【安防知识网】概述

　　随着我国高速公路的不断发展，目前已形成了规模庞大、结构复杂的高速公路交通网(如图1)。高速公路建设较为完善的省份在省内高速公路中已取消了主线收费站，基本实现了高速公路收费全省联网系统。车辆进入省内高速公路，在不同业主的公路上行驶时已无需一次又一次地进出、交费，只需在驶入和驶出时进行一次交费。

图1  规模庞大、结构复杂的告诉公路交通网

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　　然而，对于进行联网收费的高速公路网来说，两点之间往往有多条行驶路径(如图2所示，A点与K点之间存在多条行驶路径)，造成了高速公路收费运营中的一个难题，即“路径二义性问题”。在联网收费环境下，尤其是在投资主体多元化的路网环境下，解决车辆行驶路线“二义性”问题对规范通行费用拆分方式、提高拆分透明度和公平性、实现更合理的业主间利益分配、提高业主积极性，具有极其重大意义。

图2  A点与K点之间存在多条行驶途径

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　　为解决“路径二义性问题”，各种路径识别技术应运而生。路径识别技术可以分为精确识别和概率识别两类。

　　精确识别的核心是正确判别路网中每一车辆的实际行驶路径，解决路网中多路径问题。精确识别主要包括：标识站法、车牌识别法、不停车标识法(RFID技术)等。

　　概率识别是以交通均衡或非均衡理论为基础，建立各种理论模型和算法，分析计算特定高速公路网络的通行车辆交通分布与分配情况，从而确定路网中整体交通流的行驶路径或单车的可能行驶路径。概率识别主要包括：最短路径法、布瑞尔交通分配法、出口确认法、路网平衡法、最大概率法、协商法、抽样调查法。

　　多种路径识别技术应运而生

　　为了切实维护各投资业主利益，解决路径二义性，各省计划在技术可行、经济合理的条件下，路径识别正由概率识别逐步过渡到精确识别。

　　目前，现有的精确识别技术还存在许多不足之处。例如，标识站法的主要缺点是车辆每次经过标识站时必须停车，导致行车速度减慢，降低了高速公路的服务水平，与联网收费的精神直接相违背，对社会形象也是一种极大损害;车牌识别法和不停车标识法的缺点是投资巨大、不能适应高速行驶车辆、对车牌和电子标签的位置要求较高，系统精度不能达到要求。对此，本文将介绍一种基于移动定位技术对高速公路车辆行驶路径进行精确识别的解决方案，以供参考。

　　系统总体方案

　　基本思路

　　应用Cell-ID移动定位技术，获取车辆沿途经过的关键路径上的移动电话通信基站的Cell-ID(不需要得到移动定位终端具体的经纬度信息)，再通过查询Cell-ID与高速公路路段业主对应表，计算车辆实际行驶路径，从而实现路径的精确识别功能(如图3)。

图3  基站小区识别号移动定位技术

　　基本流程

　　在高速公路入口为每一辆车发放一个类似通行卡的移动定位终端，移动定位终端与车辆行驶过程中经过的移动电话通信基站交换数据，通过Cell-ID移动定位技术，获取车辆沿途经过的移动电话通信基站的Cell-ID。在高速公路出口，利用现有的非接触式IC卡读写器，车道计算机读取移动定位终端中存储的移动电话通信基站的Cell-ID记录，再通过查询Cell-ID与高速公路路段业主对应表，计算车辆实际行驶路径，从而实现路径的精确识别功能。[nextpage]

　　实施的前提条件

　　本方案实施的前提条件是与移动通信运营商签订协议，开放高速公路沿途关键路径点上的移动通信基站的移动定位服务，或移动通信运营商在高速公路沿途关键路径点上建立微蜂窝通信基站，并开放移动定位服务。

　　实施的关键

　　本方案实施的关键是设计生产移动定位终端及其充电设备。

　　系统构成

　　系统包括移动定位终端。该终端大小类似非接触式IC卡，与高速公路沿途的移动通信基站通信，获取位置信息。它可替代现有的高速公路通行卡。

　　另外，移动定位终端箱是用于移动定位终端的存储、发放设备，可用于高速公路自动发卡系统。其内置无线充电设备，可以为移动定位终端充电。

　　关键技术

　　Cell-ID移动定位技术

　　Cell-ID移动定位技术是一种最基本的定位方法，适用于所有的蜂窝网络。它不需要移动定位终端提供任何定位测量信息，也无须对现有网络进行改动，只要在网络侧增加简单的定位流程处理即可，因而最容易实现。定位原理很简单：根据移动定位终端所在的基站小区识别号(Cell-ID)定位移动定位终端。

　　该技术已经在许多国家(包括我国)的移动网络定位服务中得到应用。在美国，它已经开始为第1阶段的“E911”紧急服务提供支持。

　　移动定位终端

　　移动定位终端的外观设计成类似非接触式IC卡，采用低压低功耗的CMOS器件和休眠模式等技术，降低设备的功耗，使设备小巧轻便，易于收发和携带。另外，其采用双界面CPU卡，安全性更高，存储空间更大，可以存放车辆的图片，更利于高速公路营运管理。

　　移动定位终端不仅可以实现精确的路径识别功能，而且可以替代现有的高速公路通行卡，并可应用于自动发卡系统中。

　　移动定位终端内部封装以下模块：

　　·移动定位模块;

　　·双界面CPU卡模块;

　　·系统程序监控模块。可以在线升级软件，实现持续演进，提供更高精度的需求;

　　·电源管理模块。利用休眠设计模式，降低组件闲置时的能耗，提高电源利用率，延长电池使用时间和寿命;

　　·无线充电接收线圈。用于接收无限充电设备的能量，为电池充电;

　　·可充电锂电池。能够满足移动定位终端连续工作3天的需求。[nextpage]

　　无线充电技术

　　利用无线充电技术的无线充电器已经在日常生活中得到应用。例如：香港城市大学科研人员研制成功的无线电池充电平台(如图4所示)。

图4  无线电池充电平台实物图

　　另外，英国Splashpower公司生产的Multi SplashPad无线充电器(如图5所示)。

图5  Multi SptashPad无线充电器实物图

　　本方案将利用无线充电技术设计生产能够批量、高效地为高速公路移动定位终端进行充电的设备。

　　在无线充电设备内设置密集的小型线圈阵列，产生低频电磁场，利用近场电磁耦合原理，使封装在移动定位终端内的专用接收线圈感应生成能量，为封装在移动定位终端内的锂电池充电(图6为原理示意图)。

图6  无线充电原理示意图

　　在无线充电设备中增加一根高磁导率铁氧体磁棒，同时在移动定位终端中间设计一个过孔，使得磁棒能够通过过孔穿过移动定位终端，这样就可以降低能量损耗，快速地为移动定位终端充电。充电时间与普通充电器一样。

　　将无线充电设备集成到移动定位终端箱中，就可以实现对移动定位终端的统一存储、发放和充电等管理功能了。

　　系统特点

　　第一，精确的路径识别。

　　第二，移动定位终端小巧轻便，功能强大，兼容性强。它可以兼容或替代现有的高速公路通行卡，并能应用于自动发卡系统中。

　　第三，能够持续演进，提供更高定位精度。

　　第四，对现有系统的改动较小，经济实用。诸如：

　　·无需额外增加高速公路沿途设施，只需与通信营运商签订协议，每年交纳一定的移动定位服务费用，即可利用高速公路沿途的无线通信基站，实现路径的精确识别功能;

　　·不占用高速公路通信系统网络资源;

　　·利用现有的非接触式IC卡读写器，实现移动定位终端与收费系统的信息交互;

　　·保持现有的IC卡管理模式不变。

　　结束语

　　路径二义性问题是在高速公路联网收费发展过程中新产生的，而且是必须解决的难题。本文提出的采用移动定位技术解决路径二义性问题，实现高速公路精确路径识别功能的总体方案。

　　虽然方案中提到的一些相关的难点，在技术上已逐步解决，并已有相应的实际应用，但总体方案的技术构思与实际成熟产品之间毕竟存在一定的差距。希望本方案提供的新思路和新方法，对致力于解决路径二义性问题的技术人员有所启发和帮助