射频技术在高速公路收费系统中的应用

2023-02-23

随着国家经济的不断发展, 加快高速公路的建设步伐, 我国大部分地区已经形成了一个四通八达的高速公路网, 高速公路无论在货运还是客运方面都起着越来越重要的作用。随着高速公路里程和交通量的不断增加, 如何进一步加强高速公路的管理水平, 提高其运营效率, 成为高速公路管理研究的重要内容。建设和优化高速公路收费系统是高速公路管理的重要任务之一, 直接影响高速公路通行的效率和运营的经济效益, 为保证投资效益和通行安全, 高速公路都设立了许多收费站和交通监控中心, 过多的设立收费站, 有降低了高速公路通行的效率。利用无线射频技术实现车辆自动识别, 并完成车辆与收费站之间的无线数据通讯, 进行车辆自动识别和有关收费数据的交换, 通过计算机网路对收费数据进行处理, 实现不停车自动收费管理, 通过路侧车道控制系统的信号发射与接收装置识别通过车辆的编号, 自动从该用户的专用账户中扣除通行费。

1 无线射频识别工作原理

无线射频识别技术, 是从20世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。其基本系统由三部分组成。

(1) 标签 (射频卡) :由耦合元件及芯片组成, 标签含有内置天线, 用于和射频天线间进行通信。

(2) 阅读器:读取标签信息。

(3) 天线:在标签和阅读器间传递射频信号。

系统的基本工作流程是:阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号, 当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流, 射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号, 经天线调节器传送到阅读器, 阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出指令信号控制执行机构动作。其结构如图1所示。

2 收费系统组成

2.1 收费系统的系统组成

基于射频系技术的收费系统主要由收费车道、收费站管理系统、管理中心、收费中心 (一般为银行) 及传输网络组成。根据功能的不同, 系统又可分为操作前台和管理后台两大部分。操作前台以车道控制子系统为核心, 用于控制和管理各种外场设备与安装在车辆上的电子标签的通信, 记录车辆的各种信息, 并实时传送给收费站管理子系统;管理后台由收费站管理子系统、管理中心和收费中心行组成。其中管理中心是整个系统的最高管理层, 既要进行收费信息与数据的处理和交换, 又要行使必要的管理职能, 它包括各公路的收费部门、结算中心和客户服务中心。后台根据收到的数据文件在公路收费部门和用户之间进行交易、转帐和财务结算, 配有多台功能强大的计算机, 完成系统中各种数据、图像的采集和处理。图2为收费系统的结构图。

2.2 硬件系统构成

该收费系统的硬件由收费站数据采集、数据传输、监控管理三部分组成。收费站数据采集设备主要是远距离非接触采集车辆通过的时间、地点信息。收费站数据采集设备由若干个收费站组成局域网, 每个收费站配置如下设备。

(1) 远距离读写器:上海秀派固定式标准阅读器SP-RFS-300; (2) 执行机构控制器 (用于控制摄像机、交通信号灯、报警器等) ; (3) 摄像机:LTC 004xB系列室外摄像机; (4) 交通信号灯; (5) 报警器; (6) 工控机:研华IPC-610P/PCE-5124/LGA775 Core 2Quad CPU Card with PCI Express/IPMI/VGA/Dual GbE LAN/6 COM Ports; (7) 不间断电源:三特在线式UPS。

数据采集部分主要实现不停车快速读取通行车辆卡号, 并上传至收费管理中心;判断通过车辆所持卡号的合法性, 控制红绿灯动作;对持有效卡的车辆绿灯放行;持无效卡的车辆红灯禁行;对无卡车辆向控制中心发出警报信号或抓拍车辆图像。将车辆通行的相关资料经专用电缆 (通常采用单模光纤) 通过计算机网络实时传输至控制中心, 以供核查。

数据传输部分主要是完成收费站与监控室或收费管理中心之间的网络连接。它由若干个收费站数据采集设备通过IP协议组成专用的网络, 数据传输配置网络通信接口设备、数字交换机、光收发设备、网络终端设备。

监控管理部分主要是完成对上传数据的处理, 提供完整的通行记录报告和自动生成各类收费数据、客户对账单、交通流量的统计报表供查询和打印, 并实时监控车辆通行状态, 将数据保存备查;当车辆非法进入或不按规定通道通行时, 系统报警。

3 关键技术

该系统利用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯, 进行车辆自动识别和有关收费数据的交换, 通过专用的计算机网路进行收费数据的处理, 实现不停车自动收费的全电子收费系统。主要采用以下关键技术。

3.1 自动车辆识别 (AVI) 技术

利用微波通讯技术实现数据代码的传送。车载无线电收发两用装置可以发射或接收频率范围为1000Hz, 1MHz以及千MHz的电波。它能够检测出比电感环式检测高出很多的速率传送的数据, 这样就增加了系统能够处理的数据量。由于天线的大小与所使用的波长有关, 微波收发装置在尺寸上比电感收发装置小。

3.2 自动车型分类 (AVC) 技术

通过对动态图像处理获得通过车辆的轮廓, 计算获取的车长、车高、周长、面积、车长高比、圆形度、外接矩形与面积比等特征, 并提取车型图像的不变矩特征。再应用一些分类方法 (如支持向量机等) 进行分类。

3.3 短程通信 (DSRC) 技术

由路侧单元 (RSU:读写天线) 和安装在车辆上的车载单元 (OBU:电子标签) 组成。R S U是O B U的读写控制器, O B U是一种具有微波通信功能和信息存储功能的移动设备识别装置。RSU和OBU之间以DSRC通讯协议的数据交换方式和5.8GHZ微波无线传递手段, 实现移动车载设备与路侧固定设备之间安全可靠的信息交换目的。

3.4 逃费抓拍系统 (VES)

逃费车通过时抓拍控制系统可根据报警命令自动将图片和相应资料自动存入主机数据库, 通过联网计算机直接共享逃费车辆信息, 当其再次经过其他收费站时, 计算机能有效识别, 勒令其补交所逃通行费款额, 从而对逃费车辆起到监督、控制作用。

4 结语

基于射频技术的非接触式公路收费是目前先进的收费方式, 它的优点是显而易见的。尽管目前在全国广泛推广还有一定的难度, 但随着我国公路事业的不断发展和相关技术规范的标准化和不断成熟, 该收费系统一定会被国家、被企业、被消费者广泛关注和接受, 在我国的市场一定会有着广阔的光明前景, 并得到快速、健康的发展。

摘要：随着我国经济的发展, 大部分地区已经建成了四通八达的高速公路网, 如何提高高速公路的管理水平和其运营效率, 是相关部门要解决的重要问题。本文详细叙述了利用无线射频技术设计不停车高速公路收费系统的原理、系统的组成、采用的关键技术。该系统的使用能有效地提高通行效率, 避免许多人为的因素。

关键词：射频技术,高速公路,收费系统,关键技术