（交通运输工程专业论文）高速公路联网应急收费系统研究及应用.pdf

摘要 目前高速公路联网收费系统的运营能力有时无法满足日益增长的高速公路交通量 的需求，使得高速公路收费站车辆拥堵现象时有发生，为此，采用高速公路联网应急收 费系统作为现有收费系统的补充已是迫在眉睫。论文在深入了解我国高速公路联网收费 现有的应急收费管理制度以及应急收费方式的基础上，详细探讨了高速公路联网应急收 费系统的设计与实现方法。 本文首先在分析现有联网收费系统的网络平台和软件平台的基础上，对实现高速公 路联网应急收费系统的关键技术进行了研究，包括应急收费系统与现有系统的对接技 术、数据传输与交换技术、数据通信保障技术等；其次，通过分析联网应急收费系统的 功能需求，提出了便携式收费系统和移动式应急收费车两种系统方案，并详细描述了系 统的硬件构成以及收费数据和视频的处理过程；最后，根据这两种应急收费系统的特点， 提出了几种不同的应用方式，并通过现场实例验证了系统的使用效果。 在甘肃几条高速的收费站应用效果表明，高速公路联网应急收费系统可与收费站现 有车道同时进行收费，缴费完成后可以实现多辆车同时放行，加快了收费车道的处理速 度，使得收费效率普遍提高了1 5 一4 0 以上，具有良好的应用前景积极的社会效应。 关键词：联网收费，应急收费，便携式收费系统，移动式应急收费系统 a b s t r a c t b e c a u s et h eo p e r a t i n gc a p a c i t yo fc u r r e n tn e t w o r kt o l lc o l l e c t i o n s y s t e mi su s u a l l y u n a b l et om e e tt h ei n c r e a s i n g l yg r o w i n gd e m a n do ft h ee x p r e s s w a yt r a f f i cv o l u m e ，i tm a k e s t r a f f i cj a m sh a p p e nf r e q u e n t l yi ne x p r e s s w a yt o l l g a t e s f o rt h i sr e a s o n ，i ti su r g e n tt ou s et h e f r e e w a yn e t w o r kc o n t i n g e n c yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mt om a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c yo ft h e e x i s t i n gt o l lc o l l e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e di nd e t a i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fm o b i l ec o n t i n g e n c yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so ft h ed e e p l yu n d e r s t a n d i n go f m a n a g e m e n ts y s t e ma n dm o d e o ft h ee x i s t i n ge m e r g e n c yt o l lc o l l e c t i o nf o rt h ec u r r e n to n l i n e t o l lr o a di no u rc o u n t r y f i r s t l y ，b a s e do na n a l y z i n gn e t w o r kp l a t f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r mo ft h ee x i s t i n g n e t w o r kt o l l i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rs t u d i e dk e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z ef r e e w a yn e t w o r k c o n t i n g e n c yt o l l i n gs y s t e m ，s u c ha sd o c k i n gt e c h n o l o g yb e t w e e nc o n t i n g e n c yt o l l i n gs y s t e m a n dt h ee x i s t i n gs y s t e m ，d a t at r a n s m i s s i o na n de x c h a n g et e c h n o l o g y , d a t ac o m m u n i c a t i o n s e c u r i t yt e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h o u g ht h ea n a l y s i so ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fn e t w o r k c o n t i n g e n c yt o l l i n gs y s t e m ，t w os y s t e m ss c h e m e s ，t h ep o r t a b l et o l l i n gs y s t e ma n dm o b i l e c o n t i n g e n c yt o l l i n gv e h i c l e s ，w e r ep u tf o r w a r d a n dt h e ns y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h e p r o c e s so ft o l l i n gd a t aa n dv i d e os i g n a l sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ea b o v et w os y s t e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e ds e v e r a la p p l i c a t i o nm o d e s ，a n d v e r i f i e dt h ee f f e c to ft h e s et w os y s t e m s t h r o u g ho n - s i t et e s t s t h ea p p l i c a t i o ne f f e c t so ft h ea b o v es y s t e m si ns e v e r a lt o l ls t a t i o n so fg a n s up r o v i n c e i n d i c a t e dt h a th i g h w a yn e t w o r kc o n t i n g e n c yt o l l i n gs y s t e ma n dt o l ls t a t i o nc a nc h a r g ea tt h e s a m et i m e t h i sm a d em o r ec a r sr e l e a s e da f t e rp a y m e n ta n dt h et o l lp r o c e s ss p e e d e du p t h e e m e r g e n c yt o l l i n gs y s t e mm a d et h ec h a r g i n ge f f i c i e n c yi m p r o v e15 t o4 0 ，a n dh a dg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：n e t w o r kc h a r g i n g ；c o n t i n g e n c yc h a r g i n g ；p o r t a b l ec h a r g i n gs y s t e m ； m o b i l ec o n t i n g e n c yc h a r g i n gs y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：曰剜 加7 年月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：审砂枷副力卯7 年月r 日 导师签名： 研裼叶 加7 年勿月r 日 长安大学工程硕七学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 2 0 0 0 以来的几年，无疑是我国公路运输发展最快最好的时期。2 0 0 8 年，我国公路 投资高达6 6 4 5 亿元，同比增长2 4 。2 0 0 8 年末，全国公路总里程达3 6 8 万公里，比上 年末增加1 0 万公里，其中高速公路总里程达6 0 3 万公里，位居世界第二。新修通的高 速公路里程为6 4 3 3 公里，比1 9 9 8 年全国高速公路通车总里程6 2 5 8 公里还多【1j 。 与此同时，我国经济和社会各项事业的高速发展，对公路交通形成了巨大需求，公 路交通一度成为制约国民经济发展的“瓶颈”。但是由于我国政府的财力还不够雄厚， 难以满足公路建设所需的巨大资金需求。在这种情况下，为了多渠道筹集公路建设资金， 加快公路建设速度，缓解公路交通的“瓶颈”制约作用，我国政府出台了“贷款修路， 收费还贷”政策。 随着高速公路的高速发展，路线长了，一次通行费用高了，一次通行经过的路段( 管 理单位) 多，需要清分来结算分账。但是，在一个互通互联的高速公路大网内如果有一 个收费车道或一个收费站的硬件系统、软件系统出现故障或供电系统发生故障，将直接 影响该国道和该收费站的收费和数据上传，进而影响全路网的清分，甚至引起数据丢失， 清分不准确，造成几个路段运营者相互之间的意见分歧【2 】。 ， 同时，全国各省市实施联网收费后，随着时问的推移，设备的老化，各种设备将逐 渐进入故障高发时段，在公路联网收费系统运营中，常有紧急情况发生，会造成不同程 度的堵车。一些高速公路由于前期造价的因素，或收费站地理条件的限制，特别是山区 的高速公路的一些收费站进出口匝道仅有2 进2 出甚至1 进1 出( 如甘肃省天峻路的秦 安站、中滩站，徐古路的华藏寺站) ，稍有意外情况发生，将出现交通不畅或阻塞，给 高速公路造成不良的社会影响。 据调查，目前国内已经开通运行的联网收费系统在处理紧急事件时都处于被动和措 施不力的状况，特别是对于收费站意外停电( 且u p s 发生故障) 时无所适从，难以及时 解决的状况，以至造成堵车，造成极大的负面影响。针对上述情况，可以通过对高速公 路联网应急收费系统的研究来解决紧急情况下的收费。 高速公路联网应急收费系统的研究是一种对联网收费公路运营方式进行统一的规 范化管理的完善及必要的补充。其实现后，使整个高速公路路网的联网收费就能应付常 第一章绪论 规的收费系统难以应付的紧急情况，保证联网路段中各参营路段在公平合理的情况下实 现自主经营，合理清分，也使一些不法车主无空子可钻，具有极其重大的经济效益和社 会意义。 1 2 国内外联网应急收费系统的发展与研究现状 1 2 1 国外联网应急收费发展与研究现状 经济发达国家的高速公路己基本联网，并向四周邻国延伸，逐渐形成国际网络。 加、美等国高速公路共同构成了北美高速公路网络的主体，美国、加拿大、墨西哥修建 了连接三国的超级高速公路网，欧洲经济委员会2 0 多个国家签订了“国际干线公路网 协定 ，一条贯穿东欧、经过1 0 个国家、全长4 1 0 0 公里的南北向国际高速公路正在建 设中，奥地利、法国、意大利、西班牙、南斯拉夫、葡萄牙等六国成立了收费道路地区 协会，积极推动成员国收费公路的建设。世界各国在制定本国的高速公路的建设计划时， 都会考虑同全球高速公路相连接，以便最终形成连接五大洲1 0 0 多个国家的全球高速公 路【3 1 。 意大利是世界上最早修建收费高速公路的国家，目前基本实现联网。9 0 的收费高 速公路采用封闭式收费，收费方式大体有三种：半自动磁卡收费方式、全自动磁卡收费 方式和全自动不停车收费方式，每个站设有不同收费方式的车道，使用归属不同业主的 高速公路时，无需停车缴费，不同业主间的结算由内部计算机网络来进行【4 1 。 1 2 2 国内联网应急收费的现状及存在问题 全国绝大部分省份均实施了联网收费，在联网收费系统运行中，常有紧急情况发生， 造成小范围的堵车，且随着设备的老化，常常造成无法读取通行券，不能进行收费。 国内联网收费的省市在处理联网收费故障时，为了减少社会影响，多采用人工发行 纸券收费或打开栏杆不收费直接放行车辆的方式( 我们在山西、甘肃就看到这种情况， 并经常看到此类报道) 解决故障堵车。 人工发行纸券不但影响车辆通行速度，致使全网内各收费站都要对发出的纸券实行 人工判断收费，给联网内沿线各收费站增加了工作量，造成清分工作滞后或迫使部分收 费金额采用模糊清分；若采用不收费直接放车通行，将影响高速公路收费和还贷【5 1 。 目前，全国大多数省份高速公路管理单位及高速公路集成商均在研究公路联网应急 收费系统，各研究者均己通过了开发阶段，在对系统进行了多次需求分析和技术讨论后， 2 长安大学工程硕士学位论文 已经开始进行软件改造和硬件优化设计。全国已经推出了部分硬件产品。 当高速公路收费系统的核心部件车道机出现故障时，很难在短时间里进行修复，而 车道机的故障就会造成外围的打印机、栏杆机等设备完全无法工作，相当于整条车道的 瘫痪状态；当在车辆高峰时间时，往往由于车流量过大造成车道的拥堵，车辆排列过长 的情况，如果在这个时间能够在条车道增加一套收费设备，就能够将该车道的处理能 力增加一倍以上，大大加快收费站的通行速度。当高速公路已经建成，而机电系统未建 成时或者不建临时的主线收费站，用可移动收费系统来代替，将可大大节省成本而提高 收益。 应急收费系统应与收费网络相连，随时接收最新的收费信息和路网信息，一旦收费 站出现紧急情况，能在2 0 分钟左右用交通车快速送往发生故障的收费站，打开自动栏 杆机，利用应急收费系统替代出故障的车道进行收费( 在进出繁忙的大收费站，也可以 直接配置几台这样的应急系统，紧急情况下几分钟就能到位工作) 。在进口给进入高速 公路的车辆发出工c 卡或在出口给出站的车辆计算出应收的过路费，收取费用并回收i c 卡和打印收据，同时利用现有的光纤系统或无线通讯系统( 当光纤通讯系统因故障或电 力系统故障而不能工作时) 及时将收费信息传往结算中心；或在应急处理结束后接通网 络，及时将刚才应急收费的信息传往结算中心进行正确及时清分【2 】。 1 3 研究的主要内容 本论文主要研究在现有高速公路联网收费系统运营能力不能满足需求的情况下，作 为补充手段的高速公路联网应急收费系统的设计与实现方法，即利用先进的联网收费硬 件，结合现有收费软件改造后的系统软件，组成能与现有路网收费系统进行无缝对接的 应急收费系统。通过对全国和甘肃省内实际联网收费业务需求的调研，公路联网应急系 统要求能够在收费设备出现紧急故障状况时，建立起一套快速、安全、稳定的替代系统。 公路联网应急收费系统应具有便利性，即在收费业务出现故障时，可以用最短的时间替 代原有系统，同时不需要做太多复杂的连接和设置，真正做到简便快捷，操作人员能够 熟练使用。 为了实现具有上述功能的联网应急收费系统，本论文进行了如下几方面的研究： ( 1 ) 为了实现联网应急收费系统与现有系统的对接，本文首先调研了现有联网收 费系统的构成及运行机理，深入了解了联网收费的概念、原则、网络硬件平台及系统软 件平台的设计，解决了高速公路联网应急收费系统与现有系统对接需要的关键技术。 3 第一章绪论 ( 2 ) 为了保障联网应急收费系统中数据传输与存储的准确性与高效性，对i p 地址 登陆技术、数据传输与交换技术、收费数据拆分技术、数据通信保障技术等进行了研究。 ( 3 ) 在深入了解联网应急收费系统的功能需求后，对联网应急收费系统的总体设 计、软件设计、硬件构成、数据及视频监视处理方法等进行了研究。 ( 4 ) 为了验证联网应急收费系统的实际效果，结合甘肃省公路建设的现状，对两 种联网应急收费系统的应用模式进行了研究，并通过实际案例说明了其应用效果。 4 长安大学丁= 程硕上学位论文 第二章高速公路联网收费系统概述 联网收费的主要目的是解决高速公路和其他全部控制出入的收费公路( 含通路) 网 ( 简称收费路网) 中，归属不同收费公路经营管理单位的路段( 桥) 因独立收费各自设 置封闭的收费设施，造成收费路网中出现众多不合理主线站等问题，以提高收费路网服 务质量、服务水平和使用效率，降低交通能耗，减少环境污染，最大程度地发挥路网综 合效益。 2 1 联网收费的基本概念 根据公路联网收费技术要求【6 1 ，联网收费的基本概念如下： ( 1 ) 收费制式 根据收费公路条件划分的不同路段作为收费基本单位( 各路段内按统一费额收费) 的制度及相应收费模式称为收费制式，收费制式可分为均- - n 、开放式、封闭式和混合 式。 各收费制式有自身的特点和适用条件，针对高速公路网状况，可以按照以下原则选 择收费方式： 道路全封闭的高速公路，交通量相对较大，采用封闭式收费制式，实行联网收费， 并逐步实行区域化、网络化。 未实行封闭的路段采用开放式。 ( 2 ) 收费方式 采用不同自动化程度的技术进行收费的方法称为收费方式，收费方式可分为人工收 费、半自动收费、全自动机械收费、全自动电子收费等类型。 高速公路均采用人工判别车型、人工收费、计算机管理、检测器校核、闭路电视监 控、非接触式i c 卡作为通行券的半自动、封闭式收费方式，并在实施过程中考虑了m t c 、 e t c 组合收费模式。 ( 3 ) 通行券( 卡) 通行券( 卡) 就是连接用户与业主的桥梁，是依法对过往车辆收取通行费的凭证， 它反映车辆的类型、车牌、入口站、入口车道、操作员工号、驶入时间、收费等收费信 息的介质。它也关系到高速公路建设资金回收率、收费工作效率、管理难度、成本大小、 运营费用等方面。对联网收费而言，还有一个与网络相适的问题，由于是很多公司共同 5 第_ 二章高速公路联网收费系统概述 经营，收费数据的真实可靠性非常重要。因此通行券( 卡) 方案的优劣，从数据的完全 性、设备的可靠性及成本、价格、管理难易程度等多方面综合评价7 1 。通行券按其使用 性能，分为一次性使用通行券和可重复使用通行券。按使用介质来说，可分为纸质通行 券、磁卡、i c 卡等。一次性使用通行券一般包括纸质打印通行券、纸基磁通行券，纸质 条形码通行券。可重复使用通行券包括磁卡、接触式工c 卡、非接触式i c 卡。 2 2 联网收费的原则 根据公路联网收费技术要求 6 】，联网收费遵循如下原则： ( 1 ) 收费方式的统一 采用“人工收费、计算机管理、闭路电视监视、检测器校核”的半自动收费方式， 以非接触i c 通行卡作为联网收费统一通行券。在采用非接触i c 通行卡作为通行券的路 段内，要保证全路段实行封闭，避免通行费和i c 通行卡的流失。当收费路网内出现多 义性路径问题、且涉及不同收费公路经营管理单位经济利益时，应采用最经济合理的措 施解决行驶路径及确定通行费分配比例的问题。 ( 2 ) 实行联网收费路段的收费票据要统一 实行i c 卡联网收费的路段采用统一票据，统一印制、统一样式、统一类型，联网 收费票据包括机打票和定额票( 手工票) 。 ( 3 ) 实行联网收费路段车型分类标准统一 在整个联网路网内，由于存在跨路段行驶，跨路段缴费的现象，因此，必须要求实 行联网收费的各路段车型分类一致。联网收费系统软件能满足车型分类改变时，系统做 相应的变动而不影响正常的收费工作，同时，客运车辆和货运车辆按不同的分类以及收 费标准收取通行费，即客运车辆按现有的车型分类进行收费，货运车辆按计重收费方式 进行收费。 ( 4 ) 实施联网收费路段车情要统一 联网收费系统车情分为普通车、军车、公务车、车队、u 型车、换卡车、无卡车、 超时车、预付卡车等。对于以上一些特殊处理的车辆，如u 型车、换卡车、无卡车、超 时车等，需要制定统一的流程，制定相应的管理规定，所有联网收费路段均遵循这些流 程和规定，确保收费处理方法、各种特殊事件处理方法统一。 ( 5 ) 实施联网收费路段付款方式要统一 联网收费系统的付款方式主要采用现金和非现金支付( 预付卡缴费) 两种付款方式。 6 长安大学工程硕士学位论文 以现金付款方式为主，如果使用非现金支付方式( 含电子不停车收费方式) ，需要设置 统一发行和管理非现金支付卡及电子标签的机构。 ( 6 ) 联网收费通行券( 卡) 类型和编码格式，以及通行券( 卡) 读写设备技术规 格要统一 联网收费系统的通行介质一般均采用m a d 标准的非接触式i c 卡，通行卡读写设备 宜统一采用可读写m a d 标准的非接触式i c 卡的读写器。非接触式i c 卡在处理前要与读 写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都 有自己的操作密码和访问条件。 ( 7 ) 联网收费系统中各级系统的硬件结构及配置应基本统一，地址应统一规划 联网收费系统各级应用软件应基本统一，通行券( 卡) 读写设备、收费车道、收费站、 路段收费分中心和管理中心各级之间数据传输格式和协议的统一，以及联网收费清分、 结算软件的统一和安全尤其重要。 要有统一的管理机构对所辖范围内的联网收费网络系统所用i p 地址作出规划，以 避免发生i p 地址冲突。i p 地址采用1 0 0 0 0 1 0 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 ( 8 ) 联网收费系统规模扩大后，应妥善解决系统的稳定性和可靠性等问题，在系 统逐渐扩大规模或收费公路收费期满后退出联网收费系统的过程中，应努力减少对运行 中收费系统的干扰或扰动，并应努力保护已有投资，避免浪引7 1 。 2 3 联网收费网络设计 联网收费网络系统的规划、设计、实施需要按照先进性与实用性、可靠性与安全 性、经济性与可扩展性相结合的原则，采用开放式的网络体系结构。 联网收费网络系统是由若干层次局域网和通信系统提供的通信链路构成的广域网 组成，采用t c p i p 网络协议。广域网技术采用i p 技术、s d h 技术、帧中继技术或三网合 一技术等。为保证联网收费系统运行的可靠性和安全性，应配套建设宽带高速的公路专 用通信网( 通信系统) 。公路专用通信网的规划、设计与实施应满足联网收费系统的组 网技术要求【8 1 。 2 3 1 收费站网络设计 收费站系统是收费系统的最基层单位，主要由收费站计算机系统、闭路电视系统 和供电系统组成。主要完成对车辆的处理，管理车道上产生的原始收费数据，建立数据 7 第= 聋崩速公路睡坷收费覃缱氍建 库- 生成统计数据，管理收费系统参数。支持在嗣络故障或通信系统故簿情况下采用外 部存储设备进行鼓据的传输，维护收费站系统的安全，定期进行数据管理和备份。 收费站计算机系统出l 台p c 服务器、工作站( 管理、监视、票据) 、交换帆、路由 器、打印机和光盘刻录机组成。收费站系统构成采用星型开放网络结构采用i o o w l 0 0 0 m 双速以太网技术，由微机服务器、多层交换帆、客户机( 收费管理、车道运行监控、财 务工作站) 、打印机、数据备份设备和u p s 电源等组成。收费站网络拓并结构如图2 ，l 所 示。 圈幺1 收费站罔绍拓扑结构田 23 2 收费分中心网络设计 收费分中心是一个收费公路经营管理单位收费系统等机电设施的最高管理机构，收 费公路经营管理单位是一个独立的项目法人实体，路段收费分中心负责本路段( 桥、隧) 日常运营、管理、核壹工作。 收费分巾心闭路电视临视系统与虢控分叶1 心合并设置包括切换矩阵、电视墙、 网画面分割器、硬盘录像机和监视器等，均计入监控系统中；通信系统为所有收费站和 该踏段监控系统提供传输通道j 传视频信号，并提供反向控制接n 用于控制输出，保 证收赞分中心和收赞总巾心可以切换省界蕾线站和重点收赞站的视频信号。 8 长安大学工程硕士学位论文 收费分中心系统采用千兆以太网( 或快速以太网) 等高速网络通信技术组网。该 系统主要由微机服务器( 或小型机服务器) 、工作站( 收费管理、通行券管理、财务等) 、 打印机、数据备份设备、交换机、路由器和u p s 电源等组成【9 l 。其网络拓扑如图2 2 所 a i o j 舞￥ ：盲落日耐甜 e ig l 目* f i 阳i 两矿一i 磊 毫 蠢多蠹丌。 圈2 2收费分中心网络拓 卜图 2 33 联网收费结算中心网络设计 联网收费结算管理中心依据联网收费总体框架，根据联网收费系统规模的大小，所 在地区交通量大小和所采用的收费技术( 人工半自动收费电子收费、现金非现金支 付、计重收费等技术) 。 联网收费结算管理中心系统的实施要根据收费路网的发展、联网收费应用业务量需 求分期实旆。当联网收费系统中使用非现金支付或电子收费时，采用双机热备份小型机 服务器并配置适当的数据存储系统，除设置通行券及票据管理中心外，建议设置独立的 第三方密钥管理中心。 联网收费结算管理中心系统采用千兆以太网等高速网络通信技术组网，采用开放式 网络构架，而且可以根据功能需求和收费应用业务量的增加，方便地升级与扩展。网络 9 第二章高速公路联网收费系统概述 拓扑结构如图23 所示 图2 3 联同收费结算管理中心网络拓扑结构 2 4 联网收费系统软件 联网收费系统软件采用数据层、支撑层、应用层等三层体系结构第一层为数据 层，即联网收费系统中各类数据库；第二层为支撑层，即应用支撑环境，包括中间件、 基础构件、高层构件等：第三层为应用层，主要包括收费车道、收费站、管理所、路段 收费分中心、联网收费结算管理中心、票证及通行券管理中心、密钥管理中心、客户服 务等应用软件子系统。 联网收费系统软件采用数据库技术、数据处理技术、中间件技术、构架构件技 术、工作流技术、交通地理信息( g i s - t ) 技术、x m l 和w e bs e r v i c e s 技术等构建 j 。 2 4i 平台软件 平台软件是指数据层中支撑软件，主要包括操作系统和数据库，为建立其上的数 据层提供基本的支撑平台，也为业务逻辑提供基本的支撑。 1 0 长安大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 平台软件的选型原则 平台软件选型应以功能、性能、可靠性、安全性，成功应用案例( 特别是国内 公路联网收费领域) 、经验、维护、服务和价格为参考标准。 在一个收费路网内，宜选择相同、同系列或者相似的平台软件。同时还应考虑 到相邻联网收费路网所使用的平台软件，在相似的条件下，采用相同、同系列或相似的 平台软件【1 1 1 。 平台软件的选择应与所采用的硬件平台相适应。 同一收费路网内各不同层次的平台软件应注意连续性和匹配适应性。 应具有连续的品牌。 ( 2 ) 操作系统 公路联网收费采用的操作系统能够为联网收费各业务的集成开发和应用提供基础 的支撑，要求具有抢占式多任务处理能力，多级系统容错能力等。联网收费结算管理中 心宜采用小型机服务器( 双机热备份系统) ，路段收费分中心和收费站采用高档次微机 服务器或高档次微机服务器双机热备份系统。根据联网收费的应用管理需求，联网收费 结算管理中心局域网服务器操作系统采用u n i x 、l i n u x 等；其他局域网服务器一般宜选 用l i n u x 、u n i x 、w i n d o w s 等服务器操作系统；各工作站一般采用l i n u x 、w i n d o w s 、v x w o r k s 在占 守。 ( 3 ) 数据库 服务器数据库选型原则 数据库系统应具备对海量数据处理的支持； 支持s q l 标准及多种开发语言，支持分布式处理，支持客户服务器体系结构； 支持高性能的并发控制和联机事务处理； 支持主要网际互连协议( 如t c p i p 、a p p c 等) 和局域网协议( 如t c p i p 、 s p x i p x ) ； 支持s m p 系统； 支持可变元的二进制存取及提供相应的多媒体开发工具；具有良好的可移植性 和可扩展性； 确保联网收费系统有很好的安全性、灾难恢复和事务完整性考虑； 支持大量的第三方产品，能满足不断发展中的各类业务需求； 支持c l u s t e r 集群系统，并能自动实现任务均衡和任务切换； 1 1 第二章高速公路联网收费系统概述 至少支持p o w e r b u i l d e r 、d e l p h i 、m i c r o s o f tv i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等开 发工具，并同时具备完善的i n t e r n e t 开发工具。 服务器数据库 数据库产品采用：o r a c l e ，i n f o r m i x ，s y b a s e ，s y b a s es q la n y w h e r e ，m s s q ls e r v e r 和d bi i 等。 ( 4 ) 网络管理软件 网络管理软件的功能需求如下： 网络管理范围应从车道控制器至省( 自治区、直辖市) 联网收费结算管理中心 网络系统。包括路由器、交换机、服务器、工作站、u p s 电源、通信传输和访问控制等。 网络维护功能：网络监控、测试、报警、供电、故障处理与修复。 日常管理功能：通过收集通信量及设备利用率等方面数据，经分析后作出相应 控制，优化网络运作和提高资源利用效率。 网络管理产品采用：o p e nv i e w 、n e tm a n a g e r 和n e tv i e w 等。 ( 5 ) 软件管理软件 软件管理软件的功能需求如下： 简化软件安装、配置等管理工作，及时发现软件安装、配置及运行过程中出现 的问题。 实时监控联网收费系统内的所有服务器、工作站上的软件安装情况、软件运行 状态及重要进程的运行情况，在此基础进行实时管理。 提供完备的软件管理手段，提高系统的安全性和稳定性【8 1 。 2 4 2 联网收费应用软件 收费系统软件指区域联网收费系统专门开发的应用软件，包括联网收费结算管理 中心、收费分中心、收费站和收费车道应用软件，从方便全省公路联网的角度考虑，采 用统一的收费车道应用软件。 2 5 本章小结 本章首先介绍了实行联网收费的目的与应当遵循的原则，以及联网收费的收费制 式、收费方式及实施中使用的通行券，其次，重点说明了联网收费系统的的网络设计和 软件实现。 长安大学t 程硕上学位论文 第三章高速公路联网应急收费系统关键技术的研究 3 1 公路联网应急收费系统与现有系统对接 由于应急收费也涉及到清分的问题，所以必须保障每个应急收费车道基础数据库中 的节点信息、费率信息、人员信息是准确的，与清分中心是统一的。这便要求应急收费 系统中作为车道的i p 地址必须是唯一的，节点号必须是准确的，保证得到的费率信息 是正确的【13 1 。 考虑到省级干线公路分期建设的特点，以及未来全国联网收费、管理、服务、信息 共享等的要求，遵照高速公路联网收费暂行技术要求的有关规定，全省统一分配i p 地址，采用a 类i p 地址。 i p 地址的分配既包括收费系统的i p 地址分配，又包括监控系统的i p 地址分配，并 为省级交通部门的其它相关机构预留有i p 地址空间。 ( 1 ) i p 地址的管理机构 省干线公路i p 地址的管理和分配由省级联网收费结算管理中心统一负责。 ( 2 ) i p 地址的分配原则 依据网络结构，将a 类地址块划分为广域网i p 地址块、局域网i p 地址块和预留i p 地址块，干线公路联网的各级i p 地址的划分原则为： 唯一性：干线公路联网收费中一个i p 地址唯一对应网上的一台数据通信设备。 连续性：在同一网络区域分配连续的网络i p 地址，便于整个系统的规划，同时 提高路由器的寻址效率，增加整个网络的性能。 扩充性：应预留一定量的备用i p 地址块，以便今后增加网络节点后网络i p 地址 仍能保持连续。 管理性：i p 地址的分配应该有层次性，某个局部的i p 地址变动不影响网络的其 它部分。 汇聚性：网络地址的分配应有利于路由表的汇聚。 高效性：网络采用可变长子网掩码技术，要求采用支持可变长子网掩码技术的 t c p i p 协议族。 特殊性：i p 地址的各位( b i t 位) 不允许全1 或0 ；主机地址的各位( b i t 位) 不允许使用全l 或0 的i p 网络地址。 第三章联戍急收费系统关键技术的研究 联网收费对路段站号( 节点号) 必须采用唯一的方式，要求收费分中心与收费站在 同一节点范围，以便识别叫。 因此，应急收费软件必须采用车道i p 登录，站号准确唯一，车道号准确唯一，收 费设各每次到收费站使用的第一次必须首先与站级数据库连接运行配置软件，即采用车 道i p 地址登录，然后配置相关信息，生成相应的配置文件，即收费站号、车道号等必 要信息，并且更改本地i p 地址为确定唯一地址，然后软件自动生成数据库，并且下载 相关基础数据，包括费率、节点信息等。 首先运行数据库属性文件c o n f i gu d l ，配置站级数据库信息，如图3 1 所示。生成 数据库文件以后，运行车道配置软件c r e a t e l a n e d a t ae x e ，将会生成相关车道数据库并 且更改本地i p 地址为合法地址。下载费率、节点信息、人员工号等基础数据，运行完 成后，车道收费软件便配置完成。如图32 所示。 图3 1 数据库属性文件 长安大学i 程硕学也论文 田3 2 车道配置软件 车道收费软件便配置完成，车道设备状态初始化用以完成车道程序启动后初始化 控制和下班后对设备的初始化控制，将此车道置为下班状态，等待收费员或维护人员登 录上班，即系统进入车道上班登录界面，可以正常收费工作了。如图33 所示。 o4 ( 夕铺“i 冀【| 号=u 删_ = 积缸 车帻 车牌i 1 国on 二一j 。【”：h 一 _ ：1h = # 图3 3 车道上班登录界面 第三章联网应急收费系统关键技术的研究 3 2 数据传输与交换技术 数据传输系统的主要目的是解决收费站、分中心、中心之间的数据可靠传输，在应 急收费系统中，收费车道到收费站这一级的数据传输显得比较重要，因为这是数据的第 一步采集工作，在此过程中着重考虑的是如何保证数据的完整性和一致性，而对实时性 要求不是很高。 3 2 1 收费原始数据的生成以及原始数据上传到站级数据库 车道原始数据主要包括收费员输入信息，读写i c 卡时卡的内部信息，以及外部设 备产生的相应数据信息，基本上与原联网收费系统信息一致。 作为应急收费系统，在网络等各方面因素没有保障的情况下，同样也必须确保收费 数据的准确性，安全性和完整性，因此，当应急车道收费系统产生数据后，会形成三种 数据格式对数据进行存储1 5 】。 第一份保存在车道数据库中，车道数据库作为车道收费软件最直接的数据读写操作 的基地，也是与站级数据库直接通信的数据存储格式，车道收费软件采用轮询的方式从 车道数据中读取数据，然后把未上传的数据保存在站级数据库中。 第二份数据是作为安全性备份的数据存储，在每次收费数据写入车道数据库的同 时，也以固定格式写入文本文件中，这个文件要求和车道数据库在不同的存储路径，当 车道数据库损坏，可以采用辅助软件将保存在文本文件中的收费数据恢复到站级数据库 中，确保了数据的安全性。 第三份数据是在网络通信故障时，车道收费软件不仅同时生成上面两个文件，而且 会同时生成的一个数据文件，这个数据文件用来保存从网络故障开始到网络故障结束这 段时间内的数据，虽然车道程序网络故障结束后会自动上传未上传的数据，但是从对未 上传数据的安全性考虑，应做一个备份文件，这个备份文件也可以通过辅助软件直接从 收费站提取数据，保存到站级数据库。 车道数据信息上传到站级数据库采用a d o 数据操作引擎，通过车道收费软件采用轮 询方式( 轮询时间可调节，以秒为单位) ，将车道数据库中未上传的数据上传到站级数 据库，每次将已经成功上传的数据传输标志更改为已上传，没有上传的标为未上传数据， 并且在每次下班时对数据进行完整性校验，也就是对收费站级数据库和车道数据库中相 同班次，相同工号的数据进行比对，对没有上传的数据重新上传，确保数据的完整性【1 6 】。 数据传输系统的模型图如图3 4 所示。 1 6 长安大学t 程硕士学位论文 图3 4数据传输系统分析模型 3 2 2 收费站级数据库中数据上传到分中心和清分中心 应急收费数据向分中心和清分中心上传时会采用两种模式，同时将数据发送到分中 心和清分中心。 ( 1 ) 采用由应急车道收费软件直接上传的方式，这种情况主要是针对收费站不完 善，或者收费站故障等条件下的数据库传输模式，车道软件在每次把收费数据上传到站 级数据库同时，把一份数据上传到分中心和清分中心；如果站级数据库不存在，则直接 把数据上传到分中心和清分中心，中心采用排队方式进行数据插入工作。但是这种传输 方式存在一定的弊端，对网络环境要求特别严格，一旦网络出现故障，数据就无法准确 的上传到中心，因此，在应急收费系统中很少应用，只是作为数据传输的备用手段和方 法。 ( 2 ) 采用将站级数据库传送到中心和清分中心的方法，这种上传数据的方法安全 性高，准确性高，只要确保车道数据能准确上传到站级数据库，就可以保证数据能安全 准确的上传到中心和清分中心。 这种传输方式通过中间层把对远程数据库的操作转化为本地操作，即先在本地把数 据库表单数据导出并压缩打包，然后通过通信网络发送到目的地，目的地收到数据包后 解包再导入数据库中相应的表【1 7 】。其流程图如图3 5 所示。 1 7 第三章联嘲心急收费系统关键技术的研究 毅弼蹲i 蔽数糍垮裘 蛔f k 固 盆术交纷非洲： f 圆乜 喁人i f 7 “”。t “ f 沙 5 n “l “ i 图3 5 数据传输系统流程图 数据导入导出采用a d o 与数据库进行操作，数据通信采用f t p 协议。由于一个中心 可能对应着几十个工作站，因此存在多个工作站同时向一个中心发送数据包的情况。为 了防止通信阻塞，同时为了提高系统的安全性，中心采用轮询方式从各个工作站拉数据 的方式进行，即工作站只是简单地导出数据，中心必须主动到工作站去把数据拉回来。 数据包采用z i p 压缩格式的文本文件形式，以方便出现故障时手动维护，同时利用 z i p 压缩和解压缩过程来实现数据包的校验和数据加密传输，并且能减小网络传输的数 据量。压缩和解压缩采用第三方组件( i n f o z i p 公司免费提供的z i p d l l d l l 和 u p z i p d l l ) 。 数据包命名规则：当前时间( 删d d h h 删s s ) + 节点号+ “z i p ”。正常运行情况下传 输间隔不小于1 秒，因此不会出现文件重名的情况，只有在手工导出与系统自动导出同 时进行时可能出现，出现文件重名可以采用当前时间+ 1 秒来解决，如表3 1 所示。 表3 1数据传输系统在操作系统上所建目录及描述 根目录子目录内容描述 f t pr o o tu pl o a d等待上传的数据包 e r r o r 操作出错的数据包 d o w nl o a d 等待下发的数据包 d o w nl o g 己下发的数据包 r e c e i v ed a t a 接收的数据包 r e c e i v el o g 已导入数据库的数据包 在u pl o a d 、d o w nl o a d 目录下根据配置文件为每个目标服务器建一个子目录，目 1 8 长安人学工程硕士学位论文 录名为服务器i p 地址，发送的数据包放到相应的子目录中。 站级服务器只执行数据导入导出，不执行数据通信。 在中心级服务器，如果支持接收上传的数据，则采用“拉”数据的形式，定时检查 设定的每个目标计算机中“u pl o a d 本地i p ”目录下是否有新的数据包，如果有则下载 到本地r e c e i v ed a t a 目录下。如果支持数据下发则检测本地“d o w nl o a d 下发i p 目 录下是否有新的数据包，如果有则发送到目的端的“r e c e i v ed a t a 目录下，同时在本 地端的“d o w nl o g 目录下保存下发的数据包。 为保证数据传输的效率，数据通信模块采用多线程，即每个目标计算机连接为一个 单独的线程。 软件中采用以下几种手段来保证数据的完整性和一致性【8 】： 通过中间层来传输数据，降低了因网络传输故障造成数据操作失败的风险； 传输的数据包经过z i p 压缩和解压缩过程来进行校验； 在数据文件中加入记录数或其它特殊标志位来校验数据1 8 】； 数据传输服务程序 该程序为w i n 3 2 服务程序，在系统启动时自动加载并在后台运行，然后根据配置文 件设定的时间间隔执行数据导入导出或数据通信。 功能模块从整个系统的软件功能，可以分为以下四个部分： 数据通信模块 采用f t p