专利名称：用来对车辆收取乘员数量依赖通行费的车载单元和方法
技术领域：
本发明涉及在道路通行费系统的背景中用来对车辆收取乘员数量依赖通行费的一种车载单元和一种方法。
背景技术：
对于车辆依据它们的乘员数量收取通行费常常用作调节交通密度的政策措施。优选应用涉及所谓的HOT(热)车道(高占用率通行费车道)。HOT车道是为具有多位乘员的车辆(高占用率车辆，H0V)实际保留的道路车道，但也可以由具有较少乘员的车辆使用，只要对于使用支付相应的乘员依赖通行费。为了防止与乘员数量的自申报相关的违章风险或与通过控制人员的肉眼检查相关的差错风险，正在日益使用电子通行费系统，这些电子通行费系统自动地探测乘员数量， 并据此计算通行费。这些系统使用电子车载单元(OBU)，这些电子车载单元装有乘员探测
ο目前可得到系统的概述在如下出版物中给出“Automated Vehicle Occupmcy Monitoring Systems for H0V/H0T Facilities-Final Report”， McCormick， Ranking Corporation，Ontario，Canada，2004 年 12 月；Steven Schijns 禾口 Paul Matthews :“A Breakthough in Automated Vehicle Occupancy Monitoring Systems for H0V/H0T Facilities”，12th HOV Systems Conference Houston，Texas，2005 年 4 月 20 日；Ginger Goodwin ,Verifying Vehicle Occupancy for HOT Lanes-A path Toward Automated Systems”， Violations Enforcement Summit, Boston， Massachusetts，2007 年 7 月 20-31 日；及 Ginger Goodin 禾口 John P. Wikander :“0ut for the Count-Verifying Vehicle Occupancy Prospects for an AutomatedSolution，，，Tolltrans 2009，pages 44-49。已知系统尤其提出探测乘员存在的重量、热、红外、超声波或雷达传感器，或探测乘员的指纹、 脸部、心博或肺脏功能的生物计量传感器。对于后一种测量，至今已经使用电气传感器或压力传感器，这些传感器测量在乘员身体内的流动或呼吸压力波动。最近已经开发了雷达传感器，以便为了智慧气囊控制(“智能气囊”)探测乘员坐位布局，这些雷达传感器可基于生命机能，如心博和呼吸，探测人类身体的微弱周期运动。这些雷达传感器使用在UHF范围中的CW Doppler雷达(超高频连续波Doppler雷达)或超宽带(UWB)脉冲雷达(UWB-IR)的新系统，它们可按非接触方式穿过诸如衣服和身体层之类的介质，测量心腔或肺叶的节律运动。对于这些传感器的理论基础原理，参考通过引用包括在这里的如下出版物Jerry Silvious禾口David Tahmoush “UHF Measurement of Breathing and Heartbeat at a Distance，，，IEEE Radio and Wireless Symposium2010, pages 567-570 ；Isar MostafanezhacUOlga Boric-Lubecke禾口Victor Lubecke :"A Coherent Low IF Receiver Architecture for Doppler Radar Motion Detector Used in Life Signs Monitoring，，，IEEE Radio and Wireless Symposium 2010, pages 571-574 ；还及 Kyohei Otha、Katsushi Ono> Isamu Matsunami 禾口 Akihiro Kajiwara "Wireless Motion SensorUsing Ultra-Wideband Impulse-Radio，，， IEEE Radio and Wireless Symposium 2010, pages 13-16。用于气囊控制的这样的Doppler雷达和UWB脉冲雷达传感器的专门应用例如在专利出版物 US 2001/0042977 Al、DE 10 2005 020 847 Al 及 US 7 134687 B2 中描述。
发明内容
本发明的指定目标是基于已知技术提供一种新的解决方案，该解决方案用来对在道路通行费系统中的车辆收取乘员数量依赖通行费，该解决方案使得能够使用非接触乘员测量系统的优点，该非接触乘员测量系统使用生物计量雷达传感器。这个目标在本发明的第一方面用一种车载单元实现，该车载单元包括Doppler雷达或UWB脉冲雷达，其可对准车辆内部，用来测量运动和产生代表这些运动的至少一个测量信号；和评估装置，其配置成探测测量信号中的信号模式，这些信号模式对于乘员的心脏或呼吸活动是典型的，以计数在观察时刻同时发生的那些信号模式，并且根据该计数值计算通行费数据。在第二方面，本发明提供一种在道路通行费系统的背景中用来对车辆收取乘员数量依赖通行费的方法，该方法包括将Doppler雷达或UWB脉冲雷达对准车辆内部，以测量其中的运动，并且产生代表此的至少一个测量信号；探测测量信号中的那些信号模式，这些信号模式对于乘员的心脏或呼吸活动是典型的；计数在观察时刻同时发生的信号模式；及根据该计数值计算通行费数据。本发明允许一种非接触和准确的方法，该方法不易受干扰，用来通过各个乘员的心博和/或呼吸的生命机能的探测而确定乘员数量依赖通行费。因而基本上排除通过乘员的违章企图、通过控制人员的差错及通过阻塞或外来物体的测量误差。作为结果，例如在 HOT车道中可实现几乎100%的通行费收取率。在本发明的第一优选实施例中，多个连续观察时刻的计数值被平均以形成平均值，并由这个平均值计算通行费数据，并且评估装置也配置成执行这种平均功能。这个实施例防止通过例如相邻车辆的乘员、行人等等的临时测量误差或包括寄生的测量的干扰，这些相邻车辆的乘员、行人等等通过Doppler雷达或UWB脉冲雷达的杂散场偶然包括在探测中。其中这样的干扰情况格外发生的情形是例如道路交叉口，在这些道路交叉口处多个车辆停止，或者当多个车辆正在平行车道中按相同速度向前运动时。在这种情况下，车辆在有限时间段上彼此直接局部接近，并因此车辆传感器不能可靠地确定在相应车辆中人员的位置。这样的临时干扰情况通过在较长观察时段上的平均而去除。为了抑制干扰，已经证明另外有利的是，如果在计数期间，仅考虑这样的信号模式，这些信号模式在多个观察时刻上的平均指示引起相应信号模式的乘员没有相对速度。 因此，根据本发明，因而也考虑要被探测的人员的固有速度或加速度在具有传感器的车辆内，测量信号的固有速度的分量是零，并且其它车辆至少间断地具有不同固有速度。探测的信号模式因此可在相同固有速度下与车辆的固有速度相比较，以达到选中乘员对于相应车辆的可靠匹配。此外，有利的是，如果时间平均优选地在一地理位置处(例如在H0T/H0V车道的开始处)开始，在该地理位置中，作为结构分离(例如，道路车道的分离)的结果，清楚地测量仅一个车辆的乘员。因此，当车辆到达预定位置时，然后开始观察时刻(一个或多个)，为了这个目的，车载单元优选地具有对应位置确定系统，例如卫星导航接收器。也有可能的是测量车辆的速度，由此平均加速阶段，并且在车辆的加速阶段中选择观察时刻。在这样的加速阶段中高度不可能的是平行行驶的外来车辆正在按相同速度运动，并因此可特别容易地分离外来车辆的乘员，这些外来车辆因而具有除零之外的(平均) 相对速度。为了防止干扰辐射和干扰测量的情况，也有利的是，如果Doppler雷达或UWB脉冲雷达的天线特性与车辆内部相匹配。在本发明的车载单元的进一步的优选实施例中，对于车辆的每个座位，Doppler雷达或UWB脉冲雷达具有其自己的收发器天线，该收发器天线为了其自己测量信号的产生可对准座位，其中，可根据乘员分离地探测信号模式。这种变形增加在车载单元的高频侧的硬件花费，但也简化在车载单元的信号处理器部分中的信号处理。本发明的车载单元的替代优选实施例的不同之处在于，Doppler雷达或UWB脉冲雷达为了联合测量信号的产生，具有用于整个车辆内部的联合收发器天线，其中，同时发生的信号模式可通过与预定基准信号模式的相关比较而探测。这种变形以信号处理器部分的增加的复杂性为代价，简化车载单元的高频侧。依据乘员数量计算的通行费数据为了以后检索可存储在车载单元中，或者例如可直接用来记入信用账户的借方，该信用账户存储在车载单元的信用平衡卡上。在本发明的替代实施例中，计算的通行费数据传输到道路通行费系统的中心，并且为了这个目的，本发明的车载单元具有收发器，该收发器连接到评估装置上，用来将依据乘员数量计算的通行费数据从车载单元通信到道路通行费系统的至少一个无线电信号台(beacon)。
下面参照附图基于优选示范实施例将更详细地解释本发明图1是本发明的道路通行费系统的示意概观；图2是本发明的车载单元的方块图；图3和4分别以侧视图和平面视图表示车辆的内部，该车辆装有本发明的车载单元的不同实施例；图5和6表示基于呼吸活动(图5)和心博(图6)的乘员的身体运动的雷达测量的基准信号模式；图7表示本发明的车载单元的UWB脉冲雷达的示范测量信号，其同时表示多个乘员的运动模式；及图8表示从图7的测量信号得到的根据乘员分离的信号模式，这些信号模式用在评估装置或本发明的方法中，用于通行费数据的计算。
具体实施方式
图1表示道路通行费系统1的示范截面视图，在该道路通行费系统1中，车辆2、3 正在道路车道4、5上运动。道路通行费系统1包括例如多个路边无线电信号台6，这些路边无线电信号台6可借助于数据线7连接到道路通行费系统1的中央控制单元(未表示)。 无线电信号台6 (路边设备，RSE)包括例如本地计算机8，该本地计算机8具有收发器9和至少一个摄像机10连接到其上，该收发器9和至少一个摄像机10由安装桥11支撑，该安装桥11横跨道路车道4、5。车辆2、3又装有车载单元(OBU) 12，该车载单元12可进入与无线电信号台6的收发器9的无线电通信中，以便将通行费数据传递到道路通行费系统1，这些通行费数据导致在道路通行费系统1中的对应通行费交易。摄像机10可由计算机8驱动，以准备车辆2、3 的图像，这些车辆2、3有通行费违章，例如因为遗漏或不正确设置的OBU 12或者在对于由通行费数据生成的通行费用的支付账户资金不充足的情况下等等。无线电信号台6和OBU 12可例如根据DSRC (专用短距离通信)或WAVE (在车辆环境中的无线访问)标准而通信。代替表示的道路通行费系统1，例如，可使用GNSS/PLMN(全球导航卫星系统/公共陆地移动网)道路通行费系统，其中，借助于卫星定位的OBU 12经移动无线电网络发送通行费数据(例如，包括位置数据在内)。至少基于车辆2、3的乘员数量确定在道路通行费系统1中的通行费用，例如对于作为车道4的“HOT车道”的使用，对于该车道4，当车辆2具有很小数量的乘员时，要支付增加的通行费用。为了使得能够自动地和依据乘员数量计算通行费用，OBU 12装有乘员探测器，该乘员探测器计数车辆乘员的数量，如现在将基于图2至8更详细解释的那样。如在图2至4中示意表示的那样，OBU 12装有连续波(CW)Doppler雷达或超宽带 (UffB)脉冲雷达13，该雷达13将雷达波14发射到车辆内部15，更准确地发射到在车辆座位 17上的乘员16，并且从其接收反射的雷达波18。为此，OBU 12可例如固定在车辆2、3的挡风玻璃27的内侧。雷达13使得能够测量在车辆内部15中的运动，并且能够为OBU 12的评估装置19产生代表该运动的测量信号21 (也见图7)。两种提到类型的雷达，即UHF-CW Doppler雷达和UWB脉冲雷达，都具有极高灵敏度和在毫米范围中的极精细局部分辨率， 并且可穿透诸如衣服和皮肤层之类的材料，从而即使人体的心腔、动脉、肺叶等的轻微运动也可测量。在Doppler雷达的情况下，为此测量在发射的和反射的雷达波14、18之间的基于Doppler效应的频率或相位移动；在UWB脉冲雷达的情况下，在纳秒范围中的极短无线电脉冲的脉冲时间延迟，当极短无线电脉冲在诸如乘员16之类的目标上反射时被测量，以便探测其中的距离和变化，这些极短无线电脉冲在频率范围中具有非常宽带的频谱。就CW Doppler雷达和UWB脉冲雷达的理论和操作模式而论，参考以上提到的出版物，这些出版物的公开内容通过引用包括在这里。图5表示使用UHF-CW Doppler雷达13由乘员16的表示这个乘员的呼吸活动的上部胸腔的运动记录的示范测量信号18。图6表示使用UWB Doppler雷达13由乘员16的表示这个乘员的心博的颈动脉的运动显示的示范测量信号29。诸如在图5和6中表示的那些的信号模式可在基准测量中确定，并且可作为乘员的心脏或呼吸活动典型的基准信号模式存储在雷达13或OBU 12的存储器中，以便在进一步的评估过程中使用。在图3的实施例中，雷达13具有用于整个车辆内部15的联合收发器天线20，该联合收发器天线20同时探测和测量全部乘员16。由雷达13发送到评估装置19的测量信号21因此是全部运动(从全部乘员16接收的心脏和呼吸活动信号模式)的混合，作为例子表示在图7中。评估装置19通过与已知基准信号模式观、29的对应相关，探测在测量信号21中各个乘员16的最佳可能信号模式(最佳拟合)，以便将重叠信号模式彼此分离。分离的信号模式22-25画在图8中，作为相对于时间t的各个轨迹。要理解，各个探测的信号模式到轨迹22-25的划分不是完全绝对可能的，即就轨迹而论可发生交叉(transposition)，但再次进行“最佳拟合”行动，以按最佳可能方式填充轨迹。然而，任何交叉对于进一步的过程都是无意义的，因为很大程度上重要的仅仅是多个同时探测的信号模式，而不是它们对于各个人员的确定。在图4的OBU 12的替代实施例中，对于车辆2的每个座位17 (或对于不同组的座位)，雷达13具有其自己的相应收发器天线沈，该收发器天线沈对准这个座位，以立即产生根据乘员分离的测量信号，即多轨迹测量信号，如在图8中以测量信号轨迹22-25的形式已经表示的那样。根据乘员分离的测量信号21的轨迹22-25然后对于时间重合由OBU 12的评估装置19分析，即在特定观察时刻、、t2、...，一般地、同时发生。在特定观察时刻、探测的同时发生信号模式22-25的数量Ai被计数，并且指示在图8中相应观察时刻、下。测量误差、阻塞、相关的不确定性等等可导致中断或“空射(misfire) ” 30，这些中断或“空射” 30可导致临时很低的乘员数量A”相反，例如相邻车辆的乘员、行人等等的散布或不正确测量，可导致短暂地出现的信号模式31和太高的计数值Ai。因此，来自多个连续观察时刻、的计数值Ai优选地在观察时段上平均，以得到平均乘员数量口 i。乘员16相对于OBU 12的平均相对速度也可由可归因于乘员16 (或他们身体的部分)的运动的信号模式20-25而确定。当确定计数值Ai或口1时，只有指示引起相应信号模式的乘员16相对于OBU 12没有相对速度的那些信号模式22-25才是优选的。作为结果，可显著地减小错误计数相邻车辆的乘员的情况，因为在覆盖多个观察时刻、的观察时段中，这些情况一般具有与零显著不同的相对速度，即超过阈值的相对于OBU 12的相对速度。计数值Ai或口 i然后用来在OBU 12中计算依赖于其的通行费数据，例如，通行费用，该通行费用随增大乘员数量而减小，并且反之亦然。如此计算的乘员数量依赖通行费数据为了在以后时间读出和评估可存储在OBU 12的存储器中，或者为了在道路通行费系统1中的进一步计算，优选地经OBU 12的收发器 32传输到下个最近无线电信号台6。此外，OBU 12为了其自己位置的确定，可装有位置确定系统33，优选地卫星导航接收器，具体地说GPS接收器。作为结果，观察时刻、(一个或多个)可按位置依赖方式选择或开始，即当车辆2、3到达预定地理位置时。这样一种地理位置能是预定计数点，例如， 在该处要确定乘员数量；好像在那儿的虚拟计数位置；或在用于单独车辆的分离车道中的有利计数机会，在该分离车道上，车辆按一段距离先后行驶，从而降低也计数来自那里的外来车辆的乘员的风险。另外的可能性是车辆2、3的速度使用其位置确定系统33 (或替代的速度测量单元)而测量，并且根据所述速度确定对于观察时刻^选中的车辆2、3的加速阶段。在这样的加速阶段中，不可能的是，车辆2、3的乘员具有与周围第三方车辆的乘员相同的相对速度，作为一般规则，这些第三方车辆很少按相同方式加速，并且与形成信号模式22-25的基础的乘员的相对速度的考虑相结合，这又导致将来自第三方车辆的乘员从计数值A” □ i有效地排除。 本发明不限于表示的实施例，而是覆盖落在附属权利要求书的框架内的全部变形和修改。
权利要求
1.在道路通行费系统(1)的背景中用来对车辆(2，；3)收取乘员数量依赖通行费的车载单元(12)，包括Doppler雷达或UWB脉冲雷达(13)，其能对准车辆内部(15)，用来测量运动和产生代表这些运动的至少一个测量信号01-25)；和评估装置(19)，其配置成探测测量信号(21-2 中的信号模式08二9)，所述信号模式 (28,29)对于乘员(16)的心脏或呼吸活动是典型的，以计数在观察时刻(、)同时发生的那些信号模式02-25)，并且根据该计数值(Ai, □ J计算通行费数据。
2.根据权利要求1所述的车载单元，其特征在于，将评估装置(19)配置成，将多个连续观察时刻(、)的计数值(Ai)平均以形成平均值(口 D，并且根据此平均值(口》计算通行费数据。
3.根据权利要求1或2所述的车载单元，其特征在于，将评估装置(19)配置成，在计数期间仅考虑其在多个观察时刻(、)上的平均指示引起相应信号模式02-25)的乘员没有相对速度的那些信号模式(22-25)。
4.根据权利要求1至3之一所述的车载单元，其特征在于，车载单元(1 具有位置确定装置(33)，当车辆(2，；3)到达预定位置时，所述位置确定装置(3 启动评估装置(19)的一个或多个观察时刻(、)。
5.根据权利要求1至4之一所述的车载单元，其特征在于，Doppler雷达或UWB脉冲雷达(13)的天线特性与车辆内部(15)相匹配。
6.根据权利要求1至5之一所述的车载单元，其特征在于，对于车辆0，3)的每个座位(17) ,Doppler雷达或UWB脉冲雷达(13)具有其自己的收发器天线(沈)，所述收发器天线06)为了其自己的测量信号02，25)的产生能对准座位(17)，其中，可根据乘员分离地探测信号模式08，四)。
7.根据权利要求1至5之一所述的车载单元，其特征在于，Doppler雷达或UWB脉冲雷达(1 为了联合测量信号的产生，具有用于整个车辆内部(1 的联合收发器天线 (20)，其中，同时发生的信号模式(22-2 能通过与预定基准信号模式( ，29)的相关比较而探测。
8.根据权利要求1至7之一所述的车载单元，其另外的特征在于，连接到评估装置 (19)的收发器(31)用来将依据乘员数量计算的通行费数据从车载单元(1 通信到道路通行费系统(1)的至少一个无线电信号台(6)。
9.在道路通行费系统(1)的背景中用来对车辆(2，；3)收取乘员数量依赖通行费的方法，包括将Doppler雷达或UWB脉冲雷达(1 对准车辆内部(15)，以测量其中的运动，并且产生代表这些运动的至少一个测量信号01-25)；探测测量信号01-25)中的信号模式08，四)，所述信号模式( ，29)对于乘员(16) 的心脏或呼吸活动是典型的；计数在观察时刻(、)同时发生的那些信号模式02-25)；及根据该计数值(Ai, □》计算通行费数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将多个连续观察时刻(、)的计数值(Ai) 平均以形成平均值(口 ^，并且根据此平均值(口》计算通行费数据。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在计数期间仅考虑其在多个观察时刻(、)上的平均指示引起相应信号模式02-25)的乘员没有相对速度的那些信号模式 (22-25)。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，当车辆0，3)到达预定位置时，开始一个或多个观察时刻(、)。
13.根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，测量车辆0，3)的速度，由其确定加速阶段，及在车辆的加速阶段中选择观察时刻(、)。
14.根据权利要求9至13之一所述的方法，其特征在于，将通行费数据传输到道路通行费系统(1)的中心的进一步的步骤。
15.根据权利要求9至14之一所述的方法，其特征在于，其用来对于在HOV车道(4)上的车辆(2，3)收取通行费。
全文摘要
本发明涉及用来对车辆收取乘员数量依赖通行费的车载单元和方法。在道路通行费系统(1)的背景中用来对车辆(2，3)收取乘员数量依赖通行费的车载单元(12)，包括Doppler雷达或UWB脉冲雷达(13)，其可对准车辆内部(15)，用来测量运动和产生代表这些运动的至少一个测量信号(21-25)；和评估装置(19)，其配置成探测测量信号(21-25)中的信号模式(28，29)，这些信号模式(28，29)对于乘员(16)的心脏或呼吸活动是典型的，以计数在观察时刻(ti)同时发生的那些信号模式(22-25)，并且根据该计数值(Ai，□i)计算通行费数据。
文档编号G07B15/06GK102542619SQ201110336140
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年12月7日
发明者G·卡纳 申请人:卡波施交通公司