基于LBS基站定位二义性路径识别系统分析

0 引言

近年来，随着我国高速公路建设的快速发展，大量 路网连接造成多路径问题，也就是车辆从路网内的甲 地行驶到乙地往往存在多条可选路径，二义性路径路环 不断增多，导致车辆通行费的收取和拆分问题也越来越 突出［1］。为了解决二义性路径识别问题，目前通常采用 ETC电子标签识别、RFID复合通行卡识别和车牌识别 三种方法，前两者无外乎都是通行卡（ETC为车载设备 OBU）通过无线通信技术接收来自路面标识站的标识 信息，后一种的车牌识别方法则通过路面上的高速摄像 机识别车辆的牌照，了解车辆具体经过哪些路段，从而 判断车辆的行驶路径，这三种方法最大的特点就是都必 须在高速公路关键点安装路面标识站或车牌抓拍系统。 采用基于LBS基站定位的高速公路通行卡可以不要专门 安装路面标识站，每间隔一段时间实时定位车辆行驶位 置，从而真实的反应车辆行驶路径。

1 目前各种二义性路径识别技术介绍

1.1 车牌识别法

由于车辆的牌照具有唯一性，可以作为在高速公路 中行驶车辆身份认定的依据。居于车牌具有“唯一性” 这一显著特点，在高速公路关键点安装高速摄像机对行 驶的每一车辆进行抓拍并识别车牌，了解哪些车辆经过 了该路段，从而判断车辆的行驶路径，二义性路径问题 则得到了解决。 优点：只需在高速公路关键点安装车牌抓拍系统， 通行卡不需要更改，系统投入最低。 缺点：由于车牌识别系统技术的原因，准确率不可 能达到100%，尤其在雨雪、大雾天气或车辆牌照有污 渍的情况下识别率更低，导致路径识别率也不高。

1.2 ETC电子标签和RFID复合通行

卡识别法 ETC全称为电子收费系统（Electronic Toll Collection System）的英文缩写，通过设置在高速公路收费站的入口和出口车道上方的ETC天线与车载单元OBU建立专用 短程通信，在不需要司机停车和收费人员操作的情况下 自动完成入口的写入和出口的读取以及通行费扣除等一 些列收费处理过程。

高速公路RFID复合通行卡在普通IC卡中增加射频 识别单元，RFID射频识别单元主要用于接收和处理二 义性路径信息，而非接触式IC卡跟传统通行卡功能一 样，主要记录收费相关的数据，两者工作相对独立。在 车辆出高速公路刷卡缴费时，二义性路径数据和收费数 据通过读卡器同时读取。

ETC电子标签和RFID复合通行卡在二义性路径识 别本质的原理是一样的，都是在高速公路关键点安装路 面标识站，当车辆经过时，通过短距离无线通信技术将 路径标识信息写入自由流车辆内的车载单元（ETC电子 标签或复合通行卡），只不过两者的技术标准不一样， ETC电子标签采用道路收费领域国际通用和干扰源较少 的5.8G Hz频段，而RFID复合通行卡一般采用绕射能力 强和传输距离更远的433M Hz频段。

优点：随着无线通信技术越来越成熟，即使车辆高 速行驶情况下路面标识站依然能准确的将路径标识信息 写入车载单元，表示准确率高，可以实现精确收费。另 外，采用该识别技术的车载单元在高速公路上行驶大部 分时间都处于功耗极低（几个微安以内）的休眠模式， 一般每间隔1 s激活5 ms，用来接收路面标识站广播发出 的标识信息，所以该技术具有功耗低的优点，复合通行 卡的内置电池一般可以使用3～5年。

缺点：需要在高速公路关键点安装路面标识站，增 加系统建设的投入成本，相应的维护成本也会增加。

1.3 GPS定位法

GPS是全球定位系统（Global Positioning System） 的英文缩写，利用全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星 提供全天候、高精度、连续和实时的三维（经度、维度 和海拔）立体定位。其路径识别原理是通过通行卡内 置的GPS模块接收到的位置信息确定车辆的具体行驶路 径，从理论上看GPS定位法可以有效解决高速公路二义 性路径问题。

优点：GPS定位具有精度高的优点，定位精度可达2.5米，能准确反映车辆具体在哪条高速公路上行驶， 与ETC电子标签和RFID复合通行卡识别法相比较，不需 要安装路面标识站，减少了系统建设费用，同时也免去 路面标识站后期的维护费用。

缺点：对卫星信号的依赖较强，要至少捕捉到三颗 卫星信号才能实现有效定位，车内、阴雨天气卫星信号 较弱的时候比较难定位，信号盲区较多。另外GPS模块 工作时功耗较大，电池电量消耗很快，需要对通行卡经 常充电，使用不方便。

2 LBS基站定位二义性路径识别系统

LBS基站定位是基于位置服务（Location Based Service）的英文缩写，一般应用于移动通信的用户，通 过移动通信运营商的无线通信网络（如GSM、CDMA 网）获取移动终端用户位置信息，在GIS（Geographic Information System）地理信息系统平台的支持下，为用 于提供基于位置服务的一种业务。

在高速公路通行卡中嵌入GSM移动通信模块，当 车辆在高速公路行驶时通行卡每间隔一段时间定时打开 GSM模块并接收途经基站数据，将接收到的基站区域码 （LAC）和移动基站码（Cell ID）保存在双界面CPU卡 内。出站时，收费站读卡器读取通行卡内保存的入口信 息、出口信息和基站号（LAC和Cell ID），收费软件通 过基站号判断车辆实际行驶路径，算出该车辆实际通行 费金额。

LBS基站定位路径识别通行卡主要由GSM模块、 双界面CPU卡芯片、单片机、13.56 MHz读写线圈、无 线充电电路、锂电池和电源模块等电路组成，如图1。 MCU采用TI公司的以低功耗著称的MSP430系列单片 机，平时处于休眠状态，车辆进站取卡时读写器将入口 信息写入通行卡，同时激活通行卡，单片机每间隔一段 时间打开GSM模块，通过串口接收基站信息，并通过接 触式接口将基站信息写入双界面CPU卡芯片。通行卡采 用充电锂电池供电，CPU卡芯片的读写线圈可作为无线 充电的感应线圈，可以通过对高速公路入口处的发卡机 进行改造，在通行卡装入发卡机的卡夹内及时对通行卡 进行充电。

3 通行卡软件设计

通行卡平时处于休眠状态，在收费站入口通过读写 器非接触写卡时产生的电磁波唤醒通行卡，通行卡进入 激活状态，激活后通行卡每间隔一段时间采集一次GSM 基站的ID和通行卡内电池的剩余电量信息，并将基站 ID和电池剩余容量写入通行卡内部的双界面CPU卡芯片 中，每次采集完一次数据后通行卡进入低功耗状态，以 节省电池消耗量。在收费站出口时，收费系统通过读卡 器读取通行卡内保存的入口站信息及沿途采集到的一系 列的GSM基站ID信息，通过收费软件运算、判断、比 对，确定行驶路径并计算收费金额，然后将通行卡置休 眠状态。此外，通行卡在入口和出口收费站进行读写数 据时收费软件都将读取通行卡的电量信息，当剩余电量 不足时提醒收费员及时对通行卡进行充电，具体的软件 流程图见图2，图中的GPC为GSM路径识别通行卡的英 文缩写（GSM pass card）。

为符合交通部制定的《全国高速公路电子不停车收 费联网用户卡、ESAM文件结构和数据定义》的规定， 电池剩余容量和采集到的系列GSM基站ID必须通过双 界面CPU卡的接触式接点保存到双界面CPU卡内的0009 文件内，该文件大小为512字节，可自由读，自由写。

4 路测

为了测试通行卡对路径识别的效果，模拟通行卡在 高速公路收费中的全过程。具体操作是，将通行卡通 过读写器激活放入车中，沿高速公路行驶一段路程后， 再通过读写器读取通行卡内保存的沿途基站信息，然后 将每个基站的位置标注在地图上，如图3。从图3可以看 出，通行卡采集到的基站一般都在高速公路附近，并且 清晰的显示出车辆行驶轨迹。

5 结语

基于LBS移动通信基站定位技术的通行卡能有效的 解决车辆行驶路线的二义性路径无法精确识别的问题， 对减少高速公路通行费的流失，实现通行费在各投资 主体之间合理、公平的拆账情分具有重要的意义。同 时，本方案中通行卡内部集成GSM模块，采集沿途现有的GSM基站数据，无需新建标识站，方案可行且成本 较低。

参考文献：

［1］何鹏，史望聪，陈辉。 RFID技术在电子收费系统路径识别的应用 设计［J］。电子设计工程。 2009，17（8）：15-17.