一种高速公路etc智能检测车及其标定方法
阅读说明：本技术 一种高速公路etc智能检测车及其标定方法 (Highway ETC intelligent detection vehicle and calibration method thereof ) 是由 周晓旭 刘晓 刘悦 李永胜 段英杰 薛春明 刘博� 吴宏涛 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高速公路ETC智能检测车及其标定方法。检测车包括：协议监听天线、电子标签、云台相机、抓拍相机、取力发电机控制器、UPS、协议监听模块、北斗/GPS模块、4G/5G模块、升降机构控制器、频谱传感模块、轮速传感模块、激光雷达模块、天线升降机构、频谱传感天线阵和取力发电机。本发明能够实现不停车、不封路、不需要人工参与情况下,对收费站和门架系统的ETC系统性能指标的实时监测,获取空中交易时间、帧通信时间、帧数据、交易过程数据、交易成功率、占用带宽、载波频率、最大场强等指标和参数,并通过长期数据的积累和数据挖掘,实现对RSU是否正常运行、交易是否正常、交易失败原因、定位车道和门架软件漏洞等进行定位和判断。(The invention discloses an intelligent highway ETC detection vehicle and a calibration method thereof. The inspection vehicle includes: the device comprises a protocol monitoring antenna, an electronic tag, a pan-tilt camera, a snapshot camera, a power take-off generator controller, a UPS, a protocol monitoring module, a Beidou/GPS module, a 4G/5G module, a lifting mechanism controller, a frequency spectrum sensing module, a wheel speed sensing module, a laser radar module, an antenna lifting mechanism, a frequency spectrum sensing antenna array and a power take-off generator. The invention can realize real-time monitoring of ETC system performance indexes of toll stations and portal systems without stopping, closing roads and manual participation, acquire indexes and parameters such as air transaction time, frame communication time, frame data, transaction process data, transaction success rate, occupied bandwidth, carrier frequency, maximum field intensity and the like, and realize positioning and judgment of whether the RSU normally operates, whether the transaction is normal, transaction failure reasons, positioning lanes, portal software bugs and the like through long-term data accumulation and data mining.)
技术领域
本发明属于ETC技术领域，特别涉及一种高速公路ETC智能检测车及其标定方法。
背景技术
随着国家取消省界收费站交通战略的实施，我国高速公路基本上实现了ETC车道全覆盖，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相关性能指标的优劣直接影响着收费系统的稳定运行，因此，高速公路运营管理单位能够掌握ETC的物理性能和通信相关指标、参数是保障ETC稳定运行关键。
传统上，对于ETC性能检测主要采用检测人员通过人工、单点、抽检等方式进行，该方法检测效率低，过程耗时长，尤其对于门架系统的检测，需要进行封路处理，存在巨大安全隐患；另外，现有检测手段自动化程度低，数据处理也主要以纸质形式呈现，缺乏系统性的数据管理。随着取消省界收费站交通战略的实施，收费站和门架ETC车道数量激增，在ETC运营管理需求上，对于能够实现不停车、不封路、正常车速的ETC全自动检测的ETC检测车需求持续旺盛。
发明内容
本发明提出了一种高速公路ETC智能检测车及其标定方法，用以解决传统ETC检测仪器设备效率低下、检测耗时长、检测过程需要进行封路等突出问题，在不停车、不封路、正常车速工况下完成ETC性能检测，提升ETC性能检测效率，为ETC的稳定运营和科学管养提供了数据来源和养护依据。
技术方案如下：
一种高速公路ETC智能检测车，包括：协议监听天线、电子标签、云台相机、抓拍相机、取力发电机控制器、UPS、协议监听模块、北斗/GPS模块、4G/5G模块、通讯模块、计算服务器、视频管理模块、升降机构控制器、频谱传感模块、轮速传感模块、激光雷达模块、显示设备、天线升降机构、频谱传感天线阵和取力发电机，其中：
计算服务器通过通信模块与车载的各个设备的通信接口进行物理连接构建通信链路以实现对各模块的控制和状态监听，取力发电机安装在检车车内发动机预留的输出轴上，并与车载UPS和蓄电池连接构成车载供电系统。
进一步的，所述协议监听天线包括上行OBU监听天线和下行RSU监听天线，上行OBU监听天线为在5.79GHz-5.80GHz载波频率下具有稳定增益的定向天线，并满足规范GBT20851.1上行链路技术要求，安装在与车内电子标签OBU和CPC卡有效距离范围内，通过变衰减器调整至仅能接收车载电子标签发射的射频信号而不接收其他车辆电子标签的信号的有效增益范围；下行RSU监听天线为在5.83GHz-5.84GHz载波频率下具有稳定增益的定向天线，满足规范GBT 20851.1下行链路技术要求，并且天线半功率波瓣宽度垂直和水平面角度均小于30°，通过变衰减器调整至仅能接收行车道或车道范围RSU射频信号且防止接收逆向车道RSU的射频信号的有效增益范围。
进一步的，所述电子标签是高速公路电子不停车收费的电子标签，能够与收费站RSU正常交易；所述云台相机安装在检测车车顶前部，通过控制器对转动底座进行控制使监控方向，用于天线升降机构的升降和展开情况的监控；所述抓拍相机安装在检测车车顶前部的固定底座上，相机镜头方向与行车方向一致，用于ETC智能检测车开展检测工作的过程抓拍和记录；所述UPS由高功率密度的电池组和控制器组成，用于在取力发电机失效或应急用电时为整个检测车系统提供应急电源，与取力发电机共同构成ETC智能检测车的电源系统。
进一步的，所述协议监听模块用于实时采集ETC系统下行和上行交易的空中明文数据源码，通过数据处理程序完成源码解析成BST和VST帧数据，并形成数据组帧，经通信模块发送至计算服务器的上位机软件内置算法进一步确定ETC交易状况。
进一步的，所述北斗/GPS模块用于采集检测车行驶及采集ETC系统的地理位置信息，并与采集结果信息绑定，为车辆轨迹管理和后续数据处理提供位置信息，且根据地理坐标信息计算出邻近收费站和门架车道距离；所述通信模块包括交换机、串口模块和4G/5G模块，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模块用于为检测车内仪器和设备提供互联网服务，将采集结果发送至远程数据云端服务器；所述视频管理模块用于对抓拍相机、云台相机和计算服务器等多路输出视频数据进行统一管理、存储和分配，并在检测车内部的显示设备上按需显示。
进一步的，所述升降机构系统由天线升降机构和升降机构控制器组成，用于实现频谱传感天线阵的升降和展开，使其满足频谱传感天线升高至1.2-1.4米高，覆盖被测门架系统和收费站ETC车道路面宽度；所述轮速传感模块是旋转增量式高精度轮速传感器，安装于车辆上采集车辆车轮转过的角度，根据车轮半径和时间计算出车轮的车速和行驶距离，使监听数据与采集过程位置数据匹配；所述激光雷达模块是检测范围10米以上的高频单点式长距离激光雷达，用于采集门架和收费站RSU安装处的高度数据，判断是否完成ETC检测车通过RSU整下方，标记检测完成的终点；所述频谱传感天线阵由固定天线阵和移动天线组成，固定天线阵等间距布置，移动天线分别安装在固定阵两侧，安装在天线升降机构上并实现升降和展开运动；各天线在5.8GHz带宽范围内射频信号具有稳定增益，并与检测车内的频谱传感模块连接，用于采集被测ETC检测区域的固定位置的频谱指标。
进一步的，所述计算服务器用于对检测车内部仪器设备的控制、数据采集和处理，完成RSU工作信号强度，场强分布，占用带宽，调制系数，空中交易时间、帧通信时间、帧数据、出入口信息、车牌号等收费站和门架系统ETC系统指标的数据采集，并匹配车速、GPS信息、视频、照片信息对数据进行分析处理形成ETC检测的综合评价结果。
一种高速公路ETC智能检测车的标定方法，选取无射频信号干扰的场地，按标准收费车道宽度的划定标定车道，根据频谱传感天线阵的阵列距离纵向将标定车道划分，横向50cm等距划分；标准射频信号源安装于据地面高Zk，Zk范围5-7米，并连接与GB/T 20851.1下行链路指标一致的右旋圆极化天线，以高速公路收费站和门架系统常规的RSU的安装角度进行安装，标准射频信号源以恒定功率通过右旋圆极化天线发射5.83GHz射频信号，标定步骤如下
步骤一：标准射频信号源安装高度Zk，检测车展开频谱传感天线阵，由远及近行驶，当频谱传感天线阵的每一个单个天线垂直地面点落在标定车道划线交叉点上时，采集当前位置的每一个天线的场强值S车ij，从远点至标准射频信号源正下方依次采集所有点的坐标和场强值，形成Zk高度下检测车采集的场强的分布矩阵D车k：
D车k＝{Xi，Yj，Zk，S车ijk}
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S车k＝{S车00k，S车01k，…，S车mnk}T
步骤二：对标定车道上划格的交点上，将全向天线升高至频谱传感天线阵相同高度，并使用高精度频谱仪采集每一个交点的值，并形成标准场强的分布矩阵D标准k：
D标准k＝{Xi，Yj，Zk，S标准ijk}
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S标准k＝{S标准00k，S标准01k，…，S标准mnk}T
步骤三：计算当前Zk值下的修正矩阵D修正：
D修正k＝D车k-D标准k
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S修正k＝{S标准00k--S车00k，S标准01k-S车00k，…，S标准mnk-S车00k}T
步骤四，调整不同高度标准射频信号源的安装Zk，依次重复步骤一、步骤二和步骤三，形成关于高度Zk的修正矩阵集合D修正：
D修正＝{D修正1，D修正2…D修正k}
步骤五：对形成的D修正集合，在不同Zk高度下，按固定小间距进行对D修正k进行插值计算，获得新的查表矩阵D查表，然后针对所有采集数据，根据采集场强数据的位置坐标和RSU高度，通过查表矩阵D查表获得修正值，任一点场强修正计算公式如下：
S真值＝S采集值+S查表(Xi，Yj，Zk)
根据以上标定方法完成对检测车采集场强数据的修正。
本发明的技术优点是：检测车可实现不停车、不封路工况下的门架系统和收费站车道ETC性能的检测，有效降低检测过程的安全隐患；检测过程不受车速影响，通过门架系统或收费站ETC车道即完成检测；检测过程数据采集量大，数据准确精度高。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种高速公路ETC智能检测车整体结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种高速公路ETC智能检测车控制连接示意图。
图3为本发明所涉及的一种高速公路ETC智能检测车的标定方法示意图。
上述附图中的各标记意义如下：
1-检测车；2-协议监听天线；3-电子标签(OBU)；4-云台相机；5-抓拍相机；6-取力发电机控制器；7-UPS；8-协议监听模块；9-北斗/GPS模块；10-4G/5G模块；11-通信模块；12-计算服务器；13-视频管理模块；14-升降机构控制器；15-频谱传感模块；16-轮速传感模块；17-激光雷达模块；18-显示设备；19-天线升降机构；20-频谱传感天线阵；21-取力发电机；22-标准射频信号源；23-全向天线；24-高精度频谱仪。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种高速公路ETC智能检测车及其标定方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1，2所示，是本发明的原理、整体结构、硬件连接的示意图。一种高速公路ETC智能检测车由检测车1、协议监听天线2、电子标签(OBU)3、云台相机4、抓拍相机5、取力发电机控制器6、UPS7、协议监听模块8、北斗/GPS模块9、4G/5G模块10、通信模块11、计算服务器12、视频管理模块13、升降机构控制器14、频谱传感模块15、轮速传感模块16、激光雷达模块17、显示设备18、天线升降机构19、频谱传感天线阵20、取力发电机21组成。
频谱传感天线阵20和激光雷达模块17安装在天线升降机构19内，天线升降机构19可通过一定的机械和电气结构使频谱传感天线阵20进行升降和展开；频谱传感天线阵20与频谱传感模块15射频接口通过射频线连接，频谱传感模块15经通信模块10与计算服务器12相连接；频谱传感天线阵20由固定天线阵和两侧的移动天线组成，安装在天线升降机构19内，固定天线阵由等距布置多个频谱传感天线构成，移动天线分别安装在固定阵两侧可由天线升降机构19内部机构实现伸出动作；在ETC检测过程中通过天线升降机构19使频谱传感天线阵20升高至1.2-1.4米高度，固定天线阵位置固定不动，两侧移动天线可沿路宽方向展开；激光雷达模块17安装于升降机构2底座内，使地面垂直天空方向无遮挡，且激光雷达模块17经通信模块7与计算服务器12相连接；协议监听天线2由OBU监听天线和RSU监听天线组成，安装于驾驶室内部通过射频线与协议监听模块8射频接收口连接，可接收电子标签(OBU)3和RSU通信交易的空中数据，并经通信模块11与计算服务器12相连接；视频管理模块13，可对抓拍相机4、云台相机5和计算服务器12等多路输出视频数据进行统一管理、存储和分配，并在检测车内部的显示设备18上按需显示；轮速传感模块16可采集车辆车轮转过的角度，进一步根据车轮半径和时间计算出车轮的车速和行驶距离；北斗/GPS模块9安装与检测车1外顶部，可实时采集检测车当前经纬度坐标信息，经通信模块8发送至计算服务器12；取力发电机21安装在检车1车内发动机预留的输出轴上，并与车载UPS7和内置的蓄电池等连接构成车载供电系统，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；计算服务器12内置了ETC数据采集软件，经通信模块10可实时采集频谱传感模块15、激光雷达模块17、协议监听模块8、轮速传感模块16和北斗/GPS模块9等仪器和设备数据信息，经过一定的控制程序实现门架系统和收费站ETC车道的指标数据采集，使高速公路ETC智能检测车具备实现全自动化检测能力。
本发明涉及的一种高速公路ETC智能检测车，主要面向高速公路收费站和门架系统两种应用场景ETC车道应用。
实施例一：
高速公路ETC智能检测车收费站ETC车道应用，使用人员驾驶检测车1在距被检收费车道RSU设备20米外的被检测的收费站ETC车道中间位置行驶，天线升降机构19抬升至频谱传感天线阵20的固定天线阵和移动天线至1.2-1.4米，移动天线伸出预设的位置，横向覆盖整个路宽，计算服务器12内置数据采集软件开启，采集和记录频谱传感模块15、激光雷达模块17、协议监听模块8、轮速传感模块16和北斗/GPS模块9、云台相机和抓拍相机等硬件的时间、车速、地理位置、采集过程照片、ETC场强、工作频率、占用带宽、交易过程、交易时间等技术参数，当检测车行驶至门架正下方时，激光雷达模块17采集的数据处于5-10米之间时，程序自动关闭数据采集(可手动执行)，同时开始对相关数据进行处理，以当前门架正下方位置点为准以车速计算整个采集数据与位置的关系，最后按预设长度输出相关ETC性能指标的结果。
实施例二：
高速公路ETC智能检测车门架系统ETC车道应用，使用人员驾驶检测车1在被检测的门架系统ETC车道中间位置行驶，车速保持在车速下，天线升降机构19抬升至频谱传感天线阵20的固定天线阵和移动天线至1.2-1.4米，移动天线不伸出，横向覆盖整个车宽，检测车1在距门架系统200米以外，计算服务器12内置数据采集软件开启，采集和记录频谱传感模块15、激光雷达模块17、协议监听模块8、轮速传感模块16和北斗/GPS模块9、云台相机和抓拍相机等硬件的时间、车速、地理位置、采集过程照片、ETC场强、工作频率、占用带宽、交易过程、交易时间等技术参数，当检测车行驶至门架正下方时，激光雷达模块17采集的数据处于5-10米之间时，程序自动关闭数据采集，同时开始对相关数据进行处理，以当前门架正下方位置点为准以车速计算整个采集数据与位置的关系，最后按预设长度输出相关ETC性能指标的结果。
本发明涉及的一种高速公路ETC智能检测车的标定方法，用来解决由于频谱传感天线阵与被测RSU位置和方向相互关系致使直接采集的场强数据结果不准的问题，通过修正场强数据结果，保证场强数据的采集准确性。
具体标定方法：如图3所示，选取一个无射频信号干扰的开阔场地，按标准收费车道宽度的划定一段标定车道，并根据频谱传感天线阵20正常工作使用的阵列距离纵向将标定车道划分，横向50cm等距划分；标准射频信号源22安装于据地面高Zk(5-7米)处，并连接一个与GB/T 20851.1下行链路指标一致右旋圆极化天线，以高速公路收费站和门架系统常规的RSU的安装角度进行安装，标准射频信号源22以恒定功率通过右旋圆极化天线发射5.83GHz射频信号。标定步骤如下：
步骤一，标准射频信号源22安装高度Zk，检测车1分别按照实施例一和实施例二工况展开频谱传感天线阵20，由远及近行驶，当频谱传感天线阵20的每一个单个天线垂直地面点正好落在标定车道划线交叉点上时，采集当前位置的每一个天线的场强值S车ij，按此方法，从远点至标准射频信号源正下方依次采集所有点的坐标和场强值，形成一个Zk高度下检测车1采集的场强的分布矩阵D车k。
D车k＝{Xi，Yj，Zk，S车ijk}
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S车k＝{S车00k，S车01k，…，S车mnk}T
步骤二，对标定车道上划格的交点上，将全向天线23升高至实施例一和实施例二中频谱传感天线阵相同高度，并使用高精度频谱仪24采集每一个交点的值，并形成一个标准场强的分布矩阵D标准k。
D标准k＝{Xi，Yj，Zk，S标准ijk}
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S标准k＝{S标准00k，S标准01k，…，S标准mnk}T
步骤三，计算当前Zk值下的修正矩阵D修正。
D修正k＝D车k-D标准k
X＝{x0，x1，…，xm}T
Y＝{y0，y1，…，yn}T
S修正k＝{S标准00k--S车00k，S标准01k-S车00k，…，S标准mnk-S车00k}T
步骤四，调整不同高度标准射频信号源22的安装Zk，依次重复步骤一、步骤二和步骤三，形成一个关于高度Zk的修正矩阵集合D修正。
D修正＝{D修正1，D修正2…D修正k}
步骤五，对形成的D修正集合，在不同Zk高度下，按固定小间距进行对D修正k进行插值计算，获得新的查表矩阵D查表，然后针对所有采集数据，根据采集场强数据的位置坐标和RSU高度，通过查表矩阵D查表获得修正值，任一点场强修正计算公式如下：
S真值＝S采集值+S查表(Xi，Yj，Zk)
即根据以上标定方法，即可完成对检测车采集场强数据的修正。
上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。
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