基于LBS 的高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王 華，嚴(yán) 晧，任 佳，鮑 強

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都611130;2.成都垚鑫信息技術(shù)有限公司，四川成都610041;3.四川省交通廳高速公路監(jiān)控結(jié)算中心，四川成都610061)

目前我國已開通高速公路的30個省(自治區(qū)、直轄市)中，除了內(nèi)蒙、云南、貴州、寧夏4個省(自治區(qū))還沒有推行聯(lián)網(wǎng)收費外，其它各省(自治區(qū)、直轄市)的高速公路都實現(xiàn)了一定范圍的聯(lián)網(wǎng)收費［1］。實施聯(lián)網(wǎng)收費，大大減少了主線收費站數(shù)量，節(jié)約了成本，提高了通行效率和經(jīng)濟效益、社會效益，但隨之也出現(xiàn)了一些問題:路網(wǎng)通行卡流失量進(jìn)一步增加;通過人為換卡、頂卡、無卡、壞卡、超時、U型行駛等方式作弊造成的通行費額流失進(jìn)一步增大;開始出現(xiàn)二義性路徑［2］或多義性路徑問題;當(dāng)高速公路發(fā)生交通事故時，可能會因為事故現(xiàn)場人員對環(huán)境不熟悉，無法及時向施救者提供事故準(zhǔn)確位置信息，導(dǎo)致延誤搶險救援時間，增加連鎖問題發(fā)生機率。

針對這些問題，提出了“基于LBS［3］技術(shù)，建設(shè)高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)”的有效解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

在原來的通行卡上，復(fù)合或集成移動通信終端(圖1)，使通行卡具備移動通信功能。當(dāng)駕駛員攜帶具有通信功能的通行卡在高速路網(wǎng)行駛時，采用LBS(Location Based Service)技術(shù)(如 CELL-ID、AOA、TOA、TDOA、EOTD、A-GPS、混合技術(shù))［4］，通過移動運營商的網(wǎng)絡(luò)(如 GSM、CDMA、GPRS、3G)，按照一定周期，獲取車輛攜帶的移動通信終端當(dāng)前位置信息(如經(jīng)緯度)，從而實現(xiàn)對攜帶該通行卡的車輛行駛軌跡進(jìn)行監(jiān)控的目的。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與工作流程

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由移動定位平臺、軌跡數(shù)據(jù)處理中心、短消息網(wǎng)關(guān)、移動定位終端、結(jié)合原有高速公路收費系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

圖1 移動通信模塊Fig.1 Mobile communication module

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram

定位平臺采用LBS技術(shù)，按一定周期獲取車輛攜帶的移動通信終端位置信息。

軌跡數(shù)據(jù)處理中心由與多個外圍系統(tǒng)連接的接口系統(tǒng)、涉及被監(jiān)控高速公路的地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)［5］、軌跡告警規(guī)則處理系統(tǒng)以及卡片式移動定位終端管理系統(tǒng)等4個子系統(tǒng)組成。接口系統(tǒng)通過專網(wǎng)連接高速公路結(jié)算中心的收費系統(tǒng)，獲取被監(jiān)控車輛的進(jìn)站(進(jìn)入高速路網(wǎng)，領(lǐng)取通行卡)與出站(離開高速路網(wǎng)，交回通行卡)時間信息，以得到需要被監(jiān)控的卡片式移動定位終端的號碼和監(jiān)控時間段;接口系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)連接移動運營商的定位平臺，定時獲取被監(jiān)控的卡片式移動定位終端的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo));接口系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)連接移動運營商的短消息網(wǎng)關(guān)，實時接收被監(jiān)控卡片式移動定位終端發(fā)出的應(yīng)急告警短消息;接口系統(tǒng)通過專網(wǎng)連接高速公路結(jié)算中心的監(jiān)控系統(tǒng)，回傳各類型異常告警信息。地理信息系統(tǒng)根據(jù)卡片式移動定位終端的位置信息，生成攜帶該終端的車輛在路網(wǎng)內(nèi)的行駛軌跡。軌跡告警規(guī)則處理系統(tǒng)根據(jù)告警處理規(guī)則實時處理被監(jiān)控卡片式移動定位終端的位置信息，生成各類型的告警信息。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工程流程如圖3。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Work flow chart of the system

2.2.1 車輛進(jìn)收費站

A1:車輛進(jìn)收費站時，通過收費系統(tǒng) IC(integrate circuit)卡［6］讀寫器將進(jìn)站收費數(shù)據(jù)寫入通行卡，同時通過接口將該通行卡中的移動定位終端激活，車輛駕駛員領(lǐng)取通行卡后進(jìn)入高速路網(wǎng)。

A2:當(dāng)通行卡中的移動定位終端被激活時，收費系統(tǒng)將激活狀態(tài)信息同步到軌跡數(shù)據(jù)處理中心，領(lǐng)取該通行卡的車輛被標(biāo)識為進(jìn)站狀態(tài)，作為車輛行駛軌跡監(jiān)控的起點。

A3:軌跡數(shù)據(jù)處理中心對激活的移動定位終端按照設(shè)定的采集周期向移動運營商LBS平臺發(fā)起定位請求。

A4:軌跡數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)移動運營商LBS平臺反饋的位置信息(如經(jīng)緯度［7］)，結(jié)合GIS系統(tǒng)，形成該移動定位終端對應(yīng)的車輛在高速路網(wǎng)內(nèi)實際行駛軌跡。

A5:軌跡數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)軌跡告警規(guī)則，對車輛運行軌跡實時計算，一旦發(fā)生行駛異常(如超速、非休息區(qū)長時間?？?、路徑繞行等情況)，立即生成告警信息，并傳至高速公路監(jiān)控系統(tǒng)告警。

2.2.2 車輛出收費站

B1:車輛出收費站時，車輛駕駛員交回通行卡，通過收費系統(tǒng)IC卡讀寫器讀出通行卡上的進(jìn)站收費數(shù)據(jù)和車輛行駛軌跡信息，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)站信息，結(jié)合車輛行駛軌跡收取通行費，放行車輛;同時移動定位終端定位注銷。

B2:移動定位終端定位注銷狀態(tài)由收費系統(tǒng)同步到軌跡數(shù)據(jù)處理中心，將該移動定位終端對應(yīng)的車輛標(biāo)識為出站狀態(tài)，軌跡數(shù)據(jù)處理中心停止對其定位，并將該車輛實際行駛軌跡數(shù)據(jù)存檔。

B3:軌跡數(shù)據(jù)處理中心返回該移動定位終端對應(yīng)的被監(jiān)控車輛的實際行駛路徑，作為高速公路收費系統(tǒng)的計費依據(jù)。

2.2.3 應(yīng)急按鈕的觸發(fā)

C1:當(dāng)移動定位終端的應(yīng)急按鈕被觸發(fā)后，自動向短消息接入號碼發(fā)送一條應(yīng)急告警短消息，再通過運營商的短消息網(wǎng)關(guān)及時傳送到軌跡數(shù)據(jù)處理中心。

C2:軌跡數(shù)據(jù)處理中心收到應(yīng)急告警信息后，立即向移動運營商LBS平臺發(fā)起定位請求。

C3:移動運營商LBS平臺將該移動通信緩和終端的位置信息反饋給軌跡數(shù)據(jù)處理中心。

C4:軌跡數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)最新的位置信息，結(jié)合相鄰車輛軌跡信息進(jìn)行應(yīng)急按鈕誤觸發(fā)甄別，以確定是否向高速公路監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)急告警信息。如果判斷為應(yīng)急按鈕誤觸發(fā)，則不發(fā)送告警信息;如果為正常應(yīng)急按鈕觸發(fā)，則立即發(fā)送告警信息。

3 系統(tǒng)功能

3.1 減少通行費額流失

通過車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，對車輛行駛軌跡實時監(jiān)控，并按車輛實際行駛軌跡收取通行費，切實做到了“誰用誰交費，多用多交費”，可以為準(zhǔn)確判斷是否通過車輛繞行行駛、換卡、頂卡、壞卡和無卡等方式作弊提供有效處罰憑證，也對作弊起到威懾作用，從而會降低甚至避免通過以上作弊方式作弊，大大減少通行費額流失。

3.2 實現(xiàn)通行費精確收取與拆分

通過車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確記錄車輛實際行駛路徑，可實現(xiàn)通行費精確收取與拆分，解決了因路徑二義性(多義性)帶來的收費、清分問題，有利于保護(hù)投資主體利益，確保收費公正、合理。

3.3 輔助搶險救援

通過車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，可以輔助交通事故搶險救援，為搶險救援提供準(zhǔn)確位置信息，提高事故處理效率，減少因延誤救援時間引起的連鎖問題發(fā)生。

3.4 提高車輛行駛安全

通過車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集路網(wǎng)交通流信息，結(jié)合交通事故模型分析，可以開展交通事故預(yù)測并告警，促使駕駛安全駕駛，提高路網(wǎng)車輛行駛安全。

3.5 拓展功能

通過車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，將采集到的交通信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘［8］，還可以實現(xiàn)交通信息便民服務(wù)、出行者服務(wù)、實現(xiàn)路網(wǎng)交通智能管理等功能，功能拓展性強，市場前景好。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本方案實施的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計生產(chǎn)移動定位終端及其充電設(shè)備。

移動定位終端:為了攜帶方便，不影響高速公路收費效率，不影響高速公路現(xiàn)有收費及管理模式，移動定位終端要想辦法與現(xiàn)有通行卡進(jìn)行復(fù)合或集成，使之既可以有效讀寫原有收費信息，并通過一次刷卡，在寫收費信息的同時，有效激活移動通信模塊;還要保證在高速路網(wǎng)行駛中與高速公路沿途的移動通信基站通信，以準(zhǔn)確獲取位置信息。同時，由于采用有源設(shè)備，工作狀態(tài)要消耗能量，所以移動定位終端還要具備在高速路網(wǎng)長距離行駛時有充足能量儲存和自我供應(yīng)的能力。

移動定位終端充電盒(柜):用于移動定位終端的充電、存放、發(fā)放，同時也可作為高速公路自動發(fā)卡系統(tǒng)，所以移動定位終端充電盒(柜)的設(shè)計制作要考慮與移動定終端的有效匹配。

5 系統(tǒng)特點

1)由于采用LBS技術(shù)，可根據(jù)設(shè)置周期對行駛在高速路網(wǎng)的車輛進(jìn)行定位，從而實現(xiàn)對車輛實際行駛路徑的精確識別，精度可達(dá)100%。

2)移動定位終端小巧輕便，功能強大，兼容性強?？梢约嫒莼蛱娲F(xiàn)有的高速公路通行卡，并可兼容標(biāo)準(zhǔn)的自動發(fā)卡系統(tǒng)，實行自動發(fā)卡。

3)移動通信的常用頻段［9］是:GSM 為450，850，900，1 800，1 900 MHz;CDMA 為 800，1 900 MHz;而現(xiàn)階段在高速公路上IC卡運用最廣泛的是非接觸邏輯加密卡，即 Mifare One卡［10］，其次是已經(jīng)興起并得到運用的CPU雙界面卡［11］，如MifarePro卡，其卡讀寫工作頻段為13.56 MHz，通信模塊與現(xiàn)有通行非接觸IC卡完全可以獨立工作，相互間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此可以完全兼容現(xiàn)有收費模式，對高速路網(wǎng)現(xiàn)有收費系統(tǒng)改動小，改造成本低。

4)直接利用高速公路沿途的無線通信基站，無需額外增加高速公路沿途設(shè)施，就可實現(xiàn)路徑的精確識別，從而實現(xiàn)精確收費和清分，并滿足高速路網(wǎng)交通自由流［12］條件，提高通行效率和舒適度。

5)無需更換現(xiàn)有的非接觸式IC卡讀寫器，不影響收費人員現(xiàn)有收發(fā)卡方式和習(xí)慣，所以不影響收發(fā)卡效率。

6)基于LBS技術(shù)，監(jiān)控終端成本低廉，并不需動車，由于采用移動通信，終端在車上放置位置沒有固定要求，放置方便。

表1 定位數(shù)據(jù)樣本Tab.1 Sample of location data

6 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)設(shè)計已在交通部門和移動運營商的大力支持和配合下完成測試，測試的科目有:正常行駛、壞卡、正常超時、非正常超時、無卡、換卡、環(huán)行行駛、U型行駛、L型行駛、闖關(guān)，測試樣本數(shù)據(jù)如表1。

通過移動定位終端定位描繪出的高速路網(wǎng)各收費站點位置信息如圖4。

通過移動定位終端定位生成的路網(wǎng)車輛行駛軌跡如圖5。

圖4 通過定位描繪出的收費站點位置信息Fig.4 The location information of toll site through the position description

圖5 系統(tǒng)生成的車輛行駛軌跡樣圖Fig.5 System-generated vehicles track sample map

測試結(jié)果為:終端識別率100%，生成軌跡準(zhǔn)確率100%，達(dá)到了對高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控的目的。

7 結(jié)語

采用基于LBS的高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對路網(wǎng)車輛行駛軌跡全程監(jiān)控，從而可以實現(xiàn)高速公路聯(lián)網(wǎng)精確收費和精確清分目標(biāo)，有效解決因二義性或多義性路徑引起的收費和清分問題，大大減少了高速公路聯(lián)網(wǎng)收費作弊途徑。通過對移動終端定位，還可以為高速路網(wǎng)搶險救援提供準(zhǔn)確的位置信息;可以通過車輛間的位置信息，提供事故預(yù)警，減少交通事故發(fā)生;可以進(jìn)行信息數(shù)據(jù)挖掘，提供便民服務(wù)等功能?；贚BS的高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，完全兼容現(xiàn)有收費和管理模式，設(shè)備設(shè)施改造小，投資成本低，不影響現(xiàn)有收費方式、習(xí)慣和效率，可操作性強。隨著我國高速路網(wǎng)規(guī)模，聯(lián)網(wǎng)范圍的不斷擴大，采用基于LBS的高速路網(wǎng)車輛行駛軌跡監(jiān)控系統(tǒng)，將具有重要的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟、社會效益。

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