隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)施，路徑識(shí)別成為聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的關(guān)鍵和難題。本文提出了一種應(yīng)用移動(dòng)定位技術(shù)對(duì)高速公路車輛行駛路徑進(jìn)行精確識(shí)別的解決方案，從技術(shù)難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)成本兩個(gè)方面對(duì)方案的可行性進(jìn)行分析。
文/中電集團(tuán)第二十七研究所 戴偉、華普智通系統(tǒng)有限公司 陳為民
概述
隨著我國(guó)高速公路的不斷發(fā)展，目前已形成了規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高速公路交通網(wǎng)。高速公路建設(shè)較為完善的省份在省內(nèi)高速公路中已取消了主線收費(fèi)站，基本實(shí)現(xiàn)了高速公路收費(fèi)全省聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。車輛進(jìn)入省內(nèi)高速公路，在不同業(yè)主的公路上行駛時(shí)已無(wú)需一次又一次地進(jìn)出、交費(fèi)，只需在駛?cè)牒婉偝鰰r(shí)進(jìn)行一次交費(fèi)。
然而，對(duì)于進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的高速公路網(wǎng)來(lái)說(shuō)，兩點(diǎn)之間往往有多條行駛路徑（如下圖所示，A點(diǎn)與K點(diǎn)之間存在多條行駛路徑），造成了高速公路收費(fèi)運(yùn)營(yíng)中的一個(gè)難題，即“路徑二義性問(wèn)題”。在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)環(huán)境下，尤其是在投資主體多元化的路網(wǎng)環(huán)境下，解決車輛行駛路線“二義性”問(wèn)題對(duì)規(guī)范通行費(fèi)用拆分方式、提高拆分透明度和公平性、實(shí)現(xiàn)更合理的業(yè)主間利益分配、提高業(yè)主積極性，具有極其重大意義。
為解決“路徑二義性問(wèn)題”，各種路徑識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。路徑識(shí)別技術(shù)可以分為精確識(shí)別和概率識(shí)別兩類。
精確識(shí)別的核心是正確判別路網(wǎng)中每一車輛的實(shí)際行駛路徑，解決路網(wǎng)中多路徑問(wèn)題。精確識(shí)別主要包括：標(biāo)識(shí)站法、車牌識(shí)別法、不停車標(biāo)識(shí)法（RFID技術(shù)）等。
概率識(shí)別是以交通均衡或非均衡理論為基礎(chǔ)，建立各種理論模型和算法，分析計(jì)算特定高速公路網(wǎng)絡(luò)的通行車輛交通分布與分配情況，從而確定路網(wǎng)中整體交通流的行駛路徑或單車的可能行駛路徑。概率識(shí)別主要包括：最短路徑法、布瑞爾交通分配法、出口確認(rèn)法、路網(wǎng)平衡法、最大概率法、協(xié)商法、抽樣調(diào)查法。
多種路徑識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生
為了切實(shí)維護(hù)各投資業(yè)主利益，解決路徑二義性，各省計(jì)劃在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的條件下，路徑識(shí)別正由概率識(shí)別逐步過(guò)渡到精確識(shí)別。
目前，現(xiàn)有的精確識(shí)別技術(shù)還存在許多不足之處。例如，標(biāo)識(shí)站法的主要缺點(diǎn)是車輛每次經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)站時(shí)必須停車，導(dǎo)致行車速度減慢，降低了高速公路的服務(wù)水平，與聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的精神直接相違背，對(duì)社會(huì)形象也是一種極大損害；車牌識(shí)別法和不停車標(biāo)識(shí)法的缺點(diǎn)是投資巨大、不能適應(yīng)高速行駛車輛、對(duì)車牌和電子標(biāo)簽的位置要求較高，系統(tǒng)精度不能達(dá)到要求。對(duì)此，本文將介紹一種基于移動(dòng)定位技術(shù)對(duì)高速公路車輛行駛路徑進(jìn)行精確識(shí)別的解決方案，以供參考。
系統(tǒng)總體方案
基本思路
應(yīng)用Cell-ID移動(dòng)定位技術(shù)，獲取車輛沿途經(jīng)過(guò)的關(guān)鍵路徑上的移動(dòng)電話通信基站的Cell-ID（不需要得到移動(dòng)定位終端具體的經(jīng)緯度信息），再通過(guò)查詢Cell-ID與高速公路路段業(yè)主對(duì)應(yīng)表，計(jì)算車輛實(shí)際行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)路徑的精確識(shí)別功能。
基本流程
在高速公路入口為每一輛車發(fā)放一個(gè)類似通行卡的移動(dòng)定位終端，移動(dòng)定位終端與車輛行駛過(guò)程中經(jīng)過(guò)的移動(dòng)電話通信基站交換數(shù)據(jù)，通過(guò)Cell-ID移動(dòng)定位技術(shù)，獲取車輛沿途經(jīng)過(guò)的移動(dòng)電話通信基站的Cell-ID。在高速公路出口，利用現(xiàn)有的非接觸式IC卡讀寫器，車道計(jì)算機(jī)讀取移動(dòng)定位終端中存儲(chǔ)的移動(dòng)電話通信基站的Cell-ID記錄，再通過(guò)查詢Cell-ID與高速公路路段業(yè)主對(duì)應(yīng)表，計(jì)算車輛實(shí)際行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)路徑的精確識(shí)別功能。
實(shí)施的前提條件
本方案實(shí)施的前提條件是與移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商簽訂協(xié)議，開(kāi)放高速公路沿途關(guān)鍵路徑點(diǎn)上的移動(dòng)通信基站的移動(dòng)定位服務(wù)，或移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商在高速公路沿途關(guān)鍵路徑點(diǎn)上建立微蜂窩通信基站，并開(kāi)放移動(dòng)定位服務(wù)。
實(shí)施的關(guān)鍵
本方案實(shí)施的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)生產(chǎn)移動(dòng)定位終端及其充電設(shè)備。
系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)包括移動(dòng)定位終端。該終端大小類似非接觸式IC卡，與高速公路沿途的移動(dòng)通信基站通信，獲取位置信息。它可替代現(xiàn)有的高速公路通行卡。
另外，移動(dòng)定位終端箱是用于移動(dòng)定位終端的存儲(chǔ)、發(fā)放設(shè)備，可用于高速公路自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)。其內(nèi)置無(wú)線充電設(shè)備，可以為移動(dòng)定位終端充電。
關(guān)鍵技術(shù)
Cell-ID移動(dòng)定位技術(shù)
Cell-ID移動(dòng)定位技術(shù)是一種最基本的定位方法，適用于所有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。它不需要移動(dòng)定位終端提供任何定位測(cè)量信息，也無(wú)須對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改動(dòng)，只要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加簡(jiǎn)單的定位流程處理即可，因而最容易實(shí)現(xiàn)。定位原理很簡(jiǎn)單：根據(jù)移動(dòng)定位終端所在的基站小區(qū)識(shí)別號(hào)（Cell-ID）定位移動(dòng)定位終端。
該技術(shù)已經(jīng)在許多國(guó)家（包括我國(guó)）的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)中得到應(yīng)用。在美國(guó)，它已經(jīng)開(kāi)始為第1階段的“E911”緊急服務(wù)提供支持。
移動(dòng)定位終端
移動(dòng)定位終端的外觀設(shè)計(jì)成類似非接觸式IC卡，采用低壓低功耗的CMOS器件和休眠模式等技術(shù)，降低設(shè)備的功耗，使設(shè)備小巧輕便，易于收發(fā)和攜帶。另外，其采用雙界面CPU卡，安全性更高，存儲(chǔ)空間更大，可以存放車輛的圖片，更利于高速公路營(yíng)運(yùn)管理。
移動(dòng)定位終端不僅可以實(shí)現(xiàn)精確的路徑識(shí)別功能，而且可以替代現(xiàn)有的高速公路通行卡，并可應(yīng)用于自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)中。
移動(dòng)定位終端內(nèi)部封裝以下模塊：
·移動(dòng)定位模塊；
·雙界面CPU卡模塊；
·系統(tǒng)程序監(jiān)控模塊。可以在線升級(jí)軟件，實(shí)現(xiàn)持續(xù)演進(jìn)，提供更高精度的需求；
·電源管理模塊。利用休眠設(shè)計(jì)模式，降低組件閑置時(shí)的能耗，提高電源利用率，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間和壽命；
·無(wú)線充電接收線圈。用于接收無(wú)限充電設(shè)備的能量，為電池充電；
·可充電鋰電池。能夠滿足移動(dòng)定位終端連續(xù)工作3天的需求。
無(wú)線充電技術(shù)
利用無(wú)線充電技術(shù)的無(wú)線充電器已經(jīng)在日常生活中得到應(yīng)用。例如：香港城市大學(xué)科研人員研制成功的無(wú)線電池充電平臺(tái)（如圖4所示）。
另外，英國(guó)Splashpower公司生產(chǎn)的Multi SplashPad無(wú)線充電器（如圖5所示）。
本方案將利用無(wú)線充電技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能夠批量、高效地為高速公路移動(dòng)定位終端進(jìn)行充電的設(shè)備。
在無(wú)線充電設(shè)備內(nèi)設(shè)置密集的小型線圈陣列，產(chǎn)生低頻電磁場(chǎng)，利用近場(chǎng)電磁耦合原理，使封裝在移動(dòng)定位終端內(nèi)的專用接收線圈感應(yīng)生成能量，為封裝在移動(dòng)定位終端內(nèi)的鋰電池充電（圖6為原理示意圖）。
在無(wú)線充電設(shè)備中增加一根高磁導(dǎo)率鐵氧體磁棒，同時(shí)在移動(dòng)定位終端中間設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)孔，使得磁棒能夠通過(guò)過(guò)孔穿過(guò)移動(dòng)定位終端，這樣就可以降低能量損耗，快速地為移動(dòng)定位終端充電。充電時(shí)間與普通充電器一樣。
將無(wú)線充電設(shè)備集成到移動(dòng)定位終端箱中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)定位終端的統(tǒng)一存儲(chǔ)、發(fā)放和充電等管理功能了。
系統(tǒng)特點(diǎn)
第一，精確的路徑識(shí)別。
第二，移動(dòng)定位終端小巧輕便，功能強(qiáng)大，兼容性強(qiáng)。它可以兼容或替代現(xiàn)有的高速公路通行卡，并能應(yīng)用于自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)中。
第三，能夠持續(xù)演進(jìn)，提供更高定位精度。
第四，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改動(dòng)較小，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。諸如：
·無(wú)需額外增加高速公路沿途設(shè)施，只需與通信營(yíng)運(yùn)商簽訂協(xié)議，每年交納一定的移動(dòng)定位服務(wù)費(fèi)用，即可利用高速公路沿途的無(wú)線通信基站，實(shí)現(xiàn)路徑的精確識(shí)別功能；
·不占用高速公路通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源；
·利用現(xiàn)有的非接觸式IC卡讀寫器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位終端與收費(fèi)系統(tǒng)的信息交互；
·保持現(xiàn)有的IC卡管理模式不變。
結(jié)束語(yǔ)
路徑二義性問(wèn)題是在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)發(fā)展過(guò)程中新產(chǎn)生的，而且是必須解決的難題。本文提出的采用移動(dòng)定位技術(shù)解決路徑二義性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高速公路精確路徑識(shí)別功能的總體方案。
雖然方案中提到的一些相關(guān)的難點(diǎn)，在技術(shù)上已逐步解決，并已有相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，但總體方案的技術(shù)構(gòu)思與實(shí)際成熟產(chǎn)品之間畢竟存在一定的差距。希望本方案提供的新思路和新方法，對(duì)致力于解決路徑二義性問(wèn)題的技術(shù)人員有所啟發(fā)和幫助。
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