基于GPS的电子收费系统研究

基于GPS的电子收费系统研究——陆赛杰黄卫钱振东 131 基于GPS的电子收费系统研究 陆赛杰黄卫钱振东 (东南大学智能运输系统研究中心南京210096) 摘要介绍了基于GPS的电子收费系统(GPS-basedETC)，分析了系统的框架组成、工作原理和功 能模块，重点对车载终端系统和管理控制中心系统进行了分析，并讨论了系统的优缺点。目前的研究 是基于GPS的电子收费系统的框架组成。而基于GPS的电子收费系统，在国内应用以及收费监控实 现将是下一个研究方向。 关键词 电子收费；全球定位系统；系统框架；模块设计 中图分类号：U491．2文献标志码：A DOI：10．3963／j．ISSN1674—4861．2009．05．030 作为智能交通系统重要组成部分的ETC技 术是解决收费道路交通拥挤、堵塞，提供道路运行 安全和效率的重要手段，也是日益增长的环保需 要。目前电子收费技术的发展主要集中在专用短 程通信(dedicatedshot-rangecommunication， DSRC)上，安装于车辆上的车载装置(onboard unit，OBU)通过DSRC和收费车道上的天线进 行通信和信息交换。近年来出现的基于GPS和 全球移动通信系统(globalsystemformobile communicationGSM)技术的新一代电子收费系 统正迅速发展起来，它通过卫星定位记录车辆行 驶的路线和距离，自动计算和扣除道路通行费用， 最终通过GSM将缴费数据发送至监控中心[1]。 1系统总体架构 系统架构如图1所示。基于GPS电子收费 系统包括车载终端系统、收费执法系统、管理控制 中心、清分结算中心和客户服务中心。整个基于 GPS的电子收费系统的工作流程如下[2]： 1)用户前往客户服务中心，申请安装车载装 置，办理储值卡或记账卡。 2)车辆在收费道路上行驶时，车载装置的 GPS模块实时接收车辆定位坐标，并与存储的虚 拟收费节点坐标进行比对。0BU逻辑判定需进 行付费交易后，启动GSM模块建立无线通信信 道。 图1基于GPS电子收费系统构架 收稿日期：2009—03—12修回日期：2009—08—14 作者简介：陆赛杰(1979)。博士生．研究方向，智能交通．E-mail：lusaijie@vip，sina．com 万方数据 132 交通信息与安全2009年第5期第27卷总151期 3)车载装置将由智能卡扣款取得的扣款凭 证资料、车号、卡号、节点、日期时间等信息，传送 给管理控制中心服务器。或者将车辆经过的收费 节点信息等数据传输到管理控制中心，由中心扣 款。 4)管理中心接收数据并审查通过后，远程应 答OBU交易成功信息，若有误则将回复错误信 息。并将收费数据储存到数据库中。 5)车载装置接收并在显示单元上显示交易 信息。若收到错误信息，OBU处于非正常缴费状 态，但oBU仍继续记录和保存经过的虚拟收费 节点。 6)当车辆驶离收费道路时，如果OBU为缴 费状态则正常通过；若处于非正常缴费状态，则进 入追缴欠费程序；若未检测到OBU状态则进入 执法系统。 7)清分结算中心定时接收管理控制中心传 输的收费数据，进行清分结算。编制划账指令发 送给银行，银行根据指令将金额划拨到各路公司 账户中。 8)客户服务中心定时采集车辆收费原始数 据以及拆分数据，提供客户账户查询功能。 2 基于GPS的电子收费系统功能 1，艾1卞 2．1车载终端系统 车载终端系统主要包括GPS定位功能模块、 GSM无线模块、费用计算模块、费用扣除显示模 块，如图2所示[引。 外部接口 l 通信接口 智能卡 显示器IG铲GMS模DSRC模块RS232读写器 块 (可选) 32位RISCCPU 闲存应用软件／实时操作系统 文件存储(收费节点坐标、费率表等) 图2车载终端系统模块图 2．1．1车栽终端系统工作原理 车载装置中的GPS模块，实时接收GPS信 号并经定位补偿和修正后，得到车辆当前位置信 息。同时依据联网高速公路的出人口和互通式立 交桥将联网高速公路分为若干独立收费路段，路 段的起点和路中某点坐标存储在车载装置中。车 辆的GPS实时信息和节点坐标进行比对，如果比 对成功则开始记录，并将此点记为路点1#；若不 成功则抛弃。然后继续与存储的节点进行比对， 若成功则将此点记为路点2#，并将该路段的编 号A记下，路段A就是缴费路段。见图3所 示‘4|。 图3收费路段节点比对 费用计算模块按照路段A的费率和1#至 2#之间长度计算通行费用，通过GSM通信模块 将费用发送至管理控制中心。管理中心处理成功 后反馈车载装置并显示金额。 整个车载终端系统的工作流程如图4所示。 开始 系统初始化二[ 接收定位信息二[ 地囝区配 姆 厂百赫t l是 GSM初始化 <唾岁巷志 否 接入等待 这芝兰≥> I是适萝 i是 云函燕否翮 显示剩余金额 图4车载终端系统工作流程 2．1．2GPS定位功能模块 GPS定位功能模块主要用于准确、实时地确 定车辆当前的位置。模块的定位精度将关系到整 个系统的正常运行。而单独使用GPS定位，其精 度易受到外界环境的影响并存在误差。因此需采 用航迹推算和地图匹配来进行定位补偿和修正。 航迹推算通过定位传感器(陀螺仪、里程仪 万方数据 基于GPS的电子收费系统研究——陆赛杰黄 卫钱振东 133 等)测量和记录车辆的位移量和移动方向，计算出 实时车辆的位置，在短时间内能保持较高的精度。 地图匹配MM是1种基于软件技术的定位修正 方法，将定位轨迹同高精度电子地图道路相比较， 通过适当的匹配过程确定车辆行驶路段及位 置‘5。。 2．1．3 费用计算功能模块 ， 费用计算模块是车载单元按照存储的费率表 和路段长度计算车辆通过收费节点的费用。 扣款方式有2种：①车载装置扣款。车载单 元自动从智能卡中扣除费用，扣除成功后立即将 缴费记录通过GSM通信模块发送给管理控制中 心。②管理控制中心扣款。车载装置将车辆资 料、记录的节点信息、通过时间等由GSM模块发 送到中心，中心处理成功后保存此次交易，并将交 易信息发送给车载终端。 2．1．4GSM无线通信模块 GSM模块通过标准RS232串口和AT指令 与车载终端单片机接口连接。模块上有标准的 SIM卡读卡器，可直接使用移动通信公司发行的 SIM卡。SIM卡号可作为源端或目的端的地址， 收发的短信息就存储在SIM卡中。通过GSM无 线模块，车载终端可接收路段费率和电子地图数 据并更新到存储单元中。 2．1．5 费用扣除与显示模块 车载装置通过GSM模块接收到管理控制中 心扣款成功信息后，将金额在智能卡中扣除，并在 显示单元上显示帐单、卡中余额等信息。若扣费 失败，则在显示单元上显示失败信息，并将车载终 端设为异常状态。 2．2收费执法系统 收费执法系统的目的是防止非电子缴费车辆 或电子缴费状态不正常车辆“闯关”。执法系统包 括固定执法和移动执法2种。 固定式执法是在高速公路上搭建固定式监控 站：①车辆在站前15m时触发路旁摄像机拍摄 车辆照片，并通过车牌识别提取车牌号码；②当车 辆接近监控站时，通过DSRC模块读取车辆车载 装置状态和车辆信息。若车辆信息与车牌不匹配 则通知执法单元；③若匹配再判断车载装置工作 状态，如果是正常缴费状态，则删除照片。若非正 常缴费状态，作为未缴费处理，进入追费程序；④ 如果没有读取到车辆的车载装置状态，则将车牌 号码及车辆照片发送给出入口处执法单元进行人 工缴费。 移动执法利用移动监控车上的DSRC天线， 读取经过附近的车辆车载装置工作状态及智能卡 中注册信息，判断实际信息是否与注册信息相符。 如不符，则将车辆引导到前方停车进行处罚。 2．3管理控制中心 管理控制中心是系统架构中的核心层，其功 能包括：①可以对特定的公路、高速公路设置道路 使用费率，并把费率传给车载装置；②管理并改变 道路收费应用的地理范围，如创建一新的收费道 路；③接收并保存车辆付费清单到数据库中，用于 费用的拆分和结算并以备追讨欠费及违规查询； ④通过Internet与清分结算中心通信，以及通过 GSM网络与车辆的车载装置进行交互式通信。 并具有车辆导航、车队管理、紧急救援、道路信息 服务等扩展功能[6]。管理控制中心结构设计如图 5所示。 通信服务器负责实现与GSM／GPRS网络连 接，从固定IP和端点完成监控服务系统与车载终 端之间的原始数据交换。将车辆的位置、记录的 节点信息以及当前时间日期等信息数据，通过 GSM／GPRS网络发送到移动通信短消息中心 (SMC)，通信服务器通过移动通信接口读取数据 信息。另外一方面，监控服务器把客户终端发出 的指令信息(费率定义、收费道路定义和违规执法 等)经过通信协议转换通过通信服务器的通信接 口发送到GSM／GPRS网络中，由车载终端和移 动监控车接收并执行相应的操作。数据库服务器 中的收费数据则通过通信服务器的TCP／IP协议 上传至清算中心。 车载 终端 收费 执法 清分 结算 中心 通信服务器 陋信接口 懿}圈震 珊仰H藿蔫 行费用计 务器 圜 建规 执法 模块 篷帮刮I园萋羹固I匡应用系统II岖塞茎堡罗雾嚣L墼塑壁Jll暑 图5管理控制中心结构设计图 2．4清分结算中心 清分结算的功能是采集管理控制中心保存的 电子收费车辆缴费数据进行清分和结算，计算出 各路公司应得的金额，并编制划账指令发送给银 万方数据 134 交通信息与安全2009年第5期第27卷总151期 行，银行根据接收到的划账指令将金额从清分结 算中心账户划拨到各路公司的银行账户上。清分 结算首先确保电子收费车辆在银行开立有效账 户，账户与车主(一户一卡)或运输公司(一户多 卡)绑定，其次清分结算中心、各路公司必需在银 行开设专用账户。银行负责卡的资金管理，清分 结算中心负责用户通行费信息管理。对于储值 卡，银行将储值卡用户圈存及现金充值的资金归 集到储值专用账户并最终汇集到清分结算中心的 清算账户中；对记账卡，由银行代为托收或批量扣 款。 2．5客户服务中心 客户服务中心负责卡的发行和管理，银行作 为代理机构可代理卡的受理、充值、扣划等业务； 客户的账户信息管理，提供储值卡用户的充值、消 费、余额查询，记账卡用户的消费、账单、欠费查 询；与客户的联络和反馈以及投诉管理。客户服 务中心提供发票和账单的打印，将有问题的 帐目报表和欠费通知单寄给账户持有人。支付中 心和清分结算中心、银行之间可互相沟通协调。 3 基于GPS的电子收费系统特点 分析 目前DSRC作为电子自动收费的主要技术 已被广泛的接受，不过在某些特定因素下基于 GPS技术具有DSRC技术不具备的特点： 1)大大地降低路旁设施投入。DSRC电子 收费系统必须在联网高速公路的每个出入口架设 龙门架或在路侧安装设备，才能保证实现不停车 收费。而基于GPS的电子收费系统只需搭建部 分监控架即可实现收费的监控功能。 2)提供灵活的收费区域定义和费用计价方 式。DSRC收费系统只能采用简单划一的按分区 收费，当收费区域需要改变时，改变基础设施存在 比较大的困难。而基于GPS的收费系统通过改 变车载装置中存储计价的方式、费率、时段与图虚 拟收费点，即可改变收费区域，实现有弹性与多变 化的收费定价方式。以新加坡城市电子道路收费 系统为例，其最初使用的计价方式已经过数次修 订并扩大收费范围。若使用GPS收费，这类修订 可以很轻易的做到不需要耗费时间与金钱来改 建、拆毁、挪移及新建收费站及相关设施。 3)具有很好的扩展性，在与其他ITS系统整 合上具有明显的优势。基于GPS的收费系统的 车载装置不仅可以作为收费道路扣款支付通行费 的工具，而且通过载入相关的应用软件，可产生多 种用途(如车辆导航、交通监控、紧急救援、交通信 息服务、车辆运输管理、移动商务、车辆保全等)。 相对而言，DSRC收费系统不具备这些扩展功能。 4)彻底解决联网收费中存在的多路径问题。 由于GPS收费系统定义虚拟收费节点时，可将一 对出入口之间存在的二条或多条路段的中间点作 为虚拟收费节点，因此可以准确记录车辆的行驶 路径。 同时GPS收费技术存在以下不足： 1)车辆的车载装置成本高，用户接受存在难 度； 2)技术上，相对于DSRC电子收费技术要 新。虽然GPS技术已成熟，但其应用在道路收费 方面较少； 3)在城市道路收费中GPS定位信号容易受 到建筑物或城市峡谷的阻挡，影响车辆的定位，需 要辅助系统支持。 DSRC技术和GPS技术各有其特点，对1条 相对独立的收费公路、桥梁或隧道而言，DSRC电 子收费系统可能是最佳选择。DSRC用在类似新 加坡的较小范围且单一、集中的市区道路收费也 很合适。对1个较大范围的路网进行收费，GPS 电子收费系统则可能更合适。以德国高速公路联 网收费系统为例，是按其行驶里程与重量来计算 应缴的道路税。目前新西兰也正在研制一套类似 的系统。由于收费范围较大、收费点分布较广，采 用DSRC技术的难度较大，费用也高，GPS技术 可能是较好的选择。 4结束语 随着基于GPS的电子收费技术不断的发展 和完善，伴随着其灵活的收费区域和费用计价方 式定义，解决联网收费中多路径问题等优点，以及 其与ITS中其他系统更好的兼容性。相信不久 将来，基于GPS的电子收费技术将广泛的应用于 我国甚至世界范围的道路收费领域。本文目前研 究了基于GPS的电子收费系统的框架以及进行 功能模块设计，分析了系统的优缺点。而基于 GPS的电子收费系统在国内应用以及收费监控 执法将是下一步研究的方向。 (下转第145页) 万方数据 基于灰色关联投影法的公路运输枢纽综合评价——任秀欢 何 杰 刘小龙 145 B，2005，39(5)：453—477 [2]AekchaiS，KoenHvanDan，IuisFerreira．Optimi— zingthelocationofintermodalfreighthubs：AnO— verviewofagentbasedmodellingapproach[J]． JournalofTransportationSystemsEngineeringand InformationTechnology，2007，7(4)：71—81 [3]陈大伟，张鸽，李旭宏．城市对外客运枢纽综合评 价研究．交通与计算机，2007，25(1)：4-8 [4]邓聚龙．灰色系统理论教程[M]．武汉：华中理工大 学出版社，1990 [5]朱辉．灰色关联投影法在公路网综合评价中的应 用[J]．公路交通科技，2005，22(2)：90—94 [63刘伟华，晏启鹏，龙小强．公路主枢纽站场布局评价 指标定量化研究EJ]．2003，16(2)：86—89 [7]河南省驻马店市统计局编委会．驻马店统计年鉴 2007[M]．北京：中国统计出版社，2007 SyntheticEvaluationofHighwayTransportHub BasedonGreyRelationProjectionMethod RENXiuhuanlHEJielLIUXiaolongz (TransportationCollege，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)1 (CollegeofArt，HebeiUniversityofScienceandtechnology，Shijiazhuang050018，China)2 Abstract：Asamulti—factordecisionanalysis，syntheticevaluationofhighwaytransporthubisthebasicstepofhub planning．Accordingtoitsgreyproperty，thegreyrelationprojectionmethodwasappliedtosyntheticevaluationofhigh— waytransporthubandcomparedwithothercommonevaluationmethods．Theindexsystemforhighwaypassengerhub wasthenestablished．AnevaluationprogramwasdevelopedbyusingMatlabwhichevaluatesthepresentsituationof highwaypassengerhubinZhumadianCity．AccordingtOtheresults，thesituationofunevendevelopmentamongcities wasquantitativelyrevealed．ThismethodiseffectiveforthesynthesisevaluationofhighwaytransporthubaccordingtO thecasestudy． Keywords：highwaytransporthub；greyrelationprojectionmethod；Matlab；indexsystem ◆■·◆m◆■。◆■‘◆■-◆■-◆●’◆●-●H。●H’◆m◆●’◆■H■_·●HH●●●◆¨◆m◆m◆1·◆■◆一●·◆■-◆舢◆■。◆-●。◆●·●-●H●■●●舢◆-I●◆m◆■-◆-●-●m◆一-‘◆·●H-●‘◆巾◆·_'◆-_h●’●H卜■-◆■’◆一_’◆●◆● (上接第134页) 参考文献 [1]张勇，江玉林，郝记秀，等．基于VPS技术的新一 代道路收费系统现状及前景[J]．交通运输系统 与信息，2006，6(6)：21—25 [2]周崇华．DSRC、ANPR与VPS三种收费技术原理及 性能比较口]．公路交通技术，2007(1)：153—158 [3]MurphyTJ．Roaduserchargingusingsatellitepo— sitioningtechnology[C1／／12thIEEInternational ConferenceonRoadTransportInformationand Control(RTIC2004)．London：UK，2004 [4-1吴春耕，齐彤岩，付怀珀．德国的重载货车卫星收费 系统[J]．中国交通信息产业，20015(5)：108—111 [5]陈梅，尹蓓蓓，李鑫，等．GPS／DR与电子地图匹 配的定位研究[J]．计算机测量与控制，2008，16 (6)：837—839 [6]区大义，张晓靖，王殿海．智能化公交调度系统结构 及功能设计[J]．交通与计算机，2008，26(1)：116- 120 EiectronicTollCollectionBasedonGPS LUSaijie HUANGWeiQIANZhendong (IntelligentTransportationSystemResearchCenter，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China) Abstract：Findingthevehicle'spositioninElectronicTollCollection(ETC)isanewapplicationofGlobalPosition Systemtechnology．ThepaperpresentedtheETCbasedonGPS，analyzedtheframecomposing,theoperatingprinciple ofthesystemandthefunctionofthesystemmodules．Theon—boardterminalsystemandthemanagementcontrolcenter systemwerefocused，andtheadvantagesanddisadvantagesofthesystemwerereviewed．Atpresent，thepaperanalyzes theframeworkoftheETCbasedonGPS．Furthermore，thedomesticapplicationofthesystemandtollmonitoringca- forcementstudywillbethenextstepoftheresearch． Keywords：electronictollcollection；globalpositionsystem(GPS)Isystemframework；moduledesign 万方数据 基于GPS的电子收费系统研究 作者： 陆赛杰， 黄卫， 钱振东， LU Saijie， HUANG Wei， QIAN Zhendong 作者单位： 东南大学智能运输系统研究中心,南京,210096 刊名： 交通信息与安全 英文刊名： COMPUTER AND COMMUNICATIONS 年，卷(期)： 2009,27(5) 参考文献(6条) 1.张勇.江玉林.郝记秀 基于VPS技术的新一代道路收费系统现状及前景[期刊]-交通运输系统工程与信息 2006(06) 2.周崇华 DSRC、ANPR与VPS三种收费技术原理及性能比较[期刊论文]-公路交通技术 2007(01) 3.Murphy T J Road user charging using satellite positioning technology 2004 4.吴春耕.齐彤岩.付怀珀 德国的重载货车卫星收费系统[期刊论文]-中国交通信息产业 2006(05) 5.陈梅.尹蓓蓓.李鑫 GPS/DR与电子地图匹配的定位研究[期刊论文]-计算机测量与控制 2008(06) 6.区大义.张晓靖.王殿海 智能化公交调度系统结构及功能设计[期刊论文]-交通与计算机 2008(01) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jtyjsj200905030.aspx