CN209803852U - 基于车路协同的高速公路自由流收费*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于车路协同的高速公路自由流收费***，包括云端设备、高速沿线路侧设备、收费站路侧设备和车载设备，其中：车载设备安装于车辆上，高速沿线路侧设备设于高速公路多义性路径的路段旁，收费站路侧设备设于高速公路出入口处的收费站旁，云端设备设于联网结算中心；车载设备与高速沿线路侧设备之间通过C‑V2X协议互相无线通信，车载设备与收费站路侧设备之间通过C‑V2X协议互相无线通信，高速沿线路侧设备与云端设备之间通过5G网络互相无线通信，收费站路侧设备与云端设备之间通过光纤互相有线通信。本实用新型可实现车辆在高速公路上的无感自由流收费，易实施，成本少，满足智能交通技术的发展需求。

Description

基于车路协同的高速公路自由流收费***

技术领域

本实用新型涉及一种基于车路协同的高速公路自由流收费***，属于公路收费设备领域。

背景技术

我国的高速公路收费从最开始的独立路段收费发展到省域联网收费，再发展到近几年来的ETC联网收费，以及手机移动支付通行费，可谓收费技术随着科技的发展在不断地进步。

针对我国即将采取的全国撤销省界主线收费站的措施，如何实现高效快速收费是高速公路收费所面临的重要课题。目前，交通运输部主推“ETC技术为主、车牌视频识别技术为辅”的技术方案，方案大体为：大力推广ETC，在高速公路省界收费站设置ETC虚拟收费站实现收费，采用车牌视频识别技术进行辅助稽查。

ETC(Electronic Toll Collection，电子不停车收费)***是一种成熟的不停车收费技术，其在欧美国家已有二十多年的历史，我国是从2000年左右引入的，现已逐渐成为我国收费技术标准。但是，ETC技术存在以下缺陷：ETC是基于5.8GHz的DSRC通信技术(Dedicated Short Range Communications，专用短程通信技术)，通信距离短，一般通信半径为10m-30m，因此需要在每条车道的门架上设置天线；ETC的通信覆盖范围小，限制了交易状态下车辆的通行速度，不能保证车辆在120km/h以上的车速下的交易成功率；ETC的通信抗干扰能力较差，存在邻道干扰、反射干扰等问题；ETC通信速率低，仅有不到0.5Mbps，协议栈简单，难以适应智能交通未来发展，无法支持基于大数据、人工智能的车路协同、自动驾驶等应用。

综合考虑已有ETC***的自身特点，其主要的功能在于收取高速公路通行费，而在全国撤销省界主线收费站的方案中，需要在两两互通公路之间设置虚拟收费站，如果采用ETC***的话，则需要在虚拟收费站位置仍设置多个门架、天线等，施工和设备成本昂贵，初步测算全国高速公路网总投资会接近1000亿元，同时因ETC技术的局限性，无法满足智能交通技术的发展，会造成重复建设，浪费极大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于车路协同的高速公路自由流收费***，其可实现车辆在高速公路上的无感自由流收费，易实施，成本少，满足智能交通技术的发展需求。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：它包括云端设备、高速沿线路侧设备、收费站路侧设备和车载设备，其中：车载设备安装于车辆上，高速沿线路侧设备设于高速公路多义性路径的路段旁，收费站路侧设备设于高速公路出入口处的收费站旁，云端设备设于联网结算中心；车载设备与高速沿线路侧设备之间通过C-V2X协议互相无线通信，车载设备与收费站路侧设备之间通过C-V2X协议互相无线通信，高速沿线路侧设备与云端设备之间通过5G网络互相无线通信，收费站路侧设备与云端设备之间通过光纤互相有线通信。

本实用新型的优点是：

本实用新型可实现车辆在高速公路上的自由通行、无感自由流收费，高速公路出入口无需设置实际收费站，提高了车辆通行效率，为驾驶者带来了良好的行车舒适性和安全性。

附图说明

图1是本实用新型的组成示意图。

图2是收费站路侧设备的组成示意图。

图3是高速沿线路侧设备的组成示意图。

图4是车载设备的组成示意图。

图5是本实用新型的实施说明示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型基于车路协同的高速公路自由流收费***包括云端设备10、高速沿线路侧设备30、收费站路侧设备20和车载设备40，其中：车载设备40不可拆卸地安装于车辆上，高速沿线路侧设备30设于高速公路多义性路径的路段旁，收费站路侧设备20设于高速公路出入口处的收费站旁，云端设备10设于联网结算中心(不受局限)；车载设备40与高速沿线路侧设备30之间通过C-V2X协议互相无线通信，车载设备40与收费站路侧设备20之间通过C-V2X协议互相无线通信，高速沿线路侧设备30与云端设备10之间通过5G网络互相无线通信，收费站路侧设备20与云端设备10之间通过光纤互相有线通信。

在实际实施中，高速沿线路侧设备30还可设于高速公路上交通量易发生变化的路段旁。

在本实用新型中，多义性路径是指两个收费站之间存在两条或者两条以上的行驶路径。

在实际实施时，高速沿线路侧设备30与收费站路侧设备20之间还通过光纤有线连接，以在高速沿线路侧设备30与云端设备10之间无法互相无线通信的情况下，高速沿线路侧设备30可将相关信息通过收费站路侧设备20上传给云端设备10。

在本实用新型中，车载设备40设于车辆的仪表台与副驾驶座之间，或者车载设备40设于后视镜处，其中：车载设备40由车辆的供电***(已有***)供电。

在本实用新型中，收费站为实际收费站或虚拟收费站。具体来说，本实用新型高速公路自由流收费***处于初期阶段时，需要在存在实际收费站的情形下使用，而当未来拆除实际收费站后，本实用新型高速公路自由流收费***便进入正式运行阶段，高速公路出入口处的收费站即为虚拟收费站。

实际收费站是指在高速公路出入口的每条车道上安装门架等设施的收费站。而虚拟收费站是虚拟的，不用在高速公路出入口的每条车道上安装门架等设施。

在实际设计中，云端设备10包括云端服务器。云端服务器具有有线/无线通讯、数据收发、处理等功能。云端设备10主要负责车辆信息管理、账户资金管理、生成车辆行驶路径等。

如图3，高速沿线路侧设备30包括RSU装置31。高速沿线路侧设备30主要负责在车辆经过时与车载设备40通信、获取车辆的位置信息、向云端设备10上传作为车辆行驶路径生成依据的位置信息等。

如图2，收费站路侧设备20包括收费站边缘计算服务器21，收费站边缘计算服务器21的信号端口分别与RSU装置22、高清摄像头23的信号端口连接，高清摄像头23用于对进出高速公路出入口的车辆进行拍摄，收费站边缘计算服务器21具有与云端设备10通讯、计算通行费等功能。收费站路侧设备20主要负责车辆图像抓拍、车辆出入高速公路时触发收费站场景云、与车载设备40间通讯、判断车辆进出高速公路意图、通行费计算等。

如图4，车载设备40包括主控模块41，主控模块41的信号端口分别与通信模块42、卫星定位模块43、接口模块44、显示模块45的信号端口连接，其中：主控模块41包括控制芯片，主控模块41主要用于协调各模块并负责控制、存储、读写等，通信模块42具有4G网络、5G网络、C-V2X协议、蓝牙、Wifi、NFC和RFID通讯功能，通信模块42主要负责与高速沿线路侧设备30的RSU装置31、收费站路侧设备20的RSU装置22进行通讯，以及ETC通行卡读写等，卫星定位模块43用于与北斗卫星和/或GPS通讯来对车辆进行定位，接口模块44用于经由CAN总线与车辆的控制***连接，显示模块45用于显示收费状态、预警信息等。车载设备40主要负责车辆身份唯一标识，绑定银行卡、手机微信等支付账户、读写现有的ETC通行卡、卫星定位等。

在本实用新型中，高速沿线路侧设备30、收费站路侧设备20中安装的RSU(路侧单元，Road Side Unit的缩写)装置是车路协同***中采用C-V2X(Cellular-vehicle toeverything)技术，即蜂窝通信技术为基础的车联网无线通信技术，与车载设备40(也可称为车载单元OBU)可进行通讯，具有无线通信、信号收发等功能，可实现车辆身份识别、电子扣费等的硬件装置。

在实际实施时，高速沿线路侧设备30的RSU装置31宜采用工控机，收费站路侧设备20的RSU装置22宜采用容错服务器。

另外，高速沿线路侧设备30、收费站路侧设备20安装在道路旁的立柱上即可覆盖各自所对应的往来路段。

在本实用新型中，云端服务器、收费站边缘计算服务器21、RSU装置22、31、主控模块41、通信模块42、卫星定位模块43、接口模块44、显示模块45均采用本领域的已有设备或熟知设备，故在这里不再详述。

在实际实施时，当本实用新型高速公路自由流收费***用于4G网络时，C-V2X协议即为LTE-V2X协议，当本实用新型高速公路自由流收费***用于5G网络时，C-V2X协议即为NR-V2X协议。

在实际设计中，车载设备40具备Uu空口和PC5空口，收费站路侧设备20也具备Uu空口和PC5空口，高速沿线路侧设备30仅需具备PC5空口，通行费收取通过Uu空口通信即可实现。

如图5，当本实用新型高速公路自由流收费***用于无实际收费站的正式运行阶段时，在高速公路上实现无感自由流收费的过程为：

车辆进入高速公路：

当车辆驶入高速公路出入口(虚拟收费站60)的匝道50，进入收费站路侧设备20的通信覆盖范围时，车辆的车载设备40将通过自身卫星定位模块43获得的行驶轨迹通过通信模块42与RSU装置22之间的通讯，发送给收费站路侧设备20的收费站边缘计算服务器21，同时收费站路侧设备20将通过高清摄像头23捕获的车辆图像传送给收费站边缘计算服务器21，由收费站边缘计算服务器21基于其内安装的高精地图虚拟电子围栏软件触发收费站场景云，以根据车辆在高精地图上的行驶轨迹图像，以及捕获的车辆位置、行驶方向等图像信息，判断出车辆是进入高速公路还是离开高速公路。此时会判断为车辆进入高速公路，于是，收费站路侧设备20通过RSU装置22与通信模块42之间的通讯将入口信息发送给车载设备40。车辆进入高速公路，然后收费站路侧设备20和车载设备40记录此入口信息，收费站路侧设备20将此入口信息上传给云端设备10。

另外，若本实用新型高速公路自由流收费***用于存在实际收费站的初期阶段，需要与普通车辆混行，则当判断为车辆进入高速公路后，收费站路侧设备20通过RSU装置22与通信模块42之间的通讯，在将入口信息发送给车载设备40的同时，还将车道编号信息发送给车载设备40。同时收费站路侧设备20会向实际收费站的指定车道(既可以是ETC车道，也可以是MTC车道)发出打开栏杆指令，于是指定车道打开栏杆，车辆按照接收的车道编号从指定车道进入高速公路。

车辆在高速公路上行驶：

一方面，车辆的车载设备40通过卫星定位模块43实时记录行驶轨迹，另一方面，车辆行驶经过高速沿线路侧设备30时，车辆的车载设备40将其位置信息通过通信模块42与RSU装置31之间的通讯，发送给高速沿线路侧设备30，从而高速沿线路侧设备30将车辆的位置信息上传给云端设备10。

车辆离开高速公路：

当车辆驶入高速公路出入口(虚拟收费站60)的匝道50，进入收费站路侧设备20的通信覆盖范围时，车辆的车载设备40将通过自身卫星定位模块43获得的行驶轨迹通过通信模块42与RSU装置22之间的通讯，发送给收费站路侧设备20的收费站边缘计算服务器21，同时收费站路侧设备20将通过高清摄像头23捕获的车辆图像传送给收费站边缘计算服务器21，由收费站边缘计算服务器21基于高精地图虚拟电子围栏软件触发收费站场景云，以根据车辆在高精地图上的行驶轨迹图像，以及捕获的车辆位置、行驶方向等图像信息，判断出车辆是进入高速公路还是离开高速公路。此时会判断为车辆离开高速公路，于是，收费站路侧设备20的收费站边缘计算服务器21与云端设备10通讯，将此出口信息上传给云端设备10，然后从云端设备10获取此车辆的车辆行驶路径、行驶里程、经过路段的收费费率等相关信息，计算出通行费，并将扣费信息反馈给车载设备40。同时，收费站路侧设备20通过RSU装置22与车载设备40的通信模块42之间的通讯将出口信息发送给车载设备40。车辆离开高速公路的同时，车载设备40通过车辆绑定的银行卡或ETC通行卡实现自动扣费，然后收费站路侧设备20和车载设备40记录此出口信息。

在这里，车辆行驶路径是云端设备10根据接收到的关于此车辆的入口信息、在高速公路上行驶过程中经由高速沿线路侧设备30上传的位置信息，以及车辆的出口信息等生成的。

另外，若本实用新型高速公路自由流收费***用于存在实际收费站的初期阶段，需要与普通车辆混行，则当判断为车辆离开高速公路后，收费站路侧设备20通过RSU装置22与通信模块42之间的通讯，在将出口信息发送给车载设备40的同时，还将车道编号信息发送给车载设备40。同时收费站路侧设备20会向实际收费站的指定车道(既可以是ETC车道，也可以是MTC车道)发出打开栏杆指令。当确认扣费成功后，指定车道打开栏杆，车辆按照接收的车道编号从指定车道离开高速公路。若扣费不成功，收费站路侧设备20将失败信息反馈给车载设备40，告知驾驶者扣费失败原因，待人工处理后指定车道栏杆才打开，允许车辆离开高速公路。

本实用新型可广泛用于高速公路收费场合，可很好地替代已有ETC收费措施，可兼容已有的ETC通行卡，并且与已有ETC收费措施相比，本实用新型具有如下优点：

1)本实用新型易实施，成本少，高速沿线路侧设备、收费站路侧设备安装在道路旁的立柱上即可覆盖对应路段，不需要像ETC收费那样需要在每条车道的门架上设置天线。

2)本实用新型基于C-V2X通信技术实现，具有通信距离长、通信时延短、通信速率高的特点，能以更少的设备、更低的成本来实现高速公路收费功能，更符合智能交通的发展需求。

3)本实用新型的结构设计符合智能交通技术的发展方向，可为未来车路协同、自动驾驶等提供技术支持，不会造成重复建设。

4)本实用新型避免了在收费站安装大量的门架，因此车辆行驶中省去了频繁穿梭门架，大大提升了行车舒适性和安全性。

5)本实用新型很好地实现了车辆在高速公路上的无感自由流收费。自由流是指车辆可以变道、跨道、超车、跟驰等任意方式和任意车速通行，道路设施不对其通行形成干扰的一种车辆通行方式。

以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：它包括云端设备、高速沿线路侧设备、收费站路侧设备和车载设备，其中：车载设备安装于车辆上，高速沿线路侧设备设于高速公路多义性路径的路段旁，收费站路侧设备设于高速公路出入口处的收费站旁，云端设备设于联网结算中心；车载设备与高速沿线路侧设备之间通过C-V2X协议互相无线通信，车载设备与收费站路侧设备之间通过C-V2X协议互相无线通信，高速沿线路侧设备与云端设备之间通过5G网络互相无线通信，收费站路侧设备与云端设备之间通过光纤互相有线通信。

2.如权利要求1所述的基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：

所述高速沿线路侧设备还设于高速公路上交通量易发生变化的路段旁。

3.如权利要求1所述的基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：

所述高速沿线路侧设备与所述收费站路侧设备之间通过光纤有线连接。

4.如权利要求1所述的基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：

所述车载设备设于车辆的仪表台与副驾驶座之间，或者所述车载设备设于后视镜处，其中：所述车载设备由车辆的供电***供电。

5.如权利要求1所述的基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：

所述收费站为实际收费站或虚拟收费站。

6.如权利要求1至5中任一项所述的基于车路协同的高速公路自由流收费***，其特征在于：

所述云端设备包括云端服务器；

所述高速沿线路侧设备包括RSU装置；

所述收费站路侧设备包括收费站边缘计算服务器，收费站边缘计算服务器与RSU装置、高清摄像头连接；

所述车载设备包括主控模块，主控模块与通信模块、卫星定位模块、接口模块、显示模块连接，其中：通信模块具有4G网络、5G网络、C-V2X协议、蓝牙、Wifi、NFC和RFID通讯功能，卫星定位模块与北斗卫星和/或GPS通讯，接口模块经由CAN总线与车辆的控制***连接。