基于LBS 的高速路網車輛行駛軌跡監控系統設計

王 華，嚴 晧，任 佳，鮑 強

(1.四川交通職業技術學院，四川成都611130;2.成都垚鑫信息技術有限公司，四川成都610041;3.四川省交通廳高速公路監控結算中心，四川成都610061)

目前我國已開通高速公路的30個省(自治區、直轄市)中，除了內蒙、云南、貴州、寧夏4個省(自治區)還沒有推行聯網收費外，其它各省(自治區、直轄市)的高速公路都實現了一定范圍的聯網收費［1］。實施聯網收費，大大減少了主線收費站數量，節約了成本，提高了通行效率和經濟效益、社會效益，但隨之也出現了一些問題:路網通行卡流失量進一步增加;通過人為換卡、頂卡、無卡、壞卡、超時、U型行駛等方式作弊造成的通行費額流失進一步增大;開始出現二義性路徑［2］或多義性路徑問題;當高速公路發生交通事故時，可能會因為事故現場人員對環境不熟悉，無法及時向施救者提供事故準確位置信息，導致延誤搶險救援時間，增加連鎖問題發生機率。

針對這些問題，提出了“基于LBS［3］技術，建設高速路網車輛行駛軌跡監控系統”的有效解決方案。

1 系統設計思路

在原來的通行卡上，復合或集成移動通信終端(圖1)，使通行卡具備移動通信功能。當駕駛員攜帶具有通信功能的通行卡在高速路網行駛時，采用LBS(Location Based Service)技術(如 CELL-ID、AOA、TOA、TDOA、EOTD、A-GPS、混合技術)［4］，通過移動運營商的網絡(如 GSM、CDMA、GPRS、3G)，按照一定周期，獲取車輛攜帶的移動通信終端當前位置信息(如經緯度)，從而實現對攜帶該通行卡的車輛行駛軌跡進行監控的目的。

2 系統架構與工作流程

2.1 系統架構

系統由移動定位平臺、軌跡數據處理中心、短消息網關、移動定位終端、結合原有高速公路收費系統和監控系統組成，系統架構如圖2。

圖1 移動通信模塊Fig.1 Mobile communication module

圖2 系統架構圖Fig.2 System architecture diagram

定位平臺采用LBS技術，按一定周期獲取車輛攜帶的移動通信終端位置信息。

軌跡數據處理中心由與多個外圍系統連接的接口系統、涉及被監控高速公路的地理信息系統(Geographic Information System)［5］、軌跡告警規則處理系統以及卡片式移動定位終端管理系統等4個子系統組成。接口系統通過專網連接高速公路結算中心的收費系統，獲取被監控車輛的進站(進入高速路網，領取通行卡)與出站(離開高速路網，交回通行卡)時間信息，以得到需要被監控的卡片式移動定位終端的號碼和監控時間段;接口系統通過互聯網連接移動運營商的定位平臺，定時獲取被監控的卡片式移動定位終端的位置信息(經緯度坐標);接口系統通過互聯網連接移動運營商的短消息網關，實時接收被監控卡片式移動定位終端發出的應急告警短消息;接口系統通過專網連接高速公路結算中心的監控系統，回傳各類型異常告警信息。地理信息系統根據卡片式移動定位終端的位置信息，生成攜帶該終端的車輛在路網內的行駛軌跡。軌跡告警規則處理系統根據告警處理規則實時處理被監控卡片式移動定位終端的位置信息，生成各類型的告警信息。

2.2 系統工作流程

系統工程流程如圖3。

圖3 系統工作流程圖Fig.3 Work flow chart of the system

2.2.1 車輛進收費站

A1:車輛進收費站時，通過收費系統 IC(integrate circuit)卡［6］讀寫器將進站收費數據寫入通行卡，同時通過接口將該通行卡中的移動定位終端激活，車輛駕駛員領取通行卡后進入高速路網。

A2:當通行卡中的移動定位終端被激活時，收費系統將激活狀態信息同步到軌跡數據處理中心，領取該通行卡的車輛被標識為進站狀態，作為車輛行駛軌跡監控的起點。

A3:軌跡數據處理中心對激活的移動定位終端按照設定的采集周期向移動運營商LBS平臺發起定位請求。

A4:軌跡數據處理中心根據移動運營商LBS平臺反饋的位置信息(如經緯度［7］)，結合GIS系統，形成該移動定位終端對應的車輛在高速路網內實際行駛軌跡。

A5:軌跡數據處理中心根據軌跡告警規則，對車輛運行軌跡實時計算，一旦發生行駛異常(如超速、非休息區長時間停靠、路徑繞行等情況)，立即生成告警信息，并傳至高速公路監控系統告警。

2.2.2 車輛出收費站

B1:車輛出收費站時，車輛駕駛員交回通行卡，通過收費系統IC卡讀寫器讀出通行卡上的進站收費數據和車輛行駛軌跡信息，系統根據進站信息，結合車輛行駛軌跡收取通行費，放行車輛;同時移動定位終端定位注銷。

B2:移動定位終端定位注銷狀態由收費系統同步到軌跡數據處理中心，將該移動定位終端對應的車輛標識為出站狀態，軌跡數據處理中心停止對其定位，并將該車輛實際行駛軌跡數據存檔。

B3:軌跡數據處理中心返回該移動定位終端對應的被監控車輛的實際行駛路徑，作為高速公路收費系統的計費依據。

2.2.3 應急按鈕的觸發

C1:當移動定位終端的應急按鈕被觸發后，自動向短消息接入號碼發送一條應急告警短消息，再通過運營商的短消息網關及時傳送到軌跡數據處理中心。

C2:軌跡數據處理中心收到應急告警信息后，立即向移動運營商LBS平臺發起定位請求。

C3:移動運營商LBS平臺將該移動通信緩和終端的位置信息反饋給軌跡數據處理中心。

C4:軌跡數據處理中心根據最新的位置信息，結合相鄰車輛軌跡信息進行應急按鈕誤觸發甄別，以確定是否向高速公路監控系統發送應急告警信息。如果判斷為應急按鈕誤觸發，則不發送告警信息;如果為正常應急按鈕觸發，則立即發送告警信息。

3 系統功能

3.1 減少通行費額流失

通過車輛行駛軌跡監控系統，對車輛行駛軌跡實時監控，并按車輛實際行駛軌跡收取通行費，切實做到了“誰用誰交費，多用多交費”，可以為準確判斷是否通過車輛繞行行駛、換卡、頂卡、壞卡和無卡等方式作弊提供有效處罰憑證，也對作弊起到威懾作用，從而會降低甚至避免通過以上作弊方式作弊，大大減少通行費額流失。

3.2 實現通行費精確收取與拆分

通過車輛行駛軌跡監控系統，準確記錄車輛實際行駛路徑，可實現通行費精確收取與拆分，解決了因路徑二義性(多義性)帶來的收費、清分問題，有利于保護投資主體利益，確保收費公正、合理。

3.3 輔助搶險救援

通過車輛行駛軌跡監控系統，可以輔助交通事故搶險救援，為搶險救援提供準確位置信息，提高事故處理效率，減少因延誤救援時間引起的連鎖問題發生。

3.4 提高車輛行駛安全

通過車輛行駛軌跡監控系統，實時采集路網交通流信息，結合交通事故模型分析，可以開展交通事故預測并告警，促使駕駛安全駕駛，提高路網車輛行駛安全。

3.5 拓展功能

通過車輛行駛軌跡監控系統，將采集到的交通信息，進行數據挖掘［8］，還可以實現交通信息便民服務、出行者服務、實現路網交通智能管理等功能，功能拓展性強，市場前景好。

4 系統關鍵技術

本方案實施的關鍵技術是設計生產移動定位終端及其充電設備。

移動定位終端:為了攜帶方便，不影響高速公路收費效率，不影響高速公路現有收費及管理模式，移動定位終端要想辦法與現有通行卡進行復合或集成，使之既可以有效讀寫原有收費信息，并通過一次刷卡，在寫收費信息的同時，有效激活移動通信模塊;還要保證在高速路網行駛中與高速公路沿途的移動通信基站通信，以準確獲取位置信息。同時，由于采用有源設備，工作狀態要消耗能量，所以移動定位終端還要具備在高速路網長距離行駛時有充足能量儲存和自我供應的能力。

移動定位終端充電盒(柜):用于移動定位終端的充電、存放、發放，同時也可作為高速公路自動發卡系統，所以移動定位終端充電盒(柜)的設計制作要考慮與移動定終端的有效匹配。

5 系統特點

1)由于采用LBS技術，可根據設置周期對行駛在高速路網的車輛進行定位，從而實現對車輛實際行駛路徑的精確識別，精度可達100%。

2)移動定位終端小巧輕便，功能強大，兼容性強。可以兼容或替代現有的高速公路通行卡，并可兼容標準的自動發卡系統，實行自動發卡。

3)移動通信的常用頻段［9］是:GSM 為450，850，900，1 800，1 900 MHz;CDMA 為 800，1 900 MHz;而現階段在高速公路上IC卡運用最廣泛的是非接觸邏輯加密卡，即 Mifare One卡［10］，其次是已經興起并得到運用的CPU雙界面卡［11］，如MifarePro卡，其卡讀寫工作頻段為13.56 MHz，通信模塊與現有通行非接觸IC卡完全可以獨立工作，相互間不出現數據干擾，因此可以完全兼容現有收費模式，對高速路網現有收費系統改動小，改造成本低。

4)直接利用高速公路沿途的無線通信基站，無需額外增加高速公路沿途設施，就可實現路徑的精確識別，從而實現精確收費和清分，并滿足高速路網交通自由流［12］條件，提高通行效率和舒適度。

5)無需更換現有的非接觸式IC卡讀寫器，不影響收費人員現有收發卡方式和習慣，所以不影響收發卡效率。

6)基于LBS技術，監控終端成本低廉，并不需動車，由于采用移動通信，終端在車上放置位置沒有固定要求，放置方便。

表1 定位數據樣本Tab.1 Sample of location data

6 系統測試

本系統設計已在交通部門和移動運營商的大力支持和配合下完成測試，測試的科目有:正常行駛、壞卡、正常超時、非正常超時、無卡、換卡、環行行駛、U型行駛、L型行駛、闖關，測試樣本數據如表1。

通過移動定位終端定位描繪出的高速路網各收費站點位置信息如圖4。

通過移動定位終端定位生成的路網車輛行駛軌跡如圖5。

圖4 通過定位描繪出的收費站點位置信息Fig.4 The location information of toll site through the position description

圖5 系統生成的車輛行駛軌跡樣圖Fig.5 System-generated vehicles track sample map

測試結果為:終端識別率100%，生成軌跡準確率100%，達到了對高速路網車輛行駛軌跡監控的目的。

7 結語

采用基于LBS的高速路網車輛行駛軌跡監控系統，實現了對路網車輛行駛軌跡全程監控，從而可以實現高速公路聯網精確收費和精確清分目標，有效解決因二義性或多義性路徑引起的收費和清分問題，大大減少了高速公路聯網收費作弊途徑。通過對移動終端定位，還可以為高速路網搶險救援提供準確的位置信息;可以通過車輛間的位置信息，提供事故預警，減少交通事故發生;可以進行信息數據挖掘，提供便民服務等功能。基于LBS的高速路網車輛行駛軌跡監控系統，完全兼容現有收費和管理模式，設備設施改造小，投資成本低，不影響現有收費方式、習慣和效率，可操作性強。隨著我國高速路網規模，聯網范圍的不斷擴大，采用基于LBS的高速路網車輛行駛軌跡監控系統，將具有重要的現實意義和巨大的經濟、社會效益。

［1］劉振華，曹沫，楊新征.我國高速公路聯網收費數據現狀分析［J］.交通標準化，2008(11):88 －90.

［2］童劍軍.問題的提出——“二義性路徑”［J］.中國交通信息產業，2006(3):1－3.

［3］Steiniger S，Moritz N，Alistair E.Foundations of Location Based Services［EB/OL］.Zurich:University of Zurich，2001［2009 －10－28］.http://www.geo.unizh.ch/publications/cartouche/lbs_lecturenotes_steinigeretal2006.pdf.

［4］李彬，楊春，張功國.LBS定位技術分析比較及其系統設計［J］.廣東通信技術，2005(3):47 －49.

［5］SULAIR.What is GIS［EB/OL］.CA:Stanford University，2006－03－21［2009－10－28］.http://www－sul.stanford.edu/depts/gis/whatgis.html.

［6］李建.淺談IC卡的分類及其安全［J］.大眾科技，2006(2):68.

［7］百度.經緯度［EB/OL］.2009－08－06［2009－10－28］.http://baike.baidu.com/view/61394.htm.

［8］百度.數據挖掘［EB/OL］.2009－08－03［2009－10－28］.http://baike.baidu.com/view/7893.htm.

［9］Embedded Technology Network.中國無線電頻率劃分及主要用途［EB/OL］.2007－ 11－06［2009－10－28］.http://www.icembed.com/info－20954.htm.

［10］閃光科技.Mifare one卡性能簡介［EB/OL］.2008－03－04［2009－10－ 28］.http://www.shanguangkj.com/sgkj2008/article/2008－03－04/151－1.htm.

［11］百度.雙界面卡［EB/OL］.2009－09－24［2009－10－28］.http://baike.baidu.com/view/369695.html?fromTaglist.

［12］王璇，翁小雄.基于模糊C均值聚類的快速路交通流相態劃分［J］.交通信息與安全，2009，27(1):149.