高速公路车辆无线路径跟踪、速度监测及智能收费系统

　　
　　一、背景

　　交通部在《公路水路交通信息化“十一五”发展规划》中明确指出，要“重点推进高速公路联网收费、不停车收费和联网监控”。速联积极响应这一号召，本着“成本低、实效好的交通信息化发展模式”，开发了采用创新型Z网技术的高速公路车辆行驶路径跟踪及智能收费管理系统——Z-Net Intelligent Charge System。

　　二、目的

　　1、获取车辆全程完整清晰的实际行车路径，解决联网收费后，分段收费公路中的精确拆分帐和结算问题，而且还能进一步实现不停车自动分段计费；

　　2、车辆的收费根据车辆实际行驶里程来进行，基本杜绝收费公路车辆的逃费现象；

　　3、由于减少了收费站，车辆不需减速停车，使道路更加畅通，因而，不仅大幅度节省了时间和燃料，而且，极大地提高了收费公路的通行能力；

　　4、由于减少了收费站数目，因而也就减少了管理人员和设施，这就大大降低了收费公路的建设和运营管理成本。

　　三、与现有其他技术的对比：

　　现有的车辆定位跟踪，一般采用的是GPS定位跟踪方法；现有公路收费的管理，一般采用的是在进口处发放纪录有进口地址信息的IC卡或磁卡，再在出口处读出卡中所记录的进口地点的信息，从而进行计费的方法；此外，在个别地方也采用了RFID系统自动记费的办法。

　　1、GPS定位跟踪方法及其存在的问题：

　　GPS定位跟踪系统除了建设成本及运营成本高以外（包括移动网络使用费），它的使用在城市中还受到极大的限制。因为使用GPS设备的重要前提之一，是接收机与卫星之间有直射路径，而GPS信号在建筑物密集的城区及建筑物内部存在信号接收盲区。另外GPS定位还要受到多径效应和许多其他因素的影响，包括初始定位信号捕获时间较长等（通常为0.5～15min）。现场实验表明，在高楼林立的城市，安装GPS接收机的车辆，能够正常接收GPS定位信号的概率大约为70％左右。在一些特殊场合，如钢筋混凝土建筑物内、地下车库中，甚至完全收不到GPS信号。

　　2、IC卡和磁卡收费方法及其存在的问题：

　　1）由于它们只能分辨车辆的进口和出口位置，而不能记录车辆在收费公路上实际行驶的路线和里程，因而，在许多地方，将会出现收费里程大大小于实际里程的逃费现象，特别是在许多收费公路形成网络的地方。各种逃费方式五花八门，特别是在货运为主的公路上；

　　2）由于国内许多公路采用谁投资谁受益的方式，因而一条收费公路往往出现多个收费站的情况，不仅增加了人员管理、收费站建设的费用，而且大大降低了收费公路的通行速度，影响了收费公路的使用效率，同时也给通行的车辆带来许多不便；

　　3）不能实现不停车收费。

　　3、RFID自动收费系统及其存在的问题：

　　对RFID卡来讲，它完全是一种被动的通信方式，这种方式需要一个体积大，安装麻烦，价格昂贵的读写器系统。当用于车辆跟踪时，系统的问题是：

　　1）一般采用进口设备，不但系统价格高，体积庞大而且安装麻烦；

　　2）所使用的900兆频率，不仅存在合法性问题，而且，有时还会与现有的手机信号发生干扰；

　　3）由于RFID的通信方式是被动式的，通信距离的提高非常困难，因而，往往只能采用增大天线发射功率和增益的办法，这就要求车载RFID卡的安装位置，与固定的读写器天线的安装位置有很好的匹配，这就使得远距离RFID系统的使用存在很大局限。例如，要求车行通道很窄，车行速度很低，大型车辆的通过也存在一定的问题，因而，不适应收费公路，特别是高速公路的普遍需要；

　　4）由于RFID系统的通信方式是被动式的，因而， RFID 系统的读写器，必须要接收到经车载RFID卡反射回来的天线信号，才算完成一个RFID卡身份读取过程。因而，当有多个车道时，不仅需要安装多个远程RFID读写系统，而且很难避免邻道干扰和误读等现象；

　　5）由于RFID本身主要是一种身份编号，它储存的信息资料非常有限，而且信息的存取也比较麻烦。因而很难实现更多的功能扩展。
综上所述，现有GPS定位跟踪方法的主要缺点是：结构复杂，投资大，运营费用高，不能在复杂的城市环境条件下，满足车辆定位跟踪的实际需要；而现有收费公路管理系统，还不能有效解决车辆逃费，和不停车分段计费的管理问题。而本公司基于创新型Z网技术的高速公路车辆行驶路径跟踪及智能收费管理系统——Z-Net Intelligent Charge System，从根本上解决了这些问题。

　　四、技术优势：

　　从与现有其他技术的对比中，可以明显地看出我公司系统产品的技术优势：

　　1、成本低：总的硬件（不包括无线车牌）每公里路段的平均投入不足三万元；

　　2、体积小：读写器只有香烟盒大小，标识站整个系统包括天线和发射机总共只有一个随身听大小（见下图），安装维护十分方便；

 
　　下图是安装在郑州市西南绕城高速公路十八里河收费站，（K38+020）点龙门架上的一个433兆车辆路径跟踪标识站系统，（包括4个大天线和一个大收发机）和我公司一个安装电线杆上的很小的标识站系统：

　　3、低功耗（接收状态< 3微安）及低发射功率（主机< 0.1瓦）；

　　4、工作准确度高、抗干扰能力强并且稳定可靠：采用创新型的组网结构和直序扩频的通信方式，使系统具有更好的工作准确度、抗干扰能力和工作的可靠性；

　　5、运营和维护的成本都非常低：本系统是全自动化的，它的运营成本远远低于现有任何其它系统。它可以完全利用现有收费系统的管理人员，不需要增加格外的人手进行操作和维护；

　　6、回报高：某省为例，该省约4000公里的收费公路上建立起这个系统，建设费用不足一亿元（包括无线车牌），而该省收费公路系统，每年的收入约为80-90亿人民币，如果按5%左右的逃费率计算，该省每年因车辆逃费所带来的损失估计就将近5个亿，使用本系统后，可以基本杜绝现有车辆逃费现象，从而产生巨大的经济效益。

　　五、本系统运营方式：
 
　　1、整个收费公路各分段收费路段的分界点处，公路分岔点的各分支路上，以及其它为了避免车辆逃费的关键控制位置安装信号机，信号机安装位置和高度，以能使信号机与所有公路上经过的车载无线车牌实现通信为原则。信号机相对无线车牌的信号覆盖范围一般应在50 - 200 米范围。

　　2、将读写器安装在收费公路进出口处的计算机上，并安装相应的管理软件。计算机与收费公路管理中心的数据库相连。

　　3、在收费公路进口处准备一定数量的无线车牌，每个无线车牌都有一个唯一的编号，而且还可以根据不同需要，储存不同量的信息，并对数据的存取进行授权加密。信号一经写入，便不能擦去，只有当车辆来到出口处，将所存信息传入公路管理中心数据库后，公路管理中心才会授权给出口处的读写器，清除无线车牌中所存的信息，供新的车辆使用。无线车牌的电池电量低于一定水平时，将会自动报警，以促使管理人员更换电池并对电池进行充电。

　　4、当车辆来到收费公路入口处时，将领取一个无线车牌，（为了备案需要，还可通过拍照和计算机视频识别的方法，将车牌号输入无线车牌）并将其置于车上适当的位置。无线车牌使用一次性纽扣电池，或可充电纽扣电池驱动；通过电源节能管理，或外部唤醒的方式，无线车牌电池的使用寿命可达几年。 

　　5、车辆实际行驶路径的信息，通过公路沿途信号机不断发射信号，路过的车载无线车牌接收并记录这些信号而产生；无线车牌随车将这些信号所代表的位置信息和时间信息带到公路出口，并由出口处的读写器读入计算机，计算机将计算出该车应付的总的过路费，同时再将这些信息存入公路管理中心的数据库，管理中心收到数据并将其存档后，将会给出口处计算机反馈一个清除无线车牌所存储的信息的授权指令，管理中心也将利用这些信息，对总费用进行分配。

　　6、在整个系统设置好后，经过简单的试运行和调整，整个系统就可以投入使用了。

　　六、应用实例：

　　2006年6月，由河南省联网办组织发起，具体由交通部公路科学研究院，和国家电子标签产品质量监督检验中心共同负责，在北京交通部测试场，对参与“全国高速公路车辆行驶路径跟踪识别系统测试”项目的全国几十家的路径识别产品进行了基本功能测试，我们的测试结果是相当突出的，给与会同志留下了深刻印象； 通过参加由交通部公路科学研究院，国家电子标签产品质量监督检验中心共同负责的，河南省交通厅高速公路车辆路径跟踪识别项目的，严格实验室测试和公路现场实际应用测试，更加确定了我们的产品在同行业中的领先地位，在众多竞争厂家中，只有我们一家的产品，完全通过了所有测试，包括电磁干扰，抗潮湿试验等，无论从体积大小，电池功耗，到读些距离，读写速度和读写准确率，都远远超过其它竞争厂家，而且，我们还是唯一一家进行并通过系统测试的单位。

　　2007年4月，又从参与北京测试的几十家单位中，选出了9家，进一步在河南郑州周边的绕城公路上进行了全面的系统功能测试，结果经测试的六项指标中，我们除单向路侧标识车内不同位置效果测试的准确率是97.72%-100%外，其余指标准确率均为100%，是全国最好的；另外，在北京国家电子标签产品质量监督检测中心实验室中进行了物理指标的测试，我们是全国唯一所有物理指标全部满足要求的。
下图是在郑州高速公路上实测纪录，和对车辆跟踪结果的显示图：

　　七、应用升级：

　　本系统经我公司进一步开发，可同时用作：
　　1、不停车收费；
　　2、特定车辆定位、跟踪；
　　3、车辆速度检测；
　　4、不同时段、不同路段车流量信息的分析；
　　5、高速公路综合环境信息监测。

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