CN110473303A - 一种高速公路自由流收费方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路自由流收费方法和系统，该系统包括运营商运营的多个宏基站、布置于高速公路出入口的小基站、安装于机动车内部的收费终端、后台数据中心；该方法包括：机动车行驶时收费终端从临近的宏基站和小基站获取各基站信息以及当前连接到的基站的信息，并结合收费终端自身的信息一起发送至后台数据中心；后台数据中心基于接收到的信息确定激动车的行驶路径，结合路径收费规则，计算出对应机动车途径高速公路的应缴费用，并对收费终端关联的后台账户进行扣费。本发明能够实现机动车在高速公路运行时的无感收费，无需在公路上建立大量的收费站，能够节约大量的人力物力。

Description

一种高速公路自由流收费方法和系统

技术领域

本发明属于智慧交通技术领域，尤其涉及一种高速公路自由流收费方法和系统，适用高速公路、桥梁隧道或各级收费公路。

背景技术

高速公路、桥梁隧道及各级收费公路，目前主要依靠在收费关卡设置收费岗亭、道闸来实现收费，收费方式主要为人工收费或ECT收费。人工收费要求车辆在道闸前停车，通过取卡，还卡，缴费等流程，才能通过收费关卡，ECT收费虽然为收费过程提供了一定的便利，然而，在车辆过关卡时，也要求车辆降低到低速，等待道闸开启后，才能通过关卡。综合来看，现有的收费方式主要存在如下弊端：

1、车辆在经过高速公路关卡时，需要停车或降为低速，完成缴费流程后，等待道闸开闸，方能通过关卡，通行效率十分低，容易造成堵车。

2、在高速公路关卡，建造收费岗、道闸等大型的收费工程项目，建设成本高，建设时间长，提高了高速公路建设的成本和工期，不利于国家路网的大规模规划和建设。

3、驾车过程受收费关卡影响，无法做到自由行驶和无感收费，车主驾乘的体验感较差。

4、当收费起点和终点之间存在多义性路径(即起点和终点相同，途径路径存在多条)时，无法精确收费，只能采取最短路径原则进行收费，从而使有关部门的收费金额造成了损失。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种有效解决rehash冲突的元素序列生成方法。

技术方案：本发明的高速公路自由流收费方法，包括如下步骤：

(1)通过注册在后台数据中心的账户数据库中建立每个用户的后台账户，并通过绑定将每个收费终端的设备物理号信息与各后台账户进行关联；

(2)通过后台数据中心中的收费交易模块对后台账户进行充值，作为高速公路自由流收费的基础金额；

(3)车辆在行驶时，车内的收费终端通过射频芯片主动向附近各宏基站和小基站进行查询，获取所有临近小区宏基站和小基站的MCC码、MNC码、LAC码、CID码、基站识别码、RSSI值等信息，以及当前连接基站的LAC码和CID码，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至所述后台数据中心；

(4)所述后台数据中心的路径计算模块对来自收费终端的数据进行分析，计算出车辆在高速公路上的行驶路径；

(5)根据步骤(4)中计算出的车辆在高速公路上的行驶路径，结合路径收费计算公式，计算出车辆途径高速公路的应缴费用；

(6)通过所述收费交易模块对后台账户进行扣费。

步骤(4)具体包括：(41)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MCC码解析出车辆行驶的国家区域；(42)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MNC码解析出各个基站的运营商归属；(43)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的基站识别码解析出行驶路径附近的各个基站的属性，所述属性用于指示对应基站是运营商宏基站还是小基站；(44)根据步骤(43)解析出的基站属性，筛选出所有小基站数据，并根据小基站LAC码，解析出车辆进高速的小基站位置A0和出高速的小基站位置An；(45)根据车辆行驶过程中获取到的当前连接基站的LAC码、CID码、RSSI值，解析出行驶路径上各时间点所连接基站的位置，并确定每次切换基站的时间点位置，每次切换基站的时间点位置即切换前连接基站和切换后连接基站位置连线的中心点Mi，i＝1、2、3、……；(46)根据车辆行驶过程中获取到的临近小区基站的LAC码、CID码、RSSI值，解析出行驶路径各时间点附近的各个基站的位置，并基于各基站的位置和RSSI值计算各时间点车辆的位置信息Si，i＝1、2、3、……；(47)通过同步欧式距离筛选算法对A0、An、Mi、Si，进行过滤筛选，计算出有效的路径数据；(48)基于步骤(47)中计算出的有效路径数据，通过道格拉斯抽稀算法，计算出车辆完整的路径轨迹。

步骤(46)具体包括：在各时间点处，根据信号强度数据，从搜寻到的附近基站中选取信号强度最强的3个邻区基站作为定位计算依据，根据无线电传播路径损耗理论公式，将RSSI值转化成相应的距离数值，运用三角形质心算法，采用3组邻区基站的位置信息，计算出当前时间点车辆的位置信息Sn。

本发明的高速公路自由流收费系统包括：多个宏基站、布置于高速公路出入口的小基站、安装于机动车内部的收费终端、后台数据中心；所述收费终端在车辆行驶时，主动对机动车附近的各宏基站和小基站进行查询，获取所有临近小区宏基站和小基站的MCC码、MNC码、LAC码、CID码、基站识别码、RSSI值等信息，以及当前连接基站的LAC码和CID码，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至所述后台数据中心；所述后台数据中心包括账户数据模块、收费交易模块、路径计算模块、数据对接模块和终端数据存储模块；数据对接模块用于接收各收费终端的数据，并根据协议进行解析后，存入所述终端数据存储模块；路径计算模块用于从所述终端数据存储模块中调出对应收费终端的相关基站数据、设备号和时间信息，以计算出车辆行驶路径，并将计算出的车辆行驶路径存入所述终端数据存储模块中；收费交易模块用于从所述终端数据存储模块中读取各收费终端对应的行驶路径，根据各收费规则计算出收费金额，并在所述账户数据块中进行扣费。

进一步地，所述收费终端包括电源电路、微处理器、数据存储器、射频芯片；所述射频芯片用于实现与宏基站和小基站实现无线数据传输；所述数据存储器用于对各收费终端的设备号、上传目标IP号、端口号、工作模式进行存储记录；所述电源电路用于将车载电源转换成收费终端内各单元的供电电压；所述微处理器与电源电路、数据存储器、射频芯片连接，用于实现数据处理及功能控制。

进一步地，所述收费终端还包括与微处理器连接的三轴加速度器、三轴磁强计、三轴陀螺仪；三轴加速器用于提供车辆加速度信息，三轴磁强计用于提供车辆方向信息，三轴陀螺仪用于提供车辆水平倾斜信息；所述收费终端中的微处理器接收所述车辆加速度信息、方向信息和水平倾斜信息，并通过所述射频芯片传送给所述后台数据中心，用于辅助判别车辆轨迹是否存在明显异常。

进一步地，所述小基站还包括能量约束系统，用于控制信号的发射距离，以使所发射的信号仅能被到达高速公路出入口的机动车中的收费终端接收。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用运营商建造的大量分布的宏基站配合少量小型一体化基站(小基站)来实现高速公路收费，通过在各收费关卡建造成本低廉的小型一体化基站(小基站)，代替了原本的收费岗亭、道闸、ECT设备等高昂的建造工程，大大降低了国家路网收费工程项目的建造成本和建设周期，为国家路网的建设提供便利。

2、通过无感定位和无感支付技术，实现了车辆在高速公路的自由流收费，解决了原本收费关卡车辆因停车、减速等造成的车辆拥堵问题，提升了高速公路的通行效率。

3、通过宏基站、小基站及多算法定位技术，实现了车辆在高速收费路段的精确定位，解决了多义性路径收费不精确问题，为有关部门挽回收费金额的损失。

4、采用本发明的技术方案后，所有收费路网将不再设置物理上的收费关卡，实现真正意义的自由行驶和无感收费，有效提升了用户的驾乘体验感。

5、通过收费终端与后台数据系统结合定位的方式，解决了GPS、北斗定位技术在隧道内信号丢失的问题，实现了各类路网的有效定位；

6、通过将每次切换前后连接的基站位置连线的中心点Mi与各时间点车辆的位置信息Si结合，可以避免其中仅使用其中一种方式计算路径时出现的不够准确的情况，进一步提高了行驶路径计算的精确度。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的车载收费终端的结构框图；

图3为本发明小型一体化基站(小基站)的结构框图；

图4为本发明小基站定位示意图；

图5为本发明宏基站切换定位示意图；

图6为本发明临近小区基站定位示意图；

图7为本发明中路径位置数据轨迹图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种高速公路自由流收费系统，该系统包括无线网络运营商部署的多个宏基站、布置于所有高速公路出入口的小型一体化基站(下文简称小基站)，安装于每辆汽车内部的收费终端、后台数据中心，如图1所示。

1、收费终端

如图2，收费终端包括电源电路、微处理器、数据存储器、射频芯片。射频芯片为4G射频芯片或5G射频芯片的一种或两种组合，用于实现与宏基站和小基站实现无线数据传输。数据存储器用于对收费终端的设备号、上传目标IP号、端口号、工作模式等数据进行存储记录。电源电路用于将车载电源转换成收费终端内各单元的供电电压。微处理器作为核心器件，与数据存储器、射频芯片连接，用于实现数据处理及功能控制。

优选地，收费终端还包括与微处理器连接的三轴加速度器、三轴磁强计、三轴陀螺仪。三轴加速度器用于提供车辆加速度信息，三轴磁强计用于提供车辆方向信息，三轴陀螺仪用于提供车辆水平倾斜信息。收费终端可以将车辆的加速度、方向、倾斜等信息传送给后台数据系统，用于辅助判别车辆轨迹是否存在明显异常。

2、小型一体化基站(下文简称小基站)

如图3，小基站包括CPU、数据存储器、射频模块、电磁能量约束装置。小基站安装于高速公路出入口，用于与车辆收费终端进行数据通讯，将其自身位置信息、识别码等发送给收费终端。小基站通过电磁能量约束装置实现射频模块发射距离的控制，通常地，距离范围控制在20米～30米之间，仅能被到达高速公路出入口的车辆收费终端进行连接及数据传输。数据存储器用于存储小基站的配置信息。优选地，小基站还包含定位模块，定位模块采用和芯星通的UM220-IV M，用于获取自身的地理位置信息，并发送给车载收费终端，以在后台数据中心没有存储各小基站对应的位置数据时，能够将各自小基站的位置信息通过射频芯片发送至后台数据中心。

3、后台数据中心

后台数据中心包括数据对接模块、终端数据存储模块、路径计算模块、收费交易模块和账户数据模块。

数据对接模块、终端数据存储模块、路径计算模块、收费交易模块和账户数据模块均为运行在后台服务器上的软件功能模块。所有的车载终端数据上传到后台数据中心后，首先通过数据对接模块进行辨别，根据约定的报文协议格式，将符合正确报文格式的数据按报文格式解析出有效数据，并存入终端数据存储模块中。路径计算模块能够从终端数据存储模块中调出相关基站数据，并根据本发明步骤中的算法计算出车辆行驶路径，并将路径数据存入终端数据存储模块中。收费交易模块能够从终端数据存储模块中调出相关路径数据，并根据预先设定的路径收费计算公式，计算出车辆途径高速公路的应缴费用，并将费用数据在账户数据模块中相应账户余额进行扣除。

上面介绍了高速公路自由流收费系统，以下来介绍相应的高速公路自由流收费方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、通过注册在后台数据中心的账户数据模块中建立每个用户的后台账户，并通过绑定将每个收费终端的设备物理号信息与各后台账户进行关联；

步骤2、通过后台数据中心的收费交易系统对后台账户进行充值，作为高速公路自由流收费的基础金额；

步骤3、车辆在行驶时，车内的收费终端通过射频芯片主动向附近各宏基站和小基站进行查询，获取所有临近小区宏基站和小基站的MCC码(即商户类别码)、MNC码(即移动网络码)、LAC码(即位置区码)、CID码(即小区识别码)、基站识别码、信号强度值(例如，RSSI值)等信息，以及当前连接基站的LAC码(位置区码)和CID码(小区识别码)，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至后台数据中心。

步骤4、后台数据中心的路径计算模块对数据进行分析，计算出车辆在高速公路上的行驶路径，具体方法步骤如下；

步骤41、根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MCC码解析出车辆行驶的国家区域(例如460为中国)；

步骤42、根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MNC码解析出各个基站的运营商归属(例如00为移动，01为联通)；

步骤43、根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的基站识别码解析出行驶路径附近的各个基站的属性(是运营商宏基站还是小基站)；

步骤44、根据步骤43的基站属性，筛选出所有小基站数据，并根据小基站位置区码，解析出车辆进高速的小基站位置A0和出高速的小基站位置An，如图4所示；

步骤45、根据车辆行驶过程中获取到的当前连接基站的位置区码(即LAC码)、小区识别码(即CID码)、信号强度(如RSSI值)等信息，解析出行驶路径各时间点所连接基站的位置，并确定每次切换基站的时间点位置，每次切换基站的时间点位置即为切换前连接基站和切换后连接基站位置连线的中心点Mi，，i＝1、2、3、……，如图5所示；

步骤46、根据车辆行驶过程中获取到的临近小区基站的位置区码、小区识别码、信号强度等信息，解析出行驶路径各时间点附近的各个基站的位置，通常每个时间点搜寻到的附近基站数量为4～6个，根据信号强度数据，选取信号强度最强的3个邻区基站作为定位计算依据，根据无线电传播路径损耗理论公式，将RSSI值(信号强度)转化成相应的距离数值，运用三角形质心算法，采用3组邻区基站的位置信息，计算出各时间点车辆的位置信息Si，i＝1、2、3、……，如图6所示；

步骤47、根据步骤44、步骤45、步骤46中计算出的车辆行驶过程中各时间点的A0、An、Mi、Si等位置数据，如图7所示，通过同步欧式距离筛选算法，对数据进行过滤筛选，可以去除异常的位置数据，从而计算出有效的路径数据；

步骤48、将步骤47中计算出的有效路径数据，通过道格拉斯抽稀算法，计算出车辆完整的行驶路径。道格拉斯抽稀算法对路径数据具有较好的保真度，且当数据量大情况下，从而更为准确的还原路径轨迹。

在步骤4中，通过将每次切换前后连接的基站位置连线的中心点Mi与各时间点车辆的位置信息Si结合，可以避免其中仅采用Mi或仅采用Si来计算路径时出现的不够准确的情况，进一步提高了行驶路径计算的精确度。

步骤5、根据步骤4中计算出的车辆在高速公路上的行驶路径，结合路径收费规则，计算出车辆途径高速公路的应缴费用。

步骤6、通过收费交易系统对后台账户进行扣费。作为方案优化，在扣费完成后，通过短信或推送方式将扣费信息推送到收费终端对应的用户手机上，完成收费操作。

本发明的使用方法如下，本发明充分利用运营商建造的大量分布的宏基站，因此，无需对宏基站再进行建造，只需要高速公路出入口安装少量小型一体化基站(小基站)，无需安装道闸、收费岗亭等物理拦截设施。每台车辆内部装入收费终端，车主通过注册绑定，将每个收费终端设备物理号信息与后台数据中心的各账户进行对应关联，建立每个用户的后台账户，车主可以通过移动终端与后台数据中心通信，从而对收费交易模块中的后台账户进行充值，之后，车主在高速公路驾驶过程中，便可以完全自由行驶，收费终端在车辆行驶途中，会主动向附近各宏基站和小基站进行查询，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至后台数据中心，后台数据中心根据方案中的算法，计算出车辆在高速公路上的行驶路径，再结合路径收费规则，计算出车辆途径高速公路的应缴费用，之后在收费交易中心对后台账户进行自动扣费。

以上所述仅为本发明的基本原理和实施举例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本申请内容所作的类似结构的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高速公路自由流收费方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过注册在后台数据中心的账户数据模块中建立每个用户的后台账户，并通过绑定将每个收费终端的设备物理号信息与各后台账户进行关联；

(2)通过后台数据中心中的收费交易模块对后台账户进行充值，作为高速公路自由流收费的基础金额；

(3)车辆在行驶时，车内的收费终端通过射频芯片主动向附近各宏基站和小基站进行查询，获取所有临近小区宏基站和小基站的MCC码、MNC码、LAC码、CID码、基站识别码、RSSI值等信息，以及当前连接基站的LAC码和CID码，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至所述后台数据中心；

(4)所述后台数据中心的路径计算模块对来自收费终端的数据进行分析，计算出车辆在高速公路上的行驶路径；

(5)根据步骤(4)中计算出的车辆在高速公路上的行驶路径，结合路径收费规则，计算出车辆途径高速公路的应缴费用；

(6)通过所述收费交易模块对后台账户进行扣费。

2.根据权利要求1所述的高速公路自由流收费方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：

(41)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MCC码解析出车辆行驶的国家区域；

(42)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的MNC码解析出各个基站的运营商归属；

(43)根据车辆行驶过程中获取到的附近基站的基站识别码解析出行驶路径附近的各个基站的属性，所述属性用于指示对应基站是运营商宏基站还是小基站；

(44)根据步骤(43)解析出的基站属性，筛选出所有小基站数据，并根据小基站LAC码，解析出车辆进高速的小基站位置A0和出高速的小基站位置An；

(45)根据车辆行驶过程中获取到的当前连接基站的LAC码、CID码、RSSI值，解析出行驶路径上各时间点所连接基站的位置，并确定每次切换基站的时间点位置，每次切换基站的时间点位置即切换前连接基站和切换后连接基站位置连线的中心点Mi，i＝1、2、3、……；

(46)根据车辆行驶过程中获取到的临近小区基站的LAC码、CID码、RSSI值，解析出行驶路径各时间点附近的各个基站的位置，并基于各基站的位置和RSSI值计算各时间点车辆的位置信息Si，i＝1、2、3、……；

(47)通过同步欧式距离筛选算法对A0、An、Mi、Si，进行过滤筛选，计算出有效的路径数据；

(48)基于步骤(47)中计算出的有效路径数据，通过道格拉斯抽稀算法，计算出车辆完整的行驶路径。

3.根据权利要求2所述的高速公路自由流收费方法，其特征在于，步骤(46)具体包括：

在各时间点处，根据信号强度数据，从搜寻到的附近基站中选取信号强度最强的3个邻区基站作为定位计算依据，根据无线电传播路径损耗理论公式，将RSSI值转化成相应的距离数值，运用三角形质心算法，采用3组邻区基站的位置信息，计算出当前时间点车辆的位置信息Sn。

4.一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，包括多个宏基站、布置于高速公路出入口的小基站、安装于机动车内部的收费终端、后台数据中心；

所述收费终端在车辆行驶时，主动对机动车附近的各宏基站和小基站进行查询，获取所有临近小区宏基站和小基站的MCC码、MNC码、LAC码、CID码、基站识别码、RSSI值等信息，以及当前连接基站的LAC码和CID码，并将所获取的信息连同本机设备号、当前时间信息通过当前接入的宏基站发送至所述后台数据中心；

所述后台数据中心包括账户数据模块、收费交易模块、路径计算模块、数据对接模块和终端数据存储模块；数据对接模块用于接收各收费终端的数据，并根据协议进行解析后，存入所述终端数据存储模块；路径计算模块用于从所述终端数据存储模块中调出对应收费终端的相关基站数据、设备号和时间信息，以计算出车辆行驶路径，并将计算出的车辆行驶路径存入所述终端数据存储模块中；收费交易模块用于从所述终端数据存储模块中读取各收费终端对应的行驶路径，根据各收费规则计算出收费金额，并在所述账户数据块中进行扣费。

5.根据权利要求4所述的高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述收费终端包括电源电路、微处理器、数据存储器、射频芯片；所述射频芯片用于实现与宏基站和小基站实现无线数据传输；所述数据存储器用于对各收费终端的设备号、上传目标IP号、端口号、工作模式进行存储记录；所述电源电路分别与微处理器、数据存储器、射频芯片相连，用于将车载电源转换成所述微处理器、所述数据存储器、所述射频芯片的供电电压；所述微处理器与所述数据存储器、所述射频芯片连接，用于实现数据处理及控制。

6.根据权利要求5所述的高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述收费终端还包括与所述微处理器连接的三轴加速度器、三轴磁强计、三轴陀螺仪；三轴加速器用于提供车辆加速度信息，三轴磁强计用于提供车辆方向信息，三轴陀螺仪用于提供车辆水平倾斜信息；所述收费终端中的微处理器接收所述车辆加速度信息、方向信息和水平倾斜信息，并通过所述射频芯片传送给所述后台数据中心，用于辅助判别车辆轨迹是否存在明显异常。

7.根据权利要求4所述的高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述小基站还包括能量约束系统，用于控制信号的发射距离，以使所发射的信号仅能被到达高速公路出入口的机动车中的收费终端接收。