基于卫星定位技术的城市拥堵收费系统

　　1背景

　　汽车保有量的增加使城市的交通拥堵日趋严重，对城市的可持续发展带来严重挑战。通过经济手段，合理调整出行者出行时间、出行方式，缓解道路资源与集中出行的矛盾，是破解城市拥堵的措施之一。新加坡早在1998年9月开始实施基于DSRC技术的拥堵收费系统，并取得良好的效果。

　　从收费区域界定方法上看，有两种方法，一种通过龙门架界定收费区域或路段，对应的技术包括：基于DSRC的自由流技术、车牌图像识别技术以及基于RFID的车辆识别技术。另一种是无龙门架的卫星定位方法，车载终端采用基于卫星定位的组合定位技术，确定车辆自身的位置，收费区域、收费时段、是否收费以及如何收费等由费率表确定，费率表由交通管理者事先下载到车载终端。当车辆进入事先设定的电子围栏（由费率表中的位置信息界定）时，自动扣除通行费。本文将介绍基于卫星定位技术的城市拥堵收费系统，基于本系统还可以扩展其它应用和智能分析，但不属于本文的范畴。

　　2系统架构

　　基于卫星定位技术的城市拥堵收费系统采用端、管、云的系统架构。前端设备包括车载终端OBU、路侧设备RSU、监控摄像机、车载移动稽查设备以及手持移动稽查设备，OBU、移动稽查车和手持稽查设备通过3G/4G移动通信网实现与中央计算机系统的通信，路侧设备RSU和监控摄像机通过专网实现与中央计算机系统的通信。

　　中央计算机系统（数据中心）是整个系统的数据交换中心、数据处理中心、数据存储中心和相关业务软件的运行中心。包括核心的计算、存储和网络设备，也包括数据中心基础环境设施，如供电、制冷、监控等。为了保证系统的可靠运行，还需要建立应急灾害备份中心。

　　运行控制中心是拥堵收费的业务处理中心，包括制定收费策略、管理费用表、发布费率表、违章稽查、拥堵收费业务运行监控以及对设备运行状态的监控，甚至可以包括客户服务中心。运行控制中心由若干座席组成，按照业务功能定义座席的功能，实现这些业务功能的软件运行在数据中心。为了保证业务的可靠运行，还需要建立应急灾害备份中心。运行控制中心与中央计算机系统分布在不同的地理位置，二者之间通过专网连接。

　　图1系统架构

　　3系统组成及功能

　　3.1车载终端

　　车载终端OBU是实现拥堵收费的核心设备，如图2所示，由主系统和辅助系统两部分构成，主系统在高性能ARM处理器上运行开放的android系统和一个封闭的可信操作环境，这个封闭的可信操作环境增强了敏感数据存储和访问的安全性，与主系统连接的外部电路包括卫星定位电路、辅助定位电路、3G/4G无线通信模块、CAN总线接口电路、LCD显示和按键电路。辅助系统以低功耗单片机为核心，外部扩展非接触IC卡读写电路、DRSC电路、ESAM电路和OBU防拆电路。主系统和辅助系统通过串口实现通信。

　　图2车载终端OBU的组成

　　为了完成拥堵收费的功能，车载终端OBU必须具备以下的功能：

　　精确定位

　　采用北斗和GPS双模卫星定位为主，以航迹推算、地图匹配和信标为辅的组合定位技术，保证终端对车辆位置感知的准确性，即使在高楼林立的CBD区域、立交桥、主辅路等复杂环境，也能实现无争议的收费。

　　多模通信

　　车载终端与中央计算机系统的远程通信由3G/4G公共移动网络完成，主要实现OBU发行、下载费率表，程序更新、地图更新、终端信息上报、远程监控OBU的状态。

　　DSRC通信符合国标GB/T20851，可以实现高速公路不停车收费，在拥堵收费时，主要用来稽查，当车辆通过稽查点时，与路侧单元RSU通信，结合摄像机，确定OBU状态是否存在违规等。

　　安全管理

　　信息存储安全，包括车辆信息、费率表、密钥、车辆行驶轨迹等敏感信息；

　　终端自身安全，当OBU被拆卸、换装时能够感知；

　　数据传输安全，保证OBU与中央计算机系统、路侧RSU传输数据的完整性和私密性；

　　时钟和位置安全，时钟和位置收费的依据，保证这两个数据不会被恶意攻击和修改。

　　收费

　　依据费率表，根据自身的位置、当前时间、车型等计算收费金额，实现支付卡和PSAM卡的认证，按照金融IC卡的安全要求，扣除通行费，保存和上报交易记录。

　　自我管理

　　OBU自身健康状况检查，包括功能和性能，如硬件电路是否正常、可用存储空间、CPU的使用率；

　　OBU的安全状况，是否非法拆卸、时钟是否恶意修改、位置是否被欺骗，费率表是否被修改等；

　　OBU的电源管理，在车辆运行、停驶、长期存放时采用不同的供电策略，保证对汽车电瓶的影响最小。

　　3.2路侧稽查系统

　　路侧稽查系统是拥堵收费的固定稽查系统，设置在某些典型的交通断面上，用来稽查过往的车辆，是卫星定位收费系统重要的稽查手段。

　　路侧稽查系统主要设备是RSU、摄像机以及机柜（控制器），每个车道对应一套RSU和摄像机（如图3所示）。

　　图3路侧稽查系统示意图

　　RSU的通信区域被控制在一条车道的宽度和8米左右的长度，装有OBU的车辆经过RSU覆盖的通信区域时与OBU实现DSRC通信，通信过程完成身份识别、车辆信息和OBU状态信息的传送，状态信息包括：OBU的健康状况、安全状况、交易执行状况，这些信息被传送到车道控制器。

　　摄像机对经过该车道的车辆进行抓拍并识别车辆号牌，在车道控制器端，该号牌与DSRC通信获取的号牌匹配，如果匹配不到，说明车辆没有安装OBU或DSRC通信异常，如果能够匹配，继续检查OBU的状态信息，对状态异常（如发生拆卸、交易失败、软件版本不正确、时间错误、位置错误等）的OBU，生成可疑稽查记录，传到中央计算机系统，传到操作控制中心做进一步核实处理。

　　3.3移动稽查系统

　　移动稽查是路侧稽查的补充，包括稽查车和手持稽查设备，稽查车有两种应用场景，一是行驶在道路上，通过摄像头拍照和DSRC通信对本车道两侧行驶的车辆实现稽查；另一种是稽查静止的车辆，如路边或停车场停放的车辆，通过摄像头拍照和DSRC通信实现对静止车辆的稽查。手持稽查设备可以到达移动稽查车不便到达的地方，对静止的车辆进行稽查。

　　稽查车上的稽查装备包括安装在车辆顶棚的摄像头和天线（用于DSRC通信），以及车内的主控制器和控制台，稽查车通过4G与中央计算机系统通信（如图4所示）。

　　图4移动稽查车示意图

　　稽查车在道路上行驶，分别通过摄像头和DSRC获取相邻车道车辆号牌，安装在主控制器的软件自动匹配、判断，识别出哪些车辆没有安装OBU、哪些车辆的OBU状态异常，并将可疑的记录传到中央计算机系统。

　　手持稽查设备将控制器、摄像头、4G通信模块和DSRC集成到一台手持设备上，DSRC发射功率被限定在一个较小的范围内，使其仅与最近的车辆通信。工作人员手机稽查设备经过车辆时，OBU将状态数据传送到手持机，手持机自动判断OBU的状态是否存在异常，对存在异常的OBU上传记录到中央计算机系统。

　　3.4中央计算机系统

　　中央计算机系统运行着拥堵收费的核心应用软件，包括费率表管理软件、费率表发布软件、运行监控软件、设备监控软件和违章稽查软件，其功能如下。

　　费率表管理软件的功能包括

　　支持按点、按路段（行驶里程）、按区域三种方式或三种方式的组合收费；

　　支持按照车辆所处的位置、当前时间和车型有关收费；

　　支持配置费率表参数，包括：收费道路的ID，收费道路的描述，收费时段，车型，费率，生效日期，有效期，收费路段长度等；

　　支持用户配置费率表参数，包括增加、修改和删除；

　　支持新增点、路段和区域的模拟测试功能，测试期间不收费，不提示客户，但传送相关数据到后台，以评估收费的准确性；

　　支持按照创建、更新、审核、批准、审计的业务流程生成费率表。

　　费率表发布软件功能包括

　　支持按OBU号段分批下载和按时间点下载，以减少网络资源的爆发式冲击；

　　支持OBU在发动机启动后自动申请更新费率表，适用于长期停放在公网信号不好或OBU被电瓶低压保护的情况；

　　支持增量下载，以减少通信带宽的使用；

　　支持下载状态被实施监控和记录，允许暂停和继续；

　　支持优先下载，确保在新费率生效前完成；

　　支持查询所有OBU当前下载的版本正确性；

　　使用数据加密和完整性认证技术，确保安全更新和费率表准确性确认；

　　费率表更新的安全性由数据中心和OBU以及它们之间的通信保证。下载成功须经OBU和数据中心自动确认；

　　为了提高费率表下载的成功率，OBU和数据中心支持重传功能且重传次数可以设置；

　　支持统计成功完成费率表下载的OBU数量，以及未下载成功的OBU数量。

　　运行监控软件的功能包括

　　支持按区域、按时间、按车型统计和显示，依据统计结果进一步优化收费策略和费率表，确保道路资源效率最大化；

　　支持收费的准确性分析，包括位置、时间、费率、车型，根据分析结果，确定道路收费错误的原因，提出优化和改进的方法；

　　业务统计报表功能。

　　设备管理软件的功能包括

　　所有前端设备的运行状态、健康状况、安全状态监控和预警，这些前端设备包括OBU、道路稽查设备、移动稽查车和手持稽查设备；

　　中央计算机系统以及灾备系统的物理环境、设备运行状况、健康状况、安全状况的监控和预警；

　　支持设备异常时主动上报或周期性上报或按操作员要求上报；

　　支持特定（紧急）故障报警，并直接通知相关维修人员；

　　提供基于web的操作界面，便于直观、准确的显示故障设备的位置和现场状况；

　　支持路侧设备、移动稽查设备、手持设备的注册、远程控制、程序更新；

　　支持OBU全生命周期的管理，包括初始化、发行、变更、注销、回收、销毁。

　　违章稽查软件的功能

　　支持路侧稽查设备、移动稽查车和手持稽查设备上传可疑违规记录；

　　对原始的可疑违规记录做进一步智能分析和筛选，形成供稽查员人工审核确认的违规记录；

　　违规现象包括但不限于：扣费失败、人为干扰、费率表或时间错误、OBU被拆卸或交换、没有OBU、号牌异常、卡片异常等；

　　支持违章记录的发布以告知当事人。

　　3.5操作控制中心

　　从硬件和基础设施环境看，操控中心包括视频墙、工作站、数传电话、室内和室外监控、门禁控制设备、防火设备、空调、照明以及供电系统（如图5）。

　　图5操控中心的组成

　　从内部网络结构看，包括：

　　核心业务网络，由交换机、工作站、显示器、多路视频转换器、视频墙和视频墙管理控制系统组成，并通过专线与中央计算机系统连接；

　　数字电话网络，由数传电话、交换机、服务器、磁盘存储阵列组成，所有的通话被录音、存储，用于操控中心内部通话或接入外部通话；

　　CCTV监控网络，由内部和外部的摄像头、交换机、服务器、磁盘存储阵列组成，实现对操控中心所有区域、出入口的监控、录像、存储；

　　访问控制网络，由电磁门锁、读卡器、门禁控制器和交换机、服务器、工作站组成，实现访问控制和出入记录的保存。

　　拥堵收费核心业务的执行被分配到不同的座席，分别完成费率表管理、费率表发布、运行监控、设备管理、违章稽查等业务功能，具体功能已经在3.4中说明。

　　作者简介

　　高翔：博士，北京握奇智能科技有限公司

　　贾安州：北京握奇智能科技有限公司

　　段起志：北京握奇智能科技有限公司