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5.8G模塊對公路的多路徑收費方案討論

來源: 作者: 發布日期:2016-09-18 17:55:50 加入收藏 關注:
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      自從高速公路聯網以后,路上的出口入口都存在著多種路徑,當車主選擇了不同的路徑時候,有可能會涉及不同的路費收費標準。為了公平路費拆分的收費標準,需要車輛進入高速就采用識別手段來跟蹤該車的行駛路徑,并且可以顯示在收費標準那。本文就目前狀況分析了現在多種方案的優劣,并且提出5.8G模塊頻段的方案,對比433M頻段的優劣說明。

 

  1、 高速公路多路徑識別

 

  高速公路聯網后, 從地點A到達地點B存在多種可選路徑。 車主選用不同的路徑導致行駛的高速里程不同,或者涉及的道路業主不同。 因此在收費標準、 路費拆分方面, 也需要采用不同的方案。 多路徑識別是指通過一定的手段識別車輛行駛的路徑, 作為收費或者拆分結算的依據。

圖1.png

 

  2、 多路徑識別整體路線選擇

 

  多路徑識別目前普遍采用的方案有兩大類: 模糊識別與精確識別。模糊識別是指通過地感、雷達、視頻識別等技術, 輔以車型識別設備, 統計經過不同路徑的車輛數量和類型。后續在做路費拆分時,根據統計數據,將路費拆分給不同的業主。這種方案不能夠精確識別某輛車的行駛路徑,因此不能夠作為向車主區別收費的依據, 只能作為拆分路費的依據。

 

  作為拆分依據,也因識別率有限,整體方案也不夠精確,遠遠不能滿足業主需求。

 

  精確識別的方案較多, 但普遍采用的主要有三類:合建站識別、視頻車牌識別、有源射頻識別。合建站是在不同業主路段或多路徑交叉點處建設的寫卡站點。車主到達合建站后交卡并由工作人員在卡內寫入路徑信息。此方案涉及大規模工程建設,且嚴重影響高速公路聯網后的暢通性,因此按照交通部整體規劃,未來幾年將逐步廢除。并且新建的高速公路不準再引入新的合建站。

 

  視頻車牌識別是指在高速公路多路徑識別點架設高清攝像設備,并鋪設高速通信光纖網。當車輛經過攝像點時,自動拍照,提取圖像特征和車牌信息后,將數據實時傳輸到后端服務器,形成車輛行駛的路徑信息,作為后續結算的依據。如果還需要實現根據路徑差異化收費,則需要由后端服務器將數據轉換為該車的路徑信息,進一步實時同步到所有的高速公路出入口站點。當車輛到達出口時,車道上位機從站點服務器獲取該車輛的路徑信息,并體現到收費中去。 視頻識別對車主沒有額外的要求,但在面臨地面積水、陰雨、大霧、夜間等外部情況時,會導致識別率下降。

 

  有源射頻方案是指在高速公路入口處給車主發放可遠程接受路徑信息的射頻復合卡,同時在道路旁架設無線基站,無線基站會持續廣播本路徑的標識信息。當車輛行駛到不同的路徑上時,無線基站廣播的標識信息會被該射頻復合卡接收,并記錄在卡內。當車輛到達出口時,車主交回復合卡,出口車道系統讀出路徑信息與出入口信息,實現根據路徑的差異化收費和差異化結算功能。有源射頻方案識別率可達到99%以上,且不受天氣、時間影響,是目前最具優勢的精確識別方案。

 

  目前還有其他的非主流解決方案,如通過移動運營商的基站定位方案。在高速公路入口處給車主發放內置手機通信模塊的射頻復合卡。當車輛在高速公路行駛時,該射頻復合卡實時收集并記錄基站廣播的CELL id信息。 到達出口時,根據沿途的基站標識信息,得到車輛行駛的路徑信息。但該方案設計與運營商合作,存在月租費用等因素。 在移動基站射頻復合卡的研發技術上,也存在電流大、成本高、待機時間短等問題。

 

  還有給車輛在高速公路入口處粘貼無源射頻標簽的想法,即無源射頻方案。該方案在實際實施上可行性不大, 因此不再做深入探討。

 

 多路徑識別有源射頻方案分析

  有源射頻方案目前在個別省份使用了433M頻率,其方案是發行13.56M+433M雙頻復合卡作為高速公路MTC通行卡。目前433M復合卡中433M模塊與13.56M模塊相互獨立,為讀出行駛中寫入的路徑信息,必須批量更換已有MTC車道讀卡器,用同時支持433M與13.56M頻段的雙頻讀卡器替換。這就涉及到大規模的設備投資。

 

  433M模塊頻段用于智能交通,存在下列問題:

 

  · 不能與ETC用戶兼容,必須為ETC用戶新上一套路徑識別設備

 

  · 不是交通頻段,民用干擾大。如步話機、車載臺、的士設備等均會影響成功率

 

  · 無相關標準計劃。目前不同廠家的設備沒有統一標準,基站與MTC卡只能是一個廠家捆綁。而國家標準組織也沒有在433M民用頻率推出交通應用標準的規劃

 

  · 應用前景單一。433M的傳輸速率有限,干擾大,現在建設的基站只能作為多路徑識別使用,無法作為智能交通的節點, 實現信息下發和雙向交互。

               圖2.png

  目前各種方案總結

  采用交通專用的5.8G模塊頻段實現多路徑識別的有源射頻方案,就成為解決上述問題的必然手段。5.8G頻段是目前智能交通的專用頻段,在高速公路ETC電子不停車收費已經得到普遍應用。采用5.8G頻段實現多路徑識別, 可以根本解決上述問題,具有以下優勢:

 

  · 5.8G MTC卡可實現與現有MTC車道讀卡器硬件的兼容,無需大規模的設備改造

 

  · 與目前ETC屬于同一頻段, 實現與ETC用戶路徑識別的兼容

 

  · 專用頻段, 干擾小, 成功率更高

 

  · 可與交通部相關標準部門合作, 共同推出基于5.8G頻段的多路徑識別協議標準

 

  · 利用5.8G頻段帶寬大的優勢, 為多路徑識別部署的大量5.8G基站設備, 將來可成為與車輛開展雙向信息服務的節點

 

          

  圖3為433M射頻卡與5.8G模塊射頻卡在各方面的效果對比:

      圖3.png

  以前采用433頻段實現MTC雙頻復合卡的原因是國內廠家在5.8G,模塊射頻電路研發方面技術儲備不足, 不能解決任意放置的MTC卡在天線全向性、 接收靈敏度、 繞射能力、 耗電量方面的瓶頸。 經過多年基于5.8G的ETC應用開發和技術積累, 現在國內廠家普遍在5.8G射頻領域積累了大量研究成果。 突破5.8G頻段在繞射能力、 接收靈敏度、 耗電量方面的瓶頸, 研制基于5.8G頻段的多路徑識別MTC卡產品, 達到了比433M更好的接收指標, 更長的使用壽命, 更簡易的工程部署。 因此采用5.8G交通專有頻段實現MTC多路徑識別就成為一種更有效的選擇。

多種方案的探討

  1、 統一多路徑解決方案部署

 

  5.8G MTC&ETC統一多路徑解決方案采用5.8G智能交通頻段為工作頻率, 在部署時統一兼容ETC車輛和MTC車輛。 系統部署如下圖所示:

          圖4.png

    系統部署圖

  多路徑識別部署分三部分:入口部署、 信標站部署、 出口部署和中心部署。

 

  (1) 入口部署進一步分為ETC和MTC

 

  · ETC入口車道系統無需任何改動, 完全繼承已有的ETC車道系統

 

  · MTC入口車道系統硬件無需任何改動。 軟件需升級支持5.8G多路徑識別卡休眠時長的寫入。

 

  (2)信標站部署需按車道設置天線

 

  · 每個天線覆蓋兩個車道

 

  · 天線采用時分操作, 避免數據干擾

 

  · 天線支持與ETC用戶和MTC卡的雙向交互

 

  · ETC用戶的通行卡需增加非加密路徑寫入文件, 便于在高速行駛中, 由OBU獨立將天線下發的路徑信息寫入到卡內

 

  · 天線通過無線運營商網絡或高速公路光纖網連接到管理中心實現集中管理

 

  (3) 出口部署進一步分為ETC與MTC

 

  · ETC出口車道系統硬件無需任何改動, 軟件需升級支持讀出通行卡內的路徑信息

 

  · MTC出口車道系統硬件無需任何改動, 軟件需升級支持讀出通行卡內的路徑信息、 MTC卡狀態信息

 

  (4) 中心部署完成對多路徑系統的集中管理

 

  · 與信標基站之間互通, 完成對信標基站的遠程配置。主要配置信息包括: 路徑標識ID、 休眠時長。 休眠時長的用處在下文描述

 

  · 與信標基站之間互通, 完成對信標基站的遠程維護。 主要實現告警采集、 狀態查詢、 遠程復位等功能

 

  2、 統一多路徑解決方案使用場景

 

  統一多路徑解決方案的場景分ETC和MTC車輛兩種, 下面分兩種情況分別描述。

 

  (1)ETC車輛多路徑識別使用場景

 

  ETC車輛在實現多路徑識別時, 對最終車主而言體驗不到任何差異, 主要場景流程如下:

 

  i. ETC車輛到達ETC車道入口

 

  ii. ETC車輛通過ETC車道進入高速

 

  iii. ETC車輛途徑信標基站, 信標基站持續廣播信號喚醒OBU, 并下發路徑標識ID

 

  iv. OBU收到路徑標識ID后, 寫入IC卡內的非加密路徑信息文件

 

  v. ETC車輛到達ETC車道出口, 出口天線讀出入口信息及卡內的路徑信息, 由車道計算機生成費率, 并將過車流水上報結算中心

 

  場景中存在一個異常是如果ETC車輛在經過信標基站時, IC卡沒有插入OBU. 而在出口處又走了人工MTC車道, 則卡內讀不到路徑信息。 這種情況下需要要求車主將IC卡插入OBU再拔出。 OBU會把自身保存的路徑信息寫入IC卡。

 

  (2)MTC車輛多路徑識別使用場景

 

  MTC車輛在實現多路徑識別時, 又分為兩種情況。 第一類是普通MTC通行卡車輛; 第二類是儲值、 記賬通行卡, 類似粵通卡、 速通卡等, 但車主并未申領OBU.

 

  針對第一類用戶, 可用5.8G復合通行卡替換原有13.56M通行卡, 實現多路徑識別功能。 針對第二類用戶, 可向卡用戶優惠推廣OBU或者更換為5.8G復合通行卡。

 

  對采用5.8G復合雙頻卡的用戶, 主要場景流程如下:

 

  i. 車輛到達MTC車道入口

 

  ii. MTC車道入口發行復合卡給車主, 復合卡除寫入入口信息之外, 同時寫入休眠時長如: 15分鐘

 

  iii. MTC卡進入休眠狀態, 休眠時間為寫入的休眠時長15分鐘

 

  iv. 15分鐘后, MTC卡進入喚醒模式, 接收道路上的信標基站信息

 

  v. 車輛經過信標基站, MTC卡喚醒并收到路徑標識ID和休眠時長, 如: 30分鐘

 

  vi. MTC卡進入休眠狀態, 休眠時間為30分鐘

 

  vii. 車輛到達出口,MTC車道工作人員用13.56M讀卡器讀出入口信息、 路徑信息和MTC卡自檢的狀態信息

 

  viii. MTC車道計算機計算費率, 并向車道系統上報過車流水。 如果MTC卡狀態不正常, 需通過界面提示工作人員回收替換該MTC卡

 

  四、 統一多路徑解決方案的系統特點

 

  1、 兼容性好, 可實現MTC與ETC統一多路徑識別

 

  目前433M頻段的多路徑解決方案無法兼容已有的ETC用戶, 隨著十二五規劃的推進, ETC用戶會不斷增長。 為解決這部分用戶的多路徑識別問題, 仍然需要部署5.8G的多路徑識別基站, 導致重復投資。

 

  采用5.8G模塊多路徑解決方案, 只需要部署一套多路徑識別天線, 就可以同時解決ETC用戶和MTC用戶的多路徑識別問題, 有效降低投資風險。

 

  2、 改動小, 無需更換現有MTC車道桌面讀寫器設備

 

  5.8G頻段的MTC復合卡采用自主研發電路, 方便集成雙界面讀寫技術, 與現有的MTC車道硬件系統完全兼容, 無需任何硬件改造。

 

  在使用過程中, MTC卡的激活可以通過已有入口處的MTC車道讀寫器在寫入口信息時完成。 復合卡通過13.56M寫入的入口信息和通過5.8G寫入的路徑信息也可由車道現有的MTC車道讀寫器在出口一并讀出。 因此節省了目前433M方案在車道讀寫器上的改造投資。

 

  下圖體現了433M多路徑方案與5.8G多路徑方案在車道讀寫器上的不同:

           圖5.png

     車道讀寫器部署

  3、 壽命長, 5.8G多路徑方案采用場強檢測喚醒, 更省電

 

  5.8G復合雙頻卡采用5.8G場強檢測技術,通過微功耗喚醒電路,可支持根據場強啟動射頻電路,耗電量只有433M卡的八分之一,考慮電池自身壽命,復合雙頻卡理論壽命可達10年以上。

 

  433M復合雙頻卡目前業內采用周期喚醒模式,每秒喚醒一次,耗電量大。如果實現433M場強檢測, 因其頻率低,自然界433M雜波大,無法實現精確喚醒。前期實踐證明,只有采用周期喚醒模式才可商用。

 

  同時通過在電路設計上自主研發, 5.8G復合雙頻卡還實現了基于高速公路拓撲的智能休眠技術,使得5.8G復合雙頻卡產品進一步降低用電量, 其壽命進一步延長, 綜合投資收益遠高于433M復合卡方案。

 

  4、 精度高, 5.8G模塊多路徑方案更適合標記車輛行駛方向5.8G多路徑方案基于成熟的電子不停車收費方案, 具備方向性好的特點。 比對433M方案, 433M目前難以控制無線信號的覆蓋區域, 其覆蓋范圍通常是雙向覆蓋, 只適合于做路徑標識, 但并不知道行車方向, 只有多個路徑標識信息綜合才能判別車輛的上下行方向。 而5.8G多路徑方案其標識站射頻覆蓋方向是可控的, 特別是在某些省份, 存在標記環路上下行的需求, 通過5.8G多路徑方案, 可以很好的解決這個問題。 識別環路的上下行示意圖如下:

 

  5、 更安全, 支持路徑信息認證加密寫入

 

  5.8G雙頻復合卡支持路徑信息的加密寫入, 在5.8G信標基站和5.8G復合雙頻卡之間采用非對稱加密機制。

 

  非對稱加密算法需要兩個密鑰:公開密鑰(publickey)和私有密鑰 (privatekey) . 公開密鑰與私有密鑰是一對, 如果用公開密鑰對數據進行加密, 只有用對應的私有密鑰才能解密; 如果用私有密鑰對數據進行加密, 那么只有用對應的公開密鑰才能解密。 因為加密和解密使用的是兩個不同的密鑰, 所以這種算法叫作非對稱加密算法。 非對稱加密算法實現機密信息交換的基本過程是: 甲方生成一對密鑰并將其中的一把作為公用密鑰向其它方公開; 得到該公用密鑰的乙方使用該密鑰對機密信息進行加密后再發送給甲方; 甲方再用自己保存的另一把專用密鑰對加密后的信息進行解密。 非對稱加密體系不要求通信雙方事先傳遞密鑰或有任何約定就能完成保密通信, 并且密鑰管理方便, 可實現防止假冒和抵賴, 特別適合網絡通信中的保密通信要求。

 

  5.8G模塊雙頻復合卡支持路徑信息的加密寫入后,沒有私有密鑰的天線無法寫入路徑信息, 有效防止了在5.8G空口上的惡意路徑信息篡改, 實現了多路徑信息的高安全寫入。

 

  6、 產業好, 有利于多廠家采購

 

  433M頻段并非交通專用頻率, 目前無委會已明確表態433M不可能成為交通專有頻段。 在目前已經存在5.8G智能交通專有頻段的情況下, 不合適繼續在433M發展智能交通相關應用的標準。 因此目前交通部相關標準單位并沒有出臺基于433M多路徑識別國標的計劃。 同時不同省份的433M方案在不同廠家之間是無法互通的, 不同廠家在功能設計和協議定義方面都有自己獨有的內容, 無法形成規模產業鏈。

          圖6.png

     環路上下行識別

  采用5.8G作為高速公路多路徑識別的工作頻段, 已經有ETC國標基礎, 便于形成國家標準, 擴大交通頻段的使用效果, 促進相關國家標準形成與產業鏈的健康發展。

 

  7、 發展好, 可持續向未來智能交通信息服務升級

 

  在多路徑識別應用中采用5.8G頻段, 不僅僅解決了多路徑識別的問題, 也同時為車地雙向信息服務打下了基礎。 目前為多路徑識別部署的5.8G天線, 天然支持信息服務功能, 只要在產業鏈上解決車載終端的安裝問題, 就可以大規模開展豐富的智能交通信息服務應用。 使解決多路徑問題的方案部署, 成為邁向未來智能交通系統的關鍵一步。

 

   隨著科技的進步,智能交通發展在不斷的進步,高速公路5.8G模塊統一多路徑識別解決方案可以實現精確拆分,計費、綜合成本低等優勢,能同時解決MTC/ETC多路徑的精確識別方案。相信此方案的推出,一定會在我國的智能家庭發展發揮重大的作用。

 

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