专利名称：公路管理系统及其管理方法
技术领域：
本发明涉及一种公路上针对行驶车辆的管理系统和管理方法。
收费方面，我国使用的公路不停车收费系统中，收费站与车辆间的信息交换主要采用非接触式IC卡，进行无线数据通讯。由于非接触式IC卡的无线电信号作用距离不大，若车速太高，数据未交换完毕，车辆便已离开无线电作用范围，因此，车辆通过收费站的速度受到限制。同时，由于作用距离小，交换的数据量相应的受到限制，对系统的功能扩展也带来不利的影响。
此外，国内外关于不停车收费系统的专利很多，有的技术已具相当水平。其基本构成都是利用车载设备与站内设备之间进行非接触式信息传递。主要又可分为二大类，其中一类是采用红外线进行通讯，为避免发生误动作，使用无线电进行车载设备的开启，即所谓唤醒装置。显然，使用无线电作为唤醒信号，如有二部以上的车辆前后左右跟进，距离很近，或者双向行驶同时到达收费站，则开启的将不是一部车，容易失去唯一性。另外，采用红外线通讯，红外线的作用距离很有限，不利于大量数据交换和车辆高速通行，如车速过高，则有可能前车数据还未交换完毕，后车已进入红外线作用范围。
另一类不停车收费是采用无线电进行数据交换，无线电信号的信息交换之唯一性问题是必须解决的问题，否则，对进入无线电作用距离以内的车辆，都可能产生影响。有的专利对此问题未予以足够的认识，但大部分都采取了一定的措施。有在收费站安装红外构成的车辆通过检测器，但只能起通知收费系统开始工作的作用。对紧跟在后的另一车辆及反向行驶到达同一位置的车辆无法区别，其无线电信号可能干扰其他车辆。有采用无线电鉴别手段的，即根据全波束和扇形波束天线接收信号的强弱区别，来与进入特定区域的ETC车进行通讯，但这种方法仍然无法区别同时进入特定通讯区的车辆，因为任何无线电措施都不能将特定通讯区设定得刚好一部车所占空间。有将特定的通讯标志预先分配给各车载单元，以与站内特定的通讯设备进行通讯，以保证通讯的唯一性，但由于使用无线电通讯的频道未能随机变换，虽解决了车辆标志的唯一性问题，但仍未解决同时到达的车辆通讯时的一一对应，互相不干扰的问题。
综上所述，如果车用IC卡采用接触式IC卡，用专门的无线电收发装置与收费站进行数据交换，可增大无线电信号的作用距离，对车速和数据交换量都不存在严格的限制，但由此又带来前后跟进的车辆、双向行驶同时到达的车辆间的识别问题，而使这种方法难以投入实际运用。若使用红外线通讯，与车辆进行数据交换，虽可保证通讯中的唯一性问题，但由于红外线的作用距离有限，又使车辆通行速度和数据交换量二者都受到限制。
技术方案本发明的目的是提供一种公路上针对行驶车辆的管理系统和管理方法，它能够对通过的车辆车速和管理站与车辆间数据交换量不加以限制，而且确保相互间的通讯快捷、及时、可靠。
本发明所述的管理系统包括公路车辆上装有的一个附IC卡的红外遥控缴费器、管理站内设置的分别相对于左、右通道的两个红外发射器、多个收费器以及作为管理和控制中心的、具有管理站内各装置与计算机之间的连接通道的一台计算机，红外遥控缴费器、红外发射器和收费器具备相应的多个工作频道，其中缴费器主要由缴费器单片机、IC卡读写电路、红外接收电路、外部数据存储器、无线电收发装置和电源组成，其它的各部分均设置并行接口与缴费器单片机相接；收费器主要由收费器单片机、计算机接口电路和无线电收发装置组成，收费器单片机通过计算机接口电路与计算机相接，无线电收发装置接于收费器单片机；红外发射器主要由发射器单片机和红外发射装置组成，其中发射器单片机与计算机相接，红外发射装置接于发射器单片机。
其管理方法如下当安装有红外遥控缴费器的车辆通过管理站时，站内红外发射器发出的红外线打开车上缴费器的无线收发系统，缴费器开始工作，与站内收费器进行数据交换，收费器将接收到的有关数据送系统计算机处理，然后将计算机返送回来的数据发射给缴费器，收费完毕，收费器发出关机信号，缴费器将其自身的无线收发装置关闭，整个收费过程结束。
站内二个红外发射器分别安装在管理站的左右二个通道，分别开启两个不同方向通过的车辆上的缴费器。站内多个收费器，可同时工作，但所使用的通讯频率不相同，故发射的无线电信号不会互相混淆。车辆上的缴费器具有多个工作频道，具体使用哪个频道，由站内的红外发射器发射的红外线频率指定，红外发射器受站内计算机控制，在指定缴费器的工作频道的同时，也给站内的收费器中的一个指定相同的通讯频率，使其一对一的工作，从根本上解决了不同车辆之间的信号识别问题，收费工作准确无误。由于车辆上安装有专用缴费器，故其发射功率较强，无线电信号作用距离较大，加之允许同时对多个车辆收费，因此，对车辆通行速度和交换的数据量都无限制。既实现了高速不停车收费，同时还为系统功能扩展提供了技术保障，如对车辆个体情况的稽查，包括各类规、税费缴纳情况的稽查，被盗车辆的鉴别与拦截，司机驾驶执照及车辆年检年审情况的检查等，这些目前由交警人工进行的工作均可改由本管理系统自动完成。
图8是红外发射器程序设计框图；图9是计算机的程序设计框图；
1.车用红外遥控缴费器车用红外遥控缴费器是系统的重要组成部分，它与站内收费器配套使用，缴费器的结构框图如图2所示，缴费器的核心是单片机，单片机的软件功能框图如图3和图4。
缴费器主要由IC卡读写电路、红外接收电路、外部数据存储器和无线电收发系统五部分组成。IC卡读写装置用于用户数据输入，当用户将所持IC卡插入IC卡插座后，向单片机发出中断请求。此中断为二级中断，在未进行数据通讯的情况下，单片机将响应中断，开始读入IC卡内的数据，执行该功能的软件框图如图3所示。读数开始，首先校对密码，在密码校对无误后，读取卡内有关数据，包括车辆牌照号、车型代码、现金数额、年检年审情况记录、各类规税费缴纳情况等。单片机读入数据并将其存入内存中，如果是新开户，则将有关数据及信息贮存在外存中；若非新开户，则与外存中原有数据进行比较，如有新的有效信息，则将新的信息记入外存，否则原存数据不变，至此数据读入过程结束。然后，清除内存，并对IC卡进行擦除操作，将IC卡的现金数据记录区全部置1(实际是将数据清零)，卡内的其它信息保留不作修改。用户在插入IC卡后，如未将卡拔出，不会产生新的中断请求，单片机不会重复读取数据。如果用户将未有新信息的卡反复连续插拔，不影响缴费器的正常工作。此外，缴费器还可以设有信息查询按键，用户可通过该按键随时查看现金余额等有关信息。如图3中中断3所示。
红外接收电路用来接收站内红外发射器发出的红外信号。当车辆行驶通过管理站时，它接收到站内发出的红外信号，并将红外信号转变为相应频率的电信号，向单片机发出中断请求，此中断为一级中断，单片机立即响应。单片机响应中断后，开始执行一系列操作，其软件框图见图4。
其工作过程如下首先对红外接收电路输入信号的频率进行计数，根据计数结果，确定缴费器当前应使用的频道，接通无线电收发装置的电源，并为其指定工作频道。接着将联络信号送无线发射装置，开始与站内的收费器联络，联络信号发射完毕，单片机进入等待阶段，将无线收发装置置接收状态。当接收到收费器发出的第一次握手信号后(此信号实际是收费器为缴费器指定的数据传输格式)，单片机对信号进行分析，若接收的信息是合法的，则根据所接收的信息，确定数据传输格式，并按此数据格式准备好数据，将有关数据从串行口逐一输出到无线电收发装置，将数据发射出去。若信息不合法，说明在信号传输过程中受到干扰，单片机用固定格式发出纠错信号给收费器，然后重新回到接收状态，准备再次接收收费器的第一次握手信号，至第一次握手成功为止。数据发射完华，单片机进入等待阶段，此后，收费器将会将数据返回，以进行校对。收费器在返回数据之前会发送第二次握手信号。缴费器接收到的第二次握手信号，实际是新的数据格式。当单片机与预先存储在外存中的数据格式核对后，则发出回答信号给收费器，回答无误，则要求收费器发射数据，否则请求收费器重复发射握手信号。收费器在与缴费器第二次握手成功后，将会把缴费器发射的数据返回。缴费器接收到数据后，与原来发射的数据核对，如核对无误，则发出信号确认；若核对结果数据传输发生错误，则发出纠错信号，同时缴费器将重复发射数据，其过程从第二此握手开始重复，直至数据核对无误，此阶段工作结束，单片机进入等待阶段，准备接收收费器的第三次握手信号。同样，此握手信号是收费器指定的新的数据格式。如收到信号，经核对无误后，收费器将会将新的信息发射出来，缴费器在接收到这一新的信息后(这一信息包括收费信息和缴费器回送数据所用的数据格式)，将数据暂存在内存中，并将接收到的数据全部返回到收费器，进入等待阶段。收费器在核对无误后，将发送收费完毕信号给缴费器，否则，将重复第三次握手的全过程。在第二次和第三次握手不成功时，重复握手的信号，即数据格式都会自动改变，其目的是排除通讯过程中的无线电干扰。另外，每次数据输送和校对所用的数据格式也不同，目的是防止数据输送和校对时相同的干扰被误认为合法数据。数据格式具有多样性，对于每一个转送的有效数据，0或1，可用四位或八位二进制数据代表，具体用什么数表示0，什么数表示1，则由收费器的单片机随机的或根据一定的逻辑关系(或运算关系)指定，比如加上一个定数。
缴费器在接收到收费器的收费结束信号后，单片机将切断无线电收发电路的电源，然后，对内存中的数据进行处理。如是正常收费，则将外存中的金额减少；如因车辆现金余额不足，而又在允许透支的限额内，则发出补费信息，提醒司机及时补足现金。如超过允许透支额，或车辆系被盗车辆、规税费未缴纳等情况，则发出停车信号，提请司机及时停车。经一定时间的延续后，进入睡眠状态，以减少耗电，同时也可避免重复收费的发生。
缴费器的无线电收发电路的功能是接收和发射信号。具有多个工作频道，一般不超过8个，就可满足实际应用的要求，其无线电频率最好是在908KHz至5.8GHz之间，频率越高，系统的工作时间越短。其工作电源的通断、实际使用的工作频道以及工作在接收或发射状态等均由单片机控制。当工作在接收状态时，信号由天线进入，经调谐、放大、解调、整形、功放后，以串行方式输入到单片机。当其工作在发射状态时，单片机将准备好的数据由串行口输出，经放大、调制、整形、功放，而后由天线发射出去。信号的调制可采用调幅或调频，一般为增强系统的抗干扰能力，以采用调频调制为佳。
调频时，其基准频率由晶振产生，也可采用其他振荡电路。但如众所周知，使用晶振对提高基准频率的精度有利。
2.收费器收费器安装在收费站内，其电路连接框图如图5所示。收费器由收费器单片机、计算机接口电路、无线电收发系统三个主要部分构成，其核心是收费器单片机，其软件框图如图6。
与缴费器一样，收费器的无线电收发装置具有多个工作频道，可与缴费器的工作频道数相同，也可略少些，但其每一工作频道的工作频率必须与缴费器所具有的对应工作频率相同。
无线收发装置的具体工作频道由收费器的单片机根据系统计算机的指令指定，具体工作是发射，还是接收同样由单片机控制。
其信号的接收和发射电路及工作原理与缴费器的无线电收发电路基本相同。
收费器的单片机与站内计算机之间有通讯接口，一般采用串行通讯，但也可用并行通讯。收费器与站内计算机及车载缴费器之间进行信息交换，其工作过程如下管理站内的管理计算机在给定站内红外发射器的红外发射频率的同时，也将与之相对应的信号传递给收费器的单片机，根据计算机的信号，单片机可知其当前应工作的频道，并向无线电收发装置发出准备接收的指令，使无线电装置工作在接收状态。单片机不断对其数据接收口线进行检测，当检测到合法的由缴费器发来的联络信号后，将开始收费的信号发送给站内计算机，说明已有车辆通过站内红外线发射器，应改变红外线发射频率。同时，收费器单片机根据一定的逻辑关系，选定数据传输格式，并将这一信号以给定格式通过无线电发射装置发射出去，此即第一次握手信号。当然，此时无线电收发装置工作在发射状态。
然后单片机发出指令，将无线电收发装置置接收状态，准备接收缴费器发回的信号，当单片机接收到缴费器发回的信号后，若是纠错信号，则重复发射第一次握手信号，至信号交换无误后结束，将缴费器发来的数据存入内存。然后发射第二次握手信号，经与缴费器核对无误后，将接收的数据返回给缴费器，并准备好接收缴费器的回答信号。若回答信号是数据传输出错，则改变数据传输格式，重发第二次握手信号至接收无误止。在数据接收无误后，单片机向站内计算机发出请求交换数据的中断信号。在中断请求得到允许后，单片机将内存中的数据(包括缴费器发送的现金余额、车辆牌照号、车型代码、规税费缴纳情况等等)送计算机，并与计算机校对数据。此后不断检测与计算机的接口状态，当计算机发来请求交换数据的中断信号时，收费器的单片机立即响应，将计算机返回来的数据存入内存(这些数据包括收费金额、是否允许通行等)，在单片机与计算机交换并校对完毕后，向缴费器发出第三次握手信号。然后接收缴费器的回答信号，若回答信号是传输出错，则改变数据格式后，重发第三次握手信号至信号传递无误止。收费器接收到缴费器发送来的第三次握手成功的信号后，根据先期确定的数据格式，将数据发送缴费器。单片机转入接收状态，接收缴费器回送的信号，并与原发送的数据进行核对，若核对有误，则再次改变数据格式，并重发第三次握手信号；若数据校对无误，则向缴费器发出收费结束信号。之后向计算机发出收费完毕信号，通知计算机，可以接受新的任务。单片机进入下一个工作周期，准备对下一辆车进行收费。
3.红外发射器2个红外发射器安装在站内，每一个负责一个方向通过的车辆，它受站内计算机的控制，其电气原理框图如图7所示。该装置的内部核心同样是单片机，其软件工作框图如图8所示。
图7中红外线发射装置由单片机控制，具有与缴费器频道数相同的工作频道，不同的发射频率代表不同的工作频道，通过红外线开启车辆上的缴费器，同时也给缴费器指定了当前工作频道。
图7中自动控制部分，主要用于站内各种交通信号的开启与管理。当单片机发出放行指令时，管理站的绿灯亮，红灯熄；当单片机发出截停车辆信号时，自动控制部分进行如下工作红灯亮、绿灯熄；打开自动摄像机，进行现场录像；发出警报信号，通知有关值班人员等。
单片机的作用是接收计算机指令，控制红外发射装置发射一定频率的红外线以及开、关站内信号系统。一般情况下，单片机处于待机状态，当计算机发来中断信号后，单片机响应中断，接收计算机指令，并存入内存，然后对信号进行分析，若是正常工作指令，则控制红外线发射装置，根据计算机要求，发射出指定频率的红外线，在未得到计算机新的指令之前，发射的红外线频率不变。
若计算机发出更改红外线频率的信号，则单片机将根据计算机指令将红外发射频率变换为计算机指定的频率，一般，每通过一辆车，红外线频率必须变换一次，具体为何种频率由站内计算机根据频道轮换使用，同一频道不同时对两部车收费的原则指定。
如果计算机发出的指令是要求截停车辆，则单片机将起动自动控制系统，控制站内各类信号系统，自动控制系统的复位可由手动复位，也可经一定延时后自动复位。在起动自动控制系统的同时，不影响红外发射装置的正常工作。
4.站内系统计算机站内系统计算机是整个管理站的核心管理计算机，它直接控制收费器和红外发射器。另外，通过收费器控制车载缴费器。一般采用普通计算机便可，其软件功能框图如图9所示。
计算机有多个对外连接通道，包括与数个站内收费器之间的数据交换通道和二个红外线发射器间的信号交换通道。计算机的第一个功能是对收费器使用的频道予以控制，一般站内收费器的数量小于或等于缴费器的通讯频道。因此，计算机必须保证数个收费器同时工作时，没有使用同一频道工作的收费器。当计算机将频道指令送红外线发射器的同时，必须将同一频道指定给站内的一个收费器。
当计算机收到任一收费器发回的有缴费器联络成功的信息后，计算机应立即响应，更改红外线发射器的发射频率，同时检索所有收费器，将同一频道信号送与该红外线发射器处于同一侧的空闲收费器。
收费器发出要求进行数据交换的中断请求后，在计算机未处理完前一收费器的数据之前，不响应中断请求，但必须对所有的请求排队，按先请求先响应的原则，处理和各收费器之间的通讯联络。
计算机接收到某一收费器输入的数据后，首先对数据的合法性加以判断。数据合法，先查核车辆牌照号，与计算机数据库中保存的被盗本辆牌照号进行比较，判断该车是否是被盗车辆。然后识别车型代码，确定收费额度，检索各类规税费缴纳情况等。如车辆情况正常，则将收费额度及允许通行信号送回原送数据收费器。若车辆情况异常，则将收费额度与截停车辆信号送收费器。同时将截停信号发送给同側红外发射器，以起动站内截停车辆的有关设施。
计算机在发出截停信号的同时，应将截停原因显示出来，以备查询。
计算机内建有大型数据库，将收费时间、收费数额、车辆牌照号等记入数据库中，以备查询和会计结算。
站内计算机与整个管理系统的中心管理计算机间的数据通讯与常用多机通讯系统无实质性差别。
另外，需要说明的是，用户IC卡的选型、写卡等与常用IC卡系统基本相同，一般为可靠起见，宜用加密存储器卡，发行卡时对卡的读写可使用通用写卡器。
综上所述，本发明用专用收费器、专用红外遥控缴费器、专用红外发射器和通用计算机构成一个收费系统。收费器和缴费器都具有多个工作频道，缴费器的开启及工作频道的确定由站内的专用红外线发射器发射的红外线控制，缴费器的关闭由站内的收费器用无线电信号控制。同时工作的收费器使用不同的频率进行通讯。
数据传输中，为增强系统抗干扰的能力，在数据发送和校对时使用不同的数据传输格式。数据传输格式由收费器按预先设计的多种格式，根据初送数据与数据校对用不同的数据传输格式的原则选定。数据格式用固定的通讯格式作为握手信号在收费器和缴费器之间传递。
系统使用的专用收费器和缴费器具有较大的无线电发射功率，作用距离较大；容许在车辆高速行驶情况下进行大量信息交换，本系统除具有收取过桥、过路费的能力外，还可以具备车辆各类状况的稽查、自动截停车辆等公路管理功能。
使用本管理系统的主要具有如下优点即提高了车辆在管理站通行的速度，一般情况下不须对车辆通行速度予以限制；扩展了系统的功能，使系统由单一收取过桥、过路费，变为集收费、稽查于一体的公路管理系统。
本发明为提高我国公路管理水平提供了技术保障。
权利要求
1.一种以安装着附IC卡的红外遥控缴费器的公路车辆通过安装有收费器的管理站来实现公路车辆管理的管理方法，其特征在于包括以下步骤①所述管理站内由计算机控制的红外发射器向所述准备通过的车辆发出红外线信号，开启所述车辆上的红外遥控缴费器，并指定具有多个相应通信频率的缴费器和所述管理站内的收费器的无线通讯频率；②在各自单片机控制的缴费器和收费器之间以无线电通讯形式进行数据交换，同时，缴费器的单片机与收费站内的计算机进行数据交换；③数据交换完毕，所述收费器关断所述车辆上缴费器的无线发射电路，缴费器将信息写入内存或外存，所述计算机将信息记录归档。
2.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于所述步骤①中确定缴费器和收费器之间无线通信频道的方法为所述车辆上缴费器的红外接收电路将接收到所述管理站发出的红外线信号，转为相应频率的电信号后，向缴费器中的单片机发出中断请求，缴费器单片机立即响应，将缴费器中的无线收发装置打开，根据输入的电信号选定具有多个工作频道的缴费器的当前使用频道，在向所述管理站的收费器发出联络信号后，置缴费器的无线收发装置于接收状态；所述管理站内的计算机指定红外发射器发射的红外线频率，同时指定管理站内的众多收费器中与该红外线发射器同一侧的一个空闲收费器开始工作，并给定相同的通讯频率，使收费器与缴费器一对一的开始第一次握手工作，收费器的无线收发装置向缴费器发出联络信号后，由收费器内的单片机将其置接收状态；在缴费器和收费器的无线收发装置接收到对方发出的联络信号后，分别送至其单片机对信号进行分析，若信息合法，即确定数据传输格式，并按此数据格式准备好数据，将有关数据输出到所控制的无线电收发装置，将数据发射出去；若信息不合法，单片机发出纠错信号，重复进行第一次握手，至信息合法为止。
3.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于所述步骤②中缴费器和收费器之间进行数据交换的方法为所述收费器将核对无误的信息发送给所述计算机，所述计算机改变红外发射器的发射频率，同时，所述缴费器与收费器之间进行第二次握手，在第一次握手时的工作频道基础上由缴费器和收费器中的单片机确认新的数据传输和处理格式，并对发出和接收的信息进行核对，若核对结果错误，重复进行第二次握手；其后，所述收费器中的单片机向计算机发出请求交换数据的中断信号，在中断请求得到允许后，所述收费器单片机将内存中的数据送计算机，并与计算机校对数据，此后不断检测与计算机的接口状态，当计算机发来数据交换中断信号，收费器的单片机立即响应，将计算机返回来的数据存入内存，在单片机与计算机交换并校对完毕后，缴费器与收费器之间进行第三次握手，收费器发射包含收费信息和回送格式的新数据格式的信号，缴费器接收后将接收的数据暂存并将信号返回给收费器；收费器接收到返回的信号后将接收到的数据送计算机处理，然后将计算机返送回来的数据发射给车上缴费器进行核对，确定无误后收费器发出收费完毕信号，若核对结果错误，重复进行第三次握手。
4.一种公路车辆管理系统，公路车辆上装有一个附IC卡的红外遥控缴费器，管理站内设置分别相对于左、右通道的两个红外发射器、多个收费器以及作为管理和控制中心的、具有收费站内各装置与计算机之间的连接通道的一台计算机，红外遥控缴费器、红外发射器和收费器具备相应的多个无线电工作频道，其中缴费器主要由缴费器单片机、IC卡读写电路、红外接收电路、外部数据存储器、无线电收发装置和电源组成，各部分均与缴费器单片机相接；收费器主要由收费器单片机、计算机接口电路和无线电收发装置组成，收费器单片机通过计算机接口电路与计算机相接，无线电收发装置接于收费器单片机；红外发射器主要由发射器单片机和红外发射装置组成，其中发射器单片机与计算机相接，红外发射装置接于发射器单片机。
5.如权利要求3所述的管理系统，其特征在于所述管理系统是活动的。
6.如权利要求3所述的管理系统，其特征在于所述红外发射器还包括一个自动控制装置、一套交通信号显示装置和一台自动摄像机，该自动控制装置接在红外发射器单片机和交通信号显示装置、自动摄像机之间，用于管理站内的各种交通信号和自动摄像机。
7.如权利要求4至6的任何一项管理系统，其特征在于所述缴费器和收费器的无线电工作频率在908KHz至5.8GHz之间。
全文摘要
本发明公开的一种公路车辆管理系统，它使用专用收费器和缴费器，缴费器安装在车辆上，收费器在管理站内。车载缴费器由站内的红外线发射器打开，收费完毕，由站内收费器控制将其无线电发射电路关闭。收费器和缴费器均具有多个工作频道，由收费站的计算机控制，容许同时对多个车辆使用不同频道收费，因此，车辆通行速度不受限制，且具有数据交换量大，系统功能扩充裕度大的特点。同一系统，既可收取过桥、过路费，还可对车辆进行规、税费缴纳情况、司机驾驶执照情况、是否是被盗车辆等等车辆个体情况进行稽查，为实现公路管理现代化提供了一种技术支持。
文档编号G06K19/067GK1407488SQ0112779
公开日2003年4月2日 申请日期2001年8月30日 优先权日2001年8月30日
发明者罗良才 申请人:惠州大学