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5.8G模块对公路的多路径收费方案讨论

来源: 作者: 发布日期:2016-09-18 17:55:50 加入收藏 关注:
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      自从高速公路联网以后,路上的出口入口都存在着多种路径,当车主选择了不同的路径时候,有可能会涉及不同的路费收费标准。为了公平路费拆分的收费标准,需要车辆进入高速就采用识别手段来跟踪该车的行驶路径,并且可以显示在收费标准那。本文就目前状况分析了现在多种方案的优劣,并且提出5.8G模块频段的方案,对比433M频段的优劣说明。

 

  1、 高速公路多路径识别

 

  高速公路联网后, 从地点A到达地点B存在多种可选路径。 车主选用不同的路径导致行驶的高速里程不同,或者涉及的道路业主不同。 因此在收费标准、 路费拆分方面, 也需要采用不同的方案。 多路径识别是指通过一定的手段识别车辆行驶的路径, 作为收费或者拆分结算的依据。

图1.png

 

  2、 多路径识别整体路线选择

 

  多路径识别目前普遍采用的方案有两大类: 模糊识别与精确识别。模糊识别是指通过地感、雷达、视频识别等技术, 辅以车型识别设备, 统计经过不同路径的车辆数量和类型。后续在做路费拆分时,根据统计数据,将路费拆分给不同的业主。这种方案不能够精确识别某辆车的行驶路径,因此不能够作为向车主区别收费的依据, 只能作为拆分路费的依据。

 

  作为拆分依据,也因识别率有限,整体方案也不够精确,远远不能满足业主需求。

 

  精确识别的方案较多, 但普遍采用的主要有三类:合建站识别、视频车牌识别、有源射频识别。合建站是在不同业主路段或多路径交叉点处建设的写卡站点。车主到达合建站后交卡并由工作人员在卡内写入路径信息。此方案涉及大规模工程建设,且严重影响高速公路联网后的畅通性,因此按照交通部整体规划,未来几年将逐步废除。并且新建的高速公路不准再引入新的合建站。

 

  视频车牌识别是指在高速公路多路径识别点架设高清摄像设备,并铺设高速通信光纤网。当车辆经过摄像点时,自动拍照,提取图像特征和车牌信息后,将数据实时传输到后端服务器,形成车辆行驶的路径信息,作为后续结算的依据。如果还需要实现根据路径差异化收费,则需要由后端服务器将数据转换为该车的路径信息,进一步实时同步到所有的高速公路出入口站点。当车辆到达出口时,车道上位机从站点服务器获取该车辆的路径信息,并体现到收费中去。 视频识别对车主没有额外的要求,但在面临地面积水、阴雨、大雾、夜间等外部情况时,会导致识别率下降。

 

  有源射频方案是指在高速公路入口处给车主发放可远程接受路径信息的射频复合卡,同时在道路旁架设无线基站,无线基站会持续广播本路径的标识信息。当车辆行驶到不同的路径上时,无线基站广播的标识信息会被该射频复合卡接收,并记录在卡内。当车辆到达出口时,车主交回复合卡,出口车道系统读出路径信息与出入口信息,实现根据路径的差异化收费和差异化结算功能。有源射频方案识别率可达到99%以上,且不受天气、时间影响,是目前最具优势的精确识别方案。

 

  目前还有其他的非主流解决方案,如通过移动运营商的基站定位方案。在高速公路入口处给车主发放内置手机通信模块的射频复合卡。当车辆在高速公路行驶时,该射频复合卡实时收集并记录基站广播的CELL id信息。 到达出口时,根据沿途的基站标识信息,得到车辆行驶的路径信息。但该方案设计与运营商合作,存在月租费用等因素。 在移动基站射频复合卡的研发技术上,也存在电流大、成本高、待机时间短等问题。

 

  还有给车辆在高速公路入口处粘贴无源射频标签的想法,即无源射频方案。该方案在实际实施上可行性不大, 因此不再做深入探讨。

 

 多路径识别有源射频方案分析

  有源射频方案目前在个别省份使用了433M频率,其方案是发行13.56M+433M双频复合卡作为高速公路MTC通行卡。目前433M复合卡中433M模块与13.56M模块相互独立,为读出行驶中写入的路径信息,必须批量更换已有MTC车道读卡器,用同时支持433M与13.56M频段的双频读卡器替换。这就涉及到大规模的设备投资。

 

  433M模块频段用于智能交通,存在下列问题:

 

  · 不能与ETC用户兼容,必须为ETC用户新上一套路径识别设备

 

  · 不是交通频段,民用干扰大。如步话机、车载台、的士设备等均会影响成功率

 

  · 无相关标准计划。目前不同厂家的设备没有统一标准,基站与MTC卡只能是一个厂家捆绑。而国家标准组织也没有在433M民用频率推出交通应用标准的规划

 

  · 应用前景单一。433M的传输速率有限,干扰大,现在建设的基站只能作为多路径识别使用,无法作为智能交通的节点, 实现信息下发和双向交互。

               图2.png

  目前各种方案总结

  采用交通专用的5.8G模块频段实现多路径识别的有源射频方案,就成为解决上述问题的必然手段。5.8G频段是目前智能交通的专用频段,在高速公路ETC电子不停车收费已经得到普遍应用。采用5.8G频段实现多路径识别, 可以根本解决上述问题,具有以下优势:

 

  · 5.8G MTC卡可实现与现有MTC车道读卡器硬件的兼容,无需大规模的设备改造

 

  · 与目前ETC属于同一频段, 实现与ETC用户路径识别的兼容

 

  · 专用频段, 干扰小, 成功率更高

 

  · 可与交通部相关标准部门合作, 共同推出基于5.8G频段的多路径识别协议标准

 

  · 利用5.8G频段带宽大的优势, 为多路径识别部署的大量5.8G基站设备, 将来可成为与车辆开展双向信息服务的节点

 

          

  图3为433M射频卡与5.8G模块射频卡在各方面的效果对比:

      图3.png

  以前采用433频段实现MTC双频复合卡的原因是国内厂家在5.8G,模块射频电路研发方面技术储备不足, 不能解决任意放置的MTC卡在天线全向性、 接收灵敏度、 绕射能力、 耗电量方面的瓶颈。 经过多年基于5.8G的ETC应用开发和技术积累, 现在国内厂家普遍在5.8G射频领域积累了大量研究成果。 突破5.8G频段在绕射能力、 接收灵敏度、 耗电量方面的瓶颈, 研制基于5.8G频段的多路径识别MTC卡产品, 达到了比433M更好的接收指标, 更长的使用寿命, 更简易的工程部署。 因此采用5.8G交通专有频段实现MTC多路径识别就成为一种更有效的选择。

多种方案的探讨

  1、 统一多路径解决方案部署

 

  5.8G MTC&ETC统一多路径解决方案采用5.8G智能交通频段为工作频率, 在部署时统一兼容ETC车辆和MTC车辆。 系统部署如下图所示:

          图4.png

    系统部署图

  多路径识别部署分三部分:入口部署、 信标站部署、 出口部署和中心部署。

 

  (1) 入口部署进一步分为ETC和MTC

 

  · ETC入口车道系统无需任何改动, 完全继承已有的ETC车道系统

 

  · MTC入口车道系统硬件无需任何改动。 软件需升级支持5.8G多路径识别卡休眠时长的写入。

 

  (2)信标站部署需按车道设置天线

 

  · 每个天线覆盖两个车道

 

  · 天线采用时分操作, 避免数据干扰

 

  · 天线支持与ETC用户和MTC卡的双向交互

 

  · ETC用户的通行卡需增加非加密路径写入文件, 便于在高速行驶中, 由OBU独立将天线下发的路径信息写入到卡内

 

  · 天线通过无线运营商网络或高速公路光纤网连接到管理中心实现集中管理

 

  (3) 出口部署进一步分为ETC与MTC

 

  · ETC出口车道系统硬件无需任何改动, 软件需升级支持读出通行卡内的路径信息

 

  · MTC出口车道系统硬件无需任何改动, 软件需升级支持读出通行卡内的路径信息、 MTC卡状态信息

 

  (4) 中心部署完成对多路径系统的集中管理

 

  · 与信标基站之间互通, 完成对信标基站的远程配置。主要配置信息包括: 路径标识ID、 休眠时长。 休眠时长的用处在下文描述

 

  · 与信标基站之间互通, 完成对信标基站的远程维护。 主要实现告警采集、 状态查询、 远程复位等功能

 

  2、 统一多路径解决方案使用场景

 

  统一多路径解决方案的场景分ETC和MTC车辆两种, 下面分两种情况分别描述。

 

  (1)ETC车辆多路径识别使用场景

 

  ETC车辆在实现多路径识别时, 对最终车主而言体验不到任何差异, 主要场景流程如下:

 

  i. ETC车辆到达ETC车道入口

 

  ii. ETC车辆通过ETC车道进入高速

 

  iii. ETC车辆途径信标基站, 信标基站持续广播信号唤醒OBU, 并下发路径标识ID

 

  iv. OBU收到路径标识ID后, 写入IC卡内的非加密路径信息文件

 

  v. ETC车辆到达ETC车道出口, 出口天线读出入口信息及卡内的路径信息, 由车道计算机生成费率, 并将过车流水上报结算中心

 

  场景中存在一个异常是如果ETC车辆在经过信标基站时, IC卡没有插入OBU. 而在出口处又走了人工MTC车道, 则卡内读不到路径信息。 这种情况下需要要求车主将IC卡插入OBU再拔出。 OBU会把自身保存的路径信息写入IC卡。

 

  (2)MTC车辆多路径识别使用场景

 

  MTC车辆在实现多路径识别时, 又分为两种情况。 第一类是普通MTC通行卡车辆; 第二类是储值、 记账通行卡, 类似粤通卡、 速通卡等, 但车主并未申领OBU.

 

  针对第一类用户, 可用5.8G复合通行卡替换原有13.56M通行卡, 实现多路径识别功能。 针对第二类用户, 可向卡用户优惠推广OBU或者更换为5.8G复合通行卡。

 

  对采用5.8G复合双频卡的用户, 主要场景流程如下:

 

  i. 车辆到达MTC车道入口

 

  ii. MTC车道入口发行复合卡给车主, 复合卡除写入入口信息之外, 同时写入休眠时长如: 15分钟

 

  iii. MTC卡进入休眠状态, 休眠时间为写入的休眠时长15分钟

 

  iv. 15分钟后, MTC卡进入唤醒模式, 接收道路上的信标基站信息

 

  v. 车辆经过信标基站, MTC卡唤醒并收到路径标识ID和休眠时长, 如: 30分钟

 

  vi. MTC卡进入休眠状态, 休眠时间为30分钟

 

  vii. 车辆到达出口,MTC车道工作人员用13.56M读卡器读出入口信息、 路径信息和MTC卡自检的状态信息

 

  viii. MTC车道计算机计算费率, 并向车道系统上报过车流水。 如果MTC卡状态不正常, 需通过界面提示工作人员回收替换该MTC卡

 

  四、 统一多路径解决方案的系统特点

 

  1、 兼容性好, 可实现MTC与ETC统一多路径识别

 

  目前433M频段的多路径解决方案无法兼容已有的ETC用户, 随着十二五规划的推进, ETC用户会不断增长。 为解决这部分用户的多路径识别问题, 仍然需要部署5.8G的多路径识别基站, 导致重复投资。

 

  采用5.8G模块多路径解决方案, 只需要部署一套多路径识别天线, 就可以同时解决ETC用户和MTC用户的多路径识别问题, 有效降低投资风险。

 

  2、 改动小, 无需更换现有MTC车道桌面读写器设备

 

  5.8G频段的MTC复合卡采用自主研发电路, 方便集成双界面读写技术, 与现有的MTC车道硬件系统完全兼容, 无需任何硬件改造。

 

  在使用过程中, MTC卡的激活可以通过已有入口处的MTC车道读写器在写入口信息时完成。 复合卡通过13.56M写入的入口信息和通过5.8G写入的路径信息也可由车道现有的MTC车道读写器在出口一并读出。 因此节省了目前433M方案在车道读写器上的改造投资。

 

  下图体现了433M多路径方案与5.8G多路径方案在车道读写器上的不同:

           图5.png

     车道读写器部署

  3、 寿命长, 5.8G多路径方案采用场强检测唤醒, 更省电

 

  5.8G复合双频卡采用5.8G场强检测技术,通过微功耗唤醒电路,可支持根据场强启动射频电路,耗电量只有433M卡的八分之一,考虑电池自身寿命,复合双频卡理论寿命可达10年以上。

 

  433M复合双频卡目前业内采用周期唤醒模式,每秒唤醒一次,耗电量大。如果实现433M场强检测, 因其频率低,自然界433M杂波大,无法实现精确唤醒。前期实践证明,只有采用周期唤醒模式才可商用。

 

  同时通过在电路设计上自主研发, 5.8G复合双频卡还实现了基于高速公路拓扑的智能休眠技术,使得5.8G复合双频卡产品进一步降低用电量, 其寿命进一步延长, 综合投资收益远高于433M复合卡方案。

 

  4、 精度高, 5.8G模块多路径方案更适合标记车辆行驶方向5.8G多路径方案基于成熟的电子不停车收费方案, 具备方向性好的特点。 比对433M方案, 433M目前难以控制无线信号的覆盖区域, 其覆盖范围通常是双向覆盖, 只适合于做路径标识, 但并不知道行车方向, 只有多个路径标识信息综合才能判别车辆的上下行方向。 而5.8G多路径方案其标识站射频覆盖方向是可控的, 特别是在某些省份, 存在标记环路上下行的需求, 通过5.8G多路径方案, 可以很好的解决这个问题。 识别环路的上下行示意图如下:

 

  5、 更安全, 支持路径信息认证加密写入

 

  5.8G双频复合卡支持路径信息的加密写入, 在5.8G信标基站和5.8G复合双频卡之间采用非对称加密机制。

 

  非对称加密算法需要两个密钥:公开密钥(publickey)和私有密钥 (privatekey) . 公开密钥与私有密钥是一对, 如果用公开密钥对数据进行加密, 只有用对应的私有密钥才能解密; 如果用私有密钥对数据进行加密, 那么只有用对应的公开密钥才能解密。 因为加密和解密使用的是两个不同的密钥, 所以这种算法叫作非对称加密算法。 非对称加密算法实现机密信息交换的基本过程是: 甲方生成一对密钥并将其中的一把作为公用密钥向其它方公开; 得到该公用密钥的乙方使用该密钥对机密信息进行加密后再发送给甲方; 甲方再用自己保存的另一把专用密钥对加密后的信息进行解密。 非对称加密体系不要求通信双方事先传递密钥或有任何约定就能完成保密通信, 并且密钥管理方便, 可实现防止假冒和抵赖, 特别适合网络通信中的保密通信要求。

 

  5.8G模块双频复合卡支持路径信息的加密写入后,没有私有密钥的天线无法写入路径信息, 有效防止了在5.8G空口上的恶意路径信息篡改, 实现了多路径信息的高安全写入。

 

  6、 产业好, 有利于多厂家采购

 

  433M频段并非交通专用频率, 目前无委会已明确表态433M不可能成为交通专有频段。 在目前已经存在5.8G智能交通专有频段的情况下, 不合适继续在433M发展智能交通相关应用的标准。 因此目前交通部相关标准单位并没有出台基于433M多路径识别国标的计划。 同时不同省份的433M方案在不同厂家之间是无法互通的, 不同厂家在功能设计和协议定义方面都有自己独有的内容, 无法形成规模产业链。

          图6.png

     环路上下行识别

  采用5.8G作为高速公路多路径识别的工作频段, 已经有ETC国标基础, 便于形成国家标准, 扩大交通频段的使用效果, 促进相关国家标准形成与产业链的健康发展。

 

  7、 发展好, 可持续向未来智能交通信息服务升级

 

  在多路径识别应用中采用5.8G频段, 不仅仅解决了多路径识别的问题, 也同时为车地双向信息服务打下了基础。 目前为多路径识别部署的5.8G天线, 天然支持信息服务功能, 只要在产业链上解决车载终端的安装问题, 就可以大规模开展丰富的智能交通信息服务应用。 使解决多路径问题的方案部署, 成为迈向未来智能交通系统的关键一步。

 

   随着科技的进步,智能交通发展在不断的进步,高速公路5.8G模块统一多路径识别解决方案可以实现精确拆分,计费、综合成本低等优势,能同时解决MTC/ETC多路径的精确识别方案。相信此方案的推出,一定会在我国的智能家庭发展发挥重大的作用。

 

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