CN1881278A - 微功率射频车辆行驶路径跟踪及智能收费公路管理*** - Google Patents

Abstract

本发明涉无线射频跟踪技术，井下人员定位跟踪和分段收费公路的管理。本发明利用具有固定位置的微功率无线信号机，与路过的无线车牌之间进行无线信号交流，记录无线车牌行经每一个信号机的位置及时间的方式，实现对车辆或其他移动目标，实际行驶或行经路线的跟踪，从而解决了井下定位和收费公路按车辆实际行驶路程收费的问题。本发明的有益效果是：***结构简单，成本低廉，维护管理都十分方便；它有效地解决了井下人员定位问题，收费公路车辆逃费，以及因集资建路需要分段收费，而造成收费站过多的问题，不仅节约了大量的人力物力，而且提高了公路的通行能力。另外，它不需要增加额外的人员，利用现有公路的收费管理***就可以进行工作了。

Description

微功率射频车辆行驶路径跟踪及智能收费公路管理***

技术领域

本发明涉及微功率无线通信，车辆定位跟踪技术和不停车收费管理。

背景技术

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远距离RFID***自动记费的办法。

GPS定位跟踪方法及其存在的问题：

被定位跟踪的车辆，通过安装在该车上的GPS接收终端，同时接收四颗(至少三颗)GPS卫星发射的定位信号，计算出该车辆所处的经纬度和高度坐标(X，Y，Z)，再结合电子地图，将这种X，Y，Z位置坐标信息，转换为我们所熟悉的地理位置信息，例如街道名称，具体参考地点等，在对车辆定位跟踪时，还需要将所算出位置信息，通过现有移动通信网络，传给控制中心，才能真正到达定位跟踪的目的。简单的讲，就车辆定位跟踪而言，GPS定位***至少需要由GPS卫星、GPS接收机、移动通信网络、移动通信终端(GMS或CDMA收发模块)及控制中心。GPS定位跟踪***的缺点，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接收机的公交车辆，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、地下室或矿井中，甚至完全收不到GPS信号。

IC卡和磁卡收费方法及其存在的问题：

IC卡和磁卡收费***我们大家都很熟悉，它们都是通过卡与读卡器的近距离接触(一般在几厘米之内)，来达到交换信息的目的。

它们的问题在于：

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。

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。

远距离RFID自动收费***及其存在的问题：

RFID***的工作方法，是通过RFID读写器，对读写器天线所发射的，经RFID卡反射或耦合回来的射频信号进行识别，来进行通信的。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***。当用于车辆跟踪时，***的问题是：

1.国内现有的远距离RFID***，一般采用进口设备，至少主要部件是进口的，不但***价格高，阅读***庞大而且安装麻烦；另外，这些***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。

2.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***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。

3.由于RFID***的通信方式是被动式的，因而，RFID***的读写器，必须要接收到经车载FID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***，而且很难避免邻道干扰和误读等现象。

4.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***，还不能有效解决车辆逃费，和不停车分段计费的管理问题。基于本公司“高速公路射频车辆速度监测管理***”，(专利申请号：200510021465.6)以及“微功率无线网络定位***及其定位方法”(专利申请号：200510021087.1)同一主题思路的基础，即通过安装在公路沿线的微功率无线信号收发机，与路过的车载微功率无线车牌之间的无线信号交流，记录车辆所经过的每一个信号机的位置和时间，实现对车辆实际行驶路线的跟踪；这不仅使车辆的收费可以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，而且还能实现不停车自动分段计费。(参见图1)

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有的GPS车辆定位跟踪方法，以及收费公路管理***存在的诸多问题，发明了一种成本低，可靠性高的微功率射频车辆行驶路径跟踪***(包括车载无线车牌，和设置在公路沿线固定位置的无线信号发射机)，自动记录车辆所经过的每一个信号发射机位置及时刻的***，从而实现了对车辆实际行驶路径的跟踪。

将这种微功率射频车辆行驶路径跟踪***，用于井下移动人员定位时，只需将***中的车辆将改为井下移动人员；车辆行驶的道路改为井下的坑道；信号机的安装位置将改为坑道沿线的固定位置；此时，信号机与无线车牌之间的通信，将被限制在一定的距离范围内；同时，被跟踪的井下人员的位置信息，身份信息和时间信息，将通过与信号机相联的网络，实时地传给管理中心计算机；从而实现对井下移动人员的实时定位跟踪。

将这种微功率射频车辆行驶路径跟踪***，用于收费公路管理时，只需在收费公路的适当位置，包括各分岔路段上以及公路分段收费交界处，设置无线信号发射机，利用车载无线车牌记录其所经过的每一个发射机的位置编号，以及经过的时刻，在出口处利用无线车牌读写器，将这些信息读入计算机，再根据车辆实际行驶路线进行收费，这就不仅杜绝了车辆逃费的现象，而且可实现不停车自动分段结算收费。本发明不仅***简单，工作可靠，投入低，而且运营费用低，维护管理也十分方便。

本发明采用的技术方案

***结构

本发明***包括无线车牌，固定位置无线信号发射机(以后简称信号机)，计算机以及相应的管理软件组成。当信号发射机和无线车牌所交换的身份信息，位置信息以及时间信息是由无线车牌带给控制管理计算机时，***还需要一个与控制管理计算机线连接的无线车牌读写器；当这些信息是由无线信号机，通过与之相连接的网络传给控制管理计算机时，控制管理计算机将与这个网络相联。

无线车牌，信号机，以及无线车牌读写器(以后简称读写器)，都是由高度集成的微功率单芯片无线收发机制成的，微型无线收发机，它们不但相互间可以进行无线通信，而且可以根据不同需要，储存不同量的信息，还可对数据的存取进行授权加密。这里的微功率单芯片无线收发机，是指具有完整的接收和发射无线信号功能的单一集成芯片，它也可以只具有接收或发射的功能；每一个芯片一般都有一个唯一的厂家编号；它们具有体积小，成本低，功耗低，抗干扰力强，工作稳定可靠的特性。因而用它做成的无线车牌便于携带；做成的信号机，可以直接嵌入到收费公路旁的柱状安装支架中，因而比较安全；做成的读写器，只有香烟盒大小，可以很方便的与计算机相连，而且可在行驶的汽车上，直接对信号机的设置进行远距离更改。由于功耗低，它们都可以使用电池驱动。无线车牌和信号机都可以使用一次性电池或可充电电池。信号机还可配合太阳能电池使用。另外，它们还可使用不需申请的，免费ISM频段(2.4G)，它们的发射功率，一般都可以满足国家无委会对这个免费频段使用功率的限制；它们还可采用直序扩频的通信方式，使***具有更好的抗干扰能力和工作的可靠性。

***工作原理

射频车辆行驶路径跟踪及智能公路收费管理***，是利用微功率无线收发机之间，只能在有限范围内进行相互通信的特征，将***中的无线车牌与信号机之间的通信，调整到一个以信号机为中心，能够覆盖所有经过其旁的车辆的有限范围内，(范围大小根据具体应用的需要而定，一般从几十米到几百米)，通过纪录车载无线车牌，与信号机之间的交流的位置信息，身份信息，必要时包括时间信息，从而实现对车辆实际行驶路径的跟踪。这些车辆实际行驶路径的信息，将通过随车携带的无线车牌带给出口处的计算机，或者直接通过与信号机相连的网络，传给计算机。

当本发明用于井下移动人员定位时，***中信号机的安装位置，以及信号机与无线车牌之间的通信范围，将根据定位精度的需要进行调整；同时，井下人员的位置信息，身份信息和时间信息，也将通过与信号机相联的网络而不是无线车牌，实时地传递给管理中心计算机。

当本发明用于智能收费公路管理***时，***可使用信号机广播自身里程位置信号，无线车牌接收信号，并在出口处读出信号的方式，来跟踪车辆实际行驶线路，再利用存储在计算机中的信号机安装位置的里程资料，以及公路分段收费的有关资料，计算出车辆实际应付费总里程和总费用，以及各分路段的费用。这种方式还可避免一般远程RFID***，以及其它无线***可能出现的无线信号接收碰撞现象，以及接收机信号处理速度限制问题，使得本***对过往车辆的行驶速度，车流量，车道数量无任何限制。

另外，本发明通过使用直序扩频的通信方式，大大提高了通信***抗干扰能力，保证了***工作的可靠性。

本发明的有益效果

本发明的有益效果是：以一种低成本的，简易而行之有效的方式，实现了对车辆(包括其他移动目标)实际行驶(或行走)路径的跟踪，从而解决了许多过去难以解决的实际问题。

例如通过跟踪车辆的实际行驶路线，从根本上解决了当前收费公路严重存在的逃费问题，以及许多地区因集资修路，所造成的过路费分段收取，收费站数量增加，从而降低了公路通行能力的问题；本发明还可同时向公路管理部门提供整个收费公路不同时段，不同路段车流量的信息资料；本发明对解决城市中公车私用问题，以及对特殊车辆的跟踪，都提供了一种有效而经济的解决办法；另外对矿山井下移动人员的定位跟踪问题，也提供了一种有效地解决方案。

本发明***结构简单而自动化程度高，技术成熟可靠，投资少，利用现有的收费管理***就可以进行运行。由于本发明可以使用2.4G的免费频率，而且发射功率，也都能满足国家对2.4G免费频段的有关规定，因而不存在频率使用的合法性问题和费用问题。

比起现有的收费***来，本发明的优越性和巨大的社会经济效益是显而易见的：

投入低：首先，本发明***的投入非常低，***中每个信号机的成本约为600元人民币，加上太阳能电池，以及安装和其它费用总计应在1500元左右。即使在整个收费公路上，每隔2公里安装一个信号机，一条200公里长的收费公路，信号机包括安装的总投入不到20万元；每个读写器的成本约在300元左右，整个路段上读写器的投入约为3万元，计算机使用现有进出口处的即可；无线车牌的造价每个约为60元人民币。因而，每公里路段的平均投入约为一万元。

回报高：以河南省为例，在整个河南省约4000公里的收费公路上建立起这个***，建设费用只有4000万元左右，而整个河南省收费公路***，每年的收入约为80-90亿人民币，如果按5％的逃费率计算，河南省每年因车辆逃费所带来的损失估计就将近5个亿，使用本发明***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。

提高了收费公路的通行能力：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，不仅节省了时间和燃料，而且，提高了收费公路的通行能力。

降低了收费公路的建设和运营成本：由于减少了收费站数目，因而也就减少了管理人员和设施，这就降低了公路的运营管理成本。

适当增加无线车牌的内存和保密读写的措施后，本发明还可用于建设城市绿色不停车收费通道，为提高城市收费管理***的效率，和减缓城市交通压力发挥作用。

***结构简单，维护和运营的成本都非常低：本发明***是全自动化的，它的运营成本远远低于现有任何其它***。它可以完全利用现有收费***的管理人员，不需要增加格外的人手进行操作和维护。

潜在的更多的功能：

通过增加信号机的数量，例如每隔2公里左右安装一个，还可以与收费公路车辆速度监测***相结合，一套***，两种功能，不需要增加额外的人手，就既可以实现整个收费公路的智能收费管理，又可以在整个收费公路每个路段上，对车辆行驶速度，实现24小时有效而可靠的全程监测，这是其它方法不可能做到的。参见成都西谷曙光数字技术有限公司专利技术：“收费公路射频车辆速度监测管理***”，专利申请号：200510021465.6)。

此外，当我们的信号机利用Zigbee网络技术，组成一个无线网络，并将信号机与温度，风力，大雾浓度等传感器相连的时候，整个路段上的温度，风力与大雾等安全相关的信息，将及时传往收费公路管理中心，中心将通过网络，以适当的方式提醒驾驶人员。

如果在车辆领取无线车牌时，对进入收费公路的车辆进行拍照，在出口处将所记录的数据存档，这些数据将成为非常有价值的资料，例如，这些资料可用于对公路交通事故的分析，可用于物流公司对车辆的跟踪，可用于对整个收费公路上，不同时段，不同路段车流量信息的分析等等。

附图说明

图1是本发明的***的组成和工作方式示意图；

图2是射频信号传输原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

为便于理解本发明的技术方案，先将与本发明有关概念简单介绍如下：

无线信号的传输：在开阔空间条件下，一个具有固定位置的无线发射机A发射一定功率的射频信号，其射频信号的强度，与到A点距离的平方成反比。我们可以用公式：T_r＝KQ/R²来表示。这里T_r代表距离无线发射机A为r远处的信号强度，Q代表无线发射机天线端的信号强度，而K则可以简单考虑为衰减系数，主要取决于发射和接收天线的高度，天线增益，信号频率，传输途径环境条件等因素。在一般要求不是很高，环境条件不是非常复杂的小范围内，我们可以将它当作为一个常数。(参见图2)

无线发射机的信号覆盖半径：一个与无线发射机A相隔一定距离的接收机B能否收到无线发射机A的信号，取决于无线发射机A在接收机B处的信号强度，是否大于接收机B的接收灵敏度。当信号强度大于接收机B的灵敏度时，接收机B便可以接收到A的信号。我们将距离A某个位置处的信号强度，刚好等于接收机B的接收灵敏度时的距离，称作为A相对于接收机B的覆盖半径R。R随A的发射功率的增大，或B的灵敏度的提高而增加。接收机B只有处于以A为圆心，R为半径的圆范围内，才可以收到无线发射机A的信号。

接收机的定位半径：同样的道理，在以上条件不变的情况下，当我们将接收机B的位置固定，让无线发射机A移动，则A只有处于以B为圆心，以A的信号覆盖半径为半径的一个园圈范围内，B才可能收到A的信号，这个R此时又称为接收机B相对于无线发射机A的定位半径。

在本发明***中的信号机和无线车牌，既可以是这里的无线发射机，也可以是接收机。在其它条件保持不变的情况下，我们可以通过调整信号机的发射功率和无线车牌的接收灵敏度，来改变信号机信号覆盖半径；同样，我们可以通过调整信号机本身的接收灵敏度和无线车牌的发射功率，来改变信号机，相对于无线车牌的定位半径。

本发明***的工作方法：

需要说明的是，由于本发明的应用范围非常宽广，每种应用的具体实施方案都会有所不同，包括无线车牌与信号机之间不同的信息交流方式。这里我们通过它在收费公路管理应用中的一种实施方案，即信号机发射位置信号，无线车牌接收并记录信号的方案，来对***的工作方法加以说明：

1.在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。另外，由于无线车牌与信号机之间所交流的信号，还可以包括某个信号机是否需要更换电池的信号等，因而，管理中心还将知道是否有哪一个信号机需要更换电池，所有信号机是否工作正常，是否存在人为干扰无线车牌接收信号机信号的情况等。

6.为了尽量延长无线车牌和信号机电池的使用寿命和成本，制造无线车牌的单芯片收发机以及控制单片机，最好具有低功耗的特征，同时，收发机芯片，也应具有尽可能好的接收灵敏度；信号机的发射功率，应调整到保证每辆车所携带的无线车牌，在信号机信号覆盖范围内，都能收到信号机信号的同时，功耗应尽可能的小。信号机与无线车牌之间的通信方式与时间设置，应根据具体条件进行全面考虑。

7.为了避免频率申请可能带来的麻烦，和使用付费频率所带来的额外开支，以及环境对无线通信的各种干扰，同时也为了增加***工作的可靠性和稳定性，建议使用2.4GISM频段和直序扩频的通信方式。

8.另外，为了节约开支，在收费公路上下行车道相互靠近的地方，可将信号机布置在上下行车道的隔离带中，并适当调整信号机的发射功率，便可同时兼顾上下行车辆的信号接收。

9.如果任何一个无线车牌或信号机出现了问题，只需简单地换上一个新的模块即可。因而，整个***的维护都十分简单方便。

10.在整个***设置好后，经过简单的试运行和调整，整个***就可以投入使用了。

Claims (10)

1.微功率射频车辆行驶路径跟踪***，是由安置在公路沿线固定位置的信号机，随车携带的无线车牌，必要时还包括无线车牌读写器，以及计算机组成；计算机内储存有信号机的位置信息；这里所述的计算机，主要是指安置在公路进出口处，或公路管理中心的一般意义上的PC机；本发明***利用信号机，与路过信号机的每一个车辆所载的无线车牌之间进行无线信号交流，记录下每一个车辆，所行经每一个信号机的位置，必要时包括经过的时刻的方法，实现对车辆实际行驶路线的跟踪。这里的车辆也可是其他移动目标，这里的信号机也可以安装在其它标志性的位置。

2.根据权利要求1所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：无线车牌可在以信号机为中心的一定范围内，与该信号机进行无线信号交流；这里所指的一定范围，是指所有公路上经过该信号机的车载无线车牌，或与信号机同一侧方向上的，所有公路上经过该信号机的车载无线车牌，都能够实现与该信号机进行无线信号交流的范围；而且，在这个范围内的无线车牌只能与该信号机进行无线信号交流，而不能同时与其它位置的信号机进行无线信号交流。

3.根据权利要求1或2所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：信号机与无线车牌之间的无线信号交流方式，可以是信号机发射自身的位置信号，无线车牌接收并记录这些信号，并在出口处通过无线车牌读写器，将这些信号读入计算机的方式；也可以是无线车牌发射自身身份码信号，无线车牌所经过的信号机接收这些信号，并通过与信号机相连接的网络，将这些信号传往公路管理中心的计算机的方式。

4.根据权利要求1，2或3所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：本***还可以使用一个与计算机相连的无线车牌读写器，无线车牌读写器可以对***中的无线车牌和信号机进行无线远距离读写和设置。

5.根据权利要求1，2，3或4所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：***中的无线车牌，信号机和无线车牌读写器，都是由微功率单芯片无线收发机制成的，可以相互进行无线通信的无线收发机。

6.根据权利要求1，2，3，4或5所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：***中的无线车牌，信号机和无线车牌读写器之间的无线通信，使用的是2.4G ISM免费频段，和直序扩频的通信方式。

7.根据权利要求1，2，3，4，5或6所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：***中的信号机，无线车牌读写器和计算机，可以相互联接成一个有线或无线网络，车辆实际行驶路线等相关信息，可以通过这个网络进行传输。

8.根据权利要求1所述的车辆射频跟踪***，其特征在于：当被跟踪的车辆改为井下人员，车辆行驶的道路改为井下坑道，信号机安装的位置，改为井下坑道沿线的固定位置，信号机与无线车牌之间的通信，被限制在有限距离的范围内，被跟踪的井下人员的位置信息，身份信息和时间信息，是通过与信号机相联的网络，实时地传给管理中心计算机时，***还可实现对井下人员的实时定位跟踪。

9.智能收费公路管理***，是车辆射频跟踪***在收费公路管理中的具体应用，其特征在于：信号机所设置的位置，是以避免车辆逃费，和实现不停车分段收费的目的而定的，这些位置至少应包括公路分岔口的各个支路上，集资分段收费处的分界点；***中的计算机中，储存有安装在收费公路沿线的信号机位置的里程资料，以及公路分段收费的有关资料，通过读取无线车牌所记录的车辆实际行驶线路的相关资料，计算机可以计算出车辆实际应付费总里程和总费用，以及各分路段的费用。

10.根据权利要求9所述的智能收费公路管理***，其特征在于：***使用了信号机广播自身里程位置信号，无线车牌接收信号，并在出口处读出信号，来跟踪车辆实际行驶线路的方式；它可以避免一般远程RFID***，以及其它***可能出现的无线信号接收碰撞现象，以及接收机信号处理速度限制问题，从而使得本***对过往车辆的行驶速度，车流量，车道数量无任何限制。

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