CN1312931A - 用于结算使用费的付费装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安装在汽车中的,用于缴纳使用道路网的需付费路段所应交的使用费的付费装置,它由固定安装在汽车中的设备模块组成:汽车盒(1);外部通信模块(2);支座(3);可移动的电子收费装置(4),它可放入支座(3)中并容易从其中取出。

Description

用于结算使用费的付费装置
本发明涉及一种付费装置，它安装在汽车中，用来结算使用道路网需付费路段所应缴纳的使用费。
其公开的内容被合并进本申请的EP0691013B1公开了一种使用结算系统，其中在汽车中自行以匿名方式结算汽车使用道路到期应付的使用费。为此在汽车中设置一个付费装置，它在一个存储器模块上扣除此费用，此模块像电话卡那样含有存款。此存储器模块例如被设计为芯片卡，并且在需要时可以在相应的付款机中给其存款增加金额。为了求出相应于汽车使用道路所应扣除的存款额，付费装置一方面具有价目数据，另一方面具有收费道路网的地理数据。此外此装置还具有一个用于接收导航卫星系统的信号的接收机(GPS接收机)，这使得它可以实际计算出汽车在需付费道路上走过的距离并从而求出该支付的使用费。
这种使用结算系统被选用的前提条件是保证有高度的操作安全性。其公开的内容被合并进本申请的EP0701722B1提出了一种付费装置，它除了一个GPS接收机，一个用于确定汽车所使用的需付费路段的计算装置和用于记载使用费的存储器件(芯片卡)之外，还具有一个用于自行监测对各个设备部件的非授权操作的装置。该装置还具有一个用于记录在非授权操作情况下的诊断数据的错误存储器和一个用来发出标识设备工作状态正常的信号的信号装置。一旦设备的自行监测确定有非授权操作，立即自动关闭其它的设备功能，使得从这时刻起装置不能使用。
尽管有上述这种安全可能性，仍然需要其它的或者附加的，尤其是费用低廉的对付不按规定运行这种付费装置的安全可能性。此外在需付费道路网的使用者一方也需要其购买到的用于道路使用的存款不被滥用。一张简单的存储卡会由于遗失或被偷窃而相对容易地被不合法拥有者拿走并且被使用，从而损害合法拥有者的利益。
公开发表的“由空气高度求得费用”(设计和电子学，11/1996)一文仅涉及基于GPS的收费装置的一般功能，没有提到收费装置的可移动结构。关于操作保护也只提到识别伪造的汽车等级。
DE4427392A1公开了一个安装在汽车中的收费装置，它装配有一个可取出的智能卡读写装置。它没有以下内容：在可取出的设备单元与留在车中的设备部分之间基于汽车专用凭证和移动单元的凭证可进行相互认证及其优点。关于非法使用需付费路段的确认也仅涉及没有足够的存款支付使用费的这种路段上的行驶，而不涉及收费装置的非法使用。关于PIN的说明仅涉及通过无线方式在存款卡上装载。
CH687352A5描述了一个具有GPS功能的收费装置，其中一个称作数据切换单元的设备单元被设计成可移动的，即可从汽车中取出的。在这种收费装置的实施方式中，数据切换单元的识别码与汽车的标识进行比较，因而数据切换单元的对一个或多个汽车的从属关系可以用电子方法监测，以保证数据收集装置始终在正确的汽车型号中使用。在此文献中没有涉及应用一个可由外部装载存款的存储器来结算使用费。
US5465207涉及一个汽车数据系统，其中有一个装置用于取得运输汽车的使用和工作有关的数据，并且用不同的装置进行电子的数据交换。它没有提到使用需付费道路网的路段时的费用求取。
本发明的任务在于给出一种付费装置，它不仅对运营者，而且对使用费结算系统的使用者也保证了尽可能高的滥用防护度。它相比电话卡所具有的滥用可能性有更大得多的意义，因为一般使用者存入的存款金额比电话卡明显高出许多。
上述任务的解决在本发明中由具有权利要求1所述特征的付费装置完成，本发明的其它优化设计在其它权利要求中给出。
本发明主要的思路是付费装置的主要部分作为单独的构件单元存在于可移动的电子收费装置中。该装置为了形成全部的设备功能必须与固定安装在车中的模块相连接。这些构件单元是一个汽车盒，一个外部通信模块和一个放置可移动收费装置的支座。汽车盒和可移动的收费装置具有自己的设备凭证并相互认证。这种方式避免了例如一个被偷的可移动收费装置在任一其它汽车中与其(不适合的)汽车盒一起使用，从而在收费装置余额存储器中的存款不会被非法使用。另一方面外部通信提供了设备技术上的预防措施，使得无需从设备中取出存储器本身就能装载余额存储器。更确切地讲收费装置的整个可移动单元通过数据传输与用于装载存款的相应机器连接，此机器例如在其附近，并且例如通过DSRC通信(专用短距离通信)实现要求的数据交换。装有存款余额的存储器可以是可移动收费装置的集成组件，并且对于一个不具有与收费装置相适配的汽车盒的非法使用者来说，由于没有认证的可能性存储器是不能使用的。
没有可移动收费装置和汽车盒间的相互认证，付费装置是不能工作的，此相互认证是本发明的特别主要的特征，因为通过它才保证了几乎不能进行滥用。与此相联系的防护比只简单地识别设备模块明显好得多，后者仅能实现有条件的防护，因为这时仅仅从被检查的另一设备模块得到的一个设备标识与单个的或一系列允许使用的设备标识进行比较，即仅动用设备模块内部公开的存储信息。这种信息原则上是可操作的。
相反，设备模块间相互认证显然更加可靠，模块具有自己的设备凭证。它可以如此实现，进行的检查被这样安排：确定相应的另一个设备模块是否具有一个秘密，其内容在设备模块间自行数据交换时是不被传送的，并且其内容也不被存储在被检查的设备模块中。这个秘密通过接通一个不受设备使用者影响的主管部门(例如信托中心)来产生，它不能由非法使用者重新构造，因而是不可操作的。
下面借助两个附图详细说明本发明。附图中
图1是本发明付费装置的功能简图，以及
图2是一个可移动收费装置的功能简图。
如图1所示，本发明付费装置由四个设备模块组成，下面将详细说明它们。三个设备模块，即汽车盒1，外部通信模块2和支座3固定安装在汽车中，而第四个模块是可移动的收费装置4，它可放在支座3中并容易从其中取出。汽车盒1包含图1中未详细示出的一个电源，一个用于汽车专用信息的防操作的存储器模块和一个用于与可移动收费装置4进行内部通信的接口。存放在存储器模块中的汽车专有信息涉及例如汽车型号，汽车类别，出厂号或者汽车所属公司名称。每种情况下在存储器模块中存储汽车专有的设备凭证。最好所有被存储的信息以不同的形式作出并仅能由一个授权的主管部门(例如技术监督协会)更改。以这种方式防止不允许的操作生效。由这些汽车专有信息在结算使用费时产生用于形成正确价目表的参数。最好汽车盒1也具有一个接口，它用于例如从汽车中的一个电子信息总线(例如CAN总线)或者从汽车的传感器或测量设备获得汽车的实际运行数据。以这种方式获得例如与废气排放相关的征收使用费，其中通过内燃机的λ探针来求得废气排放量。考虑到接收GPS-卫星信号时的干扰，这些信号对于确定汽车所使用的需付费路段是必需的，收集实时运行数据是有帮助的。这样可以由速度和时间资料或由测得的走过的距离获得用于支持在“推算定位(dead-reckoning)”意义上的行程分析的数据。在外部通信模块2和支座3之间没有直接的信号连接，而汽车盒1和外部通信模块2之间的接口用于通过信号流。
与汽车盒1有信号连接的外部通信模块2包含一个用于接收GPS卫星信号(或类似的用于导航的可无线接收的信号)的天线5以及一个用于DSRC通信的天线6和/或一个用于GSM通信(或类似的无线移动通信)的天线7。DSRC天线6可以进行例如在高频或红外波段的短距离通信。合乎目的的是天线单个地或组合地安装在汽车的乘座室外，因为以增长的频繁性使用的金属挡风玻璃板对高频信号有高的吸收。天线5,6,7和汽车盒1通过屏蔽的信号线(例如电缆或光缆)相互连接。DSRC天线6最好设计为相阵列天线并且在结构上与GPS天线5和/或GSM天线7相组合。组合或集成天线的优选位置是汽车顶盖上挡风玻璃板后面短距离处。
GPS接收机，DSRC装置和GSM无线移动装置的天线5,6,7由于挡风玻璃板对信号的衰减和汽车顶盖的屏蔽合乎目的地位于汽车的外侧面上。事后放置从汽车内部向外部的天线电缆是费事和昂贵的，因而补装付费装置需要相当高的安装费用。为了有效地降低此费用，推荐天线5,6,7或集成天线(GSM/GPS/DSRC)作为无源元件从外面贴在玻璃板上。供电和信号连接通过一个对应贴在汽车内侧的通信装置电感或电容地实现，从此通信装置连接电缆(供电和信号传输)到汽车盒1。这样穿破汽车外皮变成多余的了。可以例如用挡风玻璃或后窗玻璃上前侧面和后侧面上的电感线来实现供电和信号传输功能的分开。这不仅带来安装成本上的优点，而且在接收可靠性上也有优点。此外信号传输除了电传输外也可用光传输实现，例如应用激光器和光电二极管。由激光器和光电二极管构成的矩阵在此情况下可提高数据传输速率和接收可靠性。对于通过挡风玻璃板的光数据传输，由“电的”到“光的”信号转换是必要的，这可在天线盒中完成。
支座3与汽车盒/和外部通信模块2有信号连接。它具有用于机械上安放可移动收费装置4的装置，用于可移动收费装置4与外部通信装置2和汽车盒1进行信号连接的装置，以及用于对可移动收费装置4供电的装置。支座3原理上相同于无线移动电话的汽车支座。它使得可移动收费装置4可根据需要以简单方式从汽车中取出或功能上与汽车连接。
可移动收费装置4含有本发明付费装置的核心。图2以原理功能简图的形式详细示出其结构。可移动收费装置4具有一个用于求取汽车的实际地理位置的GPS接收机12，和多个数据存储器，其中存储器8用于存储价目数据和需付费道路网的地理数据，存储器9用于存储可移动收费装置4的设备凭证，可从外部装载存款的存储器10用于付费装置的使用者与使用费接收者之间支付往来的电子业务。此外可移动收费装置4还包含一个用于计算使用费并用于可移动收费装置4和汽车盒1间相互认证的处理器11，一个用于操作设备的键盘12以及一个用于指示设备状态和帐目信息的显示装置。用GPS接收机12求得的汽车实时地理位置数据使得处理器11可以检查汽车行驶过的路程是否以及在什么范围内使用了需付费路段，从而可进行使用费结算。为此存储器8中存储的价目数据和道路网的地理数据是需要的。合乎目的的是存储器8划分为一个只读存储器(ROM)和一个写/读存储器(RAM)。在ROM存储器中存放长期有效的原始数据，它们从某规定时刻起生效。RAM存储器用于记录实时数据。出于安全原因，实时数据最好以这种形式存放，使得实时价目数据仅能参照ROM存储器中存储的原始价目数据由实时数据求出，例如存储的更改数据可以是变更附加费的百分数。用这种方式取得防止不允许操作的附加障碍。具有用于可移动收费装置4的设备凭证的存储器9保证了收费装置4和汽车盒1间的相互认证，阻止与汽车盒1不适配的可移动收费装置4的工作。存储器9最好设计为芯片卡，尤其是固定安装在可移动收费装置4中的集成芯片卡。后者对于不允许的操作有特别有效的封锁。相应的存储器结构也用于存储器10，它用于付费装置的使用者和使用费的接收者间的帐目往来业务。存储器10中包含存款，从其中扣除该支付的需付费路段使用费金额。最好这个存储器10被设计为无线芯片卡(无触点卡)，并且以密封的形式集成到可移动收费装置中。因为一个这样的存储器10没有对外的触点，诸如像电话卡那样用微计算机(PC)和适当的卡读/写设备简单实施的操作被进一步封锁了。推荐可移动收费装置4的存储器8,9,10物理上被合成在一个公共存储器模块中。处理器11完成可移动收费装置4和汽车盒1间的相互认证的全部检查过程，并且完成按规定求取相应使用费所要求的计算过程。这意味着它不仅确定汽车行驶的距离，而且也求出用于确定费用的有效价目。键盘12主要用于开启和关闭付费装置及查询存储器10中还有多少存款余额。通过键盘12也可以例如完成价目调整。类似于无线移动电话，设备状态，存款情况和其它帐目信息可显示在显示装置13上。显示装置13合乎目的地被设计为液晶显示器。
为了提高对操作的防护，建议GPS接收机14、DSRC和/或GSM通信、存储器8,9,10的控制器处理器11的功能物理上合成在一个高度集成的电子ASIC电路(专用集成电路)中，并且内部通信在总线支持下完成。尤其合乎目的的是从外部与此集成电路的通信是存储器可寻址的(存储器映象的)并且/或者通过一个并行接口实现。在高度集成方案情况下可移动收费装置4具有一个所谓的“硬核”。在此方案下保证有高度的设备集成。为了抽样或者全部检查使用费结算的正确性，建议处理器11被如此编程，可以从外部通过外部通信模块2以无线方式查询关于付费装置是否按规定工作的信息，以了解使用者对价目表的操作或是否选择了一个不适用的价目表。
通过应用高度集成的电子组件可以保持整个付费装置的体积相对小。因而付费装置可以例如被设计为一个电子计程器的一部分。尤其是无线移动电话或交通电信终端的构件(例如电源，天线)可以被包含在付费装置中，这些构件可公共利用于多种应用目的或者付费装置的模块与例如移动电话或交通电信终端的构件一起安装在汽车中。
尤其有优点的是付费装置的电子设备设计对应用开放，使得可从外部装载其它应用软件。这种应用最好涉及交通电信领域。
下面详细说明本发明付费装置的功能：
一个使用者带着其可移动收费装置4走到一个车外的由需付费道路交通网运营者设立的POS终端(商业点)，以用现金或信用卡购买用于需付费道路网的使用的存款。为装载存款额所需数据交换在高频通信情况下在POS终端与安装在可移动收费装置4中的无线芯片卡之间直接进行。此通信合乎目的地按照电子帐目交换用标准的和凭证式方法进行，当然数据交换也可经过红外线接口进行。为了内部完成存款的扣除，存在对无线芯片卡的另一个电子接口。
然而存款额也可以传统方式在POS终端上通过可移动收费装置4的电子接口装载到存储器10中。这时通过存储器9中的设备凭证可保证非常高的防止不允许的操作的安全性，因为在传递存款额之前进行收费装置4和POS终端间的认证。在试图操作的情况下代替POS终端的是一个PC与可移动收费装置4连接，而这可以被收费装置4识别并且在设备的相应程序下立即持续地封锁设备，此封锁只能由被授权的主管部门予以取消。
原则上这也是可能的：像电话传输那样从POS终端直接传送存款额给必须具有相应地址的可移动收费装置4。在此情况下完全不要求可移动收费装置和POS终端之间在空间上靠近。用于装载过程所需之电能可以例如像无线移动电话那样由一个可充电电池来提供，它可以补装在汽车中。
在存储器10用存款额装载后可移动收费装置4可以被放入汽车中的支座3中。一旦此装置放到支座中，就开始汽车盒1与可移动收费装置4间的认证过程，这由处理器11实现。只在成功的认证时付费装置才准备好工作。在认证时绝对重要的是，对于一个确定的汽车盒1只有一个可移动收费装置4被承认是适配的。只有在较大的运输企业，该企业的所有收费装置在该企业所有的汽车盒中被承认是很有好处的。这个企业有多少汽车行驶于需付费路段，就必须有这么多的可移动收费装置4提供使用。通过认证避免了该企业所有车辆之外的滥用。因为在处理器11进行认证时汽车盒1的汽车专有数据也可被查询，处理器11可以从可移动收费装置4来的数据求出相应的汽车类别，从而得到正确的用于费用结算的价目类别。如果装有按规定运行的付费装置进入需付费路段，这被处理器11自动确定。根据价目表和走过的路程在行驶中不断从存储器10中的存款额中扣除该支付的费用。合乎目的的是这通过显示装置13显示出来。一旦汽车重又离开需付费道路网，付费过程就结束。
原则上可以用同一个本发明的付费装置对不同的运营者进行使用结算，他们的需付费道路网被同一汽车相继行驶。在此情况下用于帐目往来业务的存储器10可如此设计，它被设置有多个帐户，其中一个帐户对应于一个确定的运营者。从存款中扣除的金额根据实际使用的道路网存入相应一个运营者的帐户。关于存入多少金额给哪个运营者的信息可以不同的方式和方法给到外部一个结算局，以对实际货币流向进行控制。例如可以在下一次在一个POS终端补装存款时根据从前存款的使用情况从存储器10读出不同的帐户，这种方法伴随着费用的晚缴。也可以例如通过一个GSM通信不断从汽车发送出这些信息到相应的外部结算局。
本发明付费装置不仅适于在运输汽车中应用，而且也适于在个人汽车中应用。它对需付费道路网的运营者的利益提供高度的保护，抵御各种非法操作，并且同时对使用者也提供可靠的保护，抵御非法使用购买的存款，因为这是有保障的：存款实际上与其有不能被分开的可移动收费装置只能在“合法的”汽车上被使用。

Claims (14)

1．安装在汽车中的、用于缴纳使用道路网的需付费路段所应交的使用费的付费装置，它由固定安装在汽车中的设备模块组成：
-汽车盒(1)
-外部通信模块(2)和
-支座(3)
-一个可移动的电子收费装置(4)，它可放入支座(3)中并容易从其中取出，
其中汽车盒(1)具有
-一个电源，
-用于存储包括汽车专有设备凭证在内的汽车专有信息的一个防操作的存储模块，以及
-一个用于与可移动收费装置进行内部通信的接口，
其中，外部通信模块(2)具有
-一个用于接收GPS卫星信号的天线(5)和
-一个用于DSRC和/或GSM通信的天线(6,7)，
其中，支座(3)与汽车盒(1)和外部通信模块(2)有信号连接，并且它具有以下装置：
-用于机械上安放可移动收费装置(4)的装置，
-用于可移动收费装置(4)与外部通信模块(2)和汽车盒(1)进行信号连接的装置，以及
-用于对可移动收费装置(4)供电的装置，
并且可移动收费装置(4)配备有
-用于求得汽车的实时地理位置的GPS接收机(12)，
-用于存储需付费道路网的价目数据和地理数据的存储器(8)，
-用于存储可移动收费装置(4)的设备凭证的存储器(9)，
-可从外部装载存款的存储器(10)，它用于付费装置的使用者和使用费的接收者之间帐目往来电子业务，
-用于计算使用费，并用于可移动收费装置(4)和汽车盒(1)间相互认证的处理器(11)，
-用于操作设备的键盘(12)，以及
-用于显示设备状态和付费信息的显示装置(13)。
2．如权利要求1所述的付费装置，其特征在于，信息被加密存储在汽车盒(1)的存储模块中。
3．如权利要求1至2中任一项所述的付费装置，其特征在于，汽车盒(1)具有一个用于从一个信息总线或从汽车的传感器或测量设备获取汽车的实时工作数据的接口。
4．如权利要求1至3中任一项所述的付费装置，其特征在于，用于存储价目数据和地理数据的存储器(8)被划分为一个设计为只读存储器(ROM)的存储器和一个用于记录实时数据的写/读存储器(RAM)，并且实时价目数据只能参照只读存储器中的价目数据求出。
5．如权利要求1至4中任一项所述的付费装置，其特征在于，存储设备凭证的存储器(9)和/或存储帐目往来的存储器(10)被构成为芯片卡，尤其是被构成为固定在可移动收费装置(4)中的集成芯片卡。
6．如权利要求1至5中任一项所述的付费装置，其特征在于，可移动收费装置(4)的各个存储器(8,9,10)被合成在一个公共存储模块中。
7．如权利要求1至6中任一项所述的付费装置，其特征在于，用于帐目往来的存储器(10)被构成无线芯片卡(无触点卡)。
8．如权利要求1至7中任一项所述的付费装置，其特征在于，GPS接收机(14),DSRC和/或GSM通信，存储器控制器和处理器(11)的功能物理上被合成在一个高度集成的电子电路(ASIC)中。
9．如权利要求8所述的付费装置，其特征在于，专门设置并行接口用于与高度集成的电路的通信。
10．如权利要求8或9所述的付费装置，其特征在于，设置一个所谓的“硬核(hardened kernel)”用于可移动收费装置(4)的工作。
11．如权利要求1至10中任一项所述的付费装置，其特征在于，付费装置是电子计程器的一部分。
12．如权利要求1至11中任一项所述的付费装置，其特征在于，付费装置包含无线移动电话或交通电信终端的组件，或者付费装置与无线移动电话或交通电信终端的组件一起安装在汽车中。
13．如权利要求1至12中任一项所述的付费装置，其特征在于，付费装置的电子设备设计为对应用开放，可以模块方式从外部补装其它的交通电信应用软件。
14．如权利要求1至13中任一项所述的付费装置，其特征在于，通过外部通信模块(2)可以从外部查询关于付费装置的工作是否符合规定的信息。
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