CN116229591A - 一种高速公路自由流收费方法与系统 - Google Patents

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梁廷桓
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张颖
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赵艺
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Abstract

本发明提供了一种高速公路自由流收费方法与系统，属于交通技术领域，包括：在车辆内部设置通信装置与车载定位装置，在高速公路收费处设置信号采集装置；通过车辆内部设置的车载定位装置实时获取车辆的位置数据，利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；当车辆到达高速公路收费处时，车辆内部设置的通信装置向信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。该发明能够实现高速公路自动收费。

Description

一种高速公路自由流收费方法与系统
技术领域
本发明属于交通技术领域，具体涉及一种高速公路自由流收费方法与系统。
背景技术
当前高速公路收费站广泛采用的电子不停车收费技术(ETC)存在通信距离短、时延高等缺陷，逃费、漏费现象屡见不鲜。
此外，传统ETC每次只允许一车收费，收费效率低下，虽然国内研究人员设计了一种多车道ETC自由流收费系统，但其需要安装大量通信设备和辅助装置，价格高昂且需要二次校验，依然无法满足大流量下自由流收费的目标，并且，传统ETC技术需要在高速沿线布设大量通信设备以完成路径稽查，设备投入和维护成本高昂。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种高速公路自由流收费方法与系统。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
在车辆内部设置通信装置与车载定位装置，在高速公路收费处设置信号采集装置；
通过车辆内部设置的车载定位装置实时获取车辆的位置数据，利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；
当车辆到达高速公路收费处时，车辆内部设置的通信装置向信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；
根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
进一步，所述获取车辆的位置数据包括：
观测站获取卫星信号后，按解算公式进行定位信息解算，得到地面观测站的经纬度、高度、时间信息，将经纬度、高度、时间信息与已知位置信息进行比对，得到差分修正数据；利用差分修正数据实时解算车辆位置数据。
一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，包括：
车辆内部设置的车载定位装置，用于实时获取车辆的位置数据；
车辆内部设置的处理单元，用于利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；
信号采集装置，设置于高速公路收费处；
车辆内部设置通信装置，用于当车辆到达高速公路收费处时，向信号采集装置信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；
后台处理中心，用于根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
进一步，还包括：
执法抓拍摄像头，用于拍摄驶过收费车道的车辆影像数据，作为交通执法稽查依据；
所述车辆影像数据包括车辆的前部、尾部影像。
进一步，还包括：路侧信息采集单元，用于收集车主的身份识别信息、行驶轨迹数据、车辆影像数据并进行打包操作。
进一步，还包括：边缘计算平台，用于对路侧信息采集单元预处理后的车辆数据进行处理，包括：
错误预警单元，用于将车辆识别信息与地方数据库的车辆信息进行匹配，将无法匹配的驾驶员和车辆的识别信息剔除并生成错误预警报告；
影像处理单元，用于利用深度学习算法识别车辆类型、颜色、号牌信息并统计每日交通量，隔离无牌照车辆影像，得到车辆影像处理数据；
若车辆离开收费车道时仍未成功上传身份识别信息，边缘计算平台在匹配所收集的身份识别信息和车辆影像时记录错误，并根据车辆影像提取车辆车牌号，由后台处理中心匹配对应车牌所绑定的驾驶员并发送缴费单。
进一步，所述后台处理中心包括：
路径匹配子系统，用于采用马尔可夫预测链的地图匹配算法将车辆行驶轨迹数据与全国高速路网进行拟合，计算得到车辆出行里程；
道路执法稽查子系统，用于将车主的身份识别信息与交管部门数据库中的驾驶员数据进行比对匹配，获取驾驶员身份和绑定的车辆信息；将得到的驾驶员身份和绑定的车辆信息与边缘计算平台的车辆影像处理数据进行比对，完成道路稽查，对匹配不通过的车辆和驾驶员进行登记存档；
线上支付子系统，其与银行缴费系统互通，用于根据车辆出行里程计算出行费用，并通过网上银行向车主发送账单。
进一步，所述高速公路自由流收费系统的收费路段包括：
主线基本路段，为高速公路的一部分，用于将车辆引入收费路段；
分流段，用于将采用不同收费方式的车辆分流变道；
MTC+货车服务段，用于为采用MTC收费的车辆和采用计重收费的车辆提供收费服务；
过渡段，用于连接分流段和MTC+货车收费车道；
自由流服务段，用于采集车主的身份识别信息和车辆行驶轨迹数据。
进一步，所述MTC+货车服务段包括：收费通道、收费岛、收费亭、货车计重收费车道；
所述收费通道为货车MTC混合收费车道，在车道地面埋设车辆动态计重设备；
当货车通过货车MTC混合收费车道时利用动态计重设备进行收费，当MTC车辆通过时不参与计重，在收费岛或收费亭正常取卡收费。
本发明提供的一种高速公路自由流收费方法与系统具有以下有益效果：
本发明在车辆内部设置设置通信装置与车载定位装置，在高速公路收费处设置信号采集装置；利用定位装置实时获取车辆的位置信息，进而根据位置信息得到车辆的行驶轨迹，当车辆到达高速公路收费处时，通过后台处理中心对车辆识别信息和轨迹信息进行处理，完成道路稽查和出行费用清算。本发明只需要在车内设置设置通信装置与车载定位装置并在收费处设置信号采集装置即可，不需要像传统ETC一样需要在道路安装大量通信设备和辅助装置以完成路径稽查，降低了收费系统建设成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
图1为本发明实施例的一种高速公路自由流收费系统示意图；
图2为本发明实施例的自由流收费车道示意图；
图3为本发明实施例的车辆路径检测系统示意图；
图4为本发明实施例的车载终端结构示意图；
图5为本发明实施例的收费区域路段划分示意图；
图6为本发明实施例的传统收费系统平均总延误示意图；
图7为本发明实施例的自由流收费系统平均总延误示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种高速公路自由流收费方法与系统，具体如图1所示，包括：
一种高速公路自由流收费方法，包括：在车辆内部设置通信装置与车载定位装置，在高速公路收费处设置信号采集装置；通过车辆内部设置的车载定位装置实时获取车辆的位置数据，利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；当车辆到达高速公路收费处时，车辆内部设置的通信装置向信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
一种高速公路自由流收费系统，包括：车辆内部设置的车载定位装置，用于实时获取车辆的位置数据；车辆内部设置的处理单元，用于利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；信号采集装置，设置于高速公路收费处；车辆内部设置通信装置，用于当车辆到达高速公路收费处时，向信号采集装置信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；后台处理中心，用于根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
本发明只需要在车内设置设置通信装置与车载定位装置并在收费处设置信号采集装置即可，不需要像传统ETC一样需要在道路安装大量通信设备和辅助装置以完成路径稽查，降低了收费系统建设成本。同时，本发明不需要对车辆进行降杆拦截，因此不需要车辆一个一个经过收费站进行结算，解决了现有技术中，传统ETC每次只允许次一车收费，收费效率低下的问题。
以下为本发明具体实施例：
1.自由流收费车道
自由流收费车道是车辆完成身份识别、数据上传的区域。包括5G路侧终端、执法抓拍摄像头、路侧信息采集单元和交通引导标志牌四个模块。
(1)车道龙门架上安装有5G路侧终端(5G-RSU)，其内置5G无线通信芯片(5G-NewRadio，5G-NR)，能够捕获车载终端天线信号，通过5G无线接口接收车辆上传的身份识别信息和行驶路径定位数据。
(2)车道龙门架及道路两侧安装有执法抓拍摄像头，拍摄驶过收费车道车辆的前部、尾部影像作为交通执法稽查依据。
(3)路侧信息采集单元与5G-RSU、执法抓拍摄像头连接，收集车辆身份识别信息及行驶轨迹数据、车辆影像数据并进行打包等预处理操作。
(4)在距离收费站2KM、1KM、500M处设置交通引导标志牌，预告驾驶员即将进入自由流收费车道并引导不同类型车辆分流换道。
2.车辆路径检测系统
车辆路径检测系统追踪车辆行驶轨迹以作为车辆出行费用结算凭据。包括北斗卫星系统、北斗地面观测站、中继基站三个部分。
(1)北斗卫星系统是我过自主研发的全球卫星定位系统，截止2022年共有45颗北斗卫星在轨提供服务。北斗卫星发射卫星信号供地面观测站和用户接收机捕获，实现定位功能。
(2)北斗地面观测站为设定在地面固定位置并配备有卫星信号接收机及解算平台的卫星观测站点，其位置信息已知。观测站观测北斗卫星信号，按解算公式进行定位信息解算，最终得到地面观测站的经纬度、高度、时间等信息，将其与已知位置信息进行比对，得到差分修正数据。目前，全国建设了4400座北斗地面观测站，做到了动态厘米级、静态毫米级的定位服务。
(3)差分数据中继基站通过5G网络将地面观测站差分修正数据发送给用户车载终端内的北斗单元。为提高信号覆盖率并降低建设成本，将现有配备5G通信设备的移动通信基站作为差分数据中继基站。
3.车载终端
车载终端集成5G通信单元和北斗定位单元，兼具通过5G空中接口收发数据、观测卫星信号并解算位置的功能。
(1)5G通信单元包括5G通信芯片(5G Microchip)和微型集成天线(5G-MIMO)，能够捕获路侧5G路侧终端发送的身份识别请求信号，并通过5G空中接口向5G路侧终端发送身份识别信息和行驶轨迹数据。
(2)北斗/GNSS单元按一定频率观测北斗卫星信号，同时接收北斗地面观测站发送的差分定位修正数据，借助北斗定位芯片(BDS/GNSS Microchip)实时解算车辆位置并存储在终端内的存储单元。
4.边缘计算平台
边缘计算平台是一个集成网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台。边缘计算平台搭配地方数据库，共同对路侧信息采集单元预处理的车辆数据进行分析。首先，平台联网匹配车辆识别信息，将无法匹配驾驶员和车辆的识别信息剔除并生成错误预警报告；其次平台采用深度学习算法识别车辆类型、颜色、号牌等并统计每日交通量，隔离无牌照车辆影像，辅助道路稽查。边缘计算平台实现靠近路侧的数据预处理和预比对，分担后台处理中心的部分算力，提高了系统运行效率。
5.后台处理中心
后台处理中心对各收费站上传的车辆识别信息和轨迹信息进行处理，完成道路稽查和出行费用清算。包括路径匹配子系统、执法稽查子系统和线上支付子系统。
(1)路径匹配子系统采用马尔可夫预测链的地图匹配算法，将车辆轨迹与全国高速路网进行拟合，计算得到车辆出行里程。
(2)道路稽查子系统将车辆识别信息与交管部门数据库中的驾驶员数据进行比对匹配，获取驾驶员身份和绑定车辆信息(颜色、轴距、轮数等)。系统将得到的匹配车辆信息与边缘计算平台得到的车辆影像处理数据进行比对完成道路稽查，对匹配不通过的车辆和驾驶员进行登记存档。
(3)线上支付子系统与银行缴费系统互通，根据车辆出行里程计算出行费用，通过网上银行向用户发送账单。
以下为办本发明收费区域路段划分细节：
本自由流收费系统收费区域划分为多个路段，包括主线基本路段、分流段、过渡段、自由流服务段、MTC+货车服务段。
(1)主线基本路段属于高速公路的一部分，与收费系统相连接。
(2)分流段是采用不同收费方式的车辆分流变道的路段，我国道路交通法规规定左侧为快车道，因此在进入分流段前应在路侧布设交通引导标志牌，引导驾驶员根据收费方式进行变道。考虑道分流段内车流交叉可能导致道路通行能力下降甚至发生交通事故，分流段长度不宜过短，200-800米为宜。
(3)过渡段指连接分流段和MTC+货车收费车道的拓宽路段，引导车流缓慢进入收费岛。
(4)自由流服务段主要包括自由流收费车道及相关设备，车辆在此路段上完成身份识别和路径数据传输。
(5)MTC+货车服务段指采用MTC收费的车辆和采用计重收费的车辆完成收费服务的路段，设有收费岛、收费亭等设施。
以下为本发明自由流收费车道设计细节：
自由流收费车道上设横跨车道的龙门架，配备5G路侧终端和执法抓拍摄像头。以现有市场上发售的5G路侧终端性能为参考，其通信范围为以门架为中心，半径500-800米的半球形区域，根据设备工作性能，在边缘地带通信质量受噪声影像较严重，因此自由流收费车道实际有效工作区长度在500米左右，收费车道整体长度设定在800-1000米左右较为合适。高清高速执法抓拍摄像头有效工作距离约为100米左右，摄像机的安装俯角较小，为了支持不同通行车速的车辆，摄像机图像输出的频率为100帧每秒。
自由流收费车道期望行驶速度为80-100公里/小时，根据公路设计规范，车道设计宽度为3.75米，硬路肩宽度应保持在3m以上。
以下为本发明MTC+货车收费车道设计细节：
MTC+货车收费车道设计主要涵盖收费站的设施设备，包括收费通道、收费岛、收费亭、货车计重收费车道等。为了更有效的利用车道空间，所有收费通道均采用货车MTC混合收费车道设计，车道地面埋设车辆动态计重设备，即货车通过时可以利用动态计重设备进行收费，MTC车辆通过时不参与计重，正常取卡收费。
以下为本发明系统运行流程：
(1)进入收费系统
车辆从普通公路进入收费系统，驾驶员目视到路侧交通引导标志牌。驾驶员根据收费方式选择是否分流变道。采用MTC收费的车辆以及计重收费货车向右换道进入相应收费车道。采用5G-北斗自由流收费系统的车辆保持靠左行驶。
(2)身份识别
收费车道龙门架上的5G路侧终端持续发出身份识别请求信号，当车辆进入自由流收费车道时，车载终端5G通信单元的集成微天线捕获该信号，并向路侧终端上传身份识别信息。
身份识别信息是一串数据链，存储有车辆车牌号码、轴数、车辆颜色等信息，采用ASCII编码，数据样例如下：
表1身份识别信息实例
Figure BDA0004136769860000091
(3)身份识别反馈
若身份识别信息上传成功，车载终端将蜂鸣一声提示驾驶员。若身份识别信息上传失败，车载终端将持续蜂鸣报警并重新尝试向5G路侧终端上传身份识别信息直到成功。
(4)识别失败应急措施
若车辆离开收费车道时仍未成功上传身份识别信息，边缘计算平台在匹配所收集的身份识别信息和车辆影像时将会记录错误，并根据车辆影像提取车辆车牌号，由后台服务中心匹配对应车牌所绑定的驾驶员并发送缴费单。
(5)5G网络层工作流程
路侧采集的车辆身份识别信息和影像数据通过5G网络上传至后台服务中心。5G路侧终端和执法抓拍摄像头通过光纤网络将数据传输至边缘计算平台，边缘计算平台通过5G基站(gNB)接入5G核心网，将预处理完毕的数据通过5G核心网传输至后台服务中心。
在5G核心网入口端设有UPF(UserPort Function，用户端口功能)，负责5G核心网中用户平面数据包的路由和转发功能。
在后台服务中心接入端设有网络审查机制，数据经过安全审查及查证后方可传入后台服务中心，保证用户信息安全。
(6)路途车辆轨迹检测流程
车辆在高速公路行驶过程中，北斗定位系统配合5G通信网络共同完成车辆出行轨迹的检测。
当车辆进入收费系统后，5G路侧终端会向车载终端发送一条路径检测启动指令，车载终端收到指令后将启动北斗/GNSS定位单元，以一定时间间隔观测卫星电磁波信号，解算车辆位置并记录。
车辆行驶在高速公路上，车载终端的5G天线自动搜索基站信号，建立与通信基站间的网络通路。基站作为中继节点，将北斗地面站发送的定位载波相位修正数据发送至车载终端，传入北斗/GNSS芯片进行解算，修正车辆定位数据，得到经过修正后的较高精度车辆定位坐标，并更新存储单元中的定位数据。
(7)收费站出口系统运行流程
收费站出口处，车辆身份信息上传流程与车辆影像采集流程与入口处一致，区别在于车辆还将向5G路侧终端上传车载终端存储单元内的车辆轨迹定位数据。
(8)交通执法和稽查机制
由于本收费系统为无杆收费系统，故存在套牌、冲卡等潜在违法行为。为保证高速公路通行费用收取的公正性，本系统投入使用时需配合严厉的稽查手段和惩罚机制，逃费漏费的驾驶员将被列入征信黑名单，并收取高额罚金。
以下为对本发明系统的服务水平优势论证：
参照目前已经普及的MTC-ETC混合收费站，建立4车道收费站模型，左侧两条为ETC或5G-BDS车道，右侧两条为MTC车道。通过仿真分别得到车辆通过5G-BDS收费站和ETC-MTC混合收费站的延误时间。结果如图6、图7所示，当ETC或5G-BDS系统采有率小于等于0.5时，两类收费站服务水平相当，当采有率大于等于0.7时，5G-BDS收费站的服务水平明显高于ETC-MTC混合收费站。在大交通量、高采有率条件下，5G-BDS收费站的服务水平将近于ETC-MTC混合收费站服务水平的10倍。
并且，传统ETC技术需要在高速沿线布设大量通信设备以完成路径稽查，设备投入和维护成本高昂，本装置只需在车内布设定位装置，在收费站布设信息获取单元，即可进行结算。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速公路自由流收费方法，其特征在于，包括：
在车辆内部设置通信装置与车载定位装置，在高速公路收费处设置信号采集装置；
通过车辆内部设置的车载定位装置实时获取车辆的位置数据，利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；
当车辆到达高速公路收费处时，车辆内部设置的通信装置向信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；
根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路自由流收费方法，其特征在于，所述获取车辆的位置数据包括：
利用观测站获取卫星信号后，按解算公式进行定位信息解算，得到地面观测站的经纬度、高度、时间信息，将经纬度、高度、时间信息与已知位置信息进行比对，得到差分修正数据；利用差分修正数据实时解算车辆位置数据。
3.一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，包括：
车辆内部设置的车载定位装置，用于实时获取车辆的位置数据；
车辆内部设置的处理单元，用于利用车辆的位置数据生成车辆的行驶轨迹数据；
信号采集装置，设置于高速公路收费处；
车辆内部设置通信装置，用于当车辆到达高速公路收费处时，向信号采集装置信号采集装置发送车辆的行驶轨迹数据和车主的身份识别信息；
后台处理中心，用于根据车辆的行驶轨迹数据得到车辆出行里程；根据车辆出行里程计算车辆的出行费用，并根据车主的身份识别信息向相应的车主发送账单。
4.根据权利要求3所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，还包括：
执法抓拍摄像头，用于拍摄驶过收费车道的车辆影像数据，作为交通执法稽查依据；
所述车辆影像数据包括车辆的前部、尾部影像。
5.根据权利要求4所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，还包括：路侧信息采集单元，用于收集车主的身份识别信息、行驶轨迹数据、车辆影像数据并进行打包操作。
6.根据权利要求5所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，还包括：边缘计算平台，用于对路侧信息采集单元预处理后的车辆数据进行处理，包括：
错误预警单元，用于将车辆识别信息与地方数据库的车辆信息进行匹配，将无法匹配的驾驶员和车辆的识别信息剔除并生成错误预警报告；
影像处理单元，用于利用深度学习算法识别车辆类型、颜色、号牌信息并统计每日交通量，隔离无牌照车辆影像，得到车辆影像处理数据；
若车辆离开收费车道时仍未成功上传身份识别信息，边缘计算平台在匹配所收集的身份识别信息和车辆影像时记录错误，并根据车辆影像提取车辆车牌号，由后台处理中心匹配对应车牌所绑定的驾驶员并发送缴费单。
7.根据权利要求6所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述后台处理中心包括：
路径匹配子系统，用于采用马尔可夫预测链的地图匹配算法将车辆行驶轨迹数据与全国高速路网进行拟合，计算得到车辆出行里程；
道路执法稽查子系统，用于将车主的身份识别信息与交管部门数据库中的驾驶员数据进行比对匹配，获取驾驶员身份和绑定的车辆信息；将得到的驾驶员身份和绑定的车辆信息与边缘计算平台的车辆影像处理数据进行比对，完成道路稽查，对匹配不通过的车辆和驾驶员进行登记存档；
线上支付子系统，其与银行缴费系统互通，用于根据车辆出行里程计算出行费用，并通过网上银行向车主发送账单。
8.根据权利要求2所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述高速公路自由流收费系统的收费路段包括：
主线基本路段，为高速公路的一部分，用于将车辆引入收费路段；
分流段，用于将采用不同收费方式的车辆分流变道；
MTC+货车服务段，用于为采用MTC收费的车辆和采用计重收费的车辆提供收费服务；
过渡段，用于连接分流段和MTC+货车收费车道；
自由流服务段，用于采集车主的身份识别信息和车辆行驶轨迹数据。
9.根据权利要求8所述的一种高速公路自由流收费系统，其特征在于，所述MTC+货车服务段包括：收费通道、收费岛、收费亭、货车计重收费车道；
所述收费通道为货车MTC混合收费车道，在车道地面埋设车辆动态计重设备；
当货车通过货车MTC混合收费车道时利用动态计重设备进行收费，当MTC车辆通过时不参与计重，在收费岛或收费亭正常取卡收费。
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