基于GPS的电子不停车收费车载设备系统开发

基于GPS的电子不停车收费车栽设备系统开发——朱书善李亚檬 宋向辉，等 127 基于GPS的电子不停车收费车载设备系统开发* 朱书善 李亚檬 宋向辉 王东柱谌 仪 刘 楠 赵佳海 (国家智能交通工程研究中心北京100088) 擒要分析了传统的高速公路的收费方式和电子不停车收费方式，并针对现有收费方式的弊端，设 计集成了具有GPS、GSM／GPRS功能的新一代不停车收费车载设备，它综合利用了卫星定位、无线通 信及专用短程通信等技术，实现了车辆的不停车收费功能，并支持信息服务功能，成功应用于卫星定 位和无线接入技术的电子不停车收费系统。 关键词 电子不停车收费；车载设备；全球卫星定位系统I专用短程通信 中图分类号：U491 文献标志码：A DOI：10．3963／j．ISSN1674—4861．2009．05．029 我国高速公路现有收费需要在高速公路的出 入口修建收费站，并以人工收费方式为主，尽管出 现了半自动收费、计重收费、联网收费等新的收费 方式，但还是不能从根本上解决高速公路收费站 的拥堵问题。 基于卫星定位和无线接人技术的电子不停车 收费(ETC)是根据车辆的卫星定位信息进行收费 的1种方式，通过虚拟收费站替代当前广泛使用 的收费站。卫星定位收费技术没有路侧设施，建 设和维护费用很低，同时，车载设备的扩展功能较 多，可以记录行车路径，准确按照行驶里程收费。 通行费用可以通过银行提前预付，费用支付灵活 性较高。从经济效益、社会效益和环境效益来看， 卫星定位收费系统降低了建设和维护成本，提高 了道路通行能力，避免了环境污染[1]。 违 稽查系统 距离 ＆信 采集和处理违章IDSRC 数据 l／1 } 1系统总体结构设计 1．1卫星定位收费系统总体结构 基于卫星定位和无线接入技术的新一代收费 系统，通过自动记录车辆行驶的位置和里程，综合 考虑道路收费车辆参数和道路收费因素，自动计 算车辆的通行费，由无线传输网络将数据传输到 收费管理中心，根据相关公路收费政策，对车辆收 取通行费。卫星定位收费系统包括智能车载收费 设备(OBU)、稽查系统、管理中心3大部分组成， 共同组成1个完整的卫星定位收费网络，如图1 所示。 1．2智能车载设备(OBU)技术 由图l可以看到，卫星定位车载设备主要完 管理中心厂翮 基站嚣廿⋯《星 看貉藿蒺H喜矧蔫l甓 囱＼1嚣圈 智能车载收费终端(OBU) 图1卫星定位收费系统结构图 收稿日期：2009—06-17修回日期：2009—07—15 -“十一五”国家科技支撵计划项目(批准号：2006BAGOIA04)资助 作者简介：朱书善(1979)，硕士．研究方向：智能交通．E-mail．-ss_zhu@eyou．corn 万方数据 128 交通信息与安全2009年第5期第27卷总151期 成的任务包括：自动完成收费数据存储、路径匹 配、费用计算、数据传输、自动识别等，并且可扩展 接收动态交通信息的功能。 oBU系统主要由核心处理器ARM9、外围功 能模块(如图2所示)，外围功能模块包括：GPS 模块、GSM／GPRS模块、液晶显示模块、DSRC模 块、电压转换模块及按键模块、语音模块等几大部 分组成，各模块功能介绍如下： 1)GPS模块。主要用来获取当前车辆的位 置信息，为实现收费提供原始依据。 2)GSM／GPRS模块。是oBU设备和后台 管理中心数据通信的桥梁。 3)液晶显示模块。为用户提供收费额度显 示等信息。 4)DSRC模块。交通专用5．8G通信模块， 主要是为了实现车路设备之间的稽查通信功能。 5)按键模块。提供用户紧急呼叫和查询功能。 6)语音模块。提供收费额度提示、收费路段 提示等。 存储器 曰园 图2智能车载收费设备系统框图 2关键技术与系统集成方法 2．1核心处理器平台的选择 处理器是设备工作的核心，它的性能决定了 设备的性能，根据图1卫星定位收费系统中智能 车载收费终端(OBU)需求分析，由于在系统功能 上有GPS、GSM、DSRC等通信功能的管理、GPS 数据实时处理、路径跟踪与计算需求。因此我们在 主处理器上选用了ARM9内核的微处理器 AT91RM9200，其主频可达180M，并具有 MMU。软件系统采用了Linux2．6．13的嵌入式 操作系统，保证了软件系统的实时性，从而确保系 统有1个高速稳定可靠的运行平台[2]。 另外设计了存储电路、显示电路、语音电路、 电源电路等，较好满足了数据及代码的存贮，友好 的人机接口，稳定可靠的工作要求。 2．2 3种无线传输方式的设计及选择 依据图2可以清晰看出，主要存在3种方式 的信息交互，交通专用短程通信(DSRC)、GSM 无线通信、GPS卫星定位，这3种信息交互是卫 星定位设备的3个对外信息交互的桥梁，因此也 是本系统设计的关键环节。 2．2．1交通专用短程通信模块设计 交通专用短程通信(DSRC)模块是卫星定位 收费设备与路侧稽查设备通信的部分，它采用 5．8G频段的微波通信方式[3。4]，速率高达1．7 Mb／s，因此，它不仅能应用在逃费稽查功能上，而 且在扩展的信息服务功能上也可以使用。 2．2．2GSM通信模块设计 短消息(SMS)技术服务是车载设备(OBU) 采用全球移动通信系统(GSM)方式的1个主要 原因，设备的交易信息通过短消息发送给后台管 理中心，以实现车辆道路行驶费用的管理。 2．2．3GPS卫星定位模块设计 GPS是OBU设备的重要功能部件，在卫星 定位收费系统中如何提高定位精度、准确确定车 辆当前行驶位置是考核的主要指标。目前，通用 的卫星定位模块的定位误差都约在20m[5]，如果 定位精度能够提高，则可大大简化地图匹配和费 额算法。 综合以上3种通信模块的分析，由于交通专 用短程模块是关系到车辆逃费稽查的关键部件， 特别是作为信息服务中传递数据的桥梁，需要较 高的通信速率，因此，需要自主研发设计，而GSM 及GPS是比较通用的设备模块，可以从市场上选 择符合性能要求的模块来使用，在本设计方案中 就采用了一块GPS／GSM集成的模块，其定位精 度达到了2．5m，完全符合卫星定位收费的要 求‘6。7|。 2．3系统软件设计 系统上电后，首先启动Linux系统，然后启动 OBU应用程序。应用程序采用了多线程的编程 思想，系统软件总体流程图如图3所示。应用程 序经过初始化配置后，GPS、GSM模块处于正常 工作状态(线路1每1s处理1次GPS数据， GSM处于发送接收短信息的待机状态)，以及液 晶显示模块、按键、指示灯工作正常，等待GPS定 位成功后，便可以进入卫星定位收费工作状态了。 当系统检测到高速公路收费入口时，液晶模块会 显示进入收费路段，同时伴有语音提示，当驶出高 一一一一一霎|一潞 豢 万方数据 基于GPS的电子不停车收费车栽设备系统开发——朱书善李亚檬 宋向辉，等 129 速公路，系统检测到高速公路出口时，通行费用会 自动计算，并通过GSM网络将车辆收费信息发 送到后台管理中心，并伴有语音提示，此时，1个 完整的交易结束[33。 图3系统流程图 在1个完整的交易过程中，地图匹配算法的 正确与否起到关键作用，因为匹配算法的准确率 与GPS定位精度、及算法性能有着重要的关系。 3系统调试与运行结果 3．1系统调试 整个系统的调试分为2个部分，系统级的调 试；应用级的调试。系统级调试包括BootLoader 程序的烧写、Iinux内核代码的烧写及编写调试相 应的模块驱动程序。应用级的调试包括各个模块 的测试代码的编写调试。表1是设备运行时 GPS状态信息输出信息，表2是后台管理中心对 收费车辆费用管理的平台信息。 其中，后台管理中心界面所显示的内容包括 收费金额、车牌号、人口ID、出口ID及进出收费 路段时间等，全面、详细地纪录了每条交易信息， 为安全收费提供了保证。 表1 GPS状态信息 GPS状态信息 GPSDATAStatusis： CurrentDate： Currenttime： CurrentPosition(～180．．．180)(一90⋯90)： 116．3456i000，Latitude=39．95999833 CurrentVeloeity： CurrentDirection(0．0⋯359．9)： 65 13—8—9 14158：30．0 Longitude= 1．91km 64．25 表2管理中心收费记录管理 ID收费金额 车牌号 入口ID出口ID 进入收费路段时问 路径数 路径ID 短信发出时间 0 10 京G552122002 2001 2009—05—0816：11：34 2 81，83 2009—05—0816：18：26 2 20 京G174282011 2009 2009—05—0815：56：56 3 48，50，51 2009—05—0816：14：16 2 5 京GW27342007 2009 2009—05—0815：56：17 5 23，25，28，29，302009—05—0816：06：09 12 10 京YS00052002 2001 2009—05—0815；54：42 2 81，83 2009—05—0816：04：34 12 10 京YS00082002 2001 2009—05—0815：54：42 2 81，83 2009—05—0816：04：33 12 5 京YS00012002 2001 2009。05—0815：54：42 2 81，83 2009—05—0816：04133 19 5 京GT61782004 2003 2009—05—0815：5l：23 3 73。75，76 2009—05—0816；01；17 车载设备外型及装车效果如图4所示，通过 验系统车辆速度最高达160km／h，同时路侧稽查 点烟器插头取电，由于整机功耗在200mA左右， 系统对车辆进行缴费稽查。在不影响现有收费模 因此完全符合汽车用电安全规范。 式的情况下，进行了卫星定位试验，成功实现卫星 收费与现有收费模式的兼容。 图4 OBU效果图 3．2系统运行结果 系统运行选择在京津塘高速公路进行，试验 用户数量达到300个以上，运行周期为3个月，试 图5车载设备运行效果图 在车辆正常缴费的同时，虚拟完成了卫星定 位系统的费用计算和后台收费记录，计费成功率 万方数据 130 交通信息与安全2009年第5期第27卷总151期 达到了100％，同时，在车辆经过稽查点时，稽查 设备能够准确的读取车载终端的车辆信息，记录 并通过短信方式发送回后台管理中心。 4结束语 基于卫星定位和无线接人技术的电子不停车 收费设备开发依托于国家“十一五“科技支撑计 划，对我国高速公路不停车收费推广有着积极的 作用，目前，在京津塘高速公路上已安装了300辆 车载设备进行为期3个月的测试，取得了良好的 效果。为今后卫星收费在我国的应用和推广奠定 了良好的基础，积累了宝贵的经验。 [13 E2] 参考文献 王笑京．国家“十一五”科技支撑计划“国家高速公 路联网不停车收费和服务系统”可行性研究 [R]．北京：交通部公路科学研究院，2006 孙天泽，袁文菊，张海峰．嵌入式设计及Linux驱动 开发指南～基于ARM9处理器[M]．北京：电子工 业出版社，2005 [33 EUROPA．TheEUWhitePaper：Aphasedap- proachtoacommontransportinfrastructure--char— gingframeworkintheEU[R]．London：EUROPA， 1998 [43EUROPA．TheEUWhitePaper：Europeantrans— portpolicyfor2010：timetodecide[R]．London： EUROPA，2001 [5]EURoPA．TheEUWhitePaper：Innovative-fun— dingsolutionsInteroperabilityofelectronictollcol- lectionsystemsl,R]．London：EUROPA，2003 [6]BudhirajaH．，Firmin，P．E．ATravelSimulator studytoinvestigatetheimpactofnetworkknowl— edgeondriverresponsetoguidanceandinformation systems13thworldcongressonintelligenttransport systemsandservicesl,R]．London：EUROPA，2006 [73王东柱。张北海．多车道自由流收费系统实现方法 研究l-J]．交通与计算机，2008，26(6)：26—30 DevelopmentofNon-stopElectronicTollCollectionSystemBasedonGPS ZHUShushanLIYamengSONGXianghuiWANDDongzhuCHENYiLIUNanZHAOJiahai (NationalCenterofITSEngineeringandTechnology，Beijing100088，China) Abstract：ThestudyanalyzesthetraditionalhighwaytollscollectionsystemandrecentNon-stopElectronicToll CollectionSystem，anddesignsanewgenerationofOnBoardUnit(oBU)integratingGPS。GSM／GPRStoaddressthe disadvantagesofcurrenttollcollectionpractice．Non-stopfunctionisrealizedasaresultofutilizingsatellitepositioning， wirelesscommunicationsandDedicatedShortRangeCommunication(DSRC)technologies．Theproposedsystemcannot onlycollecttollwithoutstop，butalsoprovidearangeofinformationservices． Keywords：Non-stopETC；OBU；GPS；DSRC 万方数据 基于GPS的电子不停车收费车载设备系统开发 作者： 朱书善， 李亚檬， 宋向辉， 王东柱， 谌仪， 刘楠， 赵佳海， ZHU Shushan， LI Yameng， SONG Xianghui， WAND Dongzhu， CHEN Yi， LIU Nan， ZHAO Jiahai 作者单位： 国家智能交通工程研究中心,北京,100088 刊名： 交通信息与安全 英文刊名： COMPUTER AND COMMUNICATIONS 年，卷(期)： 2009,27(5) 被引用次数： 1次 参考文献(7条) 1.王笑京 国家"十一五"科技支撑计划"国家高速公路联网不停车收费和服务系统" 可行性研究报告 2006 2.孙天泽.袁文菊.张海峰 嵌入式设计及Linux驱动开发指南-基于ARM9处理器 2005 3.EUROPA The EU White Paper:A phased approach to a common transport infrastructure-charging framework in the EU 1998 4.EUROPA The EU White Paper:European transport policy for 2010:time to decide 2001 5.EUROPA The EU White Paper:Innovative-funding solutions Interoperability of electronic toll collection systems 2003 6.Budhiraja H.Firmin P E A Travel Simulator study to investigate the impact of network knowledge on driver response to guidance and information systems 13th world congress on intelligent transport systems and services 2006 7.王东柱.张北海 多车道自由流收费系统实现方法研究[期刊论文]-交通与计算机 2008(06) 引证文献(1条) 1.王东柱.朱书善.李亚檬.刘楠 卫星收费系统GPS定位信息和路段匹配方法研究[期刊论文]-交通信息与安全 2010(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jtyjsj200905029.aspx