高速公路射频车辆速度监测管理系统

1.公路射频车辆速度监测系统，是一种对公路上行驶的车辆的速度进行测量，并对其进行身份识别和管理的系统，其特征在于：本发明系统由安置在公路上固定位置，包括公路进口处的信号机，随车携带的无线车牌，公路出口处与计算机相连的无线车牌读写器和计算机组成；无线车牌和信号机之间可以进行射频信号交流；这种交流是信号机将自身的位置编码信息，必要时包括时钟信息写入无线车牌；计算机内储存有信号机的位置信息，以及其它与公路管理相关的信息，它们主要用于车辆的超速计算和管理；这里所述的计算机，是一般意义上的PC机，或者是无线车牌，或者是信号机内的单片机；这里所述的公路包括一般公路和高速公路，
其中，无线车牌与信号机之间的信息交流，是由信号机将自身的位置编码信息，必要时包括时钟信息写入无线车牌，具体为无线车牌将把它所经过的每一个信号机的位置编码信息，以及对应的时间信息，储存起来，并随车带往公路出口处，再通过出口处的无线车牌读写器，读入计算机中；读写器读取无线车牌内储存的信息的方式，是有线的，或者是无线的。
2.根据权利要求1所述射频车辆速度监测系统，其特征在于：随车携带的无线车牌，与任意两个相邻的信号机之间进行的射频信号交流的时间差别，以及这两个信号机之间的实际距离，被用来确定该车辆在这两个信号机之间行驶的平均速度。
3.根据权利要求1所述的射频车辆速度监测系统中的车辆速度计算方法，其特征在于：在计算车辆经过某两个信号机之间路段的平均速度时，所使用的无线车牌与信号机之间进行射频信号交流的时间，既可是无线车牌在与信号机进行无线信号交流的整个期间内，无线车牌或信号机接收到的多个信号的时间的平均值，也可是期间内接收到任意一个信号的时间，取决于系统对速度测量精度的要求。
4.根据权利要求1所述射频车辆速度监测系统，其特征在于：它既是一个车辆测速系统，又是一个车辆识别系统，系统中用于车辆速度计算的信息总是和车辆的身份识别信息在一起的。
5.根据权利要求1或4所述射频车辆速度监测系统，其特征在于：系统中的无线车牌，信号机和读写器，都是由微功率单芯片无线收发机制成的，可以相互进行无线通信的微功率无线收发机，其中，无线车牌只具有接收功能，或者同时具有收发两种功能，信号机只具有发射功能，或者同时具有收发两种功能。
6.根据权利要求1或4所述射频车辆速度监测系统，其特征在于：系统中的无线车牌，信号机和读写器，它们之间进行无线通信时，所使用的频率是2.4Ghz免费频段，采用的通信方式，是抗干扰能力强的直序扩频方式。

高速公路射频车辆速度监测管理系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及车辆速度测量，身份识别和监测管理。\n背景技术\n[0002] 现有车辆的速度测量的主要方法有：雷达测速、激光测速、地感线圈测速；身份识别一般采用肉眼识别和视频摄像结合图象处理的方法；对超速车辆的管理，则采用现场拦截处罚和记录备案的管理方法。另外，也有地方在高速公路出口处，以车辆进出高速公路的时间差来计算车辆平均速度，从而决定是否超速的管理方法。\n[0003] 雷达和激光测速方法\n[0004] 通过安置在固定位置或车上的雷达系统，直接利用多普勒效应对车辆进行速度量测，测出超速后，一般立即对超速车辆进行现场拦截加以处罚。该方法的优点是灵活机动，可在任何地方对任何移动目标进行速度量测；激光测速与雷达测速基本相同。新型的雷达和激光测速系统往往将速度监测和图像抓拍集成在一起，使其使用更方便，它们的缺点是系统复杂，价格高，需要大量人工介入，运营成本高。\n[0005] 地感线圈测速辅以摄像视频识别的方法\n[0006] 就是根据同一车辆通过安置在车道上的，两个相距一定距离的地感线圈的时间差来计算该车辆的平均速度，测得车辆超速后，启动数码摄像机进行抓拍，再将抓拍结果输入计算机进行图像识别，以确定超速车辆身份，并传往监控中心，或将抓拍结果直接传往前方拦截点进行识别拦截。该方法的优点是可以实现自动化监测，从而可以不需人工进行操作；\n缺点是系统复杂，造价高，安装管理麻烦，特别是地感线圈的位置与后台控制计算机相隔一定距离时，还涉及远距离图像传输，因而维护工作量大。另外，在夜间拍摄时需要补光，从而需要一定的电源保证，因而监控灵活性差，只能在一些有条件的监控点使用，不可能实现全线的有效监控。\n[0007] 以车辆进出高速公路时间差来计算车辆平均速度的监控方法\n[0008] 该方法以车辆到达高速公路出口时的时间，减去进入高速公路时的时间，来除进出口间的距离，从而得到该车在该段高速公路上行驶的“平均速度”。该方法优点是简单，而且不需其它投入；缺点则是所计算的“平均速度”本身，不但不能真实反映车辆在高速公路不同路段上的实际行驶速度，而且，还因为计算速度所使用的时间中，包括车辆中途休息和其它非行驶时间，因而这种方法，只可能对极少数车辆起到监管作用。另外，由于高速公路不同路段情况不同，基于安全考虑所设定的限制速度也不同。该方法却无法体现出这种差别。\n[0009] 综上所述，现有高速公路车辆速度监测管理系统，要么结构复杂，造价高，运营成本高，安装使用和维护都比较麻烦；要么过于简单，而不能起到真正的监控作用。它们都不能对高速公路行驶的车辆实现真正的，有效的全程监控，因而不能满足高速公路管理的普遍需要。\n发明内容\n[0010] 本发明所要解决的技术问题，就是针对现有高速公路车辆速度监测管理系统的缺点，提出一种新的与车辆身份识别合二为一的车辆速度测量技术，和利用这种技术构建的一种简单有效的，自动化高速公路车辆速度监测管理系统。\n[0011] 本发明采用的技术方案\n[0012] 系统结构\n[0013] 本发明系统主要包括两部分：射频车辆速度测量和监测管理两部分。系统主要由无线车辆身份牌，无线固定位置信号收发机，无线读写器以及设在高速公路进出口处的计算机组成。\n[0014] 无线车辆身份牌(以下简称无线车牌)，无线固定位置信号收发机(以下简称信号机)，以及无线读写器(以下简称读写器)，都是由低成本的微功率单芯片无线收发机制成的，可以相互进行无线通信的微型无线收发机。这里的微功率单芯片无线收发机，是指具有完整的接收和发射无线信号功能的单一集成芯片，它也可以只具有接收或发射的功能；每一个芯片一般都有一个唯一的厂家编号；它们的发射功率往往在1毫瓦左右；它们具有体积小，成本低，功耗低，抗干扰力强(建议使用直序扩频芯片)，工作稳定可靠的特性。因而用它做成的无线车牌可以只有半个火柴盒大小，便于携带；做成的信号机，可以直接嵌入到高速公路旁的柱状安装支架中，因而比较安全；做成的读写器，类似U盘大小，可以直接插入计算机或笔记本电脑，十分方便，因而可在行驶的汽车上，直接对信号机的设置进行远距离更改。由于功耗低，因而可以使用电池驱动。无线车牌和信号机都可以使用一次性电池或可充电电池。信号机还可配合太阳能电池使用。\n[0015] 系统工作原理\n[0016] 射频车辆测速技术是利用车载无线车牌，与具有不同固定位置的信号机之间，进行射频信号交流的时间差别，来确定车辆的行驶速度的。\n[0017] 无线车牌与一般车用无线防盗控制器大小相同。由被监测的车辆携带。它将与公路边设置的信号机进行无线信号交流，并可记录接收到信号的时间。\n[0018] 信号机将每隔一定距离(例如2公里或根据现场需要确定)，安置在高速公路路边或上下行车道隔离带中，它将不停地按预先设置的时间间隔和功率发射它自身的位置信号，并在电池电压低于额定值时，发出需要更换电池的信号，它也可接收来自无线车牌发来的信号。信号机的信号覆盖半径一般为50-100米左右；\n[0019] 读写器与进出口处的计算机相连，用于无接触远距离读写无线车牌内的信息，以及更改无线车牌和信号机的内部设置。高速公路出口处的读写器，将读出每一辆车所携带的无线车牌的所有记录，包括该车经过每个信号机位置的时间，以及可能的某个信号机需要更换电池的请求。并利用储存在计算机内的，关于各个信号机之间的距离，以及不同车型在不同位置的速度限制的资料，计算出该车在高速公路每一路段的行驶速度，并与其对应的速度限制相比较，从而确定该车是否在某段高速路上超速，超速多少，并将结果传至车辆管理控制中心，或就在现场给以相应的处罚。\n[0020] 需要说明的是，无线车牌与信号机之间的的信息交流方式有多种：\n[0021] 1.无线车牌接收并储存来自信号机的信息，并将这些信息带到出口处有计算机进行处理；(如图1中1a所示)\n[0022] 2.信号机接收来自无线车牌的信息，并将信息通过网络传往公路车辆管理中心，并由中心的计算机进行处理；(如图1中1b所示)\n[0023] 3.无线车牌和信号机可能既需要发射信号，也需要接收信号，例如如果需要及时提醒驾驶员超速时；\n[0024] 具体方式的选择，取决于各方面的考虑。\n[0025] 本发明的有益效果\n[0026] 本发明的有益效果是：系统结构简单而自动化程度高，技术成熟可靠，投资少，运营成本低。既没有复杂的设备安装，操作，和维护的麻烦，也没有与摄像，图象分析处理和图像的远距离传输相关的问题。\n[0027] 同时，它还可以与高速公路收费系统相结合，一套系统，两种功能，不需要增加额外的人手，利用现有的高速公路管理系统就能够实现对整个高速公路，每公里路段实现24小时有效而可靠的全程监测管理，这是其它方法不可能作到的。\n[0028] 另外，如果在车辆领取无线车牌时，进行简单的拍照存档，系统所采集到的信息将成为非常有价值的资料。\n[0029] 比起现有的其它监控系统来，本发明的优越性和巨大的社会经济效益是显而易见的：\n[0030] 投入低：首先，本发明系统的投入非常低，系统每个信号机的成本约为200元人民币，加上安装和其它费用总计应在1000元左右。一条200公里长的高速公路，实现全程24小时监控，信号机包括安装的总投入不到20万元；每个读写器的成本约在300元左右，整个高速公路读写器的投入约为3万元，计算机使用现有进出口处的即可；无线车牌的造价每个约为50元人民币。而现有雷达，激光测速仪和常用的地感线圈配合摄像抓拍系统，每一个监测点的建立都需要一笔不小的投入。\n[0031] 运营成本低：本发明系统是全自动化的，它的运营成本远远低于现有任何其它系统。它可以完全利用现有收费系统的管理人员，不需要增加格外的人手进行操作和维护。而这部分费用，对现有其它监控系统而言，是远比设备投入费用高得多的长期存在的费用，更不用说对整个高速公路全程进行24小时的监控了。\n[0032] 系统简单：设备安装维护十分简单，操作完全自动化。本发明系统不需要挖路铺设地感线圈，安装摄像设备和图象传输设备，不需要专门的技术人员进行操作和维护；\n[0033] 更多的功能：现有的监测方法，一般只适合在某些运营管理和维护都比较方便的固定点，对车辆的超速行为进行监管，而本发明可对车辆进行全程24小时的自动监管。这无疑将非常有效的减少高速公路的超速行为，和因此造成的事故给国家和人民群众带来的各种损失。\n[0034] 此外，由于每辆行经高速公路的车辆，在数据库中都有详细的行车记录，因而对发生在高速公路上的车祸，和其它案件的分析，以及高速公路的管理设计，将提供宝贵的一手资料。\n附图说明\n[0035] 图1是本发明的系统的组成和工作方式示意图；\n[0036] 图2是本发明系统速度精度计算示意图；\n[0037] 图3是无线收发机对移动目标定位的原理示意图；\n具体实施方式\n[0038] 下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。\n[0039] 为便于理解本发明的技术方案，先将与本发明有关概念简单介绍如下：\n[0040] 无线信号的传输：在开阔空间条件下，一个具有固定位置的无线发射机A发射一定功率的射频信号，其射频信号的强度，与到A点距离的平方成反比。我们可以用公式：Tr\n2\n＝KQ/R 来表示。这里Tr代表距离无线发射机A为r远处的信号强度，Q代表无线发射机天线端的信号强度，而K则可以简单考虑为衰减系数，主要取决于发射和接收天线的高度，天线增益，信号频率，传输途径环境条件等因素。在一般要求不是很高，环境条件不是非常复杂的小范围内，我们可以将它当作为一个常数。\n[0041] 无线发射机的信号覆盖半径：一个与无线发射机A相隔一定距离的接收机B能否收到无线发射机A的信号，取决于无线发射机A在接收机B处的信号强度，是否大于接收机B的接收灵敏度。当信号强度大于接收机B的灵敏度时，接收机B便可以接收到A的信号。\n我们将距离A某个位置处的信号强度，刚好等于接收机B的接收灵敏度时的距离，称作为A相对于接收机B的覆盖半径R。R随A的发射功率的增大，或B的灵敏度的提高而增加。接收机B只有处于以A为圆心，R为半径的圆范围内，才可以收到无线发射机A的信号。\n[0042] 接收机的定位半径：同样的道理，在以上条件不变的情况下，当我们将接收机B的位置固定，让无线发射机A移动，则A只有处于以B为圆心，以A的信号覆盖半径为半径的一个园圈范围内，B才可能收到A的信号，这个R此时又称为接收机B相对于无线发射机A的定位半径。(如图3所示)\n[0043] 在本发明系统中的信号机和无线车牌，既可以是这里的无线发射机，也可以是接收机。在其它条件保持不变的情况下，我们可以通过调整信号机的发射功率和无线车牌的接收灵敏度，来改变信号机信号覆盖半径；同样，我们可以通过调整信号机本身的接收灵敏度和无线车牌的发射功率，来改变信号机，相对于无线车牌的定位半径。\n[0044] 本发明系统的工作方法(此处只选一种工作方法进行说明)\n[0045] 1.将读写器安装在高速公路进出口处的计算机上，并安装相应的管理软件。并在进口处准备一定数量的无线车牌。\n[0046] 2.当车辆进入高速公路时，将在进口处领取一个无线车牌，(可同时拍照备案)并将其放置在车内一定位置。\n[0047] 3.根据高速公路管理的实际需要，在整个高速公路上(也可只在个别路段上)，按现场实际需要，相隔一定距离(例如2公里)，设置若干个信号机，它们将按预先设置的时间间隔和功率，发射自身的位置信号。\n[0048] 4.当车辆行经任意一个信号机的附近时，在距离信号机一定距离的范围内，无线车牌将接收到来自该信号机的位置信号(当某个信号机需要更换电池时，还会收到该信号机要求更换电池的信号)，并将该信号和收到信号的时间一起储存起来。在该信号机的信号覆盖范围内，同一个无线车牌，从进入该信号机信号覆盖范围开始，到离开这个信号覆盖范围，可收到信号机在不同时刻发出的多个信号，无线车牌使用所有信号接收到的时间的平均值，或简单地只使用接收到第一个信号和最后一个信号的时间的平均值，当作该无线车牌，经过该信号机时的时刻。同样，当车辆行经下一个信号机时，它将接收到另一个位置信号，并得到一个对应的时刻。\n[0049] 5.当车辆来到高速公路出口处时，读写器将读出储存在无线车牌内的所有信息，并将它存入高速公路管理数据库。利用高速公路管理数据库中的，或计算机内的，关于每个信号机的位置信息，和不同位置不同车型速度限制信息的数据库，并根据该车的车型，管理人员立即就知道：A.该车是否在某个路段超速？超速多少？B.是否有哪一个信号机需要更换电池？C.该车经过每一个信号机的时间。D.所有无线位置信号机是否工作正常？E.是否在存在人为干扰无线车牌接收信号机信号的情况？这些信息将被存入计算机或传往车辆管理控制中心存档备案，或在现场直接根据相关政策给予超速车辆以处罚。然后，再清理无线车牌中的记录，并将其交由进口处备用。\n[0050] 6.为了尽量延长无线车牌和信号机电池的使用寿命和成本，制造无线车牌的单芯片收发机，应具有尽可能小的接收功耗和一定的接收灵敏度；信号机的发射功率在调整到保证每辆车所携带的无线车牌，在距信号机一定范围内，在各种环境条件下(包括无线车牌在车内不同的放置位置)，都能收到信号机信号的同时，功耗应尽可能的小。\n[0051] 7.信号机的功率和信号发射时间间隔的设置，应根据具体条件进行全面考虑，发射信号的时间间隔越短，测速精度越高(参阅后面相关章节)，但信号机电池的工作时间也就越长。它的设置可以通过无线密码授权的方式来加以修改。\n[0052] 8.另外，为了节约开支，在高速公路上下行车道相互靠近的地方，只需将信号机布置在上下行车道的隔离带中，并适当调整信号机的发射功率，便可同时兼顾上下行车辆的信号接收。\n[0053] 9.如果任何一个无线车牌或信号机出现了问题，只需简单地换上一个新的模块即可。因而，整个系统的维护都十分简单方便。\n[0054] 10.在整个系统设置好后，经过简单的试运行和调整，整个系统就可以投入使用了。\n[0055] 本发明系统的测速精度\n[0056] 由于信号机，采用的是广播信号的发射方式，而无线电波的传输速度极快，且车辆经过信号机时的速度变化也很有限，因而，本发明系统的定位精度，主要取决于车辆的行驶速度(米/秒)，与两个信号机之间的距离和每秒钟内信号发射次数的乘积之比。由于我们采用的是收到第一个信号和最后一个信号的时间的平均值，因而，我们的测速误差为u/fL；\n其中u为车辆行经信号机时的实际行驶速度(此处假定为50米/秒＝180公里/小时)，f为信号机每秒钟内发射信号的次数(此处假定为1次/秒)，L为相邻两个信号机的距离(此处假定为2000米)。(如图2所示)\n[0057] 图中：R为信号机信号覆盖半径(此处假定为50米)\n[0058] N(＝2Rf/u)为无线车牌经过信号机信号覆盖范围时收到的信号次数(此处为2次)，\n[0059] TA1无线车牌经过信号机A时接收到第一个信号的时刻；\n[0060] TA2无线车牌经过信号机A时接收到第二个信号的时刻；\n[0061] TA＝(TA1+TA2)/2\n[0062] 实际计算速度时所使用的车辆经过信号机A时的时间；\n[0063] TB1无线车牌经过信号机B时接收到第一个信号的时刻；\n[0064] TB2无线车牌经过信号机B时接收到第二个信号的时刻；\n[0065] TB＝(TB1+TB2)/2\n[0066] 实际计算车辆速度时所使用的车辆经过信号机B时的时间\n[0067] tA实际车辆经过信号机A时的时间\n[0068] tB实际车辆经过信号机B时的时间\n[0069] u＝L/(tB-tA)＝L/Δt车辆实际行驶速度\n[0070] U＝L/(TB-TA)＝L/ΔT本发明计算的车辆速度\n[0071] ER最大速度测量误差\n[0072] ER＝(U-u)/u＝Δt/ΔT-1\n[0073] ＝(L/u)/{(L-2R/N)/u}-1＝2R/(NL-2R)\n[0074] ＝1/(fL/u-1)\n[0075] 由于通常fL/u远远大于1，因而，\n[0076] ER≈u/fL\n[0077] 由于速度u是以米/秒为单位，L以米为单位，f以1/秒为单位，显然，对于高速公路速度监测管理系统来讲，将信号机的间距设置为2000米，信号发射间隔时间为每秒2次就足以满足速度测量精度的需要了。此时，对于行驶速度低于每小时180公里(＝50米/秒)的汽车而言，最大测速误差：\n[0078] ER＝50/(2×2000)＝1.25％\n[0079] 另外，由于ER＝2R/(NL-2R)，如果我们将收到任意一个信号的时间，作为无线车牌经过该信号机的时间，则系统最大测速误差为：ER＝2R/(L-2R)。显然，当这个最大误差值满足系统测速精度要求时，就意味着我们可以使用任意一个信号的时间作为无线车牌经过该信号机的时间，而不必使用多个信号时间的平均值来计算车辆行驶速度。\n[0080] 从以上的计算结果可以看出，在影响测速精度的几个因素中，车辆行驶速度变化范围有限，而且是一个我们无法改变的客观量，但单位时间内信号机发射信号的次数，信号及无线车牌之间的通信范围，以及信号机之间距离的设置，则应根据客观具体情况进行全面考虑来决定。但有一点必须要注意的是：我们应该尽可能保证每一个信号机，在来车方向和驶离方向上信号覆盖范围的一致性，即：我们不一定要保证每一个信号机与无线车牌在来车方向上与驶离方向上的通信距离都相等，但我们应力争做到所有信号机与无线车牌在来车方向或驶离方向上都有同样的通信距离(一致性)。\n[0081] 实施实例分析：\n[0082] 假设某条高速公路全长为200公里，共有进出口20个，每个出口平均有4个通道。\n交通管理当局计划在整个高速公路对车辆进行速度监测，因而平均每隔2公里距离需要设置一个信号机。同时，假定整个高速公路，有160公里路段的上下行方向车道之间相距不远，可以使用同一个信号机。因而，整个高速公路需要安置大约120个左右，每个信号机价格约为200元人民币，包括其它辅助设备及安装成本在1000-1500元人民币范围，总计需要投资15万元左右；大约需要读写器100个，每个读写器成本约为人民币300元，需要投资3万元左右，计算机只需使用现有设备即可；每个无线车牌的销售价假设为80元人民币，按整条高速公路需要使用10000个计算，需要投资80万元。这样，在一条200公里长的高速公路上，建立一条24小时全线车辆速度监测管理系统，总的设备投入还不到100万元。