技术领域
[0001] 本实用新型涉及
电子不停车收费（ETC）技术领域，尤其涉及一种能精确定位车辆和动态设置通信区域的ETC系统。
背景技术
[0002] 不停车收费系统(又称Electronic Toll Collection，简称ETC系统)是20世纪90年代后期出现的高新技术产品，是目前世界上最先进的收费系统。不停车收费系统是利用专用短程
微波通讯（DSRC，Dedicated Short Range Communication）技术，通过安装在车辆挡
风玻璃上的车载电子标签(OBU，On-Board Unit) 与安装在收费站ETC车道上的微波天线进行信息交换，实现车辆信息识别，采用电子支付方式自动完成车辆通行费扣除的全自动收费方式，从而整个收费过程无须停车取票和交费，大大缩短了车辆的过站时间，提高了车道通行能
力，加快了通行车速，降低了油耗和污染。最近几年，随着交通和环境压力猛增及国家相关部委政策出台， ETC产业的发展迅猛，全国各地ETC车道数量增长迅速，在2015年底基本实现全国ETC联网。然而，当前的ETC系统仍然存在不少问题，主要体现在以下几个方面：
[0003] （1）目前ETC系统一般采用环形线圈检测器检测和定位车辆以及触发天线唤醒、摄像机抓拍、自动
栏杆降杆等动作，而环形线圈检测器存在许多
缺陷：首先环形线圈检测器定位
精度不够高。因为检测车辆有效长度约等于车辆长度与线圈宽度的和，在车辆长度差别较大的情况，对有效长度范围内都判断为有车显然造成较大误差，而这必将对ETC系统的精确定位和及时响应有较大影响。而且不同车辆的底盘高度相差较大，使得环线线圈检测器顾此失彼，很难兼顾底盘高低相差太大的车型，特别是底盘较高的大型车会由于
车身材料分布不均匀引起线圈
频率变化不稳定而造成误检。另外，车辆经过不同线圈边缘或者邻近车道车辆靠近经过线圈时，也会发生“误触发”。对于多线圈检测系统，不同感应线圈之间存在相互干扰，相邻线圈的设置需要有一定的距离，占用空间较大，导致车辆定位只能是间断的几个区域，而且线圈往往响应缓慢，导致对车辆定位不准确，在车流拥堵车间距小于3m时其检测精度大幅下降。其次，线圈检测器的安装和维护比较困难，还需要中断交通，影响路面寿命，并且线圈很容易被重车和路面施工等损坏。最后，线圈易受
冰冻、路基下沉、盐
碱等自然环境的影响。
[0004] （2）
现有技术中通过分析多个接收天线接收到OBU
信号功率的不同来计算OBU的
位置信息，该方法受OBU发射天线方向性以及受定位接收天线一致性和天线安装
角度的影响，定位误差较大。另外，目前对于无OBU的车辆的定位局限于车辆检测器，定位精度不高。
[0005] （3）目前的ETC车道由于通信
覆盖区域范围及标签灵敏度的差异，当通信区域设置过长时存在多辆车同时处于天线通信区内的情况，若前端的车辆不能正常交易而后车可进行交易，就会出现前车被放行而后车被拦截的错误，导致交易成功率不高以及跟车干扰；当通信区域设置过短时，对于电子标签不够灵敏或车速过快的车辆，交易失败率较大，同时大大降低了ETC车道的通行速度及效率。另外，由于受到车主驾驶行为习惯和收费广场道路环境的影响，车辆在ETC车道上异常穿插的现象屡见不鲜，这种穿插行为若未能给予准确识别和妥善处理，极易导致车辆误放、逃费，对ETC车道的正常运营造成影响。
[0006] （4）由于ETC车道是一条专用、快速的车道，车辆通行的便捷和畅通是其优越性的一大体现。但实际应用中，由于盲区、交易区间小等问题的存在，容易导致车辆出现交易不畅或未能完成交易等情况，车道的通行效果不佳，目前ETC车道通行车速一般只能保持在20km/h以内，这不能很好的解决高速公路的拥堵情况。
[0007]
专利号为CN102565758A的中国实用新型专利公开了“ETC系统中车载单元的定位装置和方法”，该实用新型通过至少两个不同位置的天线接收到同一车载单元微波信号的起始时间及位置信息来确定该车载单元的位置信息，虽然能使定位精度不受车载单元发射天线性能和定位接收天线一致性的影响，提高定位精度，但该实用新型需要采用多个天线增大了成本和复杂度，且只能定位ETC车辆位置，不能解决非ETC车辆进入ETC车道的处理问题。专利号为CN103456047A的中国实用新型专利公开了“基于车辆动态检测技术的电子不停车收费车道系统及方法”，该实用新型根据传统的车辆检测
传感器反馈的车辆位置信号和微波反馈的信号构建车辆队列信息，可以进一步提高对车队的整体处理效率，提高对车辆异常通行行为捕捉的准确性和及时性，但是传统的车辆检测器，特别是环形线圈检测器，数量较多，安装和布设复杂困难，对车辆定位的精度还有待进一步提高。专利号为CN103021035A的中国实用新型专利公开了“一种使用
激光雷达的长通信区域电子不停车收费系统”，该实用新型确实能够保证一定程度的车辆通行速度和交易成功率，降低跟车干扰几率，但由于通信区域固定，无法自适应不同OBU灵敏性和车辆速度，通信区域内还是可能存在多辆车辆而出现跟车干扰。
[0008] 因此，在充分考虑和分析现有ETC系统存在的问题
基础上，本实用新型公开了一种精确定位车辆和动态设置通信区域的ETC系统及方法，可有效解决现有的上述问题。实用新型内容
[0009] 本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种能精确定位车辆和动态设置通信区域的ETC系统，可以全面解决因定位不准和通信区域限制造成的跟车干扰、
邻道干扰、倒车和插队问题、交易成功率不高以及通行车速过低的问题。
[0010] 本实用新型通过下述技术方案实现：
[0011] 一种能精确定位车辆和动态设置通信区域的ETC系统，包括主控机以及与其相连的路侧读写设备、车牌识别设备、信息显示设备、自动栏杆，其特征在于：还包括与主控机相连的激光
扫描仪，所述激光扫描仪通过安装
支架布设在ETC车道上方，并使其扫描区域平面平行于车道行车方向，用于获取实时车辆定位信息、车辆纵向轮廓信息；所述路侧读写设备包括通过安装支架布设在ETC车道上方或者侧装在与所述安装支架同一横向位置的收费岛上的通信天线和天线
控制器，所述天线控制器与通信天线及主控机
电路相连；所述主控机用于通过结合所述实时车辆定位信息、车辆纵向轮廓信息、通信天线对OBU的定位信息所确定的车辆OBU所在位置控制天线控制器触发通信天线动态设置通信区域，使投射到车道的通信区域的长度与通信车辆的实时车辆定位信息、车辆纵向轮廓信息相匹配，并完成车辆队列构建和车型识别以及有效OBU车辆的交易、无效OBU车辆和无OBU车辆的辨识。
[0012] 本方案中所述激光扫描仪获取的实时车辆定位信息可作为通信天线触发的位置信息、车牌识别设备触发和抓拍的位置信息以及车辆离开自动栏杆的位置信息。所述激光扫描仪的扫描区域覆盖ETC车道的整个可通信区域，当车辆进入ETC车道时先进入所述扫描区域，触发通信天线启动；当激光扫描仪检测到车辆前进到所述车牌识别设备动作位置，触发摄像机迅速抓拍图像；当激光扫描仪检测到车辆驶离自动栏杆降杆动作位置，触发自动栏杆及时降杆。本方案的所述激光扫描仪获取的车辆定位信息的精度在0.1m以内，相比传统的环形线圈检测器大大提高，且更加稳定可靠，使得触发或抓拍动作更加精准及时。这样兼顾ETC车辆和非ETC车辆的识别与处理，可以对所有可通信区域的多个车辆按照顺序交易，很好的解决异常插队、跟车干扰等问题，且大大增加通车速度。本方案可适用于多种不同的通信天线模式，可根据实际需要选择调整。
[0013] 进一步地，所述车辆纵向轮廓信息包括车辆长度、高度以及车体轮廓形状、车辆顶篷与前
挡风玻璃位置信息；所述实时车辆定位信息包括通过从车辆进入激光扫描仪扫描区域到离开自动栏杆期间车辆与激光扫描仪的实时距离测算所得的车辆当前位置信息、车辆速度信息及预测的车辆某一时刻的到达位置信息，所述实时车辆定位信息和车辆纵向轮廓信息可作为微波天线触发的位置信息、车牌识别设备触发和抓拍的位置信息以及车辆离开自动栏杆的位置信息。
[0014] 进一步地，所述通信天线为单个的微波天线，安装于所述安装支架上或者侧装在与安装支架同一横向位置的收费岛上，由所述激光扫描仪获取的实时定位信息及时触发，所述主控机根据所述激光扫描仪获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息控制天线控制器调节所述微波天线的功率大小，使其投射到车道的通信区域长度与通信车辆长度和速度正相关。本方案结构简单成本低，可以根据交易车辆长度和速度设定适当的通信区域大小，完全可以解决邻道干扰和跟车干扰，大大提高交易成功率，并增大车辆通行速度。
[0015] 进一步地，所述通信天线为
相控阵天线，安装于所述安装支架上或者侧装在与安装支架同一横向位置的收费岛上，并根据所述激光扫描仪获取的实时定位信息调节所述相控阵天线的方向，使其投射到车道的静态通信区域跟随通信车辆的实时位置同步改变，同时根据所述激光扫描仪获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息调节所述相控阵天线的功率大小，使其投射到车道的静态通信区域长度与通信车辆长度和速度正相关，本方案中相控阵天线投射的通信区域的大小和位置可随通信车辆的实时位置同步变化，实现较大动态通信区域的交易，保证足够长的交易时间，减少干扰，提高交易成功率和通行速度。
[0016] 进一步地，所述静态通信区域跟随通信车辆的位置移动所经过的区域形成动态通信区域，所述静态通信区域长度为3m~10m，所述动态通信区域长度为3m~30m，本方案方便适应不同车型、不同车流量情况下缴费交易，提高系统的适用性。
[0017] 进一步地，所述通信天线为不少于两组可以投射出覆盖车道不同通信区域的微波天线，安装于所述安装支架上或者侧装在与安装支架同一横向位置的收费岛上，所述微波天线根据所述激光扫描仪获取的实时定位信息控制所述天线控制器触发各组微波天线开闭进行不同通信区域的切换，同时根据所述激光扫描仪获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息控制各组微波天线的功率大小，使其投射到车道的通信区域的长度与通信车辆长度和速度正相关。本方案通过天线控制器进行不同通信区域的动态切换及功率调整，实现对通信区域位置的切换及长度的调整，实现较大动态通信区域的交易，保证足够长的交易时间，减少干扰，提高交易成功率和通行速度。
[0018] 进一步地，所述不同通信区域不重叠或部分重叠，全部可通信区域总长度为3m~30m，用于保证足够长的交易时间，提高交易成功率。
[0019] 进一步地，所述激光扫描仪数量为一台，通过单独的安装支架或与所述通信天线共用的安装支架布设于车道上方中间位置附近；
[0020] 或者，
[0021] 所述激光扫描仪数量为两台以上，全部激光扫描仪并列对称地通过一个单独的安装支架或者与所述通信天线共用的安装支架布设于车道上方中间位置附近，或者将部分激光扫描仪沿平行车道方向平移安装于沿车道方向设置的另一个或多个安装支架对应位置，使得两个或多个扫描区域平面并列平行覆盖车道中间位置两侧，相邻两个扫描区域平面之间的距离为0.2m~2.5m，增大扫描区域，避免只安装一台激光扫描仪时车宽较小车辆偏向车道一侧而检测不到车辆信息，又可以增大扫描区域的长度，也更有利于车辆位置精确定位和准确分离，提高系统的准确率与可靠性。
[0022] 进一步地，所述激光扫描仪的安装高度为5.5m~10m，所述扫描区域覆盖ETC车道的自动栏杆前方10m~50m至自动栏杆后方1m~10m的范围，提高扫描的数据的准确性和适用性，所述前方为朝向收费岛岛头的方向，所述后方为朝向收费岛岛尾的方向。
[0023] 进一步地，当所述激光扫描仪数量为两台以上且安装在不同的安装支架上时，所述安装支架之间的距离为1m~10m，最靠近自动栏杆的安装支架位于自动栏杆前方3m~10m，提高扫描的范围、准确性及适用性。
[0024] 本实用新型与现有的技术相比具有以下优点：
[0025] （1）利用激光扫描仪获取的实时车辆定位信息，如从车辆进入激光扫描仪扫描范围到离开栏杆期间车辆与激光扫描仪或者天线的距离，可以精确判断车辆的位置，同时可测算车速并预测车辆某一时刻的到达位置，参考微波天线对有OBU车辆的定位，再根据激光扫描仪获取的车辆轮廓和高度信息确定OBU在车辆前挡风玻璃安装位置的范围，即可精确定位所有可通信区域的车辆并准确判断车辆有无OBU或者OBU的位置范围，构建可通信区域通行车辆队列信息。这样兼顾ETC车辆和非ETC车辆的识别与处理，可以对所有可通信区域的多个车辆按照顺序交易，很好的解决异常插队、跟车干扰等问题，且大大增加通车速度。
[0026] （2）本实用新型利用激光扫描仪实现多种功能：准确分离车辆、精确定位车辆、测定行驶方向、测速并预测某一时刻车辆的位置，取代了现有系统的复杂的车辆分离器、车型分类设备和车辆检测器，使系统简单可靠，且还可以完成车型主动识别和行人判断，避免了大量的使用传感器造成的安装维护困难、系统冗杂以及众多传感器带来的不可靠性；本实用新型的激光扫描仪定位精准，可取代现有的各种车辆检测器的定位和触发功能，特别是环形线圈检测器，避免由于定位精度不够而造成的各种不可靠因素，例如线圈触发不精准导致的摄像机抓拍不准和栏杆机降杆迟缓，以及天线定位OBU不精准造成的读写交易不成功等，而且激光扫描仪安装维护方便简单，不需占用太多空间，不用破坏路面或者收费岛的完整性。
[0027] （3）本实用新型采用的激光扫描仪可配合相控阵天线或者多通信区域天线实现较大动态通信区域的交易，保证足够长的交易时间，同时由于静态通信区域可以根据交易车辆长度和速度设定适当的大小，完全可以解决邻道干扰和跟车干扰，大大提高交易成功率，并增大车辆通行速度。
[0028] （4）本实用新型中激光扫描仪获取的实时车辆定位信息和车辆纵向轮廓信息可作为通信天线触发的位置信息、车牌识别设备触发和抓拍的位置信息以及车辆离开自动栏杆的位置信息，且车辆定位信息的精度在0.1m以内，相比传统的环形线圈检测器大大提高，且更加稳定可靠，使得触发或抓拍动作更加精准及时。
附图说明
[0029] 附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
[0030] 图1是本实用新型中
实施例1的ETC系统的平面示意图。
[0031] 图2是本实用新型中实施例1的ETC系统的立体布局效果示意图。
[0032] 图3是本实用新型中实施例2的ETC系统的立体布局效果示意图。
[0033] 图4是本实用新型中实施例3的ETC系统的立体布局效果示意图。
[0034] 图5是本实用新型中实施例4的ETC系统的立体布局效果示意图。
[0035] 图6是本实用新型中实施例5的ETC系统的立体布局效果示意图。
[0036] 图中标识为：1-主控机；2-自动栏杆；3-信息显示设备；4-辅助刷卡设备；5-安装支架；6-激光扫描仪；7-通信天线；8-车牌识别设备；9-动态通信区域；10-静态通信区域；11-扫描区域；12-隔离柱；13-人工收费亭；14-远端通信区域；15-近端通信区域；16-固定通信区域。
具体实施方式
[0037] 下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0038] 实施例1
[0039] 如图1和图2(注：12-隔离柱和1-主控机在图中未标示)所示，一种能精确定位车辆和动态设置通信区域的ETC系统，包括主控机1以及与其相连的通信天线7、天线控制器、车牌识别设备8、辅助刷卡设备4、信息显示设备3、自动栏杆2、激光扫描仪6，所述激光扫描仪6用于获取实时车辆定位信息、车辆纵向轮廓信息，起到准确分离车辆、精确定位车辆和主动识别车型的作用，所述激光扫描仪6通过安装支架5布设在ETC车道上方横向方向的中间位置，高度为8米，其扫描区域11平面平行于车道行车方向，所述扫描区域11长度A为25m，覆盖ETC车道的自动栏杆2前方20m至自动栏杆2后方5m的范围，所述安装支架5位于自动栏杆2前方距离E为5m；所述通信天线7为相控阵天线，安装于所述安装支架5上，所述主控机1根据激光扫描仪6获取的车辆纵向轮廓信息和定位信息来精确定位车辆位置和调节相控阵天线的方向和功率，即所述主控机1根据所述激光扫描仪6获取的定位信息控制该相控阵天线的方向，使其投射到车道的静态通信区域10跟随通信车辆的位置移动，同时所述主控机1还根据所述激光扫描仪6获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息控制该相控阵天线的功率大小，使投射到车道的静态通信区域10长度与车辆长度和速度正相关，所述静态通信区域10跟随通信车辆的位置移动形成动态通信区域9，所述静态通信区域10长度D为4.5m，所述动态通信区域9长度B为15m；所述辅助刷卡设备4是自助刷卡机；所述信息显示设备3用于显示车辆入口、车型、费额、余额等信息以及各种提示信息和指挥车辆通行的信息，所述ETC车道入口两端设置有隔离柱12。
[0040] 具体来说，本实施例中，根据所述激光扫描仪6获取的实时车辆定位信息，如从车辆进入激光扫描仪扫描范围到离开栏杆期间车辆与激光扫描仪6或者相控阵天线的距离，可以精确判断车辆的位置并可测算车速及预测车辆某一时刻的到达位置，参考相控阵天线对有OBU车辆的定位并结合激光扫描仪6获取的车辆轮廓和高度信息确定OBU在车辆前挡风玻璃安装位置的范围，即可精确定位所有可通信区域的车辆并准确判断车辆有无OBU或者OBU的位置范围，构建可通信区域通行车辆队列信息。
[0041] 本实施例中所述实时车辆定位信息和车辆纵向轮廓信息可取代传统的环形线圈检测器的定位信息，作为通信天线触发的位置信息、车牌识别设备触发和抓拍的位置信息以及车辆离开自动栏杆的位置信息，精度在0.1m以内，相比传统的环形线圈检测器大大提高，且更加稳定可靠，使得触发或抓拍动作更加精准及时。
[0042] 在本实施例中，采用在ETC车道上可以投射动态移动的通信区域的相控阵天线，融合车牌识别设备的车型识别方式和辅助刷卡方式，既可以大大提高车型识别成功率，又可以判别军警免费车辆，加强ETC系统的多车型处理能力，即使出现由于天线故障或者读写失败的情况，也可以通过辅助刷卡方式收费，大大提高了ETC系统的适应性和容错性。
[0043] 实施例2
[0044] 本实施例除下述特征外同实施例1：如图3(注：12-隔离柱和1-主控机在图中未标示)所示，所述辅助刷卡设备4用人工收费亭13替代，这样就使ETC车道兼容MTC车道，也增强了ETC车道的处理能力，提高了资源利用率和通行能力。
[0045] 实施例3
[0046] 本实施例除下述特征外同实施例1：如图4(注：12-隔离柱和1-主控机在图中未标示)所示，所述激光扫描仪6数量为两台，分别设置在沿车道方向间隔设置的两个安装支架5上，两台激光扫描仪6的扫描区域11并列平行于车道行车方向覆盖于车道中间部位，且两个扫描区域平面之间的距离为1m，两个安装支架5之间的距离为5m；所述通信天线7为两组微波天线，安装于所述安装支架5上，可以投射出覆盖车道两个不同通信区域：远端通信区14域和近端通信区域15，可定位有电子标签（OBU）车辆，并根据所述激光扫描仪6获取的定位信息控制天线控制器进行远端通信区域14和近端通信区域15的切换，主控机1根据所述激光扫描仪1获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息控制两组微波天线的功率大小，使其投射到车道的远端通信区域14或近端通信区域15的长度与车辆长度和速度正相关，所述远端通信区域14或近端通信区域15不重叠，全部可通信区域范围总长度为15m。
[0047] 实施例4
[0048] 本实施例除下述特征外同实施例1：如图5(注：12-隔离柱和1-主控机在图中未标示)所示，所述通信天线7为单个的微波天线，安装于所述安装支架5上，可定位有电子标签（OBU）车辆，并根据所述激光扫描仪6获取的定位信息及时触发该微波天线，主控机1根据所述激光扫描仪6获取的车辆纵向轮廓信息和车辆速度信息调节该微波天线的功率大小，使其投射到车道的固定通信区域16的长度与车辆长度和速度正相关。
[0049] 实施例5
[0050] 本实施例除下述特征外同实施例1：如图6(注：12-隔离柱和1-主控机在图中未标示)所示，所述激光扫描仪6数量为两台，分别设置在沿车道方向间隔设置的两个安装支架5上，两台激光扫描仪6的扫描区域11并列平行于车道行车方向覆盖于车道中间部位，且两个扫描区域平面之间的距离为1m，两个安装支架5之间的距离为5m。这样使用两台激光扫描仪6通过两个安装支架5布设在车道行车方向不同位置，使得相应的两个扫描区域11平行覆盖车道横向方向中间部位的不同平面，既可以避免只安装一台激光扫描仪6时车宽较小车辆偏向车道一侧而检测不到车辆信息，又可以增大扫描区域的长度，也更有利于车辆位置精确定位和准确分离，提高系统的准确率与可靠性。
[0051] 本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
