JP2837612B2 - 自動料金収集方法及びそのシステム - Google Patents

自動料金収集方法及びそのシステム

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JP2837612B2 JP18869093A JP18869093A JP2837612B2 JP 2837612 B2 JP2837612 B2 JP 2837612B2 JP 18869093 A JP18869093 A JP 18869093A JP 18869093 A JP18869093 A JP 18869093A JP 2837612 B2 JP2837612 B2 JP 2837612B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は自動支払いシステムに関
し、特に移動中の車両向けのエレクトロニクスを用いた
料金収集に関する。
【０００２】
【従来の技術】高速道路における料金収集は、人手を必
要とし、時に、それが交通渋滞の原因となる。この為、
これを改善する方法が種々提案されている。
【０００３】米国特許第４，３３８，５８７号は、”高
速”レーン上の自動車を自動的に識別する車両料金収集
システムを記載している。高速レーンから利益を得るた
めに、車両には、登録した州及び免許番号などの情報を
用いて車両を識別するためのデータを電子料金収集装置
へ送出する高周波送信機が備え付けられている。料金は
車両の所有者の口座に対して課金され、支払いは、ナン
バープレートを発行しかつ車両の所有者から（予め）料
金を収集した官庁によってなされる。この方法は有用で
はあるが、管理のための大量のオーバーヘッドを必要と
し、詐欺がなされやすい。例えば、不正確な情報（他の
車両のナンバー）の送出は、他の車両の所有者が次の機
会に課金されるまでは検出されない。
【０００４】米国特許第４，９６３，７２３号は、車両
の運転者が各々の料金所において集積回路（ＩＣ）カー
ドを挿入することを要求する、有料道路自動料金収集装
置を記載している。このＩＣカードは免許と銀行口座の
双方の情報をストアしている。料金はカード所有者の銀
行口座から引き落とされ、車両が料金所を通過するため
に要求される実際のナンバープレートと免許情報との比
較をする手段が供給されている。しかしながら、このシ
ステムは、運転者が停止する必要があるため、料金収集
のスピードという観点からは何ら改善されない。
【０００５】しかしながら、ＩＣカードの情報が料金所
に対して送信されたとしても、詐欺に対するセキュリテ
ィの向上がカード所有者と高速道路管理官庁の双方に対
して非常な不便をもたらすことになる。カード所有者
は、特定の車両ではなく、たまたま乗っていた（友人の
車、レンタカーなどの）あらゆる車両に対して料金を支
払えなければならない；また、ナンバープレートを読み
取るために新たな装置が必要となる。この後者は、技術
的に大きな挑戦であるばかりではなく、州外の運転者が
このようなシステムから恩恵を被るためにはナンバープ
レートのデザインに関して種々の州間での協力が必要と
なる。
【０００６】高速な料金支払いを実現するための一つの
良く知られた技法は、車両の風防部に取り付けられてい
て所定の性質を有する電磁界に入った場合に識別信号を
送信する小型トランスポンダを利用することによって実
現される。この種のトランスポンダは高周波で動作する
ため、それらはＲＦタグとして知られている。残念なが
ら、この種のシステムにおいては”盗聴”が比較的容易
である；送信された識別信号が、料金支払いを避けるた
めに、他の車両によって途中で受信され、記録され、再
送されることが有り得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】支払いがデータの転送
によってなされるシステムにおいては、データが意図さ
れた情報を正確に表現していることを保証するために注
意が払われなければならない。データを保持しているデ
バイスをいじることにより、データの完全性を危険に晒
しそれによって支払い方法を無効にしてしまうような種
々の望ましくない結果がもたらされる場合がある。例え
ば、クレジットカードの口座番号が変更された場合に
は、その取り引きが誤った人物に課金されてしまう；デ
ビットカードの残高が不法に増大させられた場合には、
クレジット会社側が詐欺にあうことになる。よって、移
動中の車両から料金を収集するための安全確実な方法を
実現することが望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、安全確
実な料金支払いが実現される。本発明に係るシステムに
おいては、変更可能な確認番号（暗号化コード）が移動
中の車両に対して送信される。その後、この移動中の車
両は、前記確認番号を用いて所定のアルゴリズムに従っ
て前記確認番号を暗号化し、このことによって得られた
信号を送信する。確認番号が毎回変更されるため、その
車両によって送信される信号も毎回変更されることにな
る；よって、エレクトロニクスを用いた盗聴による詐欺
は実質的に排除される。
【０００９】本発明の一実施例においては、確認番号
（暗号化コード）は８ビット乱数及び日時番号を含んで
いる。スマートカードは車両にマウントされたトランス
ポンダユニットに挿入されるが、それは容易に取り外さ
れて車両の所有者によって持ち運ばれる。従来のクレジ
ットカードよりも大きくはないため、このスマートカー
ドは所有者の財布の中に収められうる。処理時間として
およそ０．５秒がスマートカード及びトランスポンダユ
ニットに対して割り当てられており、高速で移動中の車
両を扱うために、料金所の高速支払いレーンには一対の
アンテナが連続してある間隔を有するように設置されて
いる。
【００１０】本発明の一実施例においては、デビットカ
ードはデビット処理の間はロックされ、それが完了した
時点でアンロックされる。このことにより、支払いを避
けるためにデビットカードをデビット処理の間にトラン
スポンダから取り除こうとする者による詐欺を防止する
ことが可能となる。
【００１１】安全性は、スマートカードのメモリにスト
アされた、暗号コードを暗号文に暗号化するデータ暗号
標準（ＤＥＳ）アルゴリズムの使用によってさらに改善
される。ＤＥＳは公知であり、文書化されているという
利点を有している。これはプライベートキーシステムで
あり、このプライベートキーが秘密にされている限りは
高度に安全確実である。ＤＥＳは、その暗号文出力の可
逆性、すなわち暗号文Ｃが同一のプライベートキーを用
いることによって元のメッセージＭに平文化されうると
いう更なる利点を有している。
【００１２】
【実施例】本発明は、車両が比較的−少なくとも安全面
での考慮から許容される限り−高速で特別に設計された
料金所を通過することを可能にするシステムに関するも
のである。運転者は料金所に接近するとスマートカード
をトランスポンダユニットに挿入する。このトランスポ
ンダユニットは、スマートカードにストアされた識別情
報を読み取って高周波によって側路リーダ（ＲＳＲ）宛
に送信する。この側路リーダは、一対のある間隔を有し
て設置されたアンテナと料金所における電子料金支払い
に関して機能するコンピュータ（プラザサーバ）とを有
している。ＲＳＲは、応答として、カードに対して借方
記入するかあるいは料金を運転者の口座に対して課金す
る。この取り引きの詳細は、その後、側路コントローラ
からトランスポンダに対して返送され、記録がスマート
カードに書き込まれる。このシステムは、固定あるいは
可変支払い料金所に対して機能するように実現される。
さらに、運転者及び高速道路管理官庁の双方に対して最
大の利便を与えつつ詐欺を防止するような技法が記載さ
れる。このような利点は、本発明の実施例の詳細が示さ
れるにつれて明らかになる。
【００１３】図１は、本発明に係る料金収集システムを
用いた料金支払いエリアの鳥瞰図である。料金支払いエ
リアは、高速道路の拡幅された部分及び複数個の料金収
集ブース４１−４５を有している。この種の料金収集ブ
ースは、特定のファシリティを用いる権利に対して固定
金額が収集されるあるいは車両が高速道路に入った位置
を示すために各々の車両に対して切符が渡されるような
高速道路、橋、あるいはトンネルなどの入り口に位置し
ている。この種の料金収集ブースは、高速道路の出口に
も配置され、可変料金の収集に対して用いられる。その
ような場合には、切符が（後の詐欺使用を避けるため
に）収集され、その車両が高速道路に入った入り口によ
って支払い額が決定される。本発明は、これらすべての
ケースに対して適用可能である。
【００１４】高速道路の拡幅された部分は、料金支払い
を現金あるいはトークンによって行ないたい運転者によ
って用いられる部分３０を含んでいる。残念ながら、こ
の種の支払いを行なうことは車両が完全に停止すること
を要求し、自らが料金ブース４２−４５の内のひとつで
支払いを開始する前にしばしば他の者が支払いを完了す
るのを待たなければならなくなる。高速道路の拡幅され
た部分は、停止することなくエレクトロニクスを用いた
支払いをなすための装置を備えた運転者によって利用さ
れる高速レーン２０を有している。しかしながら、レー
ン２０に入る前に、運転者は車両５０の風防部内あるい
はダッシュボードに設置されたトランスポンダユニット
に支払いカードを挿入しなければならない。カードから
の情報はトランスポンダにロードされ、トランスポンダ
はアンテナ１からの起動信号を待ち受ける。
【００１５】起動信号は、車両がアンテナ１の直前の進
入路に埋め込まれたループセンサ２５上を移動する時点
でトリガされる。あるいはアンテナ１は常時起動信号を
送信している。いずれの場合においても、起動信号はト
ランスポンダとアンテナ１との間の情報交換をトリガす
る。レーン２０に添っては、車両５０内のトランスポン
ダユニットと付加情報の交換を行なうためにアンテナ２
が配置されている。これらのアンテナは、アンテナ２と
の付加情報の交換を行なう前にアンテナ１から受信され
た情報の処理に対して用いられる時間間隔（およそ５０
０ミリ秒）を実現するように離して設置されている。こ
れらの情報交換の結果はメッセージボード３（頭上のサ
イン）上にレーンコントローラの制御下で表示される。
このメッセージボードは、運転者に対して、レーン２１
へ進んで良いかあるいは料金ブース４１が配置されてい
るレーン２２に対して車両を寄せるべきかを指示する。
運転者は、例えば、カード内に充分な残高がない場合
（デビットカードが用いられた場合）、カードが紛失さ
れたものあるいは盗難されたものであると報告された場
合、データ伝送エラーが発生した場合などに車両を寄せ
るように指示される。料金ブース４１においては、運転
者はデビットカードを購入したり、現金で支払いをした
り（不注意で高速レーン２０に入ってしまった場合な
ど）、既存のデビットカードの残高を増やしたりでき
る。ビデオカメラ４が配置されていて、適切な支払いを
しない、紛失された／盗難されたデビットカードを所持
している、デビットカードにストアされた車両クラス情
報に対応しない車両を運転している、などの場合に車両
のナンバープレートを撮影する。
【００１６】図２は、将来の高速料金支払い用多重レー
ンシステムを示した模式図である。この図においては、
図１に示されたアンテナ１、２及びディスプレイ３の機
能が単一の構造物１０内に組み合わせられていることに
留意されたい。車両内のトランスポンダと構造物１０と
の間の多重データ交換は、図示されているような単一ア
ンテナの利用を可能にするようなデータ処理速度で行な
われる。このようなより高速なデータ処理に係る費用か
ら、現時点においては一対の離して設置されたアンテナ
を用いることがよりコストパフォーマンスがよいことが
示唆される。しかしながら、本発明は単一アンテナシス
テムに対しても適用可能である。
【００１７】図３は、本発明のより望ましい実施例に係
る多重レーンシステムにおける高速料金収集を実現する
ために用いられる種々のアイテムを示した図である。プ
ラザサーバ３１０は、具体的にはＡＴ＆Ｔ／ＮＣＲ製コ
ンピュータ（３４００クラス）であり、電話回線（９．
６−５６ｋｂ／ｓ）を介して料金収集官庁と、さらに複
数個の高速支払いレーンをモニタしそれに対して機能す
る装置と、それぞれ通信する。側路リーダ（ＲＳＲ）３
２０及びレーンコントローラ（ＬＣ）３３０は、プラザ
サーバ３１０の制御下で最大４つのレーンを扱う。付加
的なＲＳＲ及びＬＣがサーバに対して接続されうるが、
図を簡潔にするためにそのうちの一つだけが示されてい
る。同様の理由から、単一の高速レーンを扱うために必
要とされる装置のみが示されている。ループ２５は特定
の高速支払いレーン上を走行する車両のみをセンスし、
この情報をＬＣ３３０経由でサーバ３１０に対して伝達
する。その後、アンテナ１が起動信号をＲＳＲ３２０の
制御下で走行中の車両に対して送出する。
【００１８】この実施例においては、ＲＳＲ３２０は、
空間を介したデータ伝送を行なうために９０２から９２
８ＭＨｚの範囲の高周波域の信号を変調／復調するため
に必要となる装置を有している。一対のアンテナが各々
のレーンに対して機能する。車両がこれらのアンテナを
通過した後、車両のトランスポンダとこれらのアンテナ
との間のデータ交換の結果が、サーバ３１０の制御下で
ＬＣ３３０によって駆動され、複数個の相異なったメッ
セージの内の一つを提供するメッセージディスプレイ３
によって車両内の運転者に対してビジュアルに伝達され
る。プラザサーバ３１０は、通常、適切な支払いをなさ
なかった車両の識別を記録するために用いられるビデオ
カメラ４を制御する。
【００１９】図５は、支払いをしかつ挿入されたスマー
トカード５００との間のデータ伝送を行なう、アンテナ
１及び２と通信する、車両内にマウントされたトランス
ポンダ６００の概観を示した図である。トランスポンダ
６００は、種々の設置位置に対して適合するように回転
するマウンティング装置６１０によって、車両のダッシ
ュボードあるいは風防内に取り付けられている（図４を
参照）。トランスポンダの前面には、スマートカードを
受容するためのスロット及び運転者に対してビジュアル
な指示を提供するためのライト６２１、６２２、及び６
２３が設けられている。トランスポンダ６００の内部の
ブロック図が図６に示されている。スマートカードがリ
ーダ／ライタ８ユニット７００に挿入されると、トラン
スポンダに電力を供給するスイッチが動作させられる。
【００２０】トランスポンダはバッテリによって動作さ
せられうるが、そのバッテリが耐えなければならない温
度範囲は過酷なものである。本発明のより望ましい実施
例においては、シガレットライターレセプタクルを介し
て車両のバッテリ（１２Ｖ）に対して接続されるプラグ
６０１によって一次電源が供給される。パワーコンディ
ショナ６４０は、入力の１２Ｖを出力の５．０Ｖ、６．
５Ｖ、及び８．０Ｖに変換する。マイクロコントローラ
６５０（具体的には、インテル（Ｉｎｔｅｌ）社製８７
Ｃ５１ＦＣ型８ビットマイクロプロセッサ）は、トラン
スポンダの動作を制御する制御命令をストアしているメ
モリ（ＲＯＭ及びＲＡＭ）を有している。マイクロコン
トローラ６５０は、ＬＥＤ６２１、６２２、６２３（図
５参照）よりなるビジュアルインジケータ６２０、及び
ピエゾ電気トランスジューサとそれに関連している発振
器及びタイマよりなるオーディオインジケータ６３０を
制御する。マイクロコントローラ６５０は、公称キャリ
ア周波数９１５ＭＨｚのＲＦモジュレータ６７０に対し
てデジタルデータを送出する。変調されたＲＦ信号は増
幅器６６５によって増幅されて送信アンテナ６８０へ伝
達される。アンテナ６９０は、図３に示された装置から
ＲＦ信号を受信する。このＲＦ信号は増幅器６７５によ
って増幅され、ＲＦ復調器６７０によって復調されてそ
の結果得られたデータがマイクロコントローラ６５０に
供給される。ある種のデータはスマートカード向けのも
のであり、あるいは処理されるものまたはスマートカー
ドにおいてストアされるものである；このデータはシリ
アルデータバス７１０を介してリーダ／ライタユニット
７００に伝達される。
【００２１】図７は、本発明に関連して用いられている
スマートカード５００及びリーダ／ライタユニット７０
０のブロック図を示した図である。その詳細に関しては
米国特許第４，７９７，８９８号及び第４，８９８，３
２２号に記載されているが、ここでは簡潔にその内容を
示す。スマートカード５００内に配置されている基本的
な素子は、マイクロプロセッサ５６０、電気的消去可能
プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５
５０、アナログインターフェース回路５４０、トランス
９２０の２次巻線５２１、及び容量板５４１−５４４で
ある。
【００２２】マイクロプロセッサ５６０は、中央処理ユ
ニット及びランダムアクセスメモリとリードオンリメモ
リとからなるメモリ手段を含んでいる。インテル社製の
８０Ｃ５１マイクロプロセッサが適切なプログラミング
を行なった上で用いられうる。プロセッサ内部のリード
オンリメモリによるファームウエアの制御下でマイクロ
プロセッサ５６０はＥＥＰＲＯＭ５５０とアナログイン
ターフェース回路５４０を介してリーダ／ライタユニッ
ト７００とに対するデータのフォーマットを整える。Ｅ
ＥＰＲＯＭは、複数のメーカから市販されている。デー
タは、動作電力が供給されている間、ＥＥＰＲＯＭに対
して反復して読み出し／書き込みされる。動作電力が取
り除かれると、ＥＥＰＲＯＭ内のデータに対してなされ
た全ての変更が保持され、スマートカード５００に対し
て再び電力が供給された場合に必ず回復可能な状態にな
る。
【００２３】アナログインターフェース回路５４０は、
スマートカード５００とリーダ／ライタユニット７００
との間のインターフェースとして機能する手段を供給す
る。アナログインターフェースユニット５４０内には、
リーダ／ライタユニット７００とデータ交換を行なうキ
ャパシタ５４１−５４４に応答する回路が含まれてい
る。カード５００を動作させる電力は誘導結合によって
トランス７２０の２次巻線５２１で受信され、アナログ
インターフェース回路５４０に供給される。このトラン
スは、２次巻線５２１がリーダ／ライタユニット７００
内の１次巻線７２１に対して結合された場合に形成され
る。トランス７２０は、１次巻線７２１と２次巻線５２
１との間の結合を増大させるために、リーダ／ライタ内
にフェライトコア７２２を有している。さらに結合効率
を向上させるために、第二のこの種のコアがトランス７
２０のスマートカード部分内にも含まれている。１次巻
線７２１は電源９３０によって１．８４３２ＭＨｚの周
波数で駆動される。電源９３０の動作は、１９８９年１
月３１日付けの米国特許第４，８０２，０８０号に特に
記述されている。
【００２４】リーダ／ライタユニット７００において
は、アナログインターフェース回路７４０がマイクロプ
ロセッサ７６０の制御下でスマートカード５００とデー
タ交換を行なう。キャパシタ板７４１−７４４は、スマ
ートカード５００内の対応するキャパシタ板５４１−５
４４と向き合うように配置されている。入出力シリアル
データインターフェース７５０は、基本的には汎用非同
期レシーバ／トランスミッタ（ＵＡＲＴ）であるが、マ
イクロプロセッサ７６０に含まれていることが望まし
い。
【００２５】ユーザは、スマートカードをクレジットカ
ードと同じ様に管理し、通常それを財布に入れて持ち運
ぶ。スマートカードがトランスポンダから取り除かれる
と、トランスポンダは料金支払いに関しては機能しな
い。しかしながら、スマートカードそれ自体は、他の商
品あるいはサービスに対する支払いに対して利用可能で
ある。実際、地域の運輸行政官庁によって発行されたカ
ードが、側路電話、レストラン、ガソリン、さらにはス
ピード違反の切符などの支払いに対して用いられうると
いうことは、市場においてかなりのインパクトがある。
【００２６】図４に示されているように、運転者はスマ
ートカードを電子支払いをしなければならなくなる少し
前にトランスポンダ６００に挿入する。この状況は、通
常、運転者が料金所があると思われる場所に近づいた場
合に発生する。カードが挿入されると、トランスポンダ
は種々のメッセージを提供する。赤いライト６２２が点
灯して長いブザー音が鳴った場合には、カードが正しく
挿入されていない。カードが正しく挿入された場合に
は、２度ビープ音がしてトランスポンダはそのカードで
利用することが可能な残高を示す。そのカードで利用可
能な残高をドルで近似して表すために、ライトが点滅す
る。緑のライト６２１が１度光ることは１００ドルを意
味しており、赤いライト６２２が１度光ると１０ドル、
黄色のライト６２３が１度光ると１ドルである。カード
が挿入されている場合に運転者がその残高を知ろうとす
る場合には、それを一度取り出して再び挿入すればよ
い。残高がある一定量を下回ると、黄色のライトが点滅
を開始する。そのカードは、より多くの金額をクレジッ
トするために、すみやかに支払官庁へ持参されなければ
ならない。規定最低残高は初期化の時点で規定されて、
支払官庁によって変更されうる。
【００２７】図８は、移動中の車両と料金プラザ装置と
の間の、車両が高速支払いレーンを通過する際のデータ
交換の概略を示した図である。これらのデータ交換の間
はスマートカードがトランスポンダ内に挿入されたまま
であることが仮定されている。まず、ループセンサがレ
ーンコントローラに対して、向かってくる車両がアンテ
ナ１の範囲内に入ったことを知らせる信号を供給する。
プラザサーバは、その後、アンテナ１から移動中の車両
内のトランスポンダに対して起動信号を送信する。起動
信号に応答して、トランスポンダは、スマートカードか
らトランスポンダ内のマイクロコントローラへ予めロー
ドされた、図１０及び図１１に示されたデータフレーム
を有するデータを送信する。安全性を向上させるため
に、スマートカードはこの時点でロックされる。（ロッ
クとは、ＩＤ番号及び車両のクラスを保持しているスマ
ートカード内のファイルの最初のバイトに対して１６進
キャラクタのＦＦが書き込まれており、このキャラクタ
が除去されるまではこのカードが新たな処理に対して用
いられ得ないことを意味している。）同時に、トランス
ポンダの黄色のライトが、処理がなされつつあることを
表示するために点灯する。
【００２８】このデータが受信されると、プラザサーバ
は８ビットの乱数及び年月日及び時刻の表示を含む暗号
コードを生成する。この情報は、図１０の固定データフ
レーム及び図１２の可変データフレームよりなる１２８
ビットのトランスポンダデータフレームに詰め込まれ、
アンテナ１を介して移動中の車両に対して送信される。
同時に、サーバはシークレットコードを参照するために
カードのＩＤ番号を用いるかあるいはカードのＩＤ番号
とシークレットアルゴリズムを用いてシークレットコー
ド（Ｋ、Ｓ）を生成する。シークレットコード、暗号コ
ード、及びスマートカードの残高（デビットカードとし
て用いられた場合）は、ＤＥＳアルゴリズムを用いて組
み合わせられて処理され、スマートカードによって生成
された暗号化された番号（Ｐ）と比較されることになる
暗号化された番号（Ｐ’）が生成される。ＤＥＳ暗号化
処理は、アンテナ１とアンテナ２との間の移動に対して
割り当てられた５００ミリ秒のインターバルの間になさ
れる。（現在のスマートカードにおいては、データ交換
及び処理に対してある時間が必要である。この時間は、
車両が、その最高速度では、単一のアンテナによって処
理されうる範囲以上に移動してしまえるだけの時間であ
る。）
【００２９】さらに同時に、サーバはカードのＩＤが紛
失あるいは盗難されたカードのリスト中に存在している
か否かを決定するために検索する。存在していない場合
には、料金が計算される。ある場合には料金は固定され
たものであり、またある場合には、高速道路などの場合
のように車両が入った位置に依存する場合もある。各々
の料金所は、スマートカードが備え付けられた車両が通
過した日時をスマートカードにその位置とともに書き込
むようにプログラムされている。よって、車両が次の料
金所に到達すると、料金は適切に計算される。このデー
タを用いて、受容メッセージ（図１４に示されている）
が移動中の車両への伝達のために暗号化される。この情
報には、現在の料金所の位置、現在の日時、ブラックリ
ストビット、及びカードからデビットされた金額が含ま
れていることに留意されたい。（デビットカードの代わ
りに）クレジットカードが用いられる場合には、処理金
額がストアされて記録としてのみ用いられる。
【００３０】アンテナ２は、移動中の車両のトランスポ
ンダに対して暗号化された受容メッセージを送信する。
トランスポンダにおいては、このデータが平文化され、
カードをデビットするために用いられる。さらに、スマ
ートカードは、平文化されたメッセージ内の情報に基づ
いてアンロックされる。例えば、ブラックリストによっ
てこれが盗難されたスマートカードであることが明らか
になった場合には、それはロックされたままとなる。同
様に、デビット課金を避けるためにスマートカードがア
ンテナ１とアンテナ２との間で抜き取られた場合には、
カードはロックされたままとなる。処理が成功裡に終了
した場合には、それを示す音がなり、処理が終了したこ
とを示すためにトランスポンダの黄色のライトが消灯さ
れる。
【００３１】運転者には、処理が成功裡に終了したかそ
うではなかったかが料金所のメッセージディスプレイに
よって通知される。デビットカードの残高が不適切であ
ったり、カードが盗難されたものであったり、トランス
ポンダがアンテナ２に対する送信を完了する前にカード
が抜き取られたり、データ処理にエラーが発生したり、
注目するに値するような異常が発生した場合などには処
理が成功しないことになる。これらのような場合には、
運転者は特定の支払いブースに車両を寄せるように指示
される。この指示を遵守させるために、車両の識別を記
録するビデオカメラが動作させられている。
【００３２】トランスポンダとサーバとの間では、図９
に示されたような所定のフォーマットを用いて情報が交
換される。このフォーマットはトランスポンダとＲＳＲ
の双方によって用いられ、１２８ビットからなる。トラ
ンスポンダデータフレームは、固定部分、可変部分に加
えて、伝送の正確さを確認するために用いられる１６ビ
ットの環状冗長コード（ＣＲＣ）を有している。固定デ
ータフレームは図１０に示されており、車両のトランス
ポンダ内のスマートカードによって供給された情報を含
んでいる。固定データフレームの最初の１６ビットは、
用いられているトランスポンダのタイプ、車両のクラ
ス、及びスマートカードのＩＤを識別するために用いら
れる。より改良されたトランスポンダデザインが開始さ
れているため、用いられているトランスポンダの種類を
識別することが必要である。さらに、相異なったクラス
の車両は相異なった料金額を支払う場合があるため、車
両のクラスを識別することが必要である。さらに、スマ
ートカードＩＤを送信することにより、（デビットカー
ドではなく）クレジットカードの利用が可能になり、窃
盗や偽造に対する安全性がより向上する。実際、本発明
の趣旨は、このような安全性の向上である。
【００３３】車両がまず料金支払い領域に入ると、プラ
ザサーバはトランスポンダをアンテナ１によって送信さ
れる起動信号によって起動する。データは、トランスポ
ンダとアンテナ１との間で変調された９１５ＭＨｚのキ
ャリア信号を用いて交換される。起動信号に応答して、
トランスポンダはスマートカード内のマイクロプロセッ
サに対する”目覚まし”通話を開始し、トランスポンダ
は１２８ビットの”トランスポンダデータフレーム”を
アンテナ１に対して送信する。トランスポンダデータフ
レームは、４０ビットからなる固定フレーム（図１０参
照）、７２ビットよりなる可変フレーム（図１１参
照）、及び１６ビットのエラー修正コードよりなる。こ
の時点においては暗号化はなされておらず、車両識別、
スマートカード識別及び位置情報は平文で送信される。
この情報は、プラザサーバによって料金計算に用いられ
る。位置情報は、通常、高速道路の入り口に位置するサ
ーバによってスマートカードに書き込まれ、出口に位置
するサーバによって読み取られて可変料金の計算に用い
られる。
【００３４】上述された送信に応答して、サーバは車両
に対して同様のトランスポンダフレームを返送するが、
ここで送信された可変データフレームは図１２に示され
ているものであり、１６ビットの日時を表す数及び８ビ
ットの”乱数”を含んでいる。本発明のより望ましい実
施例においては、これらの数は協同して暗号コードを生
成する。日時数は、その年の１月１日から経過した時刻
をグリニッジ標準時を用いて１０分単位で表わした数で
ある。さらに、”乱数”は、トランスポンダとサーバと
の間でのデータ交換を暗号化するために用いられうる、
最大２５６個の相異なったビットパターンを生成する８
ビット数である。この”乱数”は、料金支払いを避ける
ためにこのようなデータ交換を記録して再生しようとす
る者を未然に防ぐために周期的に交換される。よって、
暗号化コードは、一年毎に反復される予測可能な部分と
予測不可能な部分によって構成されている。すなわち、
相異なった暗号化コードが１０分間隔で保証されている
ことになり、この１０分間に２５６個の可能なコードの
内の一つが有効であることになる。さらに、翌年の同じ
時間にはこの暗号化コードの既知の部分（日時数）が反
復されることにはなるが、昨年と同一になる確率は２５
６分の１しかない。あるいは、図１２のビット９から７
２の全てが、さらに安全性を向上させるために、ランダ
ムに選択されても良い。
【００３５】この時点において、車両内のトランスポン
ダはアンテナ２に対して伝送されるデータを暗号化する
ために必要とされる全ての情報を有している。この時点
においては、適切にデビットされる前に抜き取られる可
能性を無くすためにスマートカードはロックされてい
る。カードが、受容されうるものであるとサーバによっ
て決定された場合には、アンテナ２がデビット処理を完
了した時点でアンロックされる。”ロッキング”とは、
スマートカードがそのカードの発行者に戻されてアンロ
ックされるまではそれがいかなる支払いに対しても用い
られないことを意味している。ロッキングは、カードが
紛失されたあるいは盗難されたものであると識別され、
かつその”発見者”がそれを用いようとした場合にも発
生する。簡潔に述べれば、起動モードの間にアンテナ１
から受信された情報は暗号化コードであり、この暗号化
コードは具体的には可変データフレーム中に保持された
日時数及び乱数を有している。
【００３６】広く用いられている暗号化技法はデータ暗
号化標準（ＤＥＳ）であり、特殊目的電子デバイスにお
いて実現されるように企図されたものである。１９７７
年に国立標準局（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏ
ｆ Ｓｔａｎｄａｒｄ−現在のＮＩＳＴ−）がＤＥＳを
連邦標準として発行し、国立安全庁（Ｎａｔｉｏｎａｌ
Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ａｇｅｎｃｙ）がこの標準を用い
た製品を保証している。ＤＥＳの本発明への応用に関す
る比較的簡潔な説明が以下になされるが、そのより詳細
な取り扱いは、１９７７年１月１５日付けの”データ暗
号化標準に関するスペシフィケーション”という表題の
連邦情報処理標準出版４６（ＦＩＰＳ４６）になされて
いる。
【００３７】ＤＥＳは、暗号化キー及び復号化キーの双
方が同一でありかつ秘密であるようなプライベートキー
方式である。ＤＥＳは、６４ビットからなるデータブロ
ックに機能し、それを１６ステージからなるアルゴリズ
ムを介して６４ビットの暗号文として出力する。暗号化
は、キー、すなわち暗号化あるいは復号化がなされる前
にこのアルゴリズムに対して入力されなければならない
文字列、の適切な管理に非常に依存している。ＤＥＳア
ルゴリズムＤは、６４ビットのメッセージＭを暗号文Ｃ
に暗号化する。このプロセスは、数学的にはＣ＝Ｄ
（Ｍ）という等式によって表わされる。出力信号は、目
的とする局に対して伝達されるための６４ビット長のバ
イナリデータの形態を有している。
【００３８】ＤＥＳアルゴリズムは、６４ビットメッセ
ージを、トランプをきる（シャッフルする）のと同様の
既知のパターンに従って再配置（置換）することによっ
て進んでいく。６４ビットよりなる置換済みのブロック
は、トランプをカットするのと同様に、各々３２ビット
よりなる２つのブロックに分けられる。この時点で、ト
ランプをシャッフルする場合との類似性はとぎれる。な
ぜなら、キーＫとともに数学的操作（２の剰余系での加
算）及び暗号化関数（ｆ）が導入されるからである。１
６個の相異なった所定の方法により、Ｋ1．．．Ｋ16の
値が選択される。ここで、各Ｋnは、６４ビットのキー
から選択された４８ビットの順序付けられた組からな
る。暗号化関数（ｆ）は、メッセージＭの一部（３２ビ
ット）がキーＫの一部（４８ビット）と２の剰余系での
加算がなされるような操作ｆ（Ｍ，Ｋ）を表わしてい
る。この操作の結果から所定のビットが切り捨てられ、
３２ビットのみが残る。暗号化関数（ｆ）はＭ及びＫの
相異なった部分を用いて１６回実行される。
【００３９】本発明のより望ましい実施例においてはＤ
ＥＳが用いられるが、他の暗号化技法も可能である。Ｄ
ＥＳを本発明に適用することは、可変データフレームの
最後の６４ビット（ビット９−７２）（すなわち暗号化
コード）をメッセージＭとして、及び６４ビットのシー
クレットコードをキーＫとして用いることを必然的に伴
う。シークレットコードは各々のスマートカード内のメ
モリにストアされていることに留意されたい。本発明の
より望ましい実施例においては、シークレットコードは
各々のスマートカードに対して相異なっているが必ずし
も唯一のものである必要はない。シークレットコード
は、カードのＩＤとそのシークレットコードを関連付け
るルックアップテーブルを通じてプラザサーバには既知
である。あるいは、プラザサーバは秘密のアルゴリズム
を用いてカードＩＤからシークレットコードを導出する
ことが可能であり、それによって各々のカードに対する
シークレットコードをストアすることが不要となる。
【００４０】図１３には、車両からアンテナ２に対して
送信される可変データフレームが示されている。このデ
ータフレームには、アンテナ１によって送信されたばか
りの日時情報を表すビット９−２４、デビットカードと
して用いられた場合のスマートカード内の残高を表すビ
ット３３−４８、アンテナ１によって送信されたばかり
の乱数を表すビット６５−７２が含まれている。可変デ
ータフレームのビット９−７２はメッセージＭに対応し
ており、ＤＥＳアルゴリズムに従ってスマートカード内
のマイクロプロセッサによって暗号化されている。スマ
ートカードのメモリにストアされたシークレットコード
は、ＤＥＳ暗号化に際してキーＫとして用いられる。こ
のような暗号化によって、（車両からアンテナ１へ及び
車両からアンテナ２への）通信全体が電子的に盗聴され
て記録された場合においても、それが他の車両によって
不正に再送信されるのが最大次の１０分間だけであると
いう利点が得られる。しかしながら本発明のより望まし
い実施例においては、プラザサーバは乱数を各々の車両
に対して変更するため、盗聴された情報の不正な再送信
は事実上不可能である。
【００４１】図１４は、処理の最後にアンテナ２から車
両に対して送信される可変データフレームを示した図で
ある。上述されているように、現時点での位置及び日時
情報はスマートカード内のメモリにストアされるために
送信される。この種の情報は、有料高速道路の入り口の
位置を識別するために非常に有用である。カードの残高
及び徴収される金額も送信される。スマートカードがデ
ビットカードである場合は、徴収される金額は残高を減
少させるように用いられる；スマートカードがクレジッ
トカードである場合は、徴収される金額は領収された額
としてストアされる。いずれの場合においても、このメ
ッセージは受容メッセージとして知られているものであ
り、このメッセージには、プラザサーバがこのスマート
カードを更に用いることは不適切であると決定した場合
にそのスマートカードをロック状態に保つために用いら
れる”ブラックリストビット”及び”グレイリストビッ
ト”を含んでいる。最後に、この受容メッセージが、シ
ステムの安全性を向上させるために、同一の暗号化コー
ド（乱数及び日時数）を用いて暗号化されていることに
留意されたい。
【００４２】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。この変形例には、より安全性の高
いあるいは安全性の低いＤＥＳ以外の暗号化アルゴリズ
ムを使用すること；スマートカード機能をトランスポン
ダ内に固定的に設置すること；暗号化コードとして他の
予測可能なあるいは予測不可能な数を用いること；トラ
ンスポンダデータフレーム内の相異なったデータストラ
クチャを用いること；及び、料金所において移動中の車
両と通信するための単一のアンテナを用いることなどが
含まれる。
【００４３】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、移
動中の車両から料金を安全確実に収集する方法及びその
システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う２アンテナシステムを用いた料金
収集用高速レーンを有する高速道路の料金所の一例の鳥
瞰図。
【図２】本発明に従う未来の高速料金収集システムを示
した図。
【図３】本発明に従う支払い収集のために料金所に設置
される装置を示したブロック図。
【図４】車両の風防内にマウントされたトランスポンダ
及びスマートカードを挿入／除去する運転者を示した
図。
【図５】本発明において用いられるトランスポンダとそ
れに挿入されたスマートカードを示す図。
【図６】本発明において用いられるトランスポンダのブ
ロック図。
【図７】リーダ／ライタユニットに対して接続されたス
マートカードの主要な機能素子及びそれらの間の相互接
続の様子を示すブロック図。
【図８】本発明を実現する際に実行される種々の段階を
示した流れ図。
【図９】固定及び可変データフレームよりなる１２８ビ
ットトランスポンダデータフレームのフォーマットを示
す図。
【図１０】トランスポンダデータフレームの固定データ
フレーム部分のフォーマットを示す図。
【図１１】起動信号が受信された直後に車両から側路リ
ーダ（ＲＳＲ）のアンテナ１に対して送信されるトラン
スポンダデータフレームの可変データフレーム部分のフ
ォーマットを示す図。
【図１２】ＲＳＲによってアンテナ１から車両に対して
送信される、暗号コードとして参照もされるトランスポ
ンダデータフレームの可変データフレーム部分のフォー
マットを示す図。
【図１３】車両からＲＳＲのアンテナ２に対して送信さ
れるトランスポンダデータフレームの可変データフレー
ム部分のフォーマットを示す図。
【図１４】ＲＳＲによってアンテナ２から車両に対して
送信される、暗号化された受容メッセージとしても参照
されるトランスポンダデータフレームの可変データフレ
ーム部分のフォーマットを示す図。
【符号の説明】
１、２ アンテナ ３ メッセージディスプレイ ４ ビデオカメラ １０ 構造物 ２０ 高速支払いレーン ２１、２２ レーン ２５ ループセンサ ３０ 通常支払いレーン ４１、４２、４３、４４、４５ 支払いブース ５０ 車両 ３１０ プラザサーバ ３２０ 側路リーダ ３３０ レーンコントローラ ５００ スマートカード ５２１ 二次巻線 ５２２ コア ５４０ アナログインターフェース回路 ５４１、５４２、５４３、５４４ キャパシタ板 ５５０ ＥＥＰＲＯＭ ５６０ マイクロプロセッサ ６００ トランスポンダ ６０１ プラグ ６１０ マウンティング装置 ６２０ ビジュアルインジケータ ６２１ 緑のライト ６２２ 赤のライト ６２３ 黄のライト ６３０ オーディオインジケータ ６４０ パワーコンディショナ ６５０ マイクロコントローラ ６６０ ＲＦ変調器 ６６５ アンプ ６７０ ＲＦ復調器 ６８０ 送信アンテナ ６９０ 受信アンテナ ７００ リーダ／ライタユニット ７１０ シリアルデータバス ７２０ トランス ７２１ 一次巻線 ７２２ コア ７３０ 電源 ７４０ アナログインターフェース回路 ７４１、７４２、７４３、７４４ キャパシタ板 ７５０ Ｉ／Ｏシリアルデータインターフェース ７６０ マイクロプロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケヴィン ディーン マーフィー アメリカ合衆国 46236 インディアナ インディアナポリス、ミドル ドライ ヴ 6021 (72)発明者 マジョリー エスター テイラー アメリカ合衆国 46032 インディアナ カーメル、ハイコート 1049 (56)参考文献 特開 昭63−44293（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−58388（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G07B 15/00 G06F 15/21 G09C 1/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 車両（５０）内に位置し、スマートカー
    ド（５００）が挿入可能な第一のトランシーバ（６０
    ０）及び道路上に固定された第二のトランシーバ（３２
    ０）よりなる、移動中の車両（５０）に対する料金収集
    システムにおいて使用される自動料金収集方法におい
    て、 （Ａ） 前記スマートカード（５００）のメモリ内に、
    そのスマートカードに特有のシークレットコード（Ｓ）
    と暗号化アルゴリズム（Ｄ）を予め記憶させておく段階
    と、 （Ｂ） 前記第二のトランシーバ（３２０）において暗
    号化コード（Ｅ）を生成する段階と、 （Ｃ） 前記第一のトランシーバ（６００）に対して前
    記暗号化コード（Ｅ）を送信する段階と、 （Ｄ） 前記第一のトランシーバで、前記（Ａ）段階で
    記憶されたシークレットコード（Ｓ）と暗号化アルゴリ
    ズム（Ｄ）と前記第二のトランシーバ（３２０）から送
    信されてきた暗号化コード（Ｅ）とを用いて、前記スマ
    ートカード（５００）の残高情報（＄）を含む暗号化さ
    れた応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，Ｅ）を生成する段階と、 （Ｅ） 前記暗号化された応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，
    Ｅ）を前記第二のトランシーバ（３２０）に送信する段
    階と、 （Ｆ） 前記第二のトランシーバ（３２０）において、
    前記第一のトランシーバ（６００）から送信されてきた
    前記暗号化された応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，Ｅ）を認証
    する段階とからなることを特徴とする自動料金収集方
    法。
  2. 【請求項２】 （Ｇ） 前記第二のトランシーバ（３２
    ０）において、道路通行料金を含むメッセージを暗号化
    する段階と、 （Ｈ） 前記暗号化されたメッセージを前記第一のトラ
    ンシーバ（６００）に対して送信する段階とをさらに有
    することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 （Ｉ） 前記第一のトランシーバ（６０
    ０）と第二のトランシーバ（３２０）との間でデータ交
    換されている間、前記スマートカード（５００）を前記
    第一のトランシーバ（６００）にロックする段階と、 （Ｊ） 前記（Ｈ）のステップで、前記第二のトランシ
    ーバ（３２０）から送信されてきた暗号化メッセージに
    応答して、前記スマートカード（５００）のロックを解
    除する段階とを有していることを特徴とする請求項２に
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記暗号化コード（Ｅ）が、時刻及び／
    あるいは日付の表示を含むことを特徴とする請求項１に
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記暗号化コード（Ｅ）が、 ランダムに変化する第一の数字列と、 ある規則性を有して変化する第二の数字列とからなるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記暗号化アルゴリズム（Ｄ）が、デー
    タ暗号化標準（ＤＥＳ）であることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第二のトランシーバ（３２０）が、 ある間隔で離間して道路の支払いレーンに添って順次設
    置された一対のアンテナ（１，２）とこれら一対のアン
    テナを制御するコンピュータ（３１０）とを有すること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 （Ｋ） 前記スマートカード（５００）
    のシークレットコード（Ｓ）が前記第二のトランシーバ
    （３２０）に送信される段階を有することを特徴とする
    請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 高周波信号を互いに送受信する（Ａ）側
    路通信装置（１，２，３１０，３２０，３３０）及び
    （Ｂ）車両に設置された装置（６００）を含む、移動中
    の車両（５０）に対する料金収集システムにおいて、 （Ａ） 前記側路通信装置が、 （Ａ１） 前記移動中の車両（５０）に対して暗号化コ
    ード（Ｅ）を送信する第一のアンテナ（１）と、 （Ａ２） 前記第一のアンテナ（１）とは離れて設置さ
    れており、前記移動中の車両から、前記車両に搭載され
    るスマートカード（５００）の暗号化されたシークレッ
    トコード（Ｓ）と残高情報を受信する第二のアンテナ
    （２）と、 （Ａ３） 前記第一及び第二のアンテナ（１，２）に対
    して通信可能に接続されており、前記暗号化コード
    （Ｅ）を周期的に変更しかつ前記暗号化された残高情報
    （＄）の正当性を認証するデータ処理手段（３１０，３
    ３０）とを有し、 （Ｂ） 前記車両に設置された装置（６００）が、 （Ｂ１） 前記第一のアンテナ（１）から送信された暗
    号化コード（Ｅ）を受信する手段と、 （Ｂ２） 残高情報（＄）とシークレットコード（Ｓ）
    と暗号化アルゴリズム（Ｄ）をストアするスマートカー
    ド（５００）と、 （Ｂ３） 前記残高情報（＄）を前記暗号化アルゴリズ
    ム（Ｄ）及び前記暗号化コード（Ｅ）に従って暗号化す
    る手段（５６０）と、 （Ｂ４） 前記暗号化された残高情報（＄）を前記第二
    のアンテナに対して送信する手段（６００）とを有する
    ことを特徴とする自動料金収集システム。
  10. 【請求項１０】 移動中の車両（５０）内に位置し、ス
    マートカード（５００）が挿入可能な第一のトランシー
    バ（６００）及び道路上に固定された第二のトランシー
    バ（３２０）よりなる料金収集システムにおいて使用さ
    れる自動料金収集方法において、 （Ａ１） 前記スマートカード（５００）のメモリ内
    に、そのスマートカードに特有のシークレットコード
    （Ｓ）と暗号化アルゴリズム（Ｄ）を予め記憶させてお
    く段階と、 （Ａ２） 前記スマートカード（５００）のシークレッ
    トコード（Ｓ）と残高情報（＄）とが前記第二のトラン
    シーバ（３２０）に送信される段階と、 （Ｂ） 前記第二のトランシーバ（３２０）において、
    暗号化コード（Ｅ）を生成する段階と、 （Ｃ） 前記第一のトランシーバ（６００）に対して前
    記暗号化コード（Ｅ）を送信する段階と、 （Ｄ） 前記第一のトランシーバで、前記（Ａ１）段階
    で記憶されたシークレットコード（Ｓ）と暗号化アルゴ
    リズム（Ｄ）と前記第二のトランシーバ（３２０）から
    送信されてきた暗号化コード（Ｅ）とを用いて、前記ス
    マートカード（５００）の残高情報（＄）を含む暗号化
    された応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，Ｅ）を生成する段階
    と、 （Ｅ） 前記暗号化された応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，
    Ｅ）を前記第二のトランシーバ（３２０）に送信する段
    階と、 （Ｆ１） 前記第二のトランシーバ（３２０）で、（Ａ
    ２）段階で受信した前記シークレットコード（Ｓ）と残
    高情報（＄）とを用いて、信号Ｐ’＝Ｄ（Ｓ、＄，Ｅ）
    を生成する段階と、 （Ｆ２） 前記第二のトランシーバ（３２０）におい
    て、前記第一のトランシーバ（６００）から送信されて
    きた前記暗号化された応答信号Ｐ＝Ｄ（Ｓ、＄，Ｅ）と
    前記（Ｆ１）段階で生成した信号Ｐ’＝Ｄ（Ｓ、＄，
    Ｅ）とを比較する段階と、 （Ｇ） 前記（Ｆ２）段階で、Ｐ＝Ｐ’の判定した場
    合、前記スマートカード（５００）を正当なもの認定す
    る段階とからなることを特徴とする自動料金収集方法。
JP18869093A 1992-07-02 1993-07-02 自動料金収集方法及びそのシステム Expired - Lifetime JP2837612B2 (ja)

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US07/908,195 US5310999A (en) 1992-07-02 1992-07-02 Secure toll collection system for moving vehicles
US908195 1992-07-02

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