基于LBS 的高速路网车辆行驶轨迹监控系统设计

王 华，严 晧，任 佳，鲍 强

(1.四川交通职业技术学院，四川成都611130;2.成都垚鑫信息技术有限公司，四川成都610041;3.四川省交通厅高速公路监控结算中心，四川成都610061)

目前我国已开通高速公路的30个省(自治区、直辖市)中，除了内蒙、云南、贵州、宁夏4个省(自治区)还没有推行联网收费外，其它各省(自治区、直辖市)的高速公路都实现了一定范围的联网收费［1］。实施联网收费，大大减少了主线收费站数量，节约了成本，提高了通行效率和经济效益、社会效益，但随之也出现了一些问题:路网通行卡流失量进一步增加;通过人为换卡、顶卡、无卡、坏卡、超时、U型行驶等方式作弊造成的通行费额流失进一步增大;开始出现二义性路径［2］或多义性路径问题;当高速公路发生交通事故时，可能会因为事故现场人员对环境不熟悉，无法及时向施救者提供事故准确位置信息，导致延误抢险救援时间，增加连锁问题发生机率。

针对这些问题，提出了“基于LBS［3］技术，建设高速路网车辆行驶轨迹监控系统”的有效解决方案。

1 系统设计思路

在原来的通行卡上，复合或集成移动通信终端(图1)，使通行卡具备移动通信功能。当驾驶员携带具有通信功能的通行卡在高速路网行驶时，采用LBS(Location Based Service)技术(如 CELL-ID、AOA、TOA、TDOA、EOTD、A-GPS、混合技术)［4］，通过移动运营商的网络(如 GSM、CDMA、GPRS、3G)，按照一定周期，获取车辆携带的移动通信终端当前位置信息(如经纬度)，从而实现对携带该通行卡的车辆行驶轨迹进行监控的目的。

2 系统架构与工作流程

2.1 系统架构

系统由移动定位平台、轨迹数据处理中心、短消息网关、移动定位终端、结合原有高速公路收费系统和监控系统组成，系统架构如图2。

图1 移动通信模块Fig.1 Mobile communication module

图2 系统架构图Fig.2 System architecture diagram

定位平台采用LBS技术，按一定周期获取车辆携带的移动通信终端位置信息。

轨迹数据处理中心由与多个外围系统连接的接口系统、涉及被监控高速公路的地理信息系统(Geographic Information System)［5］、轨迹告警规则处理系统以及卡片式移动定位终端管理系统等4个子系统组成。接口系统通过专网连接高速公路结算中心的收费系统，获取被监控车辆的进站(进入高速路网，领取通行卡)与出站(离开高速路网，交回通行卡)时间信息，以得到需要被监控的卡片式移动定位终端的号码和监控时间段;接口系统通过互联网连接移动运营商的定位平台，定时获取被监控的卡片式移动定位终端的位置信息(经纬度坐标);接口系统通过互联网连接移动运营商的短消息网关，实时接收被监控卡片式移动定位终端发出的应急告警短消息;接口系统通过专网连接高速公路结算中心的监控系统，回传各类型异常告警信息。地理信息系统根据卡片式移动定位终端的位置信息，生成携带该终端的车辆在路网内的行驶轨迹。轨迹告警规则处理系统根据告警处理规则实时处理被监控卡片式移动定位终端的位置信息，生成各类型的告警信息。

2.2 系统工作流程

系统工程流程如图3。

图3 系统工作流程图Fig.3 Work flow chart of the system

2.2.1 车辆进收费站

A1:车辆进收费站时，通过收费系统 IC(integrate circuit)卡［6］读写器将进站收费数据写入通行卡，同时通过接口将该通行卡中的移动定位终端激活，车辆驾驶员领取通行卡后进入高速路网。

A2:当通行卡中的移动定位终端被激活时，收费系统将激活状态信息同步到轨迹数据处理中心，领取该通行卡的车辆被标识为进站状态，作为车辆行驶轨迹监控的起点。

A3:轨迹数据处理中心对激活的移动定位终端按照设定的采集周期向移动运营商LBS平台发起定位请求。

A4:轨迹数据处理中心根据移动运营商LBS平台反馈的位置信息(如经纬度［7］)，结合GIS系统，形成该移动定位终端对应的车辆在高速路网内实际行驶轨迹。

A5:轨迹数据处理中心根据轨迹告警规则，对车辆运行轨迹实时计算，一旦发生行驶异常(如超速、非休息区长时间停靠、路径绕行等情况)，立即生成告警信息，并传至高速公路监控系统告警。

2.2.2 车辆出收费站

B1:车辆出收费站时，车辆驾驶员交回通行卡，通过收费系统IC卡读写器读出通行卡上的进站收费数据和车辆行驶轨迹信息，系统根据进站信息，结合车辆行驶轨迹收取通行费，放行车辆;同时移动定位终端定位注销。

B2:移动定位终端定位注销状态由收费系统同步到轨迹数据处理中心，将该移动定位终端对应的车辆标识为出站状态，轨迹数据处理中心停止对其定位，并将该车辆实际行驶轨迹数据存档。

B3:轨迹数据处理中心返回该移动定位终端对应的被监控车辆的实际行驶路径，作为高速公路收费系统的计费依据。

2.2.3 应急按钮的触发

C1:当移动定位终端的应急按钮被触发后，自动向短消息接入号码发送一条应急告警短消息，再通过运营商的短消息网关及时传送到轨迹数据处理中心。

C2:轨迹数据处理中心收到应急告警信息后，立即向移动运营商LBS平台发起定位请求。

C3:移动运营商LBS平台将该移动通信缓和终端的位置信息反馈给轨迹数据处理中心。

C4:轨迹数据处理中心根据最新的位置信息，结合相邻车辆轨迹信息进行应急按钮误触发甄别，以确定是否向高速公路监控系统发送应急告警信息。如果判断为应急按钮误触发，则不发送告警信息;如果为正常应急按钮触发，则立即发送告警信息。

3 系统功能

3.1 减少通行费额流失

通过车辆行驶轨迹监控系统，对车辆行驶轨迹实时监控，并按车辆实际行驶轨迹收取通行费，切实做到了“谁用谁交费，多用多交费”，可以为准确判断是否通过车辆绕行行驶、换卡、顶卡、坏卡和无卡等方式作弊提供有效处罚凭证，也对作弊起到威慑作用，从而会降低甚至避免通过以上作弊方式作弊，大大减少通行费额流失。

3.2 实现通行费精确收取与拆分

通过车辆行驶轨迹监控系统，准确记录车辆实际行驶路径，可实现通行费精确收取与拆分，解决了因路径二义性(多义性)带来的收费、清分问题，有利于保护投资主体利益，确保收费公正、合理。

3.3 辅助抢险救援

通过车辆行驶轨迹监控系统，可以辅助交通事故抢险救援，为抢险救援提供准确位置信息，提高事故处理效率，减少因延误救援时间引起的连锁问题发生。

3.4 提高车辆行驶安全

通过车辆行驶轨迹监控系统，实时采集路网交通流信息，结合交通事故模型分析，可以开展交通事故预测并告警，促使驾驶安全驾驶，提高路网车辆行驶安全。

3.5 拓展功能

通过车辆行驶轨迹监控系统，将采集到的交通信息，进行数据挖掘［8］，还可以实现交通信息便民服务、出行者服务、实现路网交通智能管理等功能，功能拓展性强，市场前景好。

4 系统关键技术

本方案实施的关键技术是设计生产移动定位终端及其充电设备。

移动定位终端:为了携带方便，不影响高速公路收费效率，不影响高速公路现有收费及管理模式，移动定位终端要想办法与现有通行卡进行复合或集成，使之既可以有效读写原有收费信息，并通过一次刷卡，在写收费信息的同时，有效激活移动通信模块;还要保证在高速路网行驶中与高速公路沿途的移动通信基站通信，以准确获取位置信息。同时，由于采用有源设备，工作状态要消耗能量，所以移动定位终端还要具备在高速路网长距离行驶时有充足能量储存和自我供应的能力。

移动定位终端充电盒(柜):用于移动定位终端的充电、存放、发放，同时也可作为高速公路自动发卡系统，所以移动定位终端充电盒(柜)的设计制作要考虑与移动定终端的有效匹配。

5 系统特点

1)由于采用LBS技术，可根据设置周期对行驶在高速路网的车辆进行定位，从而实现对车辆实际行驶路径的精确识别，精度可达100%。

2)移动定位终端小巧轻便，功能强大，兼容性强。可以兼容或替代现有的高速公路通行卡，并可兼容标准的自动发卡系统，实行自动发卡。

3)移动通信的常用频段［9］是:GSM 为450，850，900，1 800，1 900 MHz;CDMA 为 800，1 900 MHz;而现阶段在高速公路上IC卡运用最广泛的是非接触逻辑加密卡，即 Mifare One卡［10］，其次是已经兴起并得到运用的CPU双界面卡［11］，如MifarePro卡，其卡读写工作频段为13.56 MHz，通信模块与现有通行非接触IC卡完全可以独立工作，相互间不出现数据干扰，因此可以完全兼容现有收费模式，对高速路网现有收费系统改动小，改造成本低。

4)直接利用高速公路沿途的无线通信基站，无需额外增加高速公路沿途设施，就可实现路径的精确识别，从而实现精确收费和清分，并满足高速路网交通自由流［12］条件，提高通行效率和舒适度。

5)无需更换现有的非接触式IC卡读写器，不影响收费人员现有收发卡方式和习惯，所以不影响收发卡效率。

6)基于LBS技术，监控终端成本低廉，并不需动车，由于采用移动通信，终端在车上放置位置没有固定要求，放置方便。

表1 定位数据样本Tab.1 Sample of location data

6 系统测试

本系统设计已在交通部门和移动运营商的大力支持和配合下完成测试，测试的科目有:正常行驶、坏卡、正常超时、非正常超时、无卡、换卡、环行行驶、U型行驶、L型行驶、闯关，测试样本数据如表1。

通过移动定位终端定位描绘出的高速路网各收费站点位置信息如图4。

通过移动定位终端定位生成的路网车辆行驶轨迹如图5。

图4 通过定位描绘出的收费站点位置信息Fig.4 The location information of toll site through the position description

图5 系统生成的车辆行驶轨迹样图Fig.5 System-generated vehicles track sample map

测试结果为:终端识别率100%，生成轨迹准确率100%，达到了对高速路网车辆行驶轨迹监控的目的。

7 结语

采用基于LBS的高速路网车辆行驶轨迹监控系统，实现了对路网车辆行驶轨迹全程监控，从而可以实现高速公路联网精确收费和精确清分目标，有效解决因二义性或多义性路径引起的收费和清分问题，大大减少了高速公路联网收费作弊途径。通过对移动终端定位，还可以为高速路网抢险救援提供准确的位置信息;可以通过车辆间的位置信息，提供事故预警，减少交通事故发生;可以进行信息数据挖掘，提供便民服务等功能。基于LBS的高速路网车辆行驶轨迹监控系统，完全兼容现有收费和管理模式，设备设施改造小，投资成本低，不影响现有收费方式、习惯和效率，可操作性强。随着我国高速路网规模，联网范围的不断扩大，采用基于LBS的高速路网车辆行驶轨迹监控系统，将具有重要的现实意义和巨大的经济、社会效益。

［1］刘振华，曹沫，杨新征.我国高速公路联网收费数据现状分析［J］.交通标准化，2008(11):88 －90.

［2］童剑军.问题的提出——“二义性路径”［J］.中国交通信息产业，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.

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［11］百度.双界面卡［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均值聚类的快速路交通流相态划分［J］.交通信息与安全，2009，27(1):149.