具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

现有ETC收费系统采用门架分段计算通行费且累计通行费的方式，因此门架的交易成功率会直接影响收费的准确性。现有门架收费失败的主要原因之一是漏读。由于各省市和各生产厂商发行的车载单元的型号、生产批次和产品质量差异较大，在实际使用过程中，漏读问题比较突出。漏读发生的主要原因在于：ETC交易范围较窄，车辆在快速通行的过程中，车载单元由于灵敏度差异导致在意一些情况下未被唤醒或者被反向车道的门架天线唤醒后不响应正向车道门架天线，同时车载单元低电和损坏也会导致漏读。漏读会导致门架标识信息缺失，出口收费时无法进行准确的路径还原，造成收费错漏等问题。解决漏读目前主要是通过摄像机抓拍识别车牌作为收费识别的依据，实时性差，处理流程复杂，需要人工介入等不足。

门架收费失败的另一个原因是反向车道对车载标签的反向标识，由于车载单元灵敏度过高，会被反向车道的门架系统标识造成路径还原错误，目前主要的解决方法是对门架的序号进行编码，根据设定的规则，比如通行时间和前后标识门架的信息，路径还原算法等方法发现和纠正反向标识数据。

同时，ETC门架天线写入标识信息的成功率有待提高：由于ETC天线交易范围较窄，车辆行驶速度高、写入数据多，读写交易所需时间增加，路侧单元写入数据增加了路径信息，可能导致部分数据写入失败或者来不及写入；同时，特勤车辆的特殊处理流程也会影响ETC门架天线和出入口车道读写交易的准确性和及时性。

因此，本发明提供一种车载单元、高速公路电子不停车收费系统及收费方法，在传统ETC通信交易的基础上，利用车路协同系统在更远的范围内优先对车载单元进行预读，以简化ETC天线的读写流程，提升得写交易效率和成功率。

需要预先说明的是，ETC交易主要依靠装载在用户车辆上的车载单元和设置在车道系统和门架天线上的路侧单元进行，采用门架进行分段计算通行费用且累计通行费用的方式，在入口车道处写入入口车道信息，在行进路线上分别由经过的门架天线写入门架信息和分段计费信息，在出口车道处累计通行费并就进行交易。也可以在行进路线上由各门架天线直接对相应路段进行扣费交易。

一方面，如图1所示，本发明提供一种车载单元，至少包括：MCU模块111，以及连接MCU模块111的DSRC基带处理模块112、DSRC射频模块113、定位模块114、安全模块115、V2X基带处理模块116和V2X射频模块117。

其中，MCU模块111，用于存储或执行预读程序和交易程序。DSRC基带处理模块112，连接MCU模块111，用于根据专用短程通信协议对车载单元和电子不停车收费系统进行连接通信，以用于交易读写。DSRC射频模块113，连接DSRC基带处理模块112，用于按照第一设定频率与电子不停车收费系统进行通信。定位模块114，连接MCU模块111，用于获取定位信息。安全模块115，连接MCU模块111，用于进行交易安全认证。V2X基带处理模块116，连接MCU模块111，用于根据V2X标准对车载单元和电子不停车收费系统进行连接通信，以用于交易预读写。V2X射频模块117，连接V2X基带处理模块116，用于按照第二设定频率与电子不停车收费系统进行通信。车载单元通过V2X射频模块117与路侧单元进行远距离预读写后，再通过DSRC射频模块113进行交易读写。

具体的，DSRC基带处理模块112和DSRC射频模块113采用专用短程通信协议与路侧单元的ETC天线进行通信，实现读写交易，DSRC射频模块113采用的第一设定频率为5.8GHz频段，在实际应用场景中通信距离为数十米，读写交易范围较窄。V2X基带处理模块116和V2X射频模块117用于连接车联网，也即车路协同系统，采用的第二设定频率为5.9GHz频段，进行V2X信号通信，连接车联网，在数百米的距离上进行通信。进一步地，本实施例所述车载单元支持V2X的两种通信接口，即PC5直连通信接口和Uu蜂窝通信接口。

本实施例中，车载单元通过V2X射频模块117在较远的距离首先与路侧单元进行通信，供路侧单元读取交易相关的车辆信息、入口信息以及路径信息等，以计算交易费额。当车辆行驶到路侧单元的ETC天线交易范围时，再由DSRC射频模块113与ETC天线进行读写交易。以节约了交易时间，提高了交易成功率。

进一步地，定位模块114可以采用北斗卫星定位模块114、GPS定位模块114或移动通信网络三角定位模块114。

在一些实施例中，安全模块115为嵌入式安全控制模块(ESAM模块)，也可以根据具体应用场景的需求采用销售点终端安全存取模块(PSAM模块)。

相对应的，另一方面，本发明提供一种高速公路电子不停车收费系统，包括入口车道子系统、多个门架子系统、出口车道子系统，入口车道子系统、门架子系统和出口车道子系统上均设有连接车道控制机的V2X天线，采用V2X信号与上述车载单元的V2X射频模块连接通信，并进行预读写。

具体的，在本实施例中，入口车道子系统、多个门架子系统、出口车道子系统采用V2X信号在较远的距离上对车载单元进行预读写，在入口车道子系统处，可以通过V2X天线预读车载单元是否已经写入入口信息，如果没有则通过V2X天线写入；在门架子系统处，通过V2X天线预读车载单元是否记载有合法的入口信息，并写入当前门架子系统的标识信息用于记录形式路径，以及写入当前路段的计费信息。在出口车道子系统处，通过V2X天线预读车载单元中记载的入口信息、经行的各门架子系统的标识信息、各路段计费信息和车辆信息等，用于计算交易费额，通过ETC天线与车载单元的DSRC射频模块通信并进行读写交易。在一些实施例中，门架子系统可以直接通过V2X天线对车载单元在当前路段的交易费额进行读写交易。

另一方面，本发明提供一种高速公路不停车收费方法，用于在上述车载单元上执行，所述方法包括步骤S101～S109：

步骤S101：接收入口车道子系统中第一V2X天线发送的第一唤醒指令，并返回第一响应信息。

步骤S102：接收第一V2X天线发送的入口信息并接入写入设定位置，入口信息至少包括入口车道标识信息和入口车道通行时间。

步骤S103：接收入口车道子系统中第一ETC天线发送的第二唤醒指令并返回包含入口信息写入标识的预置信息，提示已正常写入所述入口信息，以提示抬杆放行。

步骤S104：在经行一个或多个门架子系统时，接收各门架子系统中第二V2X天线发送的第三唤醒指令并返回预置信息，提示已正常写入入口信息。

步骤S105：向第二V2X天线发送车载单元的MAC地址和车辆信息，并接收第二V2X天线返回的门架标识信息和第一交易信息，写入门架标识信息，根据第一交易信息进行交易读写，生成并返回第一交易结果。

步骤S106：接收出口车道子系统中第三V2X天线发送的第四唤醒指令，并返回ETC文件信息用于生成第二交易信息，ETC文件信息至少包括入口车道标识信息、门架标识信息以及车辆信息。

步骤S107：接收出口车道子系统中第二ETC天线发送的第五唤醒指令，并返回车载单元的MAC地址和车辆信息。

步骤S108：接收第二ETC天线发送的第二交易信息，根据第二交易信息进行交易读写，生成并返回第二交易结果。

其中，步骤S101～S103是车载单元与入口车道子系统的通信过程；步骤S104～S105是车载单元与门架子系统的通信过程；步骤S106～S108是车载单元与出口车道子系统的通信过程。

在步骤S101～S103中，用户车联装载设有V2X基带处理模块和V2X射频模块的车载单元经行入口车道子系统时，在较远距离处先被入口车道子系统的第一V2X天线唤醒，由第一V2X天线写入入口车道相关的入口信息。在车辆行驶到入口车道子系统的第一ETC天线交易范围内时，第一ETC天线识别车载单元内已经写入入口信息时直接放行，极大节约了时间。相应的，若第一ETC天线识别车载单元内没有写入有效的入口信息，则由第一ETC天线重新写入。

在一些实施例中，步骤S101之后，即第一V2X天线在唤醒车载单元后，首先进行安全认证，只有当安全认证通过时才写入入口信息。进一步地，还可以由第一V2X天线读取车载单元的卡签信息，所述卡签信息包括用户卡有效期信息、余额信息、身份信息和插卡状态信息等，若用户卡超过有效期、余额不足、属于黑名单车辆或处于未插卡状态，则停止操作，以提示人工处理。

在一些实施例中，步骤S102之前，接收第一V2X天线发送的入口信息之前，还包括：接收第一V2X天线发送的预读指令，并在第一ETC天线已写入入口信息的情况下返回第一提示信息，以使第一V2X天线停止操作并放行。

在实际运行过程中，会存在通信流程上的偏差，如车辆在驶向入口车道子系统的时候，没有首先与第一V2X天线产生通信，而是先与入口车道子系统的第一ETC天线产生了通信，并由第一ETC天线首先写入入口信息。此时，第一V2X天线与车载单元建立连接后，由车载单元返回第一提示信息，表示已写入入口信息指令第一V2X天线停止操作并放行。

在步骤S104～S105中，本实施例采用了分段计费的方式，在用户车辆经行门架子系统时，直接由门架子系统内的第二V2X天线与车载单元的V2X射频模块进行通信连接，在确认已经写入有效入口信息的前提下，直接由第二V2X天线进行扣费交易。由于V2X的通信范围更广，能够极大地提升交易的成功率。

在一些实施例中，步骤S104，接收各门架子系统中第二V2X天线发送的第三唤醒指令并返回预置信息之后，还包括：向第二V2X天线发送第一定位信息，以供各门架子系统判断车载单元的行进方向，若第一定位信息显示行进方向为反向则门架子系统不处理。

由于V2X通信范围较广，在交易之前能够提前进行更多的数据处理，因此，本实施例通过对车载单元的定位信息进行分析，判断车辆的行进方向，只有车辆行进方向与门架子系统所在车道的方向一致时才进行交易。

在一些实施例中，步骤S105中，生成并返回第一交易结果之后，若第一交易结果显示交易失败，还包括步骤S201～S202：

步骤S201：接收门架子系统内第三ETC天线发送的第六唤醒指令，并返回车载单元的MAC地址和车辆信息。

步骤S202：接收第三ETC天线发送的第三交易信息，根据第三交易信息进行交易读写，生成并返回第三交易结果。

在门架子系统通过第二V2X天线交易失败的情况下，车辆行驶到门架子系统内第三ETC天线的通信范围内时，由第三ETC天线重新发起交易。相反的，若第一交易结果显示交易成功，则第三ETC天线对车载单元返回的MAC地址和车辆信息不做反应。

在步骤S106～S108中，出口车道子系统首先在较远距离上通过第三V2X天线唤醒车载单元，并获取交易相关的ETC文件信息，计算交易费额并生成第二交易信息。当车辆行驶到出口车道子系统的第二ETC天线的交易范围内时，直接根据第三V2X天线预读产生的第二交易信息进行交易，能够极大减少第二ETC天线的数据读写量，提升交易成功率。

在一些实施例中，步骤S106之后，即接收出口车道子系统中第三V2X天线发送的第四唤醒指令之后，还包括：向第三V2X天线发送车载单元的第二定位信息，以供出口车道子系统判断车载单元的行进方向，若第二定位信息显示行进方向为驶离出口车道子系统，则第三V2X天线不处理。

在本实施例中，由于第三V2X天线的通信距离更长，有足够的时间传输数据进行判断处理，本实施例中，在出口车道子系统处，车载单元向第三V2X天线发送定位信息，以判断相应用户车辆的行驶方向，如果车辆驶入车道则进行处理。如果车辆驶离车道，则不进行处理。

另一方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述方法的步骤。

下面结合具体实施例对本发明进行说明：

本实施例提供一种高速公路不停车收费系统，整个系统由车载单元、路侧车道系统和收费处理平台组成，其中，路侧车道系统又进一步区分为入口车道子系统、门架子系统和出口车道子系统。

车载单元至少包括V2X通信模块、DSRC通信模块以及高精度定位模块。

路侧车道系统至少包括车道控制器、ETC天线和V2X天线，其中ETC天线的通信距离较近，V2X天线的通信距离较远。

收费处理系统采集所有高速公路门架和入出口的交易信息，并进行收费处理。

本实施例的处理流程是，当车辆驶入收费区域时，V2X天线首先与车载单元进行通信，在车辆到达ETC交易区前进行数据预读和预处理；车辆驶入ETC交易区时，ETC天线根据V2X天线预读和预处理信息，直接进行交易处理，从而提高ETC交易的成功率和准确性。

本实施例中，收费处理平台与现有ETC服务平台无明显差异，主要差异在车载单元和路侧车道系统。其中，入口车道子系统和出口车道子系统设有V2X天线和ETC天线，其结构如图2，门架子系统设有V2X天线和ETC天线，其结构如图3。ETC天线的安装位置和技术指标与现有天线相同。V2X天线支持V2X协议，ETC天线与V2X天线由同一个车道控制器控制其交易数据交互。

车载单元(OBU)同时具备ETC和V2X通信功能，同时自带卫星导航功能，车载单元结构如图4。车载单元采用双模设计，V2X和DSRC的物理层信号分别通过不同的处理模块，其中DSRC射频模块和DSRC基带处理模块处理现有的5.8GHz的DSRC信号，V2X射频模块和V2X基带处理模块处理5.9GHz的V2X信号；MCU处理数据信息、计算费率、查询路径等。V2X通信和DSRC通信共享ESAM模块的数据信息。车载单元可以通过车载供电，且可与车辆唯一绑定。车载单元支持C-V2X的两种通信接口，即PC5直连通信和Uu蜂窝通信接口。

车辆进入高速公路收费路段时，经行上述入口车道子系统、门架子系统和出口车道子系统，其交易流程如下。

(一)ETC入口车道子系统

入口车道子系统布局如图2所示，V2X天线与ETC安装在收费车道顶棚下，V2X天线通信区域较大，最远可达几百米，ETC天线通信区域只有不到10米左右，因此用户车辆驶入ETC车道入口前，V2X天线会先于ETC天线与车载单元的V2X射频模块实现通信。V2X天线在车辆通过ETC车道前首先进行数据预读和预处理，再由ETC天线进行简化处理。

ETC入口车道子系统的交易处理流程如图4所示，包括步骤1.1～1.3：

1.1)车辆进入入口车道子系统时，V2X天线先与车载单元通信，读取车载单元终端信息，并判断入口信息是否已写入，若ETC天线已经通过DSRC协议写入入口信息，则不处理；若未写入入口信息时，进一步判断车载单元是否可正常写入入口信息，若车载单元被记载在黑名单上，车载单元无卡，或卡签余额不足，则提示进行人工交易。

1.2)车载单元通过V2X通信写入入口信息后，可以在ESAM信息中设定预置位记录预置信息，表示已经写入入口信息，或者由车载单元自行识别是预写入的信息。入口信息预置完成的消息返回给V2X天线，同时的车辆信息由V2X天线发送给ETC车道控制器；

1.3)车辆行驶到ETC天线通信区域时，ETC天线唤醒车载单元，并基于DSRC通信读取终端信息，根据车载单元的返回信息识别出是否是正常预置已写入入口信息的车辆，如果是则将终端相应的预置位复位，验证通过，抬杆放行；否则重新进行现有的ETC交易，ETC交易异常时走MTC车道处理。

车载单元的预置信息有两种实现方式：一种是V2X写入的终端自行确认预写入模式，返回VST数据帧最后一位预留位置位，通过ETC车道后，车载单元自行复位；另一种是V2X天线写入ESAM信息设定预置位，ETC天线复位。

V2X天线的预置写入流程与ETC入口车道处理流程基本一致，差别在于V2X天线不需要对用户进行交易结果提示，主要交互流程为：

1)天线广播收费服务信息，车载单元返回卡签基本信息；

2)读取车辆信息；

3)读取入出口信息文件和卡余额文件；

4)更新交费信息文件；

5)复合消费初始化；

6)复合消费，写入入口信息；

7)释放链路。

预交易成功的车载单元，在ETC车道入口时，采用简化的交易模式，主要交互流程为：

1)天线广播收费信息，车载单元返回卡签基本信息；

2)提示用户交易结果；

3)释放链路。

该简化的ETC入口交易流程预计在80ms内完成，可节省70％的交易时间。车辆通过入口站后，卡内信息与现有系统保持一致。

本实施例的入口交易流程，能够通过DSRC通信和V2X通信记录路径起点，提高入口信息可靠性；V2X通信可与多车同时进行并行交易，避免入口拥堵情况下造成的车道通行不畅的问题，提高通行效率；V2X通信预先写入信息，能够避免DSRC信号干扰。

(二)ETC门架子系统

三车道的门架子系统如图3，V2X天线与ETC天线均安装在门架上。车辆经行门架子系统的通信流程如下述步骤2.1～2.5：

2.1)安装有车载单元的车辆经过门架子系统时，V2X天线先读取车载单元中记载的入口车道信息、车辆信息和卡签信息等，并判断是否属于包含有效入口信息且卡签有效的正常车辆，如果正常则执行2.2)；如果入口信息为V2X写入的预置信息，则不进行交易操作。

2.2)V2X天线获取车载单元的定位信息以判断车辆是否为反向车辆，判断标准为车辆的位置轨迹是否与本车道方向一致，如果是反向车辆则不进行标识，否则执行2.3)。

2.3)V2X天线读取用户卡和ESAM信息，判断车载单元是否已经交易，如果已完成本站交易，则不操作，否则执行2.4)。

2.4)V2X天线对车载单元写入门架标识信息，并进行交易操作；交易正常的车辆信息由V2X天线发送给门架控制器。

2.5)车辆行驶到门架子系统内ETC天线的通信区域时，ETC天线唤醒车载单元并基于DSRC协议通信，根据车载单元的返回信息或步骤2.4)中V2X天线返回的交易结果信息判断车载单元是否已经通过V2X天线完成交易，如果是则ETC天线不再进行标识操作；否则由ETC天线重新进行交易。

在单排门架标识站场景下，V2X天线与ETC天线可共用一台车道控制器，V2X天线的信息可直接由车道控制器发送给ETC天线。

对于双门排架，可采用共用工控机方案，门架之间采用有线通信；也可以采用数据共享方案，两排门架各自设有独立的车道控制器，标识的车辆信息数据共享同一个存储空间。

本实施例中车载单元具备定位功能，因此，车辆是否为反向车辆，V2X天线根据车载单元返回的位置信息可计算识别出，可以避免反向标识的问题。

本实施例可实现精确的路径拟合，可通达路径检索，每一段的路径计算更完善和准确；基于V2X天线和ETC天线的双重交易机制，提高交易成功率，避免漏读；可以根据车辆的位置，识别反向车辆，避免反向交易。

(三)ETC出口车道子系统

ETC出口车道子系统结构与入口车道相同。V2X天线进行收费预处理，包括预读、黑名单异常处理、计算费率等，并将预处理结果分享到ETC天线，由ETC车道天线进行复合消费交易。主要流程如下述步骤3.1～3.6：

3.1)车辆驶入出口车道子系统时，V2X天线根据车载单元返回的位置信息，判断车辆的行驶方向，如果车辆处于划定的交易区域内且驶向当前出口车道子系统，则读取车载单元的ETC文件信息。如果车辆不在交易区域或驶离当前出口车道子系统，则不进行操作。

3.2)V2X天线根据车载单元内的ETC文件信息，通过车道后台对终端的通行有效性、入口信息进行判断，确定是否是正常车辆。

3.3)对于正常的车载单元，V2X天线通过车道后台对经行路径的门架补点、进行费额计算与最小费额比较等计费操作，计费成功后将车载单元的MAC地址和费额等信息共享到ETC出口车道，但不进行扣费操作；计费异常则将车载单元的MAC地址和计费异常信息等信息共享到ETC出口车道，同时向终端发送相应语音或文字提示，以引导车辆提前驶入混合车道进行人工处理。

3.4)车载单元在一段时间内屏蔽与其完成交易的V2X天线的收费信息。

3.5)对于与V2X天线交易异常的车辆，将其MAC地址和拦截信息共享到ETC出口车道，同时向相应车辆的车载单元发送语音或文字提示，以引导车辆提前驶入混合车道进行人工处理。

3.6)车辆行驶到出口车道子系统的ETC交易区，ETC天线获取车载单元的MAC地址和车辆信息，当查询终端已计费成功时，则按查询到的费额直接进行扣费，然后抬杆放行；当查询车载单元MAC地址为异常拦截车辆时，则进行拦截处理；当未查询到终端MAC地址时，则执行正常的出口交易流程。

为了保证本发明与现有ETC系统的兼容性，本发明的V2X通信交易数据采用透传模式传输DSRC信息，DSRC交易数据格式与现有ETC系统保持一致。V2X通信的数据格式与T/CSAE 157-2020《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准(第二阶段)》的规定格式保持一致。

在另一实施例中，在入口车道子系统处，V2X天线只起到预读判断、提醒用户的作用，不进行预交易和信息写入操作；ETC天线的交易模式保持不变。进一步的，具备语音播报的车载单元可提前提醒用户走MTC(Manual Toll Collection system人工半自动收费通道)车道。为避免入口车道子系统外的车辆(如辅路车辆)收到提醒信息，本实施例可以您给个定位信息判断车载单元的位置，仅对入口车道子系统区域内的车辆进行预读判断和提醒操作。

V2X天线在门架子系统和出口车道子系统的作用与入口车道相同，仅作预读判断和提醒用户。

综上所述，所述车载单元、高速公路电子不停车收费系统及收费方法中，所述车载单元设置V2X射频模块，所述高速公路电子不停车收费系统设置V2X天线，能够在ETC交易过程中基于车路协同系统在更远的距离上实现通信连接。所述收费方法首先利用V2X车路协同系统进行通信，在远距离对车载单元进行预读并生成交易信息，再由ETC天线近距离直接进行交易读写，能够保障对车载单元读取的效率，极大的提升ETC交易速度和交易成功率。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。