随着我国高速公路的不断发展，目前已形成了规模庞大、结构复杂的高速公路交通网。目前高速公路建设较为完善的省份在省内高速公路中已取消了主线收费站，基本实现了高速公路收费全省联网系统。车辆进入省内高速公路，在不同业主的公路上行驶时已无需一次又一次地进出、交费，只需在驶入和驶出时进行一次交费即可。

　　然而，对于联网收费的高速公路网来说，两点之间往往有多条行驶路径(如图1所示，A点与K点之间存在多条行驶路径)，因而造成了高速公路收费运营中的一个难题，即“路径二义性问题”。在联网收费的环境下，尤其是在投资主体多元化的路网环境下，解决车辆行驶路线“二义性”的问题对规范通行费用的拆分方式，提高拆分的透明度和公平性，实现更合理的业主间利益分配，提高业主的积极性等，都具有极其重大的意义。

图1 A点与K点之间存在多条行驶路径

　　为了彻底解决“路径二义性问题”，路径精确识别技术应运而生，其精确识别的核心是正确判别路网中每一车辆的实际行驶路径，从而解决路网中多路径的问题。

　　技术现状

　　目前精确识别技术主要包括：车牌识别法、不停车标识法(RFID技术)、GPS定位法等，精确识别法技术比较如表1所示。

表1 精确识别法技术比较表

　　就全国来看，浙江省采用的方法是RFID技术，目前处于实验阶段;山东省目前正在东青滨新路段实施车牌自动识别系统;江西省则采用的是车牌自动识别系统。

　　从目前技术的发展趋势看，车牌识别法由于具有识别精度低，无业务扩展能力等不利因素而将会逐步被淘汰。RFID技术应用广泛，开发难度不大，所以目前国内大多采用的是RFID技术。

　　但如表1所示，基于GPS技术的精确识别法有着不可比拟的优势，随着GPS技术的发展，基于GPS技术的精确识别法将会被广泛应用在高速公路联网多路径识别的需求场所中。

　　系统总体方案

　　本方案的目标是研制具有GPS定位功能的高速公路通行卡。其外观大小与现有通行卡一样，厚度是现有通行卡的3~5倍，内部封装可充电锂电池，可保证通行卡连续工作1年。锂电池可通过无线充电器进行充电。[nextpage]

　　本方案的基本思路是在高速公路入口为每一辆车发放一张具有GPS定位功能的通行卡，通行卡在车辆行驶过程中获取车辆的地理定位信息(经纬度);在高速公路出口，利用现有的非接触式IC卡读写器，读取车辆行驶经过的地点的地理定位信息(经纬度)，再通过查询经纬度与高速公路路段业主对应表，计算车辆实际行驶路径，读取车辆实际行驶路径，从而实现路径的精确识别功能。

　　本方案的路径识别原理如图2所示。车辆从A到B，行驶路径有3条：AB1、AB2、AB3。分别为路径AB1、AB2、AB3建立3个区域：区域1{(x1， y1)，(x1'，y1')}、区域2{(x2，y2)，(x2'，y2')}、区域3{(x3，y3)，(x3'，y3')}。如果车辆经过地点的经纬度落在区域1内，则行驶路径为AB1;如果车辆经过地点的经纬度落在区域2内，则行驶路径为AB2;如果车辆经过地点的经纬度落在区域3内，则行驶路径为AB3。

图2 基于GPS技术路径识别原理

　　GPS通行卡系统构成

　　该通行卡由以下几部分所组成，系统如图3所示。

图3 基于GPS技术系统构成图

　　1.GPS接收模块及天线。

　　2.处理器。

　　3.场检测模块。

　　4.双界面CPU卡模块。

　　5.非接触式IC卡模块。

　　6.电源管理模块。

　　7.可充电锂电池及无线充电模块。

　　系统工作流程

　　1.路径识别卡(下称卡)在发出前，卡不工作，系统处于低功耗休眠状态。

　　2.车辆进入收费站，收费员将卡放在非接触式IC卡读写器上，发卡：[nextpage]

　　· 场检测模块通知处理器从休眠状态进入运行状态;

　　· 处理器通知电源控制模块启动双界面CPU卡，读写双CPU卡。

　　3. 车在途中：

　　· 处理器定时通知电源控制模块关闭双界面CPU卡和GPS模块，系统进入低功耗休眠状态;

　　· 处理器定时自动唤醒，通知控制电源控制模块启动GPS模块，读取地理信息数据。

　　4. 车辆进入收费站，收费员将卡放在非接触式IC卡读写器上，收卡：

　　· 场检测模块通知处理器从休眠状态进入运行状态;

　　· 处理器通知电源控制模块启动双界面CPU卡，读写双CPU卡;

　　· 处理器通知电源控制模块关闭双界面CPU卡和GPS模块，系统进入低功耗休眠状态。

　　5. 无线充电：管理人员将卡插入充电箱中充电，无线充电模块自动为锂电池充电。

　　关键技术

　　GPS模块与处理器的选型

　　随着卫星导航产业的快速发展，生产GPS接收机芯片的厂商也越来越多，各个厂商的芯片组都具有自己的特点和独特的优势。其中，美国SiRF Technologies公司是世界上最大的GPS芯片厂家，几乎占据了全球市场近70%的份额、中国市场近90%的份额。以下是目前主流SiRF芯片的介绍(如图5)：

图5 SIRF Atlas-IV、SIRF Prima、SIRF Atlas-V芯片

　　(1)A3，SIRF Atlas-III，AT640，ARM9架构，主频约为380Mhz，第三代技术;

　　(2)A4，SIRF Atlas-IV，AT840，ARM11架构，主频约为500Mhz，第四代技术;

　　(3)A5，SIRF Atlas-V，AT550，ARM11架构，主频约为600Mhz，Prima简化版本;

　　(4)Prima，SIRF Prima，ARM11架构，主频约600Mhz，四代顶级技术。

　　本方案推荐选用性价比相对较高的SIRF Atlas-V。SIRF Atlas-V无论在性能方面，还是在功能方面都能满足需求，同时，利用SIRF Atlas-V内建的处理器，可以节省一个CPU的费用，减少了设备体积。

　　GPS天线的选型

　　本方案应选用圆形极化、内置GPS天线。

　　由于采用内置天线，在设计时应充分考虑屏蔽与干扰问题。天线必须在所有金属器件上方，壳内须电镀并良好接地，远离EMI干扰源，比如CPU、SDRAM、IC卡、晶振、DC/DC等。

　　目前绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质，其组成部分为：陶瓷天线和低噪音信号模块等。大陆能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要是艾福电子通讯有限公司、嘉兴佳利电子、飞利华电子、嘉康电子等厂家。台湾则有丽台等厂家。[nextpage]

　　场检测模块

　　当通行卡在回收之后与发出之前，系统处于低功耗休眠状态，此时系统整体功耗小于300微安。

　　当车辆在高速公路上行驶时，为了识别车辆行驶路径，系统也没有必要实时工作，记录车辆的地理信息数据，完全可以每隔5-10分钟工作一次，然后再次进入低功耗休眠状态。

　　当通行卡被放在读写器上被读写时，场检测模块产生中断信号，唤醒系统进入工作状态。

　　无线充电技术

　　在无线充电设备内设置密集的小型线圈阵列，产生低频电磁场，利用近场电磁耦合原理，使封装在通行卡内的专用接收线圈感应生成能量，为封装在通行卡内的锂电池充电。充电时间与普通充电器一样，充电原理如图4所示。

图4 无线充电原理示意图

　　将无线充电设备集成到一个终端箱中，就可以实现批量、高效地对通行卡进行充电与管理的功能了。实际上，利用无线充电技术的无线充电器已经在日常生活中得到了广泛的应用，例如：

　　(1)香港城市大学科研人员研制成功的无线电池充电平台，如图6所示。

图6 无线电池充电平台实物图[nextpage]

　　(2)英国Splashpower公司生产的Multi SplashPad无线充电器，如图7所示。

图7 Multi Splashpad无线充电器实物图

　　双界面CPU卡

　　采用双界面CPU卡替代原通行卡中的非接触式IC卡，安全性更高，存储空间更大，可以存放车辆的图片，更利于高速公路的营运管理。目前CPU卡主要有以下两种：

　　一种是基于飞利浦公司的Mifare PRO-MF2ICD80双接口芯片开发的，其接触部分符合ISO7816和《中国金融集成电路IC卡规范》的要求，非接触部分符合ISO14443规范中的TYPE A类标准。

　　另一种是即将推出的基于西门子公司的SLE66CLXX系列双接口芯片开发的，接触部分符合ISO7816和《中国金融集成电路IC卡规范》，非接触部分支持ISO14443-TYPE A 或TYPE B的双界面卡。

　　本方案推荐选用非接触部分支持ISO14443-TYPE A的双界面卡(如Philips NXP P5SD005)。这样就可以保持原有的非接触式卡的认证管理体制，减少整个收费系统的改动量。

　　风险分析

　　产品厚度

　　增加了GPS定位功能的通行卡的外观尺寸要与现行的通行卡一样，厚度控制在5-8毫米之内。在本方案所用到的器件中，对厚度影响最大的有GPS天线、无线充电线圈和锂电池部分。

　　无线充电线圈的厚度可以通过先进的加工工艺控制在3毫米之内。锂电池的厚度，可通过与生产厂家协作定制符合容量体积要求的电池来得到控制。

　　GPS天线将是影响厚度的瓶颈。市场供应GPS天线模块厚度至少在5毫米以上。如果在设计上将GPS天线分离，单独采购陶瓷天线部分，部署在主板的一面，自行设计低噪声信号LNA放大电路，部署在主板的另一面，这样就能将GPS天线部分的厚度控制在4毫米以内。

　　产品成本

　　在大批量采购生产的前提下，目前单个产品的主要成本构成如表2所示。

表2 单个通行卡产品主要成本结构组成

　　目前单个产品的生产成本约56元。这个成本不包括开发、管理以及市场推广等费用。销售价格至少应为56×1.5=84(元)。对于解决高速公路联网收费多路径识别问题的产品，让市场接受接受85元左右的销售价格可能有一定难度。

　　结语

　　多路径问题是在高速公路联网收费发展过程中所产生的新的、而且是必须解决的难题。本文提出了采用GPS定位技术来解决多路径的问题，实现了高速公路精确路径识别功能总体方案的技术可行性和经济合理性。

　　本方案中提到的一些相关的难点，在技术上均已解决，并在现实工作生活中已有相应的实际应用。希望本方案提供的新思路和新方法，能对致力于解决高速公路联网收费多路径识别问题的技术人员带来启发和帮助。