基于車聯(lián)網(wǎng)的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法

戴澤華,張連連,王 豐

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110000;2. 河北建筑工程學(xué)院電氣工程學(xué)院,河北 張家口 075000;3. 中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院,北京 100872)

1 引言

近年來(lái),車輛的增加給公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)帶來(lái)了巨大的壓力與挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的紙質(zhì)收費(fèi)與基于IC卡的人工收費(fèi)在實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的過(guò)程中,需投入大量的人力物力財(cái)力,使得車輛通行速度變慢,并且在收費(fèi)站頻繁發(fā)生車輛擁堵現(xiàn)象,導(dǎo)致公路通行能力降低[1]。尤其是周末、法定節(jié)假日,多數(shù)公路路段更是堵塞難行。頗受人們青睞的ETC收費(fèi)方式,與傳統(tǒng)紙質(zhì)收費(fèi)與半自動(dòng)收費(fèi)方式相比,雖然給人們出行帶來(lái)了便利,但是收費(fèi)設(shè)備比較昂貴,同樣在某些方面制約著公路收費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展,人們迫切需求一種具有較高性價(jià)比的自動(dòng)、免人工的收費(fèi)方式,來(lái)緩解車輛行駛在公路收費(fèi)時(shí)存在的壓力[2]。因此,各種針對(duì)公路收費(fèi)的無(wú)感支付方法開始出現(xiàn),如基于微信、支付寶的公路收費(fèi)無(wú)感支付方法,基于融合發(fā)展技術(shù)的公路收費(fèi)無(wú)感支付方法。雖然這些新的無(wú)感支付方法的出現(xiàn),為人們的出行相應(yīng)地帶來(lái)了一定的便利,減少了交通擁堵等現(xiàn)象,但是存在付款形式單一,網(wǎng)絡(luò)卡頓、獲取車輛信息不準(zhǔn)確等問(wèn)題[3,4]。

為解決上述問(wèn)題,本文提出基于車聯(lián)網(wǎng)的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法。發(fā)揮車聯(lián)網(wǎng)在道路與交通方面可全面感知、協(xié)同人、車、路、站方面的優(yōu)勢(shì),及時(shí)獲取交通事故、道路通行能力、車輛擁堵狀況等信息,并利用Android移動(dòng)終端設(shè)備采用多種付款方式完成繳費(fèi),繳費(fèi)可在任何地點(diǎn)完成,并可提前完成車輛繳費(fèi),極大地減少了車輛擁堵現(xiàn)象的發(fā)生,提高了道路通行能力,縮短了支付時(shí)間,使人們出行變得更加便捷。

2 車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法

2.1 車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付架構(gòu)主要包括車輛信息采集、車載信息采集終端、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)感支付中心。具體的車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付架構(gòu)圖

其核心流程如下:

1)利用傳感器對(duì)車輛信息進(jìn)行采集。

2)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)杰囕d數(shù)據(jù)采集終端。

3)車載數(shù)據(jù)采集終端每隔一段時(shí)間便通過(guò)內(nèi)置定位與通信模塊,將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給無(wú)感支付中心。為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)能囕v數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定性,傳輸過(guò)程中運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定算法對(duì)車輛數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化[5,6]。

4)無(wú)感支付中心根據(jù)獲得的車輛數(shù)據(jù)信息,將其與公路道路的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路徑匹配,判斷車輛在公路上的行駛路段,實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別與清分,客戶通過(guò)云服務(wù)器,獲取費(fèi)用明細(xì),借助Android移動(dòng)終端完成第三方無(wú)感支付[7]。

2.2 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定算法

為了提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,本文應(yīng)用基于分流優(yōu)化選擇機(jī)制的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定算法,一方面通過(guò)分割優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)信息向無(wú)感支付中心的優(yōu)化傳輸。另一方面,由于通信網(wǎng)絡(luò)存在不穩(wěn)定因素,對(duì)各簇間路由進(jìn)行優(yōu)化,使得通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,減少車輛數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中的卡頓問(wèn)題,更好實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)信息傳遞。

2.2.1 基于自感閾值的區(qū)域成形

傳感網(wǎng)運(yùn)作初期,進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳任務(wù)的節(jié)點(diǎn),將精準(zhǔn)的時(shí)鐘信息進(jìn)行廣播發(fā)送,節(jié)點(diǎn)m接收精準(zhǔn)的時(shí)鐘信息后,計(jì)算自身位置坐標(biāo)與數(shù)據(jù)上傳任務(wù)節(jié)點(diǎn)間的距離,將距離最近的節(jié)點(diǎn)當(dāng)作簇頭節(jié)點(diǎn)。明確自身所屬簇域后,將節(jié)點(diǎn)m標(biāo)記為簇成員節(jié)點(diǎn),并采用Hello分組將其對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播[8]。

由于傳輸節(jié)點(diǎn)中的所有能量信息都在Hello分組中,因此Hello分組可以反映能量消耗率,簇頭節(jié)點(diǎn)首先需要詳盡地考慮區(qū)域內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的能量消耗,并根據(jù)能量消耗進(jìn)行分類,為了達(dá)到更新區(qū)域內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)的目的,可以通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)除簇頭節(jié)點(diǎn)外的能量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)來(lái)估計(jì)簇頭的當(dāng)前狀態(tài)。

簇頭節(jié)點(diǎn)接收到Hello分組以后,用H＿Door(m)代表節(jié)點(diǎn)m的能量自感閾值,其可以表示為

(1)

式中,節(jié)點(diǎn)m已經(jīng)消耗的能量用H(m)代表,用PCH代表簇成員節(jié)點(diǎn),CH代表簇頭節(jié)點(diǎn),n代表與節(jié)點(diǎn)m同區(qū)域的其余簇成員節(jié)點(diǎn)。

如果節(jié)點(diǎn)m想要成為簇頭節(jié)點(diǎn),就要通過(guò)式(1)計(jì)算其路徑自感閾值,假定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為m,它的H＿Door(m)值的大小與其性能正相關(guān),當(dāng)當(dāng)前的簇頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)m成為新的簇頭節(jié)點(diǎn)的可能性概率最高。對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的H＿Door(m)值進(jìn)行加權(quán),同時(shí)考慮當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)下個(gè)時(shí)刻H＿Door(m)的反饋,用μm代表選取系數(shù),用μm判斷簇頭節(jié)點(diǎn)CH的競(jìng)爭(zhēng)

μm=H＿Door(m)×H＿Door(CH)

(2)

若H＿Door(CH)值小于μm值,更換簇頭節(jié)點(diǎn),由于μm的值直接關(guān)系到簇頭節(jié)點(diǎn)的更換,用Time(m)代表輪換時(shí)間,在周期T內(nèi),節(jié)點(diǎn)m成為簇頭節(jié)點(diǎn)的輪換時(shí)間可表示為

(3)

式中,路徑調(diào)整因子用λ表示,滿足λ∈[0,1];簇頭節(jié)點(diǎn)的更新周期用T′代表,滿足T′∈[0,1];路徑遞歸因子用ω代表,滿足ω∈[0,1];當(dāng)更新周期用T′的值高于用Time(m)代表的輪換時(shí)間時(shí),進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)更新。

2.2.2 簇間分流優(yōu)化

假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)在接受其它簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,把數(shù)據(jù)用帶寬B分割為Num個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送,對(duì)于當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),其它區(qū)域內(nèi)的下一跳的各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)都可以用來(lái)當(dāng)作下一傳輸路徑的節(jié)點(diǎn),合理地對(duì)下一跳的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇,能夠有效減少能量成本[9],將當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)m的能力消耗與其它節(jié)點(diǎn)能力消耗的比例計(jì)算出來(lái),在降低能量消耗的同時(shí),可再分配傳輸帶寬,最大傳輸帶寬要保證低于或者等于帶寬B,Num的計(jì)算公式可以表示為

(4)

式中,調(diào)節(jié)參數(shù)用η代表,通常情況下,用區(qū)域范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的倒數(shù)作為調(diào)節(jié)參數(shù)。

上傳數(shù)據(jù)完成分割后,假定簇頭節(jié)點(diǎn)m將Num個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)流傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)n,當(dāng)μm與Time(m)、μm與Time(n)的比值都是最大時(shí),則節(jié)點(diǎn)m在能量消耗量與時(shí)間上都具有最低值,用Fcos t代表最優(yōu)傳輸函數(shù),用公式可以表達(dá)為

(5)

式中,比例系數(shù)用φ代表,通常情況下取值在0.5到1之間。

通過(guò)不間斷計(jì)算最優(yōu)函數(shù),選出最優(yōu)函數(shù)值最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),當(dāng)作下一跳的節(jié)點(diǎn),便可優(yōu)化整個(gè)數(shù)據(jù)路徑[10]。

2.3 路徑識(shí)別與清分算法

2.3.1 車聯(lián)網(wǎng)下的路徑識(shí)別方法

在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,通過(guò)將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至無(wú)感支付中心的公路車輛信息與公路道路的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路徑匹配,獲知公路車輛實(shí)時(shí)行駛路段信息。若要獲知公路車輛實(shí)時(shí)行駛路段信息,可用最小路段對(duì)公路道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述。由于公路的修建主體不同,不同公路路段的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、歸屬轄區(qū)不同,假設(shè)最小路段相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間沒(méi)有歧義路段,且收費(fèi)費(fèi)率與業(yè)主相同。如果出現(xiàn)與上述狀況不一致狀況或者出現(xiàn)岔道口,則加入虛擬站點(diǎn)將其變?yōu)樽钚÷范巍８鶕?jù)最小路段定義劃分公路路網(wǎng),將公路路網(wǎng)中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息提取,并用于公路路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

車輛進(jìn)入公路后,激活通信模塊,通過(guò)定位模塊,確定車輛位置信息,然后車載數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),將這些信息發(fā)送給無(wú)感支付中心的收費(fèi)管理系統(tǒng),無(wú)感支付中心收費(fèi)管理系統(tǒng)獲取車輛信息后,根據(jù)獲得的車輛信息數(shù)據(jù),將其與相關(guān)的流程進(jìn)行路段匹配,判斷車輛在公路上的行駛路段,實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別。

無(wú)感支付中心中,實(shí)現(xiàn)匹配路徑的具體步驟為:

1)根據(jù)定位操作確定的中心點(diǎn),定義一個(gè)合理的搜索半徑,建立一個(gè)合理的圓形搜索區(qū)域。

2)判斷搜索區(qū)域中的關(guān)鍵點(diǎn)存儲(chǔ)起來(lái),當(dāng)作車輛在此路段行駛的可靠標(biāo)識(shí),操作一直持續(xù)到車輛駛離公路。

3)定位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后,根據(jù)操作所獲取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù),在路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中與相應(yīng)的路段匹配,這樣可以對(duì)車輛的行駛路徑進(jìn)行正確地識(shí)別。

2.3.2 收費(fèi)與清分算法

通過(guò)對(duì)車輛進(jìn)行路徑識(shí)別,可確定車輛的行駛軌跡,依據(jù)車輛行駛軌跡與該路段的收費(fèi)表,可通過(guò)下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)化收費(fèi)與清分過(guò)程。

將收費(fèi)規(guī)則用矩陣Q表示,滿足

Q=[qij]

(6)

式中,qij滿足

(7)

其中,i=1,2,…,LDnum,j=1,2,…,COMnum,國(guó)內(nèi)路段的總數(shù)用LDnum代表,路網(wǎng)內(nèi)公司總數(shù)用COMnum代表。

上述收費(fèi)規(guī)則表示的是單一車型在各個(gè)公司各個(gè)路段的收費(fèi)。

用T代表車輛行駛的一維矩陣,滿足

T=[ti]

(8)

式中,ti滿足

(9)

其中,i=1,2,…,LDnum。

用s代表單車收費(fèi)額,S代表各路段收費(fèi)額。滿足下式

(10)

S=[sij]

(11)

式中,i=1,2,…,LDnum,j=1,2,…,COMnum;S=T×Q=[sj];各車輛經(jīng)過(guò)后j公司清分的通行費(fèi)用sj表示,當(dāng)把不同車輛駛離公路后,對(duì)不同車輛的sj進(jìn)行求和,即可得到j(luò)公司獲得的通行費(fèi)。

3 實(shí)驗(yàn)與論證

將本文方法應(yīng)用至某個(gè)可實(shí)現(xiàn)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付的收費(fèi)站,驗(yàn)證本文方法的可行性。

表1為應(yīng)用本文方法的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付收費(fèi)站部分測(cè)試結(jié)果。

表1 公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付部分測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出,應(yīng)用本文方法設(shè)計(jì)方法后車聯(lián)網(wǎng)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付收費(fèi)站運(yùn)行良好,數(shù)據(jù)采集、通信、定位以及路徑識(shí)別性能均通過(guò)測(cè)試,可以實(shí)現(xiàn)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的無(wú)感支付,且支持第三方支付,支付便捷,驗(yàn)證了本文方法的可行性。

圖2是應(yīng)用本文方法與基于微信、支付寶的公路收費(fèi)無(wú)感支付方法,基于融合發(fā)展技術(shù)的公路收費(fèi)無(wú)感支付方法,在不同交通密度下車輛通過(guò)公路收費(fèi)口的時(shí)間。

圖2 車輛通過(guò)公路收費(fèi)口時(shí)間

從圖2可以看出,應(yīng)用本文方法車輛通過(guò)公路收費(fèi)口的時(shí)間更快,且隨著交通密度的增大車輛通過(guò)收費(fèi)口時(shí)間雖有所增加,但增加趨勢(shì)不明顯。而應(yīng)用傳統(tǒng)方法后車輛通過(guò)公路收費(fèi)路口的時(shí)間較長(zhǎng),且隨著交通密度的增大,車輛通過(guò)公路收費(fèi)口的時(shí)間更長(zhǎng),說(shuō)明應(yīng)用本文方法支付車輛公路收費(fèi),在通行時(shí)間上更具優(yōu)勢(shì),可提高車輛通行的效率,有效減少收費(fèi)口交通堵塞。

圖3是應(yīng)用三種方法后的公路聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)死鏈出現(xiàn)概率對(duì)比圖。

圖3 網(wǎng)絡(luò)死鏈出現(xiàn)概率

由圖3可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加三種方法的網(wǎng)絡(luò)死鏈概率都呈增加趨勢(shì),但是應(yīng)用本文方法的網(wǎng)絡(luò)死鏈出現(xiàn)概率始終低于傳統(tǒng)方法,說(shuō)明應(yīng)用本文方法具有較低的網(wǎng)絡(luò)死鏈出現(xiàn)概率,通信網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定,可更好實(shí)現(xiàn)公路聯(lián)網(wǎng)車輛收費(fèi)無(wú)感支付。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)如果最大上傳帶寬過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓,從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)公路收費(fèi)無(wú)感支付。圖4是本文方法在不同交通密度下的最大上傳帶寬。

圖4 不同交通密度最大上傳帶寬

由圖4可知,三種交通密度下的最大上傳帶寬值始終較高并且隨著數(shù)據(jù)傳輸率的增加,三種交通密度下的最大上傳帶寬也隨之增加,三條帶寬曲線增幅基本一致,且在相同數(shù)據(jù)傳輸率下的最大上傳帶寬接近。說(shuō)明應(yīng)用本文方法即使在交通密度較大情況下,也極少出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓狀態(tài),降低了數(shù)據(jù)異常情況的發(fā)生概率。

4 結(jié)論

本文研究車聯(lián)網(wǎng)的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)無(wú)感支付方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)用本文方法的收費(fèi)站進(jìn)行了測(cè)試,驗(yàn)證了本文方法的可行性與有效性,在避免網(wǎng)絡(luò)卡頓的同時(shí),減少了車輛通過(guò)公路收費(fèi)口的時(shí)間,一定程度上緩解了交通壓力,提高了道路通行能力。但由于技術(shù)時(shí)間有限,本文方法用戶主要通過(guò)APP進(jìn)行車輛收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)無(wú)感支付,在用戶體驗(yàn)上還有很大的提升空間,下一步可設(shè)計(jì)基于車聯(lián)網(wǎng)的公路聯(lián)網(wǎng)無(wú)感支付小程序、公眾號(hào)滿足更多車輛用戶的使用習(xí)慣。