阅读说明：本技术 一种高速公路etc性能快速检测车系统 (Highway ETC performance short-term test car system ) 是由 周晓旭 刘晓 韩昱 李永胜 孙贝 刘博� 薛春明 段英杰 霍尚斌 于 2020-05-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高速公路ETC性能快速检测车系统,通过ETC性能检测模块和轮速编码器采集等间距标准阵列天线的ETC射频物理信息和检测车的轮速和车速信息,构建ETC射频采集信息与采集点位置之间的映射关系进行数据处理得到车道路面的场强分布情况后得到ETC天线安装的纵向偏角、俯角和安装高度。本发明能够实现高速公路在正常交通环境下,不停车、不封路对收费站和门架系统的ETC性能进行快速自动检测、分析和评估,为ETC的稳定运营和科学管养提供技术依据和解决方法。(The invention discloses a highway ETC performance rapid detection vehicle system, which acquires ETC radio frequency physical information of an equidistant standard array antenna and wheel speed and vehicle speed information of a detection vehicle through an ETC performance detection module and a wheel speed encoder, constructs a mapping relation between ETC radio frequency acquisition information and an acquisition point position, and performs data processing to obtain a field intensity distribution condition of a lane road surface to obtain a longitudinal declination, a depression angle and an installation height of ETC antenna installation. The invention can realize rapid and automatic detection, analysis and evaluation of ETC performance of toll stations and portal systems on highways without stopping or closing roads under normal traffic environment, and provides technical basis and solution for stable operation and scientific management and maintenance of ETC.)

一种高速公路ETC性能快速检测车系统

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，特别涉及一种高速公路ETC性能快速检测车系统。

背景技术

随着国家取消省界收费站交通战略的实施，我国高速公路基本实现了ETC车道全覆盖，收费模式也基本完成了由原来的封闭收费向分段自由流收费过渡。面对全国路网如此数量巨大的收费站和门架系统的ETC车道，其ETC性能的优劣直接影响着收费系统的稳定运行，因此，需要对ETC设计参数、指标、性能等内容进行综合且全面的测试来保障ETC系统运行正确性和有效性的关键。

目前，对于高速公路ETC性能检测主要依据《电子收费专用短程通信》(GB/T20851–2007) 标准，检测人员使用手持频谱仪通过人工、单点、抽检等方式对ETC进行检测，该方法检测效率低，过程耗时长，并且需要进行封路处理，存在巨大安全隐患，一方面，每一次检测需要投入大量的检测和安全人员及相关的安全设施，一般流程为准备封路、安全设施布置、实施检测、检测完成、恢复通行，整个检测过程费力耗时，尤其针对现高速公路ETC门架系统的运行检测，传统检测方式难以开展；另一方面，现有检测手段自动化程度低、主要以单点式和人工式为主，数据处理也以纸质对的数据表格形式呈现，缺乏系统性的数据管理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速公路ETC性能快速检测车系统，能够实现高速公路在正常交通环境下，不停车、不封路对收费站和门架系统的ETC性能进行自动检测、分析和评估，为ETC的稳定运营和科学管养提供技术依据和解决方法。

技术方案：

一种高速公路ETC性能快速检测车系统，ETC性能检测模块和轮速编码器采集等间距标准阵列天线的ETC射频物理信息和检测车的轮速和车速信息，构建ETC射频采集信息与采集点位置之间的映射关系，所述ETC射频采集信息包括物理性能指标和协议指标，并以检测车自动采集结束后采集点的路面中心线为坐标系建立三维ETC射频采集数据矩阵D：

D＝{X-x_r，Y，S}

X＝{x₀，x₁，…，x_m}^T

Y＝{y₀，y₁，…，y_n}^T

S＝{S₀₀，S₀₁，…，S_mn}^T

式中，x为车道标横向坐标位置集合，由等距标准天线距离确定，其标准天线数量为m； x_r为检测车中心与车道中心之间距离差，由全景相机采集标线位置像素距离确定；y为车道纵向ETC采集点纵向坐标集合，由单位采集频率下的检测车行车距离确定；S为采集的ETC 场强信息集合；

在车道纵向上按每隔距离L提取ETC场强最大值实现轮廓提取形成新矩阵D_L:

D_L＝{X-x_r，Y_L，S_L}

X＝{x₀，x₁，…，x_m}^T

Y_L＝{y_L0，y_L1，…，y_Ln}^T

S_L＝{S_L00，S_L01，…，S_Lmn}^T

基于S_L，以X向量为轴，构建表示每个X_i对应的Y-S平面的矩阵D_LD：

D_LD＝{(x₀,y_1,2,…,n,S_00,01,…,0n),

(x₁,y_0,1,…,n,S_10,11,…,1n),…,

(x_m,y_0,1,…,n,S_m0,m1,…,mn)}

对D_LD矩阵的X向量进行自适应滤波器进行滤波运算，采用LMS算法对数据进行处理消除信号传播过程中随机噪声:

S_w(n-1)＝w_(n-1) ^Ty_(n-1)

e_(n-1)＝S_(n-1)–S_w(n-1)

w_(n)＝w_(n-1)+e_(n-1)y_(n-1)*

式中，y_(n-1)为前一组数据经过滤波窗后的结果；e_(n-1)为前一组数据滤波结果与实际数据的差值；w_(n)为新的滤波器参数，其中，S_(n-1)为前一组场强值滤波窗口处理后的结果；S_(n-1)为前一组场强原数据；y_(n-1)*为y_(n-1)的共轭矩阵；矩阵D_LD通过LMS滤波器后得到新的矩阵D_LDF矩阵形式与D_LD相同；

基于矩阵D_LDF对数据进行函数拟合，采用三级傅里叶级数形式的拟合计算出拟合系数以及反映拟合效果的参数R，其中R为拟合结果与原数据相关系数的平方值:

S_Li＝a₀+a₁cos(ωy_i)+b₁sin(ωy_i)+a₂cos(2ωy_i)+b₂sin(2ωy_i)+a₃cos(3ωy_i)+b3sin(3ωy_i)

式中，S_Li为拟合之后新的场强数据，a₀为傅里叶级数常数项系数，a_i为余弦项系数，b_i为正弦项系数，ω为三角函数的角频率；

或者采用一阶函数拟合法，逐点计算出场强在当前距离的一阶导数:

S_Li＝a_iy_Li+b_i

通过拟合方法得到表示数据分布特性的函数后，按固定间距对其进行插值获得新的拟合矩阵D_Fit：

D_Fit＝{X_Fit-x_r，Y_Fit，S_Fit}

X_Fit＝{x₀，x_Fit1，…，x_Fitm}^T

Y_Fit＝{y_L0，y_Fit1，…，y_Fitn}^T

S_Fit＝{S_Fit00，S_Fit01，…，S_Fitmn}^T

基于拟合矩阵D_Fit针对不同S_Fit场强值，通过最小二乘法数值拟合出不同场强下的ETC 场强数据分布函数F(x,y,S)，即获得车道路面的场强分布情况。

进一步的，基于分布函数求出场强最大值的坐标(x_max，y_max，S_max)计算出ETC天线安装的纵向偏角和俯角，其中：

θ_偏角＝arctan((x_max)/(y_max))

θ_俯角＝arctan(h_安装/(y_max))

式中，h_安装为ETC天线的安装高度。

本发明所取得的技术进步：

1)检测可实现不停车、不封路工况下的ETC性能的检测，有效降低检测过程的安全隐患；

2)整个检测过程不受检测车速限制，单次检测时间可以降低到秒级，检测效率高效快捷；

3)ETC性能检测数据能够覆盖整个路面，数据量大且完整，可有效反映ETC性能真实状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。

图1为高速公路ETC性能快速检测车系统的整体结构示意图。

图2为高速公路ETC性能快速检测车系统内部各系统连接示意图。

图3为高速公路ETC性能快速检测车系统的检测过程示意图。

图4为天线升降装置的结构示意图。

图5是ETC信号检测信息处理流程图。

附图标记说明：

检测车体-1；4G/5G模块-2；全景摄像机-3；ETC性能检测模块-4；液压泵装置-5；UPS 电源-6；车载发电机组-7；轮速编码器-8；通信模块-9；计算服务器-10；北斗/GPS模块-11； ETC通信监听模块-12；标准射频线-13；标准天线装置-14；天线托举机械结构-1301、升举装置外壳-1302、液压缸-1303、标准天线外壳-1304、天线底座-1305、天线移动装置-1306、升降导管-1307、升降导环-1308；从动齿轮机构-13061；天线-16062；驱动链条-13063；步进电机-13064；驱动齿轮-13065。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种高速公路ETC性能快速检测车系统由ETC性能检测子系统、视频监控子系统、车载电源子系统、天线液压升降子系统、通信子系统、检测车状态监测子系统、计算服务器及上位机软件、检测车体。它们之间的通信连接关系是：计算服务器及上位机软件通过通信子系统的网络接口分别与ETC性能检测子系统、视频监控子系统、车载电源子系统、天线液压升降子系统、检测车状态监测子系统的通信接口进行物理连接，构建通信链路，实现对各子系统的控制和状态监听；它们之间的供电连接关系是：车载电源子系统通过电源适配器、和电源动力线及各类接口电路为上述子系统提供所需的直流或交流电源。

高速公路ETC性能快速检测车系统的ETC性能检测子系统由ETC性能检测模块、标准天线装置、标准射频线和ETC通信监听模块组成，主要实现ETC物理性能指标检测和协议监测。ETC物理性能指标主要包括ETC工作频率、信号强度、占用带宽、调制深度、载波频率等物理性能参数，由ETC性能检测模块、标准天线装置、标准射频线组成的采集系统实现；ETC协议监测主要实现ETC交易空中数据的监测和存储，并能够解析协议，由ETC通信监听模块实现。

ETC性能检测模块是一种能够采集ETC物理性能的5.8GHz射频频谱数据的仪器模块，可实现多路毫秒级射频数据的并发高速采集；标准天线装置由在5.8GHz带宽范围***频信号具有稳定增益的多个等距布置的标准阵列天线、外壳及附属连接结构组成，其长度与单车道等宽或接近，使其宽度上能够在检测运行时覆盖整个车道路面。标准天线通过外壳及附属连接结构安装于检测车体前部伸出天线托举机械结构上，该天线托举机械结构上安装了液 (气)压缸，可由液(气)压缸实现标准天线装置一定高度上的升降；标准射频线为5.8GHz 损耗已知的射频连接线。ETC性能检测模块安装于检测车体内机柜内，采集端通过标准射频线与安装检测车体前部的标准天线装置连接，通信端通过通信模块与计算服务器连接。

ETC通信监听模块是一种能够监听ETC空中数据的模块，对被检测的ETC信号进行协议解析，通过接口输出到上位机，并通过计算服务器的上位机软件内置算法进一步诊断ETC 通信状况，优选的，该模块具有声光报警功能，该模块安装于检测车体前挡风玻璃处，通信上通过通信模块与计算服务器连接。

高速公路ETC性能快速检测车系统的视频监控子系统，该系统由安装在检测车体前上部的全景摄像机实现，在检测车工作过程中，全景摄像机开启采集模式，实时采集收费站和门架系统的影像记录，便于日后追溯；采集标线位置用于修正ETC采集过程车辆行驶位置；同时，也可作为ETC标志标线损坏和演变情况记录。

高速公路ETC性能快速检测车系统的车载电源子系统，该系统由UPS电源(不间断电源)和车载发电机组组成，UPS电源为由高功率密度的电池组和控制器组成，车载发电机组为汽油或柴油发电机等具备充电或发电能力车载发电装置等，通过UPS电源和车载发电机组共同作用为整个车载仪器和设备提供稳定直流或交流电源。

高速公路ETC性能快速检测车系统的天线升降子系统由安装于检测车体内部的液压 (气)泵装置及附属油(气)路、车辆底盘伸出部分天线托举机械结构及液(气)压缸组成，可通过上位机软件控制实现标准天线装置的高度上的升降，天线升降的高点为模拟车辆OBU 安装高度，通常为1.2～1.4米，天线升降的低点为不影响驾驶人员视线的高度。该天线在ETC 性能检测开启时，天线在升到高点状态，检测停止和不使用时，天线降低到低点状态。

高速公路ETC性能快速检测车系统的通信子系统由交换机和串口服务器组成的通信模块、4G/5G模块组成，通信模块主要用于计算服务器及上位机对各个仪器设备模块的通信和控制；4G/5G模块主要实现远程数据交互，优选的，实现与远程数据云端服务器的交互。

高速公路ETC性能快速检测车系统的车辆状态监测子系统由轮速编码器和北斗/GPS模块组成，上位机通过实时采集轮速编码器和北斗/GPS模块的车速、位置和时间等，通过智能算法，将ETC射频信号采集的数据在时空维度下与行车距离形成数学映射关系；同时，北斗 /GPS模块至少为具备北斗定位和GPS定位功能或协同定位功能，用以实现检测车辆及收费站和门架系统ETC的地理定位，便于ETC检测数据的信息管理。

高速公路ETC性能快速检测车系统的计算服务器及上位机软件是整个检测系统的控制中心，其中，计算服务器具有大容量存储、高性能计算、高带宽及千兆及以上网络接口，能够满足高性能运算处理和快速的网络吞吐能力；同时，该计算服务器上安装ETC性能快速检测系统上位机软件和数据库，实现能够对上述所有硬件设备进行控制和监测，并对采集的数据进行数据处理、数据库存储及可视化展示；并可通过4G/5G模块与云平台进行信息的互联互通。

高速公路ETC性能快速检测车系统的检测车体通过车辆改装而成，并为上述硬件设备提供车辆安装载体，能够将上述各种仪器设备安装、固定和承载在车辆底盘和车内。

实施例一

如图1和2所示，是高速公路ETC性能快速检测车系统的整体结构示意图和内部系统的控制连接示意图。高速公路ETC性能快速检测车系统是由ETC性能检测系统、视频监控系统、车载电源系统、天线液压升降系统、通信系统、检测车状态监测系统、计算服务器及上位机软件、检测车体。它们之间的通信连接关系是：计算服务器及上位机软件通过通信系统的网络接口分别与ETC性能检测系统、视频监控系统、车载电源系统、天线液压升降系统、检测车状态监测系统的通信接口进行物理连接，构建通信链路，能够实现对各系统的控制和状态监听；它们之间的供电连接关系是：车载电源系统通过电源适配器、和电源动力线及各类接口电路为上述系统提供所需的直流或交流电源。

其中，ETC性能检测系统由ETC性能检测模块4、标准天线装置14、标准射频线13和ETC通信监听模块12组成；视频监控系统由安装在检测车体前上部的全景摄像机3及其连接线组成；车载电源系统由UPS电源6和车载发电机组7组成；天线液压升降系统由安装于检测车体内部的液压泵装置5及附属油路、车辆底盘伸出部分天线托举机械结构及液压缸15 组成；通信系统由交换机和串口服务器构成的通信模块9组成；检测车状态监测系统由轮速编码器8和北斗/GPS模块11组成；计算服务器10上安装了本系统的上位机控制软件，计算和控制上述所有硬件设备；检测车1为上述硬件设备提供车辆安装载体，能够将上述各种仪器设备安装、固定和承载在车辆底盘和车内。

如图4所示，天线升降装置由天线托举机械结构1301、升举装置外壳1302、液(气)压缸 1303、标准天线外壳1304、天线底座1305、天线移动装置1306、升降导管1307、升降导环 1308组成。天线托举机械结构1301用来与车辆底盘进行机械连接，使天线升降装置固定到车辆上；升举装置外壳1302用来将所有天线包装其内部，保护天线升降装置内部各个部件；液压缸1303用于实现标准天线的升降，并通过升降导管1307和升降导环1308实现液压缸 1302升降过程的导向；标准天线外壳1304是由对5.8射频信号穿透率好、损耗低的材料制成，标准天线按固定间距安装其内部，并对内部器件进行结构性防护，具有防水和防尘功能；天线底座1305是用来安装天线移动装置1306的机械结构，固定于标准天线外壳1304上。天线移动装置1306主要实现阵列标准天线的横向移动，使本系统能够根据检测需要调整阵列天线的横向间距，本实例采用步进电机13064驱动齿轮13065带动从动齿轮机构13061和驱动链条13063转动，使固定在链条13063上的天线16062随步进电机13064转动而进行横向移动，其中，移动距离为转过的弧度和齿轮半径的积。

使用过程：检测开始时，标准天线外壳1304被液压缸1302升举到指定位置，如检测人员需要对标准天线进行调整，通过控制步进电机13064驱动链条13063使多组标准天线16062 按指定位置移动，然后开始ETC数据采集，检测结束时，标准天线外壳1304由液压缸1302 降至升举装置外壳1302内部。

如图3所示，使用人员驾驶检测车1在被检测的ETC系统车道中间位置行驶，上位机软件控制液压缸15使标准天线装置14升到采集预定的高度，当ETC性能快速检测装置进入ETC信号覆盖区域时，ETC通信监听模块12获取到ETC发出的唤醒信息并通过内置的声光报警模块提示驾驶员进入ETC检测区域，同时，通知上位机软件自动开启ETC信号采集功能，对ETC性能检测模块4、轮速编码器8、北斗/GPS模块11、全景摄像机3进行实时采集，获取采集时间、车速、地理位置、环境照片、ETC场强、工作频率、占用带宽等实时数据，当ETC通信监听模块12监听到ETC系统通信信息丢失时，ETC性能检测模块4采集的射频场强低于一定的阈值，上位机软件控制各类采集模块停止采集，进一步，通过上位机软件利用本发明提出的检测方法计算出各种ETC性能指标(物理性能指标和通信协议指标)，并将各种采集数据和运算数据存入计算服务器内置的数据库内，同时，通过4G/5G模块将采集数据进行云端服务器发送，最终实现ETC性能检测的快速检测。整个检测车1在运行过程中，上位机软件需要对GPS信息、车载电源状况、液压泵压力状况等指标进行实时监控。

当ETC性能快速检测车1进入ETC信号覆盖区域时，上位机软件通过ETC性能检测模块4和轮速编码器8采集标准天线装置14内等间距标准阵列天线的ETC射频物理信息和检测车1的运动状态(轮速、车速等)，构建ETC射频采集信息(物理性能指标和协议指标) 与采集点位置之间的映射关系，并以检测车1自动采集结束后采集点的路面中心线为坐标系建立三维ETC射频采集数据矩阵D，如图5(1)所示：

D＝{X-x_r，Y，S}

X＝{x₀，x₁，…，x_m}^T

Y＝{y₀，y₁，…，y_n}^T

S＝{S₀₀，S₀₁，…，S_mn}^T

式中，x为车道标横向坐标位置集合，由标准天线装置14内等距标准天线距离确定，其标准天线数量为m；x_r为检测车1中心与车道中心之间距离差，由全景相机采集标线位置像素距离确定；y为车道纵向ETC采集点纵向坐标集合，由单位采集频率下的检测车1行车距离确定；S为ETC射频指标的采集信息集合。由于ETC检测指标除场强外，其余指标都与位置无关，其余指标由ETC性能检测模块直接采集，如工作频率、占用带宽、载波频率等。以下计算中S主要代指ETC场强。

在车道纵向上按每隔距离L提取一个ETC场强最大值，实现轮廓提取，形成新矩阵D_L:

D_L＝{X-x_r，Y_L，S_L}

X＝{x₀，x₁，…，x_m}^T

Y_L＝{y_L0，y_L1，…，y_Ln}^T

S_L＝{S_L00，S_L01，…，S_Lmn}^T

进一步地，基于S_L，以X向量为轴，构建可以表示每个X_i对应的Y-S平面的矩阵D_LD：

D_LD＝{(x₀,y_1,2,…,n,S_00,01,…,0n),

(x₁,y_0,1,…,n,S_10,11,…,1n),…,

(x_m,y_0,1,…,n,S_m0,m1,…,mn)}

进一步，对D_LD矩阵的X向量进行自适应滤波器进行滤波运算，采用LMS算法(最小均方算法)对数据进行处理，用以消除信号传播过程中随机噪声，如图5(2)所示。

S_w(n-1)＝w_(n-1) ^Ty_(n-1)

e_(n-1)＝S_(n-1)–S_w(n-1)

w_(n)＝w_(n-1)+e_(n-1)y_(n-1)*

式中，y_(n-1)为前一组数据经过滤波窗后的结果；e_(n-1)为前一组数据滤波结果与实际数据的差值；w_(n)为新的滤波器参数，其中，S_(n-1)为前一组场强值滤波窗口处理后的结果；S_(n-1)为前一组场强原数据；y_(n-1)*为y_(n-1)的共轭矩阵；矩阵D_LD通过LMS滤波器后得到新的矩阵D_LDF矩阵形式与D_LD相同；

进一步地，基于矩阵D_LDF，采用两种方法对数据进行函数拟合，根据拟合与实际分布符合情况，择优选取，如图5(3)所示。第一种采用三级傅里叶级数形式的拟合，针对数据矩阵，计算出拟合系数以及反映拟合效果的参数R，其中R为拟合结果与原数据相关系数的平方值。

S_Li＝a₀+a₁cos(ωy_i)+b₁sin(ωy_i)+a₂cos(2ωy_i)+b₂sin(2ωy_i)+a₃cos(3ωy_i)+b3sin(3ωy_i)

式中，S_Li为拟合之后新的场强数据，a₀为傅里叶级数常数项系数，a_i为余弦项系数，b_i为正弦项系数，ω为三角函数的角频率。

第二种方式采用一阶函数拟合法，逐点计算出场强在当前距离的一阶导数。

S_Li＝a_iy_Li+b_i

通过两种拟合方法，得到两组表示数据分布特性的函数后，按固定间距对其进行插值，获得新的拟合矩阵D_Fit，如图5(4)所示。由于数据采集场景的复杂性，上述两种拟合方法针对不同的环境，拟合效果各有优劣。对新构建的矩阵D_Fit与原先的矩阵进行比较，选取拟合效果较好的方法。

D_Fit＝{X_Fit-x_r，Y_Fit，S_Fit}

X_Fit＝{x₀，x_Fit1，…，x_Fitm}^T

Y_Fit＝{y_L0，y_Fit1，…，y_Fitn}^T

S_Fit＝{S_Fit00，S_Fit01，…，S_Fitmn}^T

进一步，基于拟合矩阵D_Fit针对不同S_Fit场强值，通过最小二乘法数值拟合出不同场强下的ETC场强数据分布函数F(x,y,S)，即可获得车道路面的场强分布情况，如图5(5)所示。同时，基于分布函数求出场强最大值的坐标(x_max，y_max，S_max)，进一步计算出ETC天线安装的纵向偏角和俯角，其中：

θ_偏角＝arctan((x_max)/(y_max))

θ_俯角＝arctan(h_安装/(y_max))

式中：h_安装为ETC天线的安装高度。

根据以上检测方法，最终实现ETC性能数据车道全信息数据获取。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。