（机械电子工程专业论文）循环式ic卡收发机及高速公路联网收费系统相关技术的研究.pdf

摘要 高速公路收费管理是一项世界范围内的课题，以非接触式i c 卡为通行券 的随络化收费与路政管理系统融缀成为了我国目前大力靛展的主流。要实现全国 藏溺逡赢速公路收费的有效篱壤，必须有全国范墨内救收费鼹终失支撑。嚣联网 浚赘鹣实行还取决于毒耋程器收费菇懿弼络婺璃设善一收发卡梳。萁蒴箨雾经、 可熊性和自动化程度是联潮收赞管理的关键，尚未得到解决。因此，对高速公路 收赞管理系统的专用网络及收发卡机的研究与开发对促谶我国高速公路事业的 发展，具有很迫切的现实意义。 零文摄蠢广域鼹谩诗理论，撬窭了适合鑫速公鼹自动毒乏收费应是弱s 踺嗣步 数字传耱鼹络方案，裁够将设计熬系统接入其它专翔潮终躐电售丽，并完成数据、 圈像、语音的实时传输。针对现有试制品及国外同类产黼农使用中暴露出来的各 种缺陷，对i c 卡自动收发机的机械系统、非接触式i c 卡读写系统和电气控制系 统三鄢分进行了开发设计。掇出了恒力顶升的的设计方粱，通过对卡片顶升力的 羧铡寒实理对专冀整墨戆燕键，梵嚣蠹善翻。藿力疆舞醚合专嗣卡盒及懿头戆铃 送，颥莉建实现卡片在系统串鹣盘动收发帮循环流转。赏黢证疆，本方案一举克 服了现有技术的种种弊端。比较国外同类产品，它防作弊性好、成本低、不磨卡、 自动化程度高，是该类设备国产化的最优选择，有重要的工程推广意义。 本文在对整个系统进行分析礤究的基础上，着重辩袋关键设备一循环式i c 卡牧笈凝瓣牙发送厅了磺究。滚麓在筵鬟域锾塞藜熬搽索，壤羚莺肉窆鑫，势必 聪灏麴研究打下基础。 哭键词：高速公路收费循环戏i c 卡收发机恒力顶升系统非接触式i c 卡 a b s t i 矾c t t h em a n a g e m e n to fe x p r e s sh i g h w a yt 0 1 lc 0 1 l e c t i o ni saw o r l d l i d e i s s u e n o w ，t h ec o m p u t e ra i d e da u t o a t i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e 珈b a s e do n n e t w o r ki sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a mi no u rc o u n t r y i no r d e rt om a n a g et h e t o l lc 0 1 l e c t i o ne f f i c i e n t l y ，an a t i o n a lt 0 1 l i n gn e t w o r ki sn e e d e d i nt h e o t h e rh a 1 d ，t h ei cc a r dr e c e i v ea n ds e n d ( r s ) e q u i p e n tist h eb o t t l e n e c k o ft h et o l lc 0 1 1 e c t i o ns y s t e m i t sc a p a c i t yo fp r e v e n t i n gf r a u d f u l b e h a v i o r ，r e l i a b i l i t ya n dt h el e v e lo fa u t o i a t i o n ， w h i c hh a v en o tb e e n s o l v e dy e t ，a _ r et h ek e yp o i n t sf o rt h ee x p r e s sh i g h w a yt o l lc o l l e c t i o n s y s t e t h e r e f o r e ，i ti su r g e n t l yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p e n to fe x p r e s s h i g h w a yi n d u s t r yt or e s e a r c ht h et 0 1 1c o l l e c t i o nn e t w o r ka n dt h ei cc a r d r se q u i p m e n t t h ee x p r e s sh i g h w a yt o l lc 0 1 1 e c t i o ns y s t e ma d o p t st 0 1 ln e ta si t s a p p l i c a t i o np l a t f o m t h i sa r t i c l em a k eu pw i t han e t w o r kd e s i g ns c h e m e s u i t e df o re x p r e s sh i g h w a yt o l l a d o p t i n g t h e t e c h n o l o g y o fs d h s y n c h r o n o u sd i g i t a lt r a n s i t t i n gn e t w o r k ， i tc a nt r a n s m i td a t a s y n c h r o n o u s l y t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h e a l f u n c t i o n sa n ds h o r t c o i n g s o ft h ed e v i c e o c c u r r e db e f o r e ，a n dp r o v i d e san e wd e s i g no ft h ec o n t a c t l e s s i cc a r dr e c e i v ea n ds e n d ( r s ) e q u i p m e n t ，f r o mt h et h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s t h em e c h a n i c a ls y s t 伽，t h ec o n t a c t l e s si cc a r dr e a da n dw r i t es y s t e ma n d t h ee l e c t r i c a lc o n t r o l li n g s y s t e m i t p u t sf o r 盯a r da n e wd e s i g no f c o n s t a n ts u p p o r t i n gf o r c es y s t e mf o rt h ef i r s tt i m ed o e s t i c a l l y ，w h i c h c a nc d n t r o lt h ep o s i t i o no ft h ec a r di n s i d et h ec a r db o xa n dt h ev a l u e o ft h es u p p o r t i n gf o r c es y n c h r o n o u s l y w o r k i n gw i t ht h ep a r t i c u l a rc a r d i i b o xa n dt h eh e a do ft h ed e v i c e i tc a nm a k et h ec a r d sb es e n ta n dr e c e i v e d a u t o 哪t i c a l l ya n dr e c y c l e t h ep r a c t i c a lu s eo ft h i sn e w l y d e s i g nd e v i c e p r o v e st h a titc a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g sa f o r e t i m e w h a t sm o r e ， c o m p a r i n gw i t ht h ef o r e i g np r o d u c t s ， i tc o s t sl e s s ，d o e s n tw e a rt h ec a r d a n dh a sah i g h e ra u t o m a t i c1 e v e l t h i sd e v i c ec a nt o t a l l ys u b s t i t u t ef o r t h ef o r ei g np r o d u c t s t h i sa r t i c l e s t u d i e st h ew h o l es y s t e mw i t he m p h a s i so nt h ek e y e q u i p m e n t t h ec 0 n t a c t l e s si cc a r dr se q u i p m e n t w h a tid oi st oe x p l o r e an e ww a yi nt h i sf i e l da n db u i l das t r o n gf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e y 聃r d ： e x p r e s sh i g h w a yt o l lc o l l e c t i o n ， t h er e c y c l e d 工cc a r dr s e q u i p e n t ， c o n s t a n ts u p p o r t i n gs y s t e m ，c o n t a c t l e s si cc a r d i i i 孛毒太学硬士学位趋文第一嚣绪论 籀一章绪论 l 。l麓速公路收费管理系统及葜国内外磷究现状 嵩滤公路以其车遴简、通行能力大、行车安全、逡输成本低等优麴，成为 与航空、铁路并重的国鼹经济大动脉“1 。它对于促进社会经济发展，摆动社会进 步，翼餐攀足轻重的髂麓。为确保高速公路葛效运终，除了离标准、嵩袋餐建设 道路设徽外，一个高效有序的收费与路墩信息管理系统怒必不可少的。 l 。l 。l 赢速公路收费管理系统使鹰目标 锄搿遽公路收费营邋系统静应用须满足 奠下疆标： 1 ) 邋行能力高，滞车时间短； 2 ) 凝摄车辍类型帮纷装里程，嚣裂愆毽，合理牧赞； 3 ) 收费管理系统各环节环环相扣，最大限度遣杜绝通行费各种可懿的漏洞： 4 ) 牧赞管理系统应满足高可靠性和维护简单等要求； 蛰建立事囊逶牙与牧费警瑾鼗攥艨，蠖予获速、壤臻逡统 襄汇憨器类毁 赞管理的表卡； 6 ) 为路政、交管和公安等部门提供相应道路通行信息。 l 。i 。2 嵩速公路羧费管理现获 目前，我国高速公路建设是由国家统一规划、多渠道筹资建设、通行收费 滚动发展的道路。因此，采用何种管理手段来规范业主、收费管理人员和牵辆的 孬秀，含疆缝征浚释嚣分车辆运露费，燕分发挥毒速公潦通行效率窝联瓣缆势， 显得尤为震耍。 赢逮公路的收费方戏有两种：封闭式收费、开放式收费。开放式收费按车 辆通过次数分车垄征敬瀚迩费额，适弼辚梁、隧道帮专蹋潞。封 i l 式牧费按行驶 里程分车聚收费，适用于城间和环城筒滤公路。 一l ， 中南大举硕士学位论文 第一章绪论 嚣舔土毫速公路誊建煞浚爨方法套：太工诗费耪计箨掇联溺蠡象证l 芟羹嚣 种。其中，后者又分为停车收费和不停车收费两类。 一人工收费：入口发棚威站点的入口券，出口验明入口券，并根据车型和 行牵飘程计收费用，开票放行，众部操作过程由手工完成。该方法在高速公路发 黢黥镪期阶段发挥了重要静佟耀，毽陵着高速公路的邈獯笈曩，车流量的急副缮 多，遮释寝费方式暴露交了诲多翔题，无法涛是嚣要。主簧有馥下冗拿淘蔻： 1 ) “入口发纸券，出翻交赞”容易产生行驶车辆冲率，不交费现象。若采 取“入口交费，出口验证”，因按里程收费，就不易掌擐车辆的行程，且造成车 辆出口选择余地小，给司机带来不便。 2 ) 发逶行券多少，爱人工诗冀，无法棱查。 3 ) 入口司杌不要票谈，西麓舞现收费员私鑫放车躐侵吞票款静蕊蒙。 4 ) 车型、车流量的原始资料，均需人工统计，工作凝大，统计也不准确， 给管理工作带来不便。 二计算机联网自动化收费( 停车) ：是指人工识捌率型，车型、入口站、 羧费爨缡号、丑絮等售怠努臻存蔽在条形筠、磁专或e 卡孛。薅惠戆读写彝收 发操作均由专用设备完成，掇佟简单，不易出错并能脊效媳防止收费过程中的短 票行为。由上位机控制专用设餐照示收费金额。人工收费，付票放行的收费方法。 入口处：收费员识别擎懑，将有编号、日期、入站、操作员工号及相应车 篓 薅窜辆信息的车卡虫上位枫按镱专用收发卡枫鸯动发卡绘司壤。 密墨楚：设有专臻羧笈专飘及其它专霆设蔷，惫援率徐显示器、存取器秘 邋躐离通讯接口。由收发卡机融动收取车卡并读出车卡上的各种信息送上位机要 示和处理，根据车卡上标明的储息，由系统管理软件计算出交费金额并显示，收 费员收费，付票据，放行车辆。 藏耪收费方式较全入工狡蘩骞矮进步，毽仍存在戆不是，主要是入臼入 ，一 中鬻大棼颤士学位论文 粲一章绪论 工车辆剡型，出口结账采用人工收费，现金交翁比较麻烦，服务嚣寸闻较长。 三不停车收费方法：此种方法正在研究阶段中，它是一种繁予远距离射频 识别技术的壹遥电子收费系统，所有收费过程完全出计算枧及其外灏设备与通行 券 羧皴式i e 卡) 警魏交换信惑、壹动楚瑷，无疑是最高级鹃高速公路收费 方法。 在荧国、日本、意大利等发达国家，两种收费方式都在一定瓶围内存在叫， 在些魏羧主基羟开始试秘不等车全鑫动蚊费蘩绫，峦予其核心技零一运蓬裹射 频识剐技术尚未得到完警豹解决，未觅成熟的该类系统正式投入使用。 瓶我国，目前主流收费方式是全封闭的人工收费方式。通行游多为次性 纸券。这种收费方式有几大蹰显不足： 1 ) 票据繁多，管理壤寝大； 2 ) 易产生回笼票、抽稿票等作弊行为； 3 ) 出( 入) 口工作量较大，增加了车辆排队等候的时闻，易遗成车流堵塞； 凄) 不疑子收集与线诗车舞逶嚣、波费操季譬黪售惠。 1 1 3 高速公路收费方式发展的方向 随着交通量的不断增加，交通联网规模的不断增大，新技术的不断发展以 及社会对收费口服务水平的器求的提高，人工收费模式所暴露出来盼蚤静弊端， 已经严纛雉麓约了我国蔫遮公路蠢茬会经济鹣发震，鍪将旋海汰。袋瘸瘫逶兹诗 算机技术和i c 卡技术的计算机辅助自动化收赞方式并将高速公路释路段的收费 行为联网管理正成为目前高速公路收费管理系统的主流嘲。联网收费主要优势有 班下足瘗； 1 ) 实行联网收费，埘以大大减少收费站数爨和收费人员酌编涮，节省收费 站建设投资和运凿爨用开支； 2 ) 实行联网收费，有利予实现收费管理现代化，提供工作效率_ 葶珏管理水平； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 ) 实行联网收费，可以减少行驶车辆停车交费次数，大大提高路网的通行 能力，保证道路畅通； 4 ) 实行联网收费，对网络范围内的各高速公路路段的收费行为进行监控和 对收费信息进行集中处理，可以有效地减少收费漏洞，防止收费过程中 的作弊行为； 5 ) 实行联网收费，为发展和最终实现高速公路“一体化”管理打下良好的 基础。 因此，计算机联网收费管理作为现代化的管理手段可大大提高高速公路的 经营管理水平，完善经营管理机制，提供有效的辅助决策功能，对提高高速公路 的经济效益和社会效益发挥重要的作用。这种收费模式正逐渐成为我国现今和今 后大力发展的主流。 1 2 高速公路联网收费管理系统的组成及相关技术状况 高速公路联网收费管理系统实质上是一个以非接触式i c 卡为通信载体的基 于广域网平台上的数据库信息管理系统。由非接触式i c 卡从各收费站录入车辆 收费信息，用作收费依据和上位机网络系统信息管理的信息源。加密后的专用 i c 卡在整个系统内封闭地、安全地流通。i c 卡系统流程图如图卜1 所示。通过 网络将各收费站主机与收费管理中心主机联在一起，由收费中心实行对各收费站 收费行为的监控和收费信息的进一步处理，并实现各收费站的资源共享和协调管 理。硬件组成包括各收费站的终端设备及上位机、各收费站和收费中心的局域网 建设以及联结各局域网的广域网建设，软件组成包括各收费站和收费管理中心负 责对收费信息进行处理的数据库应用程序和专门负责组织和管理信息表的数据 库管理系统，以及收费终端设备控制软件、网络通讯协议等。 本系统涉及的技术主要有以下几个方面： 一、计算机和网络技术 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜1 高速公路收费系统i c 卡工作流程图 中南大学硕士学位论文第一章绪论 计算机网络是实现高速公路收费系统智能化和自动化的基础技术。在主要以 区域、省的多条高速公路联网的收费系统，必须要求有高速可靠的计算机网络完 成收费工作。在今后，需要建立专用的高速公路网，并将它与银行、公安、税务 等其它部门的网络联结进行通讯。当今的计算机网络正向着综合化、智能化、宽 带化发展。随着国家基础设旋的的不断扩容，使的可用带宽增加。在以后的计算 机收费系统间，可以采用更加高速的广域网联结，实现更大容量、更快的资料和 多媒体的传输。网络体系结构也将向着具有i n t e r n e t 特征的i n t r a n e t 模式转化 。63 ，收费站( 包括各级计算机系统) 能更好地实现内部报表、资料查询、处理、 内部信息发布以及内部电子通讯等工作。这些都将为高速公路系统的信息化、智 能化提供了保障。 二、系统终端设备及其相关技术 各个收费站内的设备负责i c 卡的收发以及对收费信息、监控信息的采集、 初步处理并上传至上一级收费中心。这些设备主要i c 卡自动收发设备、电视监 控设备、车道外围设备等。其中，收发卡机作为系统网络底层的终端设备，由全 封闭收发卡机构、非接触式i c 卡读写系统及其控制系统协调动作，完成收发卡 片、信息读写的任务，是车辆通行信息和收费信息的原始采集点和收费指令的最 终执行点。高速公路专用i c 卡自动收发机与现有的i c 卡、磁卡设备相比较，要 求有较高的容错能力、防作弊性能、工作可靠性、运行速度以及工作自动化程度， 较低的运行成本和卡片损耗速度，并且不重卡、不堵塞，是整个系统收费管理得 以实现的关键。收发卡机的设计一直没能得到圆满解决，是阻碍收费系统应用的 技术难点。 近几年来，收发卡机的研制随着以i c 卡为通信载体的计算机联网自动化收 费方式的发展而日益受到重视。国外已有多家设计、生产此类设备的厂家，并有 部分厂家的产品已经投入到实际试用中。我国就有长潭高速公路、京津塘高速公 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 路等采用了国外的收发卡机“3 ，实用中暴露出该机防作弊性能差、磨卡严重等缺 点，不能满足国内长期的使用要求。而在国内，针对这些缺陷，近几年也出现了 许多研制此设备的单位。其试制设备的机械系统均存在严重的缺陷，造成设备组 件损坏、收发卡工作性能极不稳定，远远达不到实际应用的要求。 首先，原收发卡机采用了丝杆螺母机构作为传动机构，以微动开关作为位 置控制组件，通过微动开关的动作来控制驱动丝杆的电机，进而达到控制顶升杆 对卡片的顶升。如图卜2 所示。这种位置控制的方法本身就存在着无法克服的缺 陷。丝杆螺母机构属于一种刚性旋转一直线运动转换机构。1 ，具有一定的转动惯 量，它在电机断电后还会由于惯量因素而向前移动定的距离。这个距离受卡片 数量、机构各部分摩擦情况、驱动电机转子转动惯量等多方面因素影响而不断变 化的。同时，微动开关的触发位置精度不高，其误差均在o 8 姗至1 i i i l 以上脚。 这样，顶升机构的惯性运动、丝杆以及微动限位开关临界动作位置的不确定性误 差累积起来，其位置误差在1 m m 以上，不可能实现卡片顶升位置的精确控制。 收发卡的过程同时也是卡片在密闭状态下进出卡盒的过程，为保证卡片顺利地收 入和发出，卡片顶升系统必须保证卡盒内最上面一张卡片对准卡盒出口的同时， 还须与起定位板作用的卡盒顶板保持恒定压力而微动开关丝杆机构将卡片推到 设定位置时，压紧力很难控制，严重时甚致将丝杆顶弯并导致丝杆电机过载。实 验证明：在压缩状态下，即便是选用弹性很好的天然橡胶材料( 邵氏硬度为 2 0 1 0 0 “”) 做成的橡胶轮，在外径为5 0 咖时，其可承受的压缩量也远远不能达 到1 衄。由于橡胶的耐压能力所限，当橡胶轮稍微被压缩到定程度后，只要压 缩量再有极微量的增加，压力将迅速地地膨胀到很大。橡胶的这种压缩特性就决 定了采用靠橡胶轮与卡片间摩擦力来拨卡的机头拨卡机构后，拨轮橡胶外套的压 缩量必须限制在非常小( 应该远远小于1 衄) 的范围内。经过理论分析和现场试 验( 以常用的天然橡胶轮确定) ，确定当卡片对拨轮橡胶外套的压缩力。o 5 培 中南大学硕士学位论文第一章绪论 时橡胶轮的压缩量适当。当且仅当拨轮橡胶的压缩量在此基础上的极小范围( 约 为0 1 豇】内) 变动时可正常收发卡片。而由于上述不可避免的位置误差，造成对 橡胶拨轮压缩过大或过小。过小时使得卡片与拨轮问正压力不够，拨轮难以提供 足够的摩擦力来拨出卡片。过大时将使卡片与拨轮橡胶的过分压缩，使卡片压变 形并压坏检测用的微动开关，同时将急剧地增大顶升电机的负载，出现电机过载 等故障。因此，依据理想状态确定的顶升位置来控制卡片在收发过程中的位置， 不能同时控制卡片的位置和压紧力，由此造成了各种设备故障。 123456 78 1 、丝杆螺母2 、行程开关挡块3 、导向杆4 、顶升板 5 、顶升杆6 、丝杆7 、电机座板8 、丝杆电机 图卜2 丝杆螺母项升机构示意图 三、非接触式i c 卡及其应用技术 高速公路收费管理系统以非接触式i c 卡为通行券，收费信息以i c 卡片为载 体在系统中各终端流动，保证收费过程准确、顺利地完成。 非接触式i c 卡是在接触式i c 卡的基础上发展起来的一项新技术。通常又 叫无触点卡、射频卡或感应卡，它的英文名是c o n t a c t l e s ss i i l a r tc a r d ( c s c ) 。 非接触式i c 卡通过无线方式( 电磁波) 与读写设备进行通讯，它将i c 技术、射 频识别技术和制卡技术结合起来，解决了卡片中无电源和免接触这两个难题，是 r 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电子器材领域内的一大突破“”。 射频识别技术起源于8 0 年代中期。与条形码、磁条等同期或早期识别技术 相比，它具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷及较好的应用环 境适应性等一系列优点，极大地加速了有关信息的收集和处理，在近年来获得了 极为迅速的发展。目前，射频识别技术已广泛应用于工业自动化、商业自动化、 交通运输控制等众多领域。 一个典型的射频识别系统由两部分组成，一是被称为射频识别标志的应答 器，二是寻呼器。其中，寻呼器的主要组成部分是无线收发机，应答器内装有感 应线圈( 天线) 及用于存储有关应用标志信息的内存。其基本组成如下图所示。 c 毒 c = c = 令 图卜2 射频识别系统的基本组成 射频识别系统工作过程为： 1 ) 寻呼器发射无线激励信号及有关询问信号； 2 ) 应答器进入相应寻呼器工作领域内，被寻呼器信号激励并发射应答信 息： 3 ) 寻呼器接收应答器的应答信息进行进一步处理。 基于不同应用对应答器的体积、性能等的要求各不相同，所以应答器是射 频标识技术的关键。应答器的主要组成、功能及应用特点如下： 1 ) 具有信息存储、处理能力； o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 可接受发射无线信号，外围部件少，功耗低，能在低电压下工作 3 ) 依据不同需要具有天线、射频微波探测器、调制器、解调器、控制 逻辑及内存等部件； 4 )电源系统，有的应答器具有电池或外接电源，而多数情况下的应答器 由寻呼器通过无线方式对其供电； 5 ) 体积小巧、结构多样，适合不同应用场合； 6 ) 有多种工作距离。 3 、非接触式i c 卡结构及其标准 非接触i c 卡是一种智能卡，它一般由卡基、天线和芯片模块组成。其结构 如下图所示。 图卜3非接触式i c 卡结构图 芯片模块包括射频接口、存储控制和存储器三个模块。从射频识别技术的 角度看，非接触式卡片就相当于应答器，它接受寻呼器( 读写器) 天线发出无线 激励信号及有关询问信号，经密码验证后经卡内天线发出应答信息给寻呼器，从 而完成对卡片的读写。 目前普遍使用的非接触式i c 卡的载波频率为1 3 5 6 姗z ，它包含了国际标准 i s 0 i e c1 0 5 3 6 、i s o i e c 1 4 4 4 3 、i s o i e c1 5 6 9 3 。它们分别对应卡到读写器的 工作距离在l o c m 以下( v e r yn e a r ) 、1 0 c m ( n e a r b y ) 、1 0 c m 以上( 1 0 n g e rd i s t a n c e ) 的非接触卡“。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 三种标准中，i s 0 i e c1 0 5 3 6 于1 9 9 7 年前公布，而i s o i e c1 5 9 6 3 正在讨 论，现将i s o i e c1 4 4 4 3 列表如下。 表卜1 非接触卡的国际标准 标准名称 内容时间( 年) i s o i e c1 4 4 4 3 一l 物理特性 1 9 9 6 1 0 i s o i e c1 4 4 4 3 2 射频功率及信号界面 1 9 9 8 1 0 i s 0 i e c1 4 4 4 3 3初始化和防冲突机制 1 9 9 8 1 0 i s o i e c14 4 4 3 4传输协议 1 9 9 9 1 3 本文选题的意义和研究重点 高速公路收费管理是一个世界性的课题。其收费方式随着高速公路的发展、 社会要求的提高和新技术的不断应用而蓬勃发展，先后出现了人工收费、停车自 动化收费和不停车自动化收费三种方式。三种收费方式的不同特点见表卜2 ： 在以上三种收费方式中，人工收费已经很难适应现代社会的需要，正逐渐被 淘汰：人工收费与计算机收费相结合、以计算机收费管理为主的停车自动化收费 正不断完善和大力发展中；不停车电子收费由于其无可比拟的优越性而受到各国 的重视，但其发展取决于远距离射频技术的突破，目前正处在大力研制阶段中。 我国的高速公路经过多年的发展，已形成了较大的规模，到2 0 0 0 年底我国 高速公路通车里程己达到1 1 6 0 5 公里，位于美国、加拿大之后列世界第三位“”。 按交通部总体规划，到2 0 1 0 年，随着“五纵七横”规划的实现，全国性的高速 公路网逐步形成。但我国的收费方式9 0 9 6 以上仍停留在初期的人工收费方式上， 并切实停留在单点收费没有形成网络，已远远不能满足需要。据国外有关资料统 计，人工收费系统中通行费流失金额占理论总金额的2 0 左右，而半自动收费仅 占3 左右“。人工收费这种方式所暴露出来的问题，不仅直接影响投资回收， 而且影响到高速公路通行效率和路政管理。因此，研制一种适合我国国情的高速 1 1 中南大学硕士学位论文第一章绪论 公路收费系统，对推动我国高速公路的发展，就具有了重要的现实意义。 卜2 三种收费方式的比较“习 比较收费方式 内容 人工收费自动化收费不停车收费 停车 要 要不要 车型判别情况人工人工机器 有无漏收情况有极少无 收费员作弊现象多很少无 管理复杂程度简便简便简便 延误时间多较少无 瓶颈效应 有 少 无 设各复杂程度 简单 较复杂复杂 交通信息统计时间几天或几周极短极短 设备投资规模 小中大 污染有少少 本论文项目来源由中南大学机电学院冶机所与长沙某公司合作开发，该研 究旨在填补我国在此领域内的空白，不仅可以节省大量外汇，参与国际竞争，而 且对我国迅猛发展的高速公路事业做出重要的贡献。 中南大学硕士学位论文第二章系统网络设计 第二章收费系统网络 2 1联网收费系统方案总体 高速公路收费系统自上而下分国家级高速公路管理局、省级高速公路管理 局、区段高速公路管理所和车道收费站四级管理，下一级单位与上一级单位联接， 对上一级负责并通过上一级单位实现与同级单位间的资源共享。各收费中心内部 建立局域网，完成本单位所承当的数据处理的任务并通过其主服务器实现与上、 下级单位的信息交流。各省建立省级高速公路专用网，省网再接入国家高速公路 主干网，实现省级高速公路管理局和国家高速公路管理局的联接以及省级高速公 路专用网的互联。各车道收费信息和路政信息由终端设备采集，储存在非接触式 i c 卡中并经由网络传到各级收费管理中心，如下图2 一l 所示。 收费站目墓嚣公 省级高速公 路管理局 国家高速公 路管理局 图2 1高速公路联网收费系统信息流向示意图 人工收费、自动收费和不停车电子收费三种方式中，不停车全自动的电子收 费系统这种由机器判别车型、计算机管理、检测器校对的收费模式，无疑是最高 级的一种方式n 叼。它完全由电气设备负责全过程操作，客观性极强，因而很难发 生收费员舞弊现象。但是，该系统设备复杂、造价极高，且其作为前沿技术正处 于探索、小范围试用阶段，在世界上尚未见有比较成熟的方案正式投入使用。同 时，全自动电子收费系统要求对通行车辆建立一一对应的信用账号，将高速公路 网络与全国金融系统网络联结，由金融系统代收代扣通行费用。客观上要求要有 完善的全国性的金融网络支持。在开发高速公路计算机联网自动收费系统时，将 瞄准这一远景技术，为将来技术升级提供必要的兼容接口。在网络系统软件、数 据库及硬件接口方面均要为此作相应的考虑。在远距离射频技术成熟后，原系统 在现有基础上作相应调整即可满足新的需要。不停车收费的非接触式i c 卡工作 中南大学硕士学位论文 第二章系统网络设计 图2 2 不停车电子收费系统i c 卡工作流程图 中南大学硕士学位论文 第二章系统网络设计 流程见图2 2 所示。所以，综合考虑我国国情、系统投资规模、技术成熟状况以 及系统工作的可靠性，需要停车的计算机联网自动收费是我国现阶段高速公路封 闭式收费系统的最佳选择。 2 2 收费系统网络应用背景 计算机网络是实现高速公路收费系统智能化和自动化的基础技术。目前我国 高速公路的建设模式基本上是采用按省、自治区、直辖市分期、分段投资建设， 一路一公司，按公司体制运营，直至投资收回并获取适当利润。这种各自为政的 收费办法严重影响通行效率，不能规范业主、工作人员和车主三者的行为，确保 三者的权益。道路联网后车辆在跨路段、跨省行驶时不再多次收费。 为保证各独立公司的利益，分配更加透明，车辆通行费采用逐车分配的原则。 每台车辆通过联网道路所应交的费用以及这些费用在各独立公司间的分配均由 专用分析和处理软件根据网络中心车辆通行记录来完成，尽可能地减少人为因 素，保证收费和分配按公平、公正的原则进行。 2 3收费系统网络规划的基本原则和注意事项 2 3 1 系统网络设计的基本原则 系统设计的基本原则采用目前流行的系统设计要求即可： 网络设计须规范化、标准化； 采用先进、成熟的技术； 考虑网络的开放性、可扩充性； 网络运行的安全可靠性； 网络管理平台、应用平台的易操作性： 易于用户的二次开发； 完善的技术服务支持； 尽可能大的性能价格比“。 中南大学硕士学位论文 第= 章系统网络设计 2 3 2 系统网络设计的注意事项 在各省、自治区、直辖市设立省级高速公路网络中心，对下一级分中心 进行统一管理，省级网络中心均与国家网络中心互联，受国家网络中心 的协调和管理； 各路段网络要自成体系，能最大限度发挥本段网络的传输、交换功能， 并设立自己的网管和分中心； 处在主干路段的通信路由要由其它需过境的路段提供过境信道，处在与 其它省份交界的路段还要与邻省网络的联接； 省级网络中心要考虑与交通部网络以及电信网络的联接，邻近分中心要 考虑与当地电信网联接以及分中心的互相联接，以实现于其它相关行业 如金融等的联结； 处于重要干道的路段( 如国道、省道) 要考虑一定的空闲信道，以便可 为将来其它部门提供租赁业务； 网络上设备，要本者实用、优化，兼顾业务扩展的需要和各路段设备的 兼容、升级埘。 2 4 联网收费系统的基本组成 ( 1 ) 计算机网络系统：计算机网络系统由国家高速公路管理局计算机中 心、省级管理局计算机中心、各管理所计算机中心、收费站p c 机 和通讯线路组成。 ( 2 ) 与收费站p c 机相连的外部设备( 整体组成见图2 3 ) ：收费站外部 设备由栏杆控制器、i c 卡收发机( 包括i c 卡读写系统) 、交款显 示屏、通行费收据打印机等组成。 各部分职责划分如下： 1 车道收费站计算机室 中南大学硕士学位论文第= 章系统网络设计 图2 3 高速公路收费系统组成 1 ) 根据联网收费的实际情况改变收费资料的存储格式； 2 ) 分路计算、汇总通行费的功能； 3 ) 分栏打印通行费收据的功能； 4 ) 根据路、桥收费标准调整费率的功能 5 ) 卡管理软件增加管理路网内所有通行卡和对工作人员所持身份卡进行验 证的功能； 中南大学硕士学位论文 第二章系统网络设计 6 ) 将资料上传到上一级收费管理所计算机中心的功能： 7 ) 专线故障时，通过电话线拨号方式将资料上传。 2 收费管理所计算机中心 1 ) 汇总所辖收费站的通行费分配； 2 ) 对所辖收费站的通行卡进行管理； 3 ) 将所辖收费站的收费资料上传收费管理局计算机室； 4 ) 专线故障时，通过电话线拨号的方式将收费资料上传。 3 省级收费管理局计算机中心 1 ) 实时收集并存储路网内的收费资料； 2 ) 可以通过国家高速公路管理局计算机中心和其它省级收费管理局计算机 中心交换资料； 3 ) 精确分配路网内的通行费用； 4 ) 根据路网内的变化情况修改原有的交通流及通行收入分析系统软件： 5 ) 对路网内流通的所有非接触式i c 卡进行管理，授权后的i c 卡使用流程如 图2 4 所示； 图2 4 车道i c 卡使用流程图 6 ) 可根据路网的变化很方便地调整程序： 7 ) 下传调整后的费率； 8 ) 将路网内收费信息和交通流量信息统计汇总后上传国家高速公路管理局 计算机中心，专线故障时通过电话线拨号方式将资料上传。 4 ，国家高速公路管理局计算机中心 中南大学硕士学位论文 第二章系统网络设计 1 ) 实时收集并存储省级高速公路管理局上传的收费资料： 2 ) 协调、管理各省级高速公路的收费。 2 5 网络方案设计 2 5 1选用先进的c 1 i e n t s e r v e r 体系结构 客户机服务器( 即c l i e n t s e r v e r ) 体系结构巧妙地将系统从逻辑上分为 客户集合服务器两部分，服务器采用处理能力强的主机，运行多任务系统。而客 户机可以采用p c 机或工作站，运行在w i n d o s 、w i n d o sn t 等操作系统下，两者 通过请求一回答的方式协同工作，大大减低了线路上的通信负载，保证网络系统 能高效处理各种应用需求m 3 。 2 5 2 网络结构设计 2 5 2 1 网络拓扑结构 网络拓扑主要有线形、星形、树形、环形和网孔形等5 种类型。考虑到高速 公路网络的生存性、灵活性要求，目前的高速公路连接各省高速公路管理局计算 机中心的主干网拓扑采用环形网，因为环形网的最大优点就是高生存性1 。如图 2 5 所示。 图2 5 环形网拓扑结构图 从图中可以看出，环形网的传输信道具有l 十l 备份功能，当其中一个传输信 道发生故障时，业务会很快被转接到另一个信道继续进行传输，从而不会导致信 息的丢失。”。环形网和s d h 结合，能最大限度地发挥它的优越性，这也是为什么 中南大学硕士学位论文第二章系统网络设计 环形网在s d h 网中受到特别重视的主要原因。s d h 网是高速公路系统中应用最多 的网络。它是1 9 9 8 年i t u t 综合了美国、欧洲及日本等一些国家的数据传输方 案，形成的同步数字通信标准。s d h 传输网络基于光通信技术，将复接线路传输 及交换功能结合在一起，形成统一网管及操作的综合宽带信息网，它具有世界上 统一的网络节点接口规范，统一的传输速率等级、帧结构、复接方法、线路接口 及监控管理等。基于s d h 同步数字传输网络建立收费及监控系统，非常有利于将 设计的系统接入其它专用网络或电信网，容易完成数据、图像、语音的实时传输 。常用的s d h 网设计方案如图2 6 所示。 图2 6s d h 环形网结构 图2 4 表示一个由三个a d m 组成的s d h 自愈环网。在系统发生故障时，它能 够很容易地实现信号的桥接、切换及时隙的重新安排。在今后，随着宽带网络的 不断应用，s d h 传送网加光纤接入网必然是高速公路通信系统网络的发展需要。 在每个管理局所辖的子系统内，各部门的计算机采用星形联接。各路段、各 管理所的收费信息都传送到管理局计算机中心，储存在中心服务器上。由管理局 计算机中心向各部门发送指令信息、回复各部门的查询业务并协调各部门的工作 顺利进行。各管理局所辖子系统联接结构如下图2 7 所示。 中南大学硕士学位论文第二章系统网络设计 图2 7 计算机收费管理网络系统结构 整个系统网络采用公用分组交换信息网( x 2 5 ) 做为广域通讯子网，公用 电话网( p s t n ) 做为备份。x 2 5 网是目前应用最广的用于数据传输的广域网咖。 它以分组交换技术为基础，以“存储一转发”为传输方式，在传输过程中可以对 分组进行速率、代码、规程等的转换，以及差错检测和重发，因此可提供高质量、 低误码率、高速度的传输，并为异种机的互联提供了方便和可能。分组交换允许 在一条物理电路上同时开放多条虚电路，为多个用户同时使用，具有动态路由功 能。此外，分组交换的资费于距离无关，只计算占用线路时间和通过的信息量， 中南大学硕士学位论文第二章系统网络设计 使用成本较低。适合于非连续的突发性数据通信“3 。p s t n 分布很广，入网方便， 只需在计算机上连接一台调制解调器即可连接通信。但是，由于p s t n 设计目的 是以传输电话模拟信号为主，线路质量较低，导致其通信速率和质量不高，不适 合资料的实时传输。 2 5 2 2 虚拟网 通信子网的构成基本上有两种不同的思想，一种是采用连接的，另一种是无 连接，在通信子网内部的操作范畴中，连接通常叫做虚电路( v i r t u a lc i r c u i t ) ， 类似于电话系统建立的物理电路。无连接组织结构的独立分组称为资料报，与电 报类似“”。虚电路常用于其服务方式为面向连接的子网中，其想法是避免对发送 的每一个分组都必须进行路由选择。取而代之的方法时，当建立连接时，从源端 机器到目的端机器的路由就作为连接建立的一部分加以保存，此路由用于传送连 接上的所有资料，这与电话系统的工作原理完全一样。当释放连接时，虚电路也 随之消失。 在通信子网内部，虚电路有一些避免拥塞的优势，因为连接已建立起来的资 源可以保留下来。一旦分组开始到达，所需的带宽和容量便已具有了。对于资料 报子网，避免拥塞则比较困难。 在整个收费网络系统中，将建立两种形式的虚拟网，即广域x 2 5 网的虚拟 专用网( v p n ) 和局域网上的虚拟局域网( v l a n ) 。 虚拟专用网( v p n ) 实际利用电信管理部门提供的通信设施( 如x 2 5 ) ，由 一些用户构成的独立于其它用户的，并可由用户自已管理的封闭式的网络系统。 这种建立在公用通信设施上的v p n 具有专用物理网的特性，在网络层上抑制网外 用户对网络的非法入侵，可以给整个系统网络中的业务提供一个比较安全的环 境。 中南大学硕士学位论文 第二章系统网络设计 虚拟局域网是指利用局域网交换机、交换式集线器，把物理上不在一起的埠、 网段组成一个逻辑子网，实现物理结构和逻辑结构的分离。虚拟局域网的采用不 仅给网络管理者提供了控制网络的极大灵活性，而且能够有效屏蔽各子网间的数 据流，增加网络内部的安全性，提高网络内部吞吐量。 通过采用了虚拟专用网( v p n ) 和虚拟局域网( v l a n ) ，使系统网络在网络层上 具有对外和对内的双重安全性。 2 5 2 3 系统网络物理结构 整个系统的网络设备选用资料中心级的局域网交换机和交换能力及扩展能 力都很强的高档路由器。在局域网交换机上通过虚拟网技术化分各个子网，各子 网的网络操作系统可以不同，但皆需支持t c p i p 协议，各子网可以有各自的应 用服务器。 针对业务需要，各中心计算机室子网的联结通过路由器( r o u t e r ) 或广域网 卡，以x 2 5 为主干、p s t n 为备份实现。而各中心计算机室局域网采用交换式以 太网结构，以交换式的1 0 b a s e t 技术组网。其下按功能划分的各部门可独自建 网，通过交换机( s w i t c h ) 实现互联。各工作站通过双绞线与1 0 b a s e th u b 相 联，各h u b 通过u t p 5 类双绞线与s w i t c hh u b 相联，服务器通过1 0 0 m f a s t 眦h e r n e t 接口与s w i t c hh u b 相联。这样就将局域网分成了数个网段，拓宽了网络带宽。 同时，由于服务器通过1 0 0 mf a s te t h e r n e t 接口与s w i t c hh u b 相联，解决了由 于采用c l i e n t s e r v e r 体系结构而使工作站频繁访问服务器产生的传输瓶颈问 题，从而提高了网络效率。网络物理结构如下图2 8 所示。 网络设各选型对整个数据网络系统的可靠性、安全性、可管理性和可扩充形 势非常关键的。选择设备需考虑的因素有：开放性好，性价比高：技术先进、成 熟、可靠，符合国际标准和普遍使用的工业标准，可支持多种网络和通信协议： 对当前业务量具备足够的处理能力，并能满足未来一定时期业务增长的需要，可 i j k上 3 e r v e ru 划 团固 0 i1 l 。 l l 1 c ，d 鼢h u b 卜1 i i ir 兰li 幽 ! 一上 j i il = i 匦三习 收费管理