隨著我國高速公路的不斷發(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)。目前高速公路建設(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)即可。

　　然而，對(duì)于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的高速公路網(wǎng)來說，兩點(diǎn)之間往往有多條行駛路徑(如圖1所示，A點(diǎn)與K點(diǎn)之間存在多條行駛路徑)，因而造成了高速公路收費(fèi)運(yùn)營中的一個(gè)難題，即“路徑二義性問題”。在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的環(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”的問題對(duì)規(guī)范通行費(fèi)用的拆分方式，提高拆分的透明度和公平性，實(shí)現(xiàn)更合理的業(yè)主間利益分配，提高業(yè)主的積極性等，都具有極其重大的意義。

圖1 A點(diǎn)與K點(diǎn)之間存在多條行駛路徑

　　為了徹底解決“路徑二義性問題”，路徑精確識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其精確識(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，從而解決路網(wǎng)中多路徑的問題。

　　技術(shù)現(xiàn)狀

　　目前精確識(shí)別技術(shù)主要包括：車牌識(shí)別法、不停車標(biāo)識(shí)法(RFID技術(shù))、GPS定位法等，精確識(shí)別法技術(shù)比較如表1所示。

表1 精確識(shí)別法技術(shù)比較表

　　就全國來看，浙江省采用的方法是RFID技術(shù)，目前處于實(shí)驗(yàn)階段;山東省目前正在東青濱新路段實(shí)施車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng);江西省則采用的是車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。

　　從目前技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，車牌識(shí)別法由于具有識(shí)別精度低，無業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力等不利因素而將會(huì)逐步被淘汰。RFID技術(shù)應(yīng)用廣泛，開發(fā)難度不大，所以目前國內(nèi)大多采用的是RFID技術(shù)。

　　但如表1所示，基于GPS技術(shù)的精確識(shí)別法有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，基于GPS技術(shù)的精確識(shí)別法將會(huì)被廣泛應(yīng)用在高速公路聯(lián)網(wǎng)多路徑識(shí)別的需求場(chǎng)所中。

　　系統(tǒng)總體方案

　　本方案的目標(biāo)是研制具有GPS定位功能的高速公路通行卡。其外觀大小與現(xiàn)有通行卡一樣，厚度是現(xiàn)有通行卡的3~5倍，內(nèi)部封裝可充電鋰電池，可保證通行卡連續(xù)工作1年。鋰電池可通過無線充電器進(jìn)行充電。[nextpage]

　　本方案的基本思路是在高速公路入口為每一輛車發(fā)放一張具有GPS定位功能的通行卡，通行卡在車輛行駛過程中獲取車輛的地理定位信息(經(jīng)緯度);在高速公路出口，利用現(xiàn)有的非接觸式IC卡讀寫器，讀取車輛行駛經(jīng)過的地點(diǎn)的地理定位信息(經(jīng)緯度)，再通過查詢經(jīng)緯度與高速公路路段業(yè)主對(duì)應(yīng)表，計(jì)算車輛實(shí)際行駛路徑，讀取車輛實(shí)際行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)路徑的精確識(shí)別功能。

　　本方案的路徑識(shí)別原理如圖2所示。車輛從A到B，行駛路徑有3條：AB1、AB2、AB3。分別為路徑AB1、AB2、AB3建立3個(gè)區(qū)域：區(qū)域1{(x1， y1)，(x1'，y1')}、區(qū)域2{(x2，y2)，(x2'，y2')}、區(qū)域3{(x3，y3)，(x3'，y3')}。如果車輛經(jīng)過地點(diǎn)的經(jīng)緯度落在區(qū)域1內(nèi)，則行駛路徑為AB1;如果車輛經(jīng)過地點(diǎn)的經(jīng)緯度落在區(qū)域2內(nèi)，則行駛路徑為AB2;如果車輛經(jīng)過地點(diǎn)的經(jīng)緯度落在區(qū)域3內(nèi)，則行駛路徑為AB3。

圖2 基于GPS技術(shù)路徑識(shí)別原理

　　GPS通行卡系統(tǒng)構(gòu)成

　　該通行卡由以下幾部分所組成，系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 基于GPS技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成圖

　　1.GPS接收模塊及天線。

　　2.處理器。

　　3.場(chǎng)檢測(cè)模塊。

　　4.雙界面CPU卡模塊。

　　5.非接觸式IC卡模塊。

　　6.電源管理模塊。

　　7.可充電鋰電池及無線充電模塊。

　　系統(tǒng)工作流程

　　1.路徑識(shí)別卡(下稱卡)在發(fā)出前，卡不工作，系統(tǒng)處于低功耗休眠狀態(tài)。

　　2.車輛進(jìn)入收費(fèi)站，收費(fèi)員將卡放在非接觸式IC卡讀寫器上，發(fā)卡：[nextpage]

　　· 場(chǎng)檢測(cè)模塊通知處理器從休眠狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài);

　　· 處理器通知電源控制模塊啟動(dòng)雙界面CPU卡，讀寫雙CPU卡。

　　3. 車在途中：

　　· 處理器定時(shí)通知電源控制模塊關(guān)閉雙界面CPU卡和GPS模塊，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài);

　　· 處理器定時(shí)自動(dòng)喚醒，通知控制電源控制模塊啟動(dòng)GPS模塊，讀取地理信息數(shù)據(jù)。

　　4. 車輛進(jìn)入收費(fèi)站，收費(fèi)員將卡放在非接觸式IC卡讀寫器上，收卡：

　　· 場(chǎng)檢測(cè)模塊通知處理器從休眠狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài);

　　· 處理器通知電源控制模塊啟動(dòng)雙界面CPU卡，讀寫雙CPU卡;

　　· 處理器通知電源控制模塊關(guān)閉雙界面CPU卡和GPS模塊，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

　　5. 無線充電：管理人員將卡插入充電箱中充電，無線充電模塊自動(dòng)為鋰電池充電。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　GPS模塊與處理器的選型

　　隨著衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)GPS接收機(jī)芯片的廠商也越來越多，各個(gè)廠商的芯片組都具有自己的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，美國SiRF Technologies公司是世界上最大的GPS芯片廠家，幾乎占據(jù)了全球市場(chǎng)近70%的份額、中國市場(chǎng)近90%的份額。以下是目前主流SiRF芯片的介紹(如圖5)：

圖5 SIRF Atlas-IV、SIRF Prima、SIRF Atlas-V芯片

　　(1)A3，SIRF Atlas-III，AT640，ARM9架構(gòu)，主頻約為380Mhz，第三代技術(shù);

　　(2)A4，SIRF Atlas-IV，AT840，ARM11架構(gòu)，主頻約為500Mhz，第四代技術(shù);

　　(3)A5，SIRF Atlas-V，AT550，ARM11架構(gòu)，主頻約為600Mhz，Prima簡(jiǎn)化版本;

　　(4)Prima，SIRF Prima，ARM11架構(gòu)，主頻約600Mhz，四代頂級(jí)技術(shù)。

　　本方案推薦選用性價(jià)比相對(duì)較高的SIRF Atlas-V。SIRF Atlas-V無論在性能方面，還是在功能方面都能滿足需求，同時(shí)，利用SIRF Atlas-V內(nèi)建的處理器，可以節(jié)省一個(gè)CPU的費(fèi)用，減少了設(shè)備體積。

　　GPS天線的選型

　　本方案應(yīng)選用圓形極化、內(nèi)置GPS天線。

　　由于采用內(nèi)置天線，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮屏蔽與干擾問題。天線必須在所有金屬器件上方，殼內(nèi)須電鍍并良好接地，遠(yuǎn)離EMI干擾源，比如CPU、SDRAM、IC卡、晶振、DC/DC等。

　　目前絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì)，其組成部分為：陶瓷天線和低噪音信號(hào)模塊等。大陸能自行生產(chǎn)GPS陶瓷天線的廠家主要是艾福電子通訊有限公司、嘉興佳利電子、飛利華電子、嘉康電子等廠家。臺(tái)灣則有麗臺(tái)等廠家。[nextpage]

　　場(chǎng)檢測(cè)模塊

　　當(dāng)通行卡在回收之后與發(fā)出之前，系統(tǒng)處于低功耗休眠狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)整體功耗小于300微安。

　　當(dāng)車輛在高速公路上行駛時(shí)，為了識(shí)別車輛行駛路徑，系統(tǒng)也沒有必要實(shí)時(shí)工作，記錄車輛的地理信息數(shù)據(jù)，完全可以每隔5-10分鐘工作一次，然后再次進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

　　當(dāng)通行卡被放在讀寫器上被讀寫時(shí)，場(chǎng)檢測(cè)模塊產(chǎn)生中斷信號(hào)，喚醒系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　無線充電技術(shù)

　　在無線充電設(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，使封裝在通行卡內(nèi)的專用接收線圈感應(yīng)生成能量，為封裝在通行卡內(nèi)的鋰電池充電。充電時(shí)間與普通充電器一樣，充電原理如圖4所示。

圖4 無線充電原理示意圖

　　將無線充電設(shè)備集成到一個(gè)終端箱中，就可以實(shí)現(xiàn)批量、高效地對(duì)通行卡進(jìn)行充電與管理的功能了。實(shí)際上，利用無線充電技術(shù)的無線充電器已經(jīng)在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，例如：

　　(1)香港城市大學(xué)科研人員研制成功的無線電池充電平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 無線電池充電平臺(tái)實(shí)物圖[nextpage]

　　(2)英國Splashpower公司生產(chǎn)的Multi SplashPad無線充電器，如圖7所示。

圖7 Multi Splashpad無線充電器實(shí)物圖

　　雙界面CPU卡

　　采用雙界面CPU卡替代原通行卡中的非接觸式IC卡，安全性更高，存儲(chǔ)空間更大，可以存放車輛的圖片，更利于高速公路的營運(yùn)管理。目前CPU卡主要有以下兩種：

　　一種是基于飛利浦公司的Mifare PRO-MF2ICD80雙接口芯片開發(fā)的，其接觸部分符合ISO7816和《中國金融集成電路IC卡規(guī)范》的要求，非接觸部分符合ISO14443規(guī)范中的TYPE A類標(biāo)準(zhǔn)。

　　另一種是即將推出的基于西門子公司的SLE66CLXX系列雙接口芯片開發(fā)的，接觸部分符合ISO7816和《中國金融集成電路IC卡規(guī)范》，非接觸部分支持ISO14443-TYPE A 或TYPE B的雙界面卡。

　　本方案推薦選用非接觸部分支持ISO14443-TYPE A的雙界面卡(如Philips NXP P5SD005)。這樣就可以保持原有的非接觸式卡的認(rèn)證管理體制，減少整個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)的改動(dòng)量。

　　風(fēng)險(xiǎn)分析

　　產(chǎn)品厚度

　　增加了GPS定位功能的通行卡的外觀尺寸要與現(xiàn)行的通行卡一樣，厚度控制在5-8毫米之內(nèi)。在本方案所用到的器件中，對(duì)厚度影響最大的有GPS天線、無線充電線圈和鋰電池部分。

　　無線充電線圈的厚度可以通過先進(jìn)的加工工藝控制在3毫米之內(nèi)。鋰電池的厚度，可通過與生產(chǎn)廠家協(xié)作定制符合容量體積要求的電池來得到控制。

　　GPS天線將是影響厚度的瓶頸。市場(chǎng)供應(yīng)GPS天線模塊厚度至少在5毫米以上。如果在設(shè)計(jì)上將GPS天線分離，單獨(dú)采購陶瓷天線部分，部署在主板的一面，自行設(shè)計(jì)低噪聲信號(hào)LNA放大電路，部署在主板的另一面，這樣就能將GPS天線部分的厚度控制在4毫米以內(nèi)。

　　產(chǎn)品成本

　　在大批量采購生產(chǎn)的前提下，目前單個(gè)產(chǎn)品的主要成本構(gòu)成如表2所示。

表2 單個(gè)通行卡產(chǎn)品主要成本結(jié)構(gòu)組成

　　目前單個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本約56元。這個(gè)成本不包括開發(fā)、管理以及市場(chǎng)推廣等費(fèi)用。銷售價(jià)格至少應(yīng)為56×1.5=84(元)。對(duì)于解決高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)多路徑識(shí)別問題的產(chǎn)品，讓市場(chǎng)接受接受85元左右的銷售價(jià)格可能有一定難度。

　　結(jié)語

　　多路徑問題是在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)發(fā)展過程中所產(chǎn)生的新的、而且是必須解決的難題。本文提出了采用GPS定位技術(shù)來解決多路徑的問題，實(shí)現(xiàn)了高速公路精確路徑識(shí)別功能總體方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

　　本方案中提到的一些相關(guān)的難點(diǎn)，在技術(shù)上均已解決，并在現(xiàn)實(shí)工作生活中已有相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。希望本方案提供的新思路和新方法，能對(duì)致力于解決高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)多路徑識(shí)別問題的技術(shù)人員帶來啟發(fā)和幫助。