一种基于LDSW物联网技术的智能交通管理系统和方法与流程

本发明涉及城市交通的智能化管理，包括车辆的射频识别及定位跟踪技术。

背景技术：

1、城市车辆数量的快速增加给所有城市的交通管理带来了巨大的压力，特别是像中国这样一个处于快速发展中的国家。由于道路等基础设施的建设不仅需要大量资金的投入，同时也还会带来许多其它问题。因而，提高城市交通基础设施的利用率，实现城市交通管理的智能化无疑是首选，这也是所有现代大城市所面临的挑战。城市交通智能化管理首先面临的一个关键问题，就是如何以一种经济有效的方式来获取：1)城市每个交通路段的每个行驶方向以及每个时段的实时车流量信息；以及2)每辆车每一时刻在道路上的准确位置及行驶方向；为城市道路交通管理更加准确地数字化仿真创造条件，从而实现更加高效的道路交通管理。

2、而现有的车流量信息主要是依赖如下方法获得的：1)现在营运车辆上包括出租车、公交车和营运大货车，必须装北斗或gps定位系统，车辆位置在哪，车速有多快，都会上传到交通监测中心，这些交通数据汇集后形成动态实时路况监测网。2)我们在使用手机导航时，导航信息也会被上传至导航服务器，导航服务器会根据用户的行驶数据进行分析，发现大量手机导航用户在某一路段行驶速度变慢时，就会被标记为拥堵，比如大量用户行驶速度低于20km/h，被定义为拥堵路段，20km/h-40km/h为行驶缓慢，40km/h以上为畅通。国内一位网友用20部手机，打开高德地图后，来到空旷的道路，结果就在手机导航中制造了一场拥堵。显然，这种算法存在许多问题，因为除有很大一部分比例的驾驶员，因各种原因并未使用手机导航软件外，不同厂家(高德，百度，腾讯等)提供的导航软件也会有不同的结果。

3、一个真实而典型的例子，就是一次某驾驶员行驶在山路，路上车辆并不多，但导航显示前方道路有拥堵。当他继续大胆地往前走时，发现路边有几辆车的司机正在靠边抽烟休息。

4、另外，要掌握每辆车每一时刻在道路上的准确位置及行驶方向，依靠现有视频识别的方法不仅耗费巨大，而且还会有许多其他难以解决的问题。

5、我们必须要在老百姓不断增加的驾车出行需求，与城市可提供的有限道路资源之间进行平衡，而这种平衡又必须是在充分高效利用城市道路资源的基础上实现的。

6、除此之外，交通智能化管理的另外一个难题就是对各种特殊车辆的管理，包括失窃车辆和其他非法上路的车辆；另外还有特殊车辆的管理，例如外地车辆、大型货车、危险品车、运渣车、运钞车，抢险车，救护车等，这些车辆往往有限行时间和限行区域。因而，也给当前城市交通的智能化管理带来很多挑战。

7、目前最常采用的做法有：

8、限号行驶，或征收道路拥堵费的方式(伦敦，瑞士，新加坡等)。限号行驶不仅给广大老百姓带来极大的不便，而且，限号行驶的主要目的是要解决上下班高峰时段，特别是高峰时段拥堵路段的车流量负担。错峰上下班是一种简单有效的解决方案，但限号行驶的行政管理手段，并不能有效地支持这种方案的实施。此外，即使在高峰期，不同路段，不同方向的拥堵情况也各不相同。而拥堵费征收，同样也存在许多这样或那样的问题。显然，现有城市交通管理急需一种更先进技术以及基于这种技术的智能化管理手段和管理方法。

技术实现思路

1、本发明利用新一代有源rfid技术ldsw(low duty cycle smart wireless)，和现有的宽带移动网络，构建一个覆盖整个城市道路的ldsw读写网络，该网络是由安装在道路上的电子车牌网关读写器、安装在每辆车上的电子车牌，以及与所有网关读写器连接的交通管理后台组成；网关读写器布置在城市道路的每一个路口处，当两个路口距离较远时还可在两个路口之间增设网关读写器，以增加车辆定位精度；参见图1，网关读写器用于与途经该网关读写器的电子车牌进行通信，其通信内容包括但不限于网关读写器读取电子车牌的id信息，车辆行驶限制标识信息，以及车辆行驶方向信息等。其通信方式满足ccsa《低占空比物联网智能终端通信技术要求》的标准；另外，驾驶员还需要一个安装了与城市交通管理后台连接的手机app，用于下载与其行程相关的实时路况信息。

2、系统工作原理

3、本发明系统使用这种方式来实现对道路上行驶的每辆车的实时定位，并因此获得任何时候任何路段上，不同方向上的实时车流量状况信息；车辆行驶方向的确定，是依赖电子车牌与每个网关读写器进行信息交流的时间先后来确定的；系统将每个路段上不同时间段和不同方向上的车流量信息按照畅通或拥堵程度的不同，划分成若干个等级，从而形成一张不同路段拥堵情况随时间变化的车辆实时行驶导航图。这张导航图与通过各种手机导航软件得到的车流量导航图不同，它是基于在城市中行驶的每辆车(车牌号)，每个时刻所在的准确位置而得到的；而不是通过特殊车辆上安装的gps，以及各种手机导航软件提供的定位信息推演出来的；本发明系统将按照每辆车通过不同拥堵等级路段(包括行驶方向)的时间长短获得不同分值；这个分值将被记录在每辆车的一个专门账户中，系统将根据这个分数值，按照与之匹配的行政管理手段，对车辆进行智能化和精细化的收费管理，分值越高，收费越多，汽车不上路不收费，包括保险费(这也是特斯拉汽车保险公司对国内汽车保险公司提出的挑战)；所有车辆驾驶员都可通过系统管理平台提供的手机app，获取这个实时导航图，并当驾驶员输入本次驾驶的目的地后，它将自动提示你所选择的行驶路线的分数和所需时间，并最终按照车辆的实际行程来计分。图2是城市不同路段，某个时间段在某个方向上的拥堵情况示意图。这里我们将每个路段上拥堵等级用不同颜色来表示。这里需要说明的是，这个图将随时间而变化，且同一路段不同行驶方向拥堵情况也将不一样，因而通行时间也就不一样。

4、电子车牌中车辆行驶限制标识信息，标明了该车上路是否合法，以及针对它在行驶区域和时间上的限制性信息。例如，车主人是否通过手机app和nfc通道，在行驶限制标识区写入了“不可移动”的标识，或只能在某个区域内移动的限制信息，或者车管所需要定期更新的注册登记信息等。同样，对于重型车辆、运渣车、危险品车、救护车、运钞车等属于特殊类型或具有特殊功能的车辆，车管所还将写入该车在不同时间段行驶区域限制标识信息。与此同时，系统需要网关读写器在读取到这些信息时采取相应的措施，或者记录并上传它们的违规通过该网关读写器的时间，并以此为依据，再结合视频记录对他们进行罚款，或者网关读写器通过合适的方式，向驾驶员发出警示信息，包括不限于通过驾驶员手机，与网关读写器连接的广播喇叭，或带有语音播放功能的特殊车辆专用电子车牌等。另外，具有拦截功能的网关读写器还将对其中的一些车辆，例如失窃车辆等采取拦截措施。

5、最重要的是，本发明系统中电子车牌与所述网关读写器进行信息交流，来决定所述车辆是否是失窃车辆，是否具有合法上路的资格，或在该路段、该时间段具有合法行驶的权利的车辆行驶限制标识信息，是预先由车主或道路管理当局以不同方式通过密码写入电子车牌，再由电子车牌随身携带的，而不是临时由交通管理平台，通过网络来通知所有网关读写器某个id的电子车牌不具有合法上路的资格；因而本发明方法中的网关读写器可以不依赖网络独立工作。这与传统车辆管理方法，例如防盗管理完全不同。例如传统二轮车防盗管理方法中，是先由车主报警，然后再由管理平台通知每个网关读写器去跟踪找寻失窃车辆的位置，是一种被动的费时费力“跟随追踪”的防盗方法。这不仅需要大量的网关读写器对失窃车辆进行精确定位，而且还需要它们处于联网状态才能工作，而本发明所采用的防盗方法，则是“守株待兔”的方法，只需在有限数量的车辆必经要道处安装一个，不必联网的“执法网关读写器”，就可以实现对车辆包括防盗在内的各种执法管理了。

6、为了确定每辆车的行驶方向，电子车牌中还有一个标明电子车牌行驶方向的数据信息，至少包括该电子车牌与上一个网关读写器交流信息的时间及网关读写器编号，以及本次行程的目的地。参见图1

7、本发明系统对现在普遍采用的“一刀切”限号行驶的政策做了改进，包括所有当天限号行驶的车辆，都可以合法地在道路上行驶，但当它们在行驶在不同拥堵路段时，其所获得的分数将会比不受限号行驶车辆高得多；具体措施将由管理当局按照使用情况进行调整，以期达到最好的效果；另外，本发明系统还可根据每个城市的不同情况，通过调整拥堵路段分值的办法，采用纯粹经济手段来代替限号行驶政策，实现城市车辆精细化和智能化管理。

8、这里的电子车牌一般由一个2.4g的低功耗无线收发机和一个单片机组成，另外还有一个加速度传感器与这个单片机连接，单片机中至少储存有唯一的电子车牌id编号，以及与该车上路行驶管理的相关信息，包括但不限于该车行驶限制标识信息，车主联系方式等信息等；电子车牌平常处于周期性睡眠，苏醒后在一个公用的监听频道上监听信号瞬间的工作方式，与此同时还叠加了一个由电子车牌中加速度传感器激活产生的，在另一个工作频道上发射有限次数的信号后再监听回执信号的过程。而这里所述的回执信号，只有处于繁忙路口的网关读写器才会发射，以减少可能的信号碰撞。参见图3

9、在需要的时候，在开启每个驾驶行程前，系统会要求每个驾驶员们将自己的手机号码(身份信息)，写入电子车牌(包括写入时间)，以记录每次驾驶该车的驾驶员的身份信息；这里的写入方法，包括，但不限于通过驾驶员手机app，利用手机和电子车牌的nfc功能，或通过车主自己专用的可以与电子车牌通信的按键标签，或ldsw手机背夹等方式写入；这个驾驶员身份信息是不可或缺的，否则，当网关读写器没能读取到这个信息时，将通过车主手机通知车主，并认为此车为非法上路车辆，并将采取相应措施。

10、对于城市中容许路边停车的区域，安装在可停车路段每个进出口的网关读写器，还需要将在区间停留超过一定时间的车辆id记录下来，包括他们停留的总时间，作为区间停车收费的依据，必要时再配上摄像头加以视频验证。参见图4

11、针对特殊类型或具有特殊功能的车辆，所述电子车牌还具有语音通信功能，在网关读写器通过读取车辆的行驶限制标识信息后，当需要提醒驾驶员他已来到禁行区时，网关读写器便可以利用电子车牌的这个功能，向驾驶员发出语音警示信息，而这里所述的电子车牌，还与cat1网络模块连接，并实现通过移动网络与管理后台的通信，管理后台便可通过这个通道，随时根据需要来更改电子车牌中的行驶区域及通信时间段限制信息；此时，电子车牌将采用可充电电池或外供电方式供电。

12、本发明的基本思路，就是利用覆盖整个城市道路的新一代ldsw有源rfid系统，来获取城市道路上行驶的每辆车，在任何时候的精确位置及其行驶方向，从而得到城市中任何一个路段，在一天中不同时间段的拥堵情况的精准信息；并将道路拥堵情况划分为不同等级，每辆车在每个行程中经过所有不同拥堵等级的路段，以及通过这些不同拥堵路段的时间，将作为市政交通管理当局使用经济杠杆的手段，来达到鼓励车辆避开高峰期出行，并在出行时尽可能绕过拥堵路，最终实现城市道路高效利用的科学依据；与此同时，对那些因各种原因很少开车上路，甚至很长时间都不开车上路的车主，市政交通管理当局以及保险公司将根据这些实时数据，减免这些车辆的道路使用费和保险费。

13、针对不同的具体应用，本发明还将电子车牌赋予了不同的功能，包括联网功能，语音通信功能等，以便与市政交通管理当局，可以通过网络直接修改车辆行驶限制标识信息，并与车主及时交流；车主也可通过一种简易的方法，包括不限于手机nfc，ldsw手机背夹等方式，写入“本车限制移动”，从而用“软件锁”的方式来实现车辆防盗。

14、系统的可实施性

15、ldsw新一代有源电子标签技术，是一个十分成熟的技术，涉及40多项国内外发明专利，ldsw不仅为国际标准化组织所接受，(参阅iso有源电子标签2010年9月14日法国图卢兹国际会议官方文件资料)而且经过多年的实际应用的检验。包括由交通部组织的2006-2007年间由国家电子标签质量监督检验中心，以及北京交通部交科研究设计院负责的实验室性能测试和连续三次在河南郑州高速公路上的现场功能测试，无一不说明了它的可靠性。2010年9月由国家有源电子标签标准化工作组成员北京航空航天大学所做的计算机模拟防碰撞试验报告，以及我们自己所做的海量标签防碰撞试验，都说明ldsw处理海量标签的能力(使用20个字节包长)远大于30个/秒，完全能够应付任何现有的城市最大交通流量<15辆/秒＝54000辆/小时。ldsw近距离标签与网关读写器的双向通信能力，根据国家有源电子标签产品质量监督检验中心的测试结果为365米(上行)/680米(下行)参阅相关测试报告。

16、基于ldsw技术的《低战空比物联网智能终端通信技术要求》已于2021年9月，被工信部正式批准为国家重点支持的物联网通信技术标准。

17、本发明的有益效果

18、在使用ldsw技术获得实时流量信息，每辆车在城市道路某个路段上的位置信息，以及其在该路段上行驶方向的精确信息后，就可以建立起一个实时和更加精确地数学仿真模型，为城市道路的高效利用，红绿灯变化，以经济杠杆为手段的车辆管理(包括保险费，拥堵费征收等)以及导航管理提供最有效手段。

19、除此之外，我们还可以根据以上信息来实现：

20、a.向城市各种车辆的拥有单位提供车辆考勤和调度管理的有偿服务服务。(例如公交车，出租车，救护车，送货车，维修服务车，政府机关公用车辆等)。

21、b.对失窃车辆和违法车辆，欠费车辆，克隆出租车进行定位跟踪和拦截。

22、c.由于我们的数据采集是24小时全天候的，因此，当交通事故或可能的涉及车辆的刑事犯罪发生后，我们可以很容易根据时间和地点找出相关责任车辆。

23、d.由于在每辆车上都安装了标签，这将带来其它许多车辆管理上的好处。

24、包括不停车自动收费，自动门禁管理等。

25、我们谨以几个典型的例子为例，来进一步加以说明：

26、1.可实现车辆行驶路径的跟踪和定位：车载标签可以清楚记载车辆的实际行驶路线，从根本上解决了当前收费公路严重存在的逃费问题，以及许多地区因集资修路，以及公路管辖地区划分不同所造成的使用大量etc龙门架来划分路费收取难题。

27、2.本发明可以完全取代现有收费系统，从而节约大量国家人力和物力资源，实现真正意义上的不停车收费：将车主的是名字手机号码，与车辆的电子车牌id捆绑在一起。我们将清楚知道每辆车实际行驶的路径，应该缴纳的费用，因而，仅仅从收费角度考虑，我们完全可以不再需要任何收费站，从而大大减少因收费导致的巨大额外开支。也可轻松解决现有海南省高速公路，因没有收费站而带来的收费困扰。