中优选的是，所述CPU模块定时自动唤醒时间间隔为10至15分钟。

在上述任一方案中优选的是，所述工作模式每次工作时间小于等于500毫秒。

在上述任一方案中优选的是，所述双面CPU卡同时支持接触式和非接触式通讯方式。

本发明还提供了一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别实现方法，采用上述通行卡，所述方法包括以下步骤：

通行卡处于休眠状态等待发卡；

车辆进入收费站，通行卡被激活，收费员将入口信息写入通行卡；

车辆离开收费站进入高速公路，通行卡进入休眠状态；

通行卡定时被唤醒，采集当前经纬度坐标值，并将所述经纬度坐标值写入双界面CPU卡中；

车辆到达收费站出口，通行卡被激活，收费员读取卡内的入口信息及一系列经纬度坐标值；

收费软件根据读取的所述入口信息及所述一系列经纬度坐标值进行运算，确定车辆行驶路径，并计算出应收通行费；

行车人员缴纳通行费，离开高速路，所述通行卡进入休眠状态。

优选的是，所述入口信息包括：入口站名、入口车道、入口时间、车型、车牌号码中至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述通行卡定时被唤醒的时间间隔为10至15分钟。

本方案实现了精确的路径识别，又兼容了现有的收费系统，无需建设基站，也无需更换现有设备。另外，由于通行卡内采用了双界面CPU卡，安全性比原有的非接触式IC卡更高，存储容量更大，可以存放入口车道抓拍的车辆图像，有效的防止了倒卡现象的发生。

附图说明

图1为多义性路网示意图。

图2为按照本发明所实施的通行卡的路径识别原理示意图。

图3是按照本发明所实施的通行卡结构框图。

图4是根据图3所述通行卡所实施的高速公路多义性路径识别实现方法流程图。

具体实施方式

下面参照附图结合示例性的实施例对本发明进行详细描述。

图1为多义性路网示意图，由于高速公路路网的复杂性，两个收费站之间往往存在有两条或两条以上不同的行驶路径如图1所示，A点与I点之间存在多条行驶路径，这就是所谓的高速公路多义性（二义性）路径问题。

本发明的识别原理：

进入高速公路的有车辆必须在入口领取一张记载了车辆相关信息（相关信息指的是车牌号、车型类别、入口时间、地点等）的通行卡，作为出口缴费的依据。但普通的通行卡没有GPS定位跟踪功能，有定位跟踪功能的GPS终端又无法写入相关信息作为通行卡使用，基于GPS/北斗的通行卡则同时具备了高速公路通行卡和GPS定位跟踪的双重功能。通行卡在车辆行驶过程中通过卫星定位获取车辆的地理定位信息(经纬度)；在高速公路出口，利用非接触式IC卡读写器，除了读取通行卡内车辆的通用的入口信息外，还要读取保存在卡内的车辆行驶经过的路网地理定位信息(经纬度)，再通过收费软件查询经纬度与高速公路路段业主对应表，经过已构建的数学模型的计算，即可得到车辆实际行驶路径，从而实现路径的精确识别。

为了更方便的说明利用GPS卫星定位的通行卡来进行多义性路径识别的原理，我们将从A地到B地的路径简化为图2所示只有三条，分别为AB1、AB2、AB3，分别围绕三条路径建立三个区域，其对应的地理信息坐标为区域1（X11,Y11、X1n,Y1n）、区域2（X21，Y21、X22,X22,22、X2n,2n）、区域3（X31,Y31、X32,Y32、X3n,Y3n）。车辆在行驶过程中通过通行卡内嵌的GPS功能定时采集地理坐标，如果车辆采集到的经纬度坐标落在区域1内，则行驶路径为AB1;如果车辆采集到的经纬度坐标落在区域2内，则行驶路径为AB2;如果车辆采集到的经纬度落在区域3内，则行驶路径为AB3。更复杂的多条路径的识别原理相同，无非是划分的区域更多而已。

通行卡的结构框图如图3所示，它由CPU模块、GPS/北斗模块、电源管理模块、可充电锂电池、无线充电模块、加速度传感器及双界面CPU卡几个部分构成。CPU模块是该卡的核心部分，它按照预存在CPU里的定制软件，接受相关模块发送的信息，并将GPS采集到的地理坐标（经纬度）定时的写入到双界面CPU卡中。电源管理模块对通行卡的供电进行管理，当卡还没有发到司机手时，它是处于休眠模式，维持低功耗状态。一旦车辆进入收费车道，收费员拿起通行卡准备放到读卡器上写卡时，加速度传感器即激活CPU模块，使通行卡处于工作模式，非接触IC卡读写器将入口信息（包括入口站名、入口车道、入口时间、车型、车牌号码等）写入通行卡的双界面CPU卡模块内，司机领取通行卡进入高速公路后，通行卡又进入休眠模式，车辆在高速公路行驶时，CPU定时自动唤醒，并激活电源管理模块通知GPS模块采集当前的地理信息数据，并将所采集到的经纬度坐标值写入双界面CPU卡中。当车辆准备离开高速公路，进入出口站时，司机将通行卡递给收费员，此时加速度传感器又激活了通行卡内的CPU,通行卡进入工作模式，由非接触IC卡读写器读出保存在通行卡内双界面CPU卡中的车辆入口信息及一系列的经纬度坐标值，经过上位机收费软件的运算，比对、判断，最终得出该车辆的行驶路径及应缴纳的通行费金额。在收费员读完卡后，通行卡又进入休眠模式。

如图4所示为通行卡的工作流程图，如图所示包括：通行卡处于休眠状态等待发卡；车辆进入收费站，通行卡被激活，收费员将入口信息写入通行卡；车辆离开收费站进入高速公路，通行卡进入休眠状态；通行卡定时被唤醒，采集当前经纬度坐标值，并将所述经纬度坐标值写入双界面CPU卡中；车辆到达收费站出口，通行卡被激活，收费员读取卡内的入口信息及一系列经纬度坐标值；收费软件根据读取的所述入口信息及所述一系列经纬度坐标值进行运算，确定车辆行驶路径，并计算出应收通行费；行车人员缴纳通行费，离开高速路，所述通行卡进入休眠状态。

通行卡的具体设计：

1、控制通行卡的厚度

GPS通行卡是由多个模块构成的，并且还必须要有电池供电。卡片的厚度会比传统的非接触IC卡要厚。但考虑到卡片的发行、读写、携带、运输、调配等环节的使用要求，卡片的厚度必须控制在一个可接受的范围内。厚度的控制可以从几个方面来考虑，首先印刷电路板要采用FPC挠性电路板。FPC——Flexible Printed Circuit挠性电路板又称软性电路板或柔性电路板；以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材，通过蚀刻在铜箔上形成线路而制成的一种具有高度可靠性，绝佳挠曲性的印刷电路。体积较大的集成电路芯片可采用未封装的裸片，通过绑定的方式与电路板连接。电阻、电容、电感等元器件应尽量采用小尺寸、超薄的元件。外壳则应采用PVC、PC、PET或ABS等较好的塑胶材质，充电锂电池应采用超薄聚合物锂电池，它的最大的特点是整个电池的厚度不到1mm，犹如纸张一样薄，且循环寿命长，自耗电低。在安全性能上能经受过充、过放、短路、针刺、热冲击、重物撞击、不着火不爆炸。通过以上几种措施，能够把整个通行卡的厚度控制在5mm以内。

2、延长电池的使用时间。

由于通行卡的体积限制，电池容量不可能做的很大。因此必须在电路设计及固化程序上采取必要的措施。首先集成电路应采用低功耗的芯片，其次要加入电源管理模块及加速度传感器，使得通行卡在大部分时间内都处于休眠状态。通行卡在休眠状态下的整体功耗小于300微安。通行卡在发出前及回收后均处于低功耗的休眠状态，通行卡发出后跟随车辆在高速公路行驶过程中，没有必要全程启动GPS 检测记录地理位置信息，只需每隔10-15分钟唤醒工作一次，每次工作时间不会超过500ms,其余时间均处于休眠状态，这样给通行卡充一次电就可以持续工作两到三年的时间。

3、无线充电技术的应用

通行卡中电池不管是能用两年还是三年，总有耗尽的一天，由于通行卡数量众多，由于电池耗尽而丢弃的话，将会造成巨大的浪费。因此，通行卡必须设计成能够反复充电。由于通行卡主要的工作时间是放在司机手中，为防止人为损坏或液体等侵蚀，通行卡外部必须全密封，不能留有任何接口。好在目前无线充电技术已经成熟，商业化的无线充电器也已大量上市，解决无线充电并不是一个太难的问题。

在国际上目前主流的无线充电标准有三种：Power Matters Alliance（PMA）标准、Qi标准、Alliance for Wireless Power（A4WP）标准。2010年九月一日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟WPC（Wireless Power Consortium）在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。Qi标准采用了目前主流的电磁感应技术，在通行卡内加装电磁感应装置，同时外部需要一个无线充电器。将通行卡装入到卡片周转箱中，将周转箱放到无线充电器的平板上，就可以批量、高效地对通行卡进行充电与管理了。

4、GPS模块的选型

GPS(global positioning system)是全球定位系统的简称，能提供全天候的定位、授时、测速功能。gps已被广泛应用于航天、航空、航海、运输、测量、勘探等诸多领域。随着数字大规模集成电路的发展和定位功能需求，gps已经开始更多地嵌入到移动手持设备、消费电子产品中。核心芯片是gps系统的关键部分之一，核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同gps产品的性能差异，芯片技术直接关系到gps产品的技术指标和未来发展走向。，现有的芯片市场基本上还是国外几大厂商占据，这其中影响较大的有sirf、garmin、u-blox、摩托罗拉、索尼、富士通、nxp、nemerix、unav等厂商，其中美国SIRF（Sirf ）公司的GPS芯片占据了全球约70%的市场份额。SIRF新的五代GPS主控芯片，官方称呼是Atlas-V，芯片上丝印是AT550和AT551，ARM11架构，主频约667Mhz，性价比相对较高。SIRF Atlas-V无论在性能方面，还是在功能方面都能满足需求，同时，利用SIRF Atlas-V内建的处理器，可以节省一个CPU的费用，减少了设备体积。

5、双界面CPU卡

目前，我国高速公路人工收费车道均使用非接触式IC卡作为通行卡，非接触式IC卡是非接触式逻辑加密卡，它遵循标准协议为ISO14443A，存储容量为8Kbit,有16个分区，每分区两组密码，工作频率为13.56MHz。而ETC车道车载OBU里用的是双界面CPU卡。所谓双界面CPU卡是一种同时支持接触式与非接触式两种通讯方式的CPU卡，接触接口和非接触接口共用一个CPU进行控制，接触模式和非接触模式自动选择。一方面具备接触式CPU卡的功能，具有安全性高、数据传输稳定，存储容量大等特点；另一方面具备非接触式CPU卡的功能，具有传输速度快，交易时间短（一般不超过100ms）等特点，同时支持ISO/IEC7816和ISO/IEC14443技术标准；符合《中国金融集成电路(IC)卡卡片规范》。

因为本通行卡既要接收GPS模块采集的地理信息坐标，又要兼容收费岗亭原有的非接触式IC卡读写器，所以采用了双界面CPU卡。其接触部分符合ISO7816和《中国金融集成电路IC卡规范》的要求，非接触部分符合ISO14443规范中的TYPE A类标准。这样高速公路收费系统原有的非接触式IC卡读写器无须更换，收费系统的认证机制也无须修改，新的通行卡与现有系统高度兼容。

本方案解决了车辆行驶路线的多义性路径无法精确识别的问题，对减少高速公路通行费的流失，实现通行费在各投资主体之间合理、公平的拆账清分具有重要意义，同时又兼容了现有的收费系统，无需建设基站，也无需更换现有设备。另外，由于通行卡内采用了双界面CPU卡，安全性比原有的非接触式IC卡更高，存储容量更大，可以存放入口车道抓拍的车辆图像，有效的防止了倒卡现象的发生。

为了更好地理解本发明，以上结合具体实施例对本发明作了详细说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以上实施例具有示例性而没有限制的含义。

Claims (18)

1.一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，所述通行卡包括CPU模块、锂电池、电源管理模块，其特征在于，所述通行卡进一步包括无线充电模块、GPS/北斗模块、双界面CPU卡和加速度计检模块；所述电源管理模块用于管理通行卡的供电模式，所述供电模式包括休眠模式和工作模式，所述工作模式每次工作时间小于等于500毫秒；所述加速度计检模块用于激活所述CPU模块，所述激活方式包括高速路入口激活和出口激活。

2.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述CPU模块将所述GPS/北斗模块采集到的地理坐标写入所述双界面CPU卡中。

3.根据权利要求2所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述地理坐标包括经纬度。

4.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述CPU模块定时自动唤醒，并激活所述电源管理模块通知所述GPS/北斗模块采集当前的地理信息数据。

5.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述通行卡在入口激活时，非接触IC卡读写器将入口信息写入所述双界面CPU卡。

6.根据权利要求5所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述入口信息包括：入口站名、入口车道、入口时间、车型、车牌号码中至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述通行卡在出口激活时，非接触IC卡读写器读出保存在所述通行卡内双界面CPU卡中的信息。

8.根据权利要求7所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述双界面CPU卡中的信息包括行车过程中记录的车辆经纬度值。

9.根据权利要求7所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述非接触IC卡读写器读出保存在所述通行卡内双界面CPU卡中的信息后，所述通行卡进入休眠模式。

10.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述通行卡印刷电路板采用FPC挠性电路板。

11.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述通行卡外壳采用塑胶材质。

12.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述锂电池采用超薄聚合物锂电池。

13.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述通行卡的厚度小于等于5毫米。

14.根据权利要求4所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述CPU模块定时自动唤醒时间间隔为10至15分钟。

15.根据权利要求1所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别通行卡，其特征在于，所述双界 面CPU卡同时支持接触式和非接触式通讯方式。

16.一种基于卫星定位的高速公路多义性路径识别实现方法，采用如权利要求1至15中任一项所述的通行卡，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通行卡处于休眠状态等待发卡；

车辆进入收费站，通行卡被激活，收费员将入口信息写入通行卡；

车辆离开收费站进入高速公路，通行卡进入休眠状态；

通行卡定时被唤醒，采集当前经纬度坐标值，并将所述经纬度坐标值写入双界面CPU卡中，通行卡工作时间不超过500ms；

车辆到达收费站出口，通行卡被激活，收费员读取卡内的入口信息及一系列经纬度坐标值；

收费软件根据读取的所述入口信息及所述一系列经纬度坐标值进行运算，确定车辆行驶路径，并计算出应收通行费；

行车人员缴纳通行费，离开高速路，所述通行卡进入休眠状态。

17.根据权利要求16所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别实现方法，其特征在于，所述入口信息包括：入口站名、入口车道、入口时间、车型、车牌号码中至少一种。

18.根据权利要求16所述的基于卫星定位的高速公路多义性路径识别实现方法，其特征在于，所述通行卡定时被唤醒的时间间隔为10至15分钟。