【资讯】基于路径识别的高速公路ETC技术研究

目前，全国绝大部分省(市、区)都实现了高速公路联网收费，从国家层面也提出了高速公路全国联网收费规划，但伴随着高速公路的快速发展，联网收费二义性路径在很多省市已经出现，并迅速增多。如何有效识别车辆行驶路径，实现准确清分，正成为各省市高速公路联网收费主管部门着力解决的重要问题。

与此同时，随着我国经济的发展，高速公路用户对高速公路的需求和服务水平的要求也在不断提高，各地电子不停车收费系统的建设热潮一浪高过一浪，符合国家和交通运输部标准的、规范的电子不停车收费系统陆续建成并运营。为了推动ETC快速发展，交通运输部于2011年2月23日正式发布了《收费公路联网电子不停车收费技术要求》，标志着我国大规模建设ETC收费系统的条件已经具备，即将进入大规模实施阶段。不过现有的ETC技术只关注了电子不停车收费，即通过出入口不停车非现金收费，解决了因停车现金收费可能带来的交通拥堵、能源消耗与环境污染问题，但还不能解决二义性路径带来的清分问题。

基于LBS的高速公路ETC技术研究，就是为了弥补现有ETC系统的不足，在现有ETC功能的基础上，增加准确识别车辆在高速公路上的行驶路径功能，从而达到既可以不停车收费，又可以“按真实路径”据实计费和“精确清分”的目的。

1 路径识别技术

路经识别技术就是将移动通信终端集成到高速公路通行卡或车载单元(on-board unit，OBU)中，当车辆携带集成有移动通信终端的通行卡或OBU在高速公路行驶时，移动通信终端就会在无线蜂窝网络中移动。为保障无线网络服务的连续性，当所处的移动通信网服务基站信号强度衰减到一定程度时，移动通信终端将选择新的基站作为当前的服务基站，即产生了服务基站的服务切换(handover)。在切换完成后，移动通信终端将获取到代表当前服务基站的新的基站小区识别码(cell-ID)，并将该cell-ID记录在移动通信终端内，根据cell-ID对应的坐标，即可还原出该移动通信终端对应车辆的真实行驶路径，从而实现对高速公路车辆行驶路径的准确识别，达到有效解决二义性路径识别问题的目的。

2 基于路径识别的ETC技术

按照中华人民共和国交通运输部(2011年第13号公告)中的收费公路联网电子不停车收费技术要求，在现有ETC所使用的OBU基础上加入移动通信模块，形成复合车载终端(composite on-board unit, C-OBU)，利用路径识别技术，整合路径识别功能，就可以实现电子不停车收费与路径识别功能的融合。整合后的C-OBU包括移动通信模块、CPU、电源管理、光伏电池、语言播报等模块，具有独立运算和存储功能。由于只是通过加入模块来整合功能，所以整合后的C-OBU持有方式与现有ETC管理模式一致，可以兼容传统收费模式。

3 方案设计

3.1 系统功能设计

根据现有ETC功能和路径识别要求，C-OBU需要实现以下功能：

1)ETC基本功能；

2)基于GSM制式，板载SIM卡IC或直接烧号，可以和基站保持联系；

3)能够向固定接收号码发送预设短消息；

4)能够接收固定主叫号码发出的固定格式短消息，并根据内容进行预设的操作；

5)能够向固定被叫号码发送呼叫；

6)能够接收固定主叫号码发起的呼叫；

7)运行、电量低、充电、错误等状态通过LED和LCD进行显示；

8)在路侧单元(road side unit，RSU)激活OBU时，能根据RSU传输的数据向IC卡内写入进出站标识；

9)在RSU激活OBU时，能根据IC卡内的进出站标识和卡类型(如记账卡需要同步开关机、工作卡不需要同步关机)同步实现通信模块的进站开机和出站关机；

10)当RSU因为网络故障等原因不能通知智能交通系统OBU的进出站状态时，OBU可通过预设短消息或呼叫与智能交通系统同步状态；

11)通过人工车道进出站，IC卡会被写入进出站标识，当IC卡被插入OBU时，能根据IC卡内的进出站标识和卡类型同步实现通信模块的进站开机和出站关机；

12)OBU能根据接收到的特定短消息或特定呼叫实现通信模块的关闭，以满足测试期间关闭通信模块的需求和OBU驶出路网后因管理需求关闭通信模块的需求；

13)能将OBU途经基站的cell-ID等数据按照预设规则记录到IC卡上；

14)在通信模块运行期间，若IC卡被拔出或电量低时，能进行定时声光提醒；

15)可根据接收到的短消息或组合播放语音片段，语音片段数量不小于400条；

3.2 硬件设计

完整的ETC系统由OBU，RSU，ESAM(embedded secure access module)、双界面CPU卡、OBU初始化编程器等多部分组成。因此，C-OBU的设计，要实现在兼容当前ETC系统所有部件的基础上，整合通信模块的功能，设计就需遵循以下基本性能要求。

3.2.1 物理与电气需求

1)物理尺寸：无特定尺寸限制，具备1个接触式IC读卡器插槽，能完全插入1张IC通行卡；

2)无线参数：整合GSM 900/1 800 MHz制式无线模块、5.8 G微波模块和13.56 M读卡器模块；

3)电池容量与循环周期：可更换电池设计，单一电池容量不小于2 000 mAH，且具备不小于1 000次的充放电循环，可扩展光伏电池充电功能。

3.2.2 接口与管理需求

1)5.8 G微波接口，遵循ETC技术规范；

2)接触式读卡器接口，遵循ETC技术规范；

3)13.56 M读卡器接口，遵循ETC技术规范；

4)GSM无线接口，支持向特定目标号码发送和接收ASCII编码短消息，支持向特定目标号码发起语音呼叫，支持接收特定主叫号码发起的语音呼叫；

5)具有1个按钮，其功能可配置为触发呼叫或短消息，或者触发关闭通信模块事件；

6)1个激活感应开关，位于OBU安装工作面，用于物理激活OBU的工作状态；

7)1个IC卡插入感应开关，位于IC卡槽内部，用于感应是否已插入IC卡；

8)显示能力，1个单色LCD显示屏，带背光，具备至少1行固定图标和1行汉字(不少于7个字符)的显示能力；

9)LED指示，至少1个3色LED，用于显示电量和工作状态；

10)语音提示，具有扬声器，可播放固定语音片段或组合语音片段；

11)有线充电接口，用于车载充电器进行充电；

12)可扩展光伏电池充电。

3.2.3 模块划分

C-OBU终端系统可划分为三大部分。

C-OBU模块划分：

1)普通OBU模块部分，5.8 G收发模块、天线和E-SAM模块；

2)通讯模块部分，GSM射频模块、天线和SIM卡；

3)公用模块部分，包括CPU、电源部分(电源管理、充电电路、锂电池和光伏电池等)、接触式与非接触式读卡器、LED指示、LCD显示、扬声器和可配置按钮。

上述模块划分中以GSM模块中的CPU为系统主CPU，若GSM模块中的CPU功耗、唤醒时间不能满足OBU交易的需求，或该CPU接口不足，再增加专属于OBU功能的CPU。

3.3 软件设计

主要功能实现

3.3.1 接收短信处理

①MMI task注册接收短信的处理函数；

②接收短信产生中断，激活CPU core，且修改相应的寄存器；

③低级中断激活高级中断，高级中断产生event；

④messageRcv task等待事件，收到event，读取寄存器，确认收到短信，发送message到MMI task；

⑤MMI framework找到MMI注册的该接收短信的处理函数，执行以下相应的动作：检查短信内容，确认是否合法短信。如不是合法短信，则删除该短信并退出短信接收操作；如是合法短信，则根据短信内容，控制某个GPIO点亮红色LED灯，维持3s，并检查感应寄存器是否被置位，是否需要。最后，删除该短信，同时启动电源管理处理函数。

3.3.2 开机

①MMI task注册开机处理函数；

②开机后(实际上是通过监测特定GPIO产生的中断唤醒sleep状态的CPU)，检查相应的GPIO寄存器确认为开机动作；

③低级中断激活高级中断，高级中断产生event；

④open card task等待事件，收到event，发送message到MMI task；

⑤MMI framework找到MMI注册的处理函数，执行相应的动作——启动电源管理处理函数，启动待机处理函数。

3.3.3 待机

①MMI task注册待机处理函数；

②检查相应的GSM通信寄存器，确认为待机成功；

③低级中断激活高级中断，高级中断产生event；

④standby task等待事件，收到event，发送message到MMI task；

⑤MMI framework找到MMI注册的处理函数，执行相应的动作——启动点管理函数，轮询检查寄存器，确认同基站的联系状态。

3.3.4 电源管理

①MMI task注册电源管理函数；

②系统在开机后、关机前以及充电状态下，收发短信时，产生event；

③PMU task等待事件，收到event，发送message到MMI task；

④MMI framework找到MMI注册的处理函数，执行相应的动作：检查电池电量，检查系统(包括CPU内部)电源状况，根据event类型进行相应的处理。

关机前，event同时计算从开始进入待机状态的电池电量到结束待机状态的电池电量，除以对应的时间。如果大于某个特定的值则表示电池需要更换，然后控制GPIO，使红灯常亮；如果小于特定的值但电池电量低于50%，则闪烁红色LED提醒充电，否则关闭除CPU内核外的其它电源供应。

开机后，event则确认电量是否大于50%电池容量，如大于5%，则纪录电池电量并点亮绿色LED，维持3s，退出处理进入到待机状态；如小于50%，则控制某个GPIO点亮红色LED灯，维持3s，表示需要充电。

如需充电，event则判断剩余电量是否小于70%，小于70%开始充电，并常亮红色灯表示开始充电；剩余电量大于70%或充电满，则常亮绿色灯，表示充电结束。

待机时，event打开CPU和pSRAM电源，打开MT8139和RF天线处于接收信号状态，收到基站信号则闪烁绿灯(每5s亮200 ms)，关闭其他不必要的电源供应。

按键event，则打开CPU和pSRAM电源，打开MT8139和RF天线，处于发送信号状态。

4 技术验证

将5个OBU终端分别装车，在高速公路相关单位的支持与配合下，有针对性地选择传统收费车道和现有ETC车道进行技术验证测试。测试数据表明：按原有收费方式测试，刷卡正常；按现有ETC方式测试，抬杆正常，路径识别正常，验证了系统设计功能。

5 结语

在现有ETC的OBU基础上，加入移动通信模块，形成C-OBU，整合LBS技术，既可以满足ETC收费方式，也可以满足传统收费方式，同时有效解决了高速公路收费多路径问题。由于只是在OBU上进行了复合，对收费软件还没进行改进，ETC功能与路径识别功能还相对独立，ETC的收费与清分还没实现按实际路径计算，后续将对收费软件进行研究改进，将路径识别相关数据直接运用到ETC收费系统中，作为收费、清分和监控依据，完全实现ETC与路径识别功能的融合。

【文章来源于：《数字通信》2013年第03期】