（道路与铁道工程专业论文）高速公路封闭式收费系统计费模型与拆帐方法研究.pdf

摘要 随着我国高速公路网络的日趋完善和交通量的日益增长，现有高速公路的单 点收费方式己越来越不能满足收费快捷、准确、公正、高效的需求；而高速公路 联网收费系统做为现代化的管理手段，目前已在全国广泛应用，可以有效地提高 高速公路通行效率，提升服务质量和管理水平、加快收费资金流通。因此，联网 收费是现代收费系统发展的必然趋势。 结合国家相关政策对高速公路通行费计算思路和方式进行研究，介绍了主要 计费方式的公式和费用计算过程，对通行费的计算步骤和各步骤处理方法进行详 细分析，从而明确了高速公路联网收费系统的各功能模块的功能需求。 通过研究联网收费系统软件的基本功能，针对目前大部分的联网收费系统存 在的问题，本文结合实际在路网模型基础上进行了高速公路收费系统的软件设计， 提出了主要的功能模块划分、数据存储格式以及关键数据表格的设计，以湖南省 为例建立了基于地理信息系统( g i s ) 的高速公路路网模型，该模型能准确反映 高速公路各元素的属性特征，支持路径的识别，并可以为以后实现地理信息系统 管理打下良好的基础。在该路网模型的基础上，给出了高速公路收费系统的通行 费计算实例。针对现有费率政策变换频繁、计重收费之后带来的费额计算的复杂 性、各路段单价不同等各种现状，建立了一个通用的计费模型，通过参数式的管 理应对以上各种变数，以减少对收费软件的修改，保障收费系统的稳定性；分析 了现有收费模型和流程，找到现有收费系统的问题，并建立了更为完善的拆帐模 型。设计出一套科学合理、实用性强的高速公路联网收费系统。 通过本文的研究，设计的路网模型和基于路网模型的联网收费系统，对于改 善湖南省高速公路联网收费现状、规范收费过程、提高收费系统的运行效率有重 大意义。项目提出的模型还可推广到其他省份，并将带来显著的社会效益和经济 效益。 关键词：高速公路；封闭式收费系统；软件模型；地理信息系统；路径识别；通 行费拆分 a bs t r a c t w i t he x p r e s s w a yn e t w o r ki no u rc o u n t r yt e n d i n gp e r f e c ta n dr o a dt r a f f i c b e c o m i n gh e a v i e r ，s i n g l ep o i n tt o l lc o l l e c t i o ns y s t e ma tp r e s e n ti si n c r e a s i n g l yu n a b l e t om e e tt h ec h a r g er e q u i r e m e n tw h i c hd e m a n d sf a s t ，a c c u r a t e ，e q u a l ，a n de f f i c i e n t n e t w o r k e dt o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ，a sam o d e r nm a n g e r m e n ti n s t r u m e n t ，i sw i d l yu s e d i nm a n yf i e l d sa c r o s st h ec o u n t r ya n dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v i n ge f f i c i e n c y o f t r a n s p o r t a t i o n ，e l e v a t i n go u rs e r v i c eq u a l i t ya n dm a n a g e m e n tl e v e l s ，s p e e d i n gu p c h a r g ec i r c u l a t i o n t h e r e f o r e ，t o l lc o l l e c t i o ns y s t e mo fe x p r e s s w a yn e t w o r k i st h e i n e v i t a b l et r e n do ft h ee x p r e s s w a yc h a r g es y s t e m c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a lp o l i c y ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tar e s e a r c h o n c u l c u l a t i n gi d e a sa n da p p r o a c h ，g a v ea ni n t r o d u c t i o nt os o m ef o r m u l ao f m a i nc h a r g e w a y sa n dt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n ，a l s o m a d ead e t a i l e d a n a l y s i s a b o u tt h e c a l c u l a t i o np r o c e d u r eo ft h et o l la n dt h et r e a t m e n tm e t h o d so fe a c hp r o c e d u r e ，a n d t h e r e b yi d e n t i f i e dr e q u i r e m e n t so f f u n c t i o nm o d u l e si n t o l lc o l l e c t i o ns y s t e mo f e x p r e s s w a yn e t w o r k b ys t u d y i n gt h eb a s i cf u n c t i o n so fi n t e r c o n n e c t i o nc h a r g e ss y s t e ms o f t w a r e ，i n a c c o r d a n c ew i t hm o s tp r o b l e m se x i s ti nc u r r e n ti n t e r c o n n e c t i o nc h a r g i n gs y s t e m ，t h i s p a p e r ，c o n d u c t e d s o f t w a r e d e s i g n o ft o l lc o l l e c t i o n s y s t e mo fe x p r e s s w a y n e t w o r ko nt h eb a s eo fa c t u a lr o a dn e t w o rm o d e l ，p r o p o s e dp a t i t i o no fm a i nf u n c t i o n m o d u l e s ，d a t as t o r a g ef o r m a t ，a n dt h ed e s i g n a t i o no fc r i t i c a ld a t af o r m t h e nw e b u i l t t h ee x p r e s s w a yn e t w o r km o d e lo nt h eb a s eo fg i si nh u n a np r o v i n c y ，g a v e a n e x a m p l eo f f a r ec u l c u l a t i o no fe x p r e s s w a yn e t w o r kt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h e e x p r e s s w a yn e t w o r k c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o n s t h a t o l i c yt r a n s f o r m a t s m u l t i f a r i o u s ，t h ep a p e rb r o u g h tc o m p l e xt o l lc a l c u l a t i o na f t e rt o ! l b y w e i g h ta n d e a c h s e g m e n th a sau n i q u ep r i c e s ow eb u i l du pac h a r g em o d e ls y s t e mt h a ti ng e n e r a lu s e t h r o u g ht h ep a r a m e t e rm a n a g e m e n tt od e a lw i t ha l lt h e s ev a r i a b l e s ，s o a st or e d u c e t h em o d i f i c a t i o nt ot h et o l lc o l l e c ts o f t w a r e ，g u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h et o l lc o l l e c t s y s t e m t h ep a p e ra n l y s e dt h ee x i s t i n gc h a r g i n gm o d e l sa n dp r o c e s si nt h ep r e s e n t s v s t e m ，f o u n do u tl o o p h o l ei ni t ，t h e ne s t a b l i s h e dam o r ec o m p l e t ep e r f e c t l yd i s m a n t l e d e b tm o d e l ，a n df i n a l l yd e s i g nas e to fs c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l ，p r a c t i c a lt o l lc o l l e c t i o n s y s t e mo fe x p r e s s w a yn e t w o r k i n t h i sa r t i c l e t h ed e s i g no ft h en e t w o r km o d e la n dn e t w o r km o d e l - b a s e d n e t w o r k i n g s y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t oi m p r o v et h es t a t u so ft h eh i g h w a y 1 1 n e t w o r kc h a r g e s ，s t a n d a r d i z ep r o c e s so ft h et o l la n dr a s eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft o l l s y s t e mi nh u n a np r o v i n c e t h em o d e lo ft h i sp r o j e c tc a nb ew i d e l yu s e di no t h e r p r o v i n c e s ，a n dw i l lb r i n gr e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：e x p r e s s w a y ；e n c l o s e dt o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ；s o f t w a r em o d l e ；g i s ： r o u t e sd i s t i n g u i s h ；t o l ld i v i d i n g i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 醐：1 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多扎存杉 日期： 导师签名：布毛钒 日期： 年岁月7 日 俨气年j 月2 扩日 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1课题研究背景与意义 随着全国收费高速公路的不断增加，各省联网收费的实施已初具规模，如何 在目前的联网收费基础上进一步完善联网收费功能和结构，以适应高速公路的快 速发展，成为目前已经实现高速公路联网收费的各省市亟待解决的问题。 高速公路联网收费是提高我国高速公路效率的有效方法，特别是“一卡通” 的收费模式将会成为未来联网收费的主要方式。所谓的“一卡通”就是在公路路 网内实现互联互通，将整个路网体系作为一个整体来进行统一收费，其内部各路 不再彼此独立，全路网设一个收费中心，统一管理，由中心设立专门机构一清算 管理中心，通过银行进行拆帐。车辆只需在进入路网时领取i c 卡，驶出路网时交 费，便可在整个路网内通行无阻，实现一卡到底。“一卡通”收费系统最大限度地 改变了旧有收费方式的弊端，体现了高速公路快捷、方便的特点。 1 9 8 8 年1 0 月3 1 日，我国第一条高速公路上海至嘉定高速公路建成通车。 此后，我国高速公路建设呈加速之势，年增长幅度之大在世界公路建设史上是罕 见的，到2 0 0 8 年末，我国高速公路通车总里程已达到6 0 3 万公里。目前我国已 经成为全世界拥有最多收费道路的国家，己成为全世界拥有高速公路通车里程第 二长的国家。根据交通部规划，到2 0 10 年，全国高速公路总里程达到6 5 万公里。 东部地区基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲和京津冀地区形成较完 善的城际高速公路网；到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高速公 路通车总里程将达1 0 万公里。新路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称为“7 9 18 网”。 随着我国高速公路路网规模的进一步扩大，投资主体的多元化，高速公路通 行费征收管理的任务越来越重，需要处理的问题越来越复杂。联网收费及其相关 技术的研究与发展便越来越为人们所重视，也成为我国路网建设与收费的重要课 题。现有的联网收费系统已经逐步暴露出一些问题： ( 1 ) 现有联网收费系统的计费模型和算法存在问题，对于费率和收费方式的 政策性变化带来的影响不能作出相应的调整，而目前我国的联网收费还处于发展 阶段，收费方式、费率和政策等调整频繁。 ( 2 ) 随着路网规模的扩大，路网内的业主将会越来越多，如何高效准确地进 行通行费清分需要迫切解决。 ( 3 ) 路网模型是联网收费系统高效准确运行的基础，但由于路网模型的建立 涉及到空间数据库理论，准确建立路网模型具有相当的难度，需要进一步探索。 ( 4 ) 现有收费系统的费率参数全部由人工建立，每个站都要建立内容庞大的 费率参数文件，该文件包括以该站为出口站的所有可能路径的组合、路段各车型 的费率及计算方法等，编制工作量大，且容易出错，随着路网复杂程度的增加， 该费率文件包含的数据量会越来越多，编制难度也会更大。 ( 5 ) 现有联网收费系统的设计存在一定隐患，对于收费过程中出现的坏账、 数据不完整等问题不能有效监控处理和防治舞弊。 因此，有必要开展对这些问题的研究，提出一套具有前瞻性的软件模型，有 效地保证高速公路的正常收费运营。以湖南省为例，在提出联网收费系统方案， 设计建立新的更为合理的收费模型，通过参数式的管理应对以上各种变数，以减 少对收费软件的修改，保障收费系统的稳定性，建立更为完善的拆帐模型。 1 2国内外研究现状 国内外相关研究与实践涉及路网模型的研究、路径识别技术与清分算法、计 重收费技术等几个方面，下面分别予以简述。 1 2 1联网收费系统 1 ) 国外研究现状 国际上，美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程 实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标 准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。国际标 准化组织( i s o ) 第2 0 4 技术委员会专门负责城市和乡村交通信息和控制系统领 域的标准化工作。国外高速公路实行收费的虽然有一些，但是大部分规模不大， 或者是项目公司比较单一，他们的研究主要集中在电子不停车收费( e t c ，即 e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 系统上面，或者是更为智能的如德国研制的利用全球 定位系统( g p s ) 的收费系统，但专门就在高速公路收费系统路网模型这方面的 研究很少。 日本是一个典型的对高速公路实行收费制度的国家，其在高速公路收费防堵 方面进行了不倦的探索心3 。从2 0 0 1 年3 月开始，e t c ( 电子不停车收费) 技术在 日本整体上投入运营。在实际应用中，e t c 技术相对于传统收费技术来说有两大 优势：一是更加适应于多个不同主体运营管理多条收费道路的情况；二是对非法 行为、人为破坏和逃费行为有着更强的防范性。目前，日本高速公路8 0 的出入 口都实现了e t c 化，而且越来越多的汽车安装了e t c 系统。据日本政府估计， 到2 0 0 7 年，e t c 的用户将达到15 0 0 万辆。日本最常用的e t c 收费站采取3 个门 桥的样式，这3 个门桥分别用于识别车型、识别入口和收费信息传输。 2 德国一直在高速公路上未建任何收费设施，对车辆收取的通行费包含在燃油 费和养路费中。自2 0 0 3 年8 月31 日起，实施一项新的高速公路收费政策，即所 有行驶在德国高速公路上的1 2 吨以上的重型卡车，包括外国入境运输车辆，都必 须缴纳高速公路行驶费。所有收取的费用将用于改善德国交通基础设施，因为重 型卡车将大量增加高速公路的建设和维护成本。德国实行高速公路收费没有采用 传统的关卡式收费站，他们采用的是卫星定位和移动通讯技术相结合的收费系统。 德国将投入的高速公路收费系统命名为“t o l lc o l l e c t ”，是目前世界上不设收费窗 口的最先进的道路收费系统之一。它采用卫星辅助探测技术，依靠每辆行驶在高 速公路上的车辆上安装的收音机大小的接收机精确计算出车辆所行驶里程。接收 机含有g p s 导航信号接收机和一个移动通讯终端，一旦卡车启动，接收机便会自 动记录行驶里程，并将计算出的缴费金额数据发送到监控中心。 在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效 率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是e z p a s s 系统阳1 。1 9 9 7 年7 月， “e z p a s s 工程的最终运行方案开始付诸实施和运行。截止1 9 9 8 年1 2 月，仅经 过1 年半的时间，共计2 3 条专用e t c 车道的电子不停车收费网络就承担了整个 月平均交易量的4 3 ，高峰时段甚至达到5 5 - - 一6 0 ，网络化运行的电子不停车 收费系统效益和吸引力充分体现出来。在美国东北部地区通常使用e z p a s s 系统， 它可以提高每车道通行能力2 5 0 一- - 3 0 0 ，极大地减少了车辆在收费广场的停留 时间。e z p a s s 系统采用了专用车道、混合车道两种模式，都有收费员值班。 葡萄牙的v i av a r d e 电子收费系统h3 可以算作欧洲具有代表意义的联网电子 收费系统之一，由葡萄牙最大的公路运营商b r i s a 公司管理。根据运营报表统计 数据，人工收费车道的平均通行能力为2 0 0 辆小时，电子收费车道的平均通行能 力为1 5 0 0 辆d , 时，1 条e t c 车道的通行能力是m i c 车道通行能力的7 倍。该 e t c 车道的显著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低于8 0 k m h 的速度通行。 新加坡是世界上第一个在城区建立电子道路收费系统( e l e c t r o n i cr o a d p r i c i n gs y s t e m ) 的国家，系统于19 9 8 年9 月正式投入使用。 2 ) 国内研究现状 我国研究高速公路收费系统起始于二十世纪九十年代初，当时的高速公路收 费多采用开放式收费系统。高速公路收费系统的功能是增强计算机系统在公路收 费管理过程中的作用，充分发挥仪器、设备的检查功能，昼夜监督，减少管理工 作中的人为因素，从客观上杜绝费源流失。最初的收费系统中计算机收费系统历 经d o s 操作系统下的z 8 0 汇编语言、c 语言编程，w i n d o w s 操作系统网络环境下 的非c s 模式v b 编程，到现在采用的c s 模式编程。通过车道机、站机、抓拍 机和服务器计算机网络收费管理系统，辅以完善的视频监控手段，使公路收费自 动化在技术、管理上达到先进、可靠、实用的水平。 自交通部2 0 0 0 年1 0 月1 日推行高速公路联网收费暂行技术要求以来， 我国实行高速公路收费的2 9 个省、市、自治区中，已有2 7 个实现了省、市、区 内不同范围的联网，联网里程占全国高速公路通车总里程的8 8 左右。随着高速 公路联网收费的逐步普及，我国的电子收费系统的覆盖面也在逐渐上升1 。目前 各省、市、直辖市所采用的高速公路电子联网收费系统虽然工作原理基本一致， 但大多为自主研制开发，在系统设计上都只考虑了单一范围的收费需求，不能满 足跨省甚至全国联网收费的需要。为了解决这一问题，本文提出了一种具有通用 性和实践性的路网模型，它作为高速公路电子收费系统设计的底层模型，可以将 各种路径识别和收费参数进行统一，对于路网变化性较大的特点，也能方便的进 行路段和收费节点及其属性的添加和修改，为建立全国统一的电子收费系统，推 行电子不停车技术打下良好的基础。 1 2 2 路网模型 高速公路收费系统的路网模型描述方面，宋靖雁等口3 通过连接矩阵和规则矩 阵对高速公路物理结构和收费规则进行描述，提出了一种收费数据清分算法的构 造方法，并在此基础上实现了比较灵活的收费数据清分和清分数据校验，实现了 基于计算机系统的大规模高速清分：杜海宁等哺3 在原有清分算法的基础上，充分 利用已经得到的连接矩阵和规则矩阵，对扩展后的高速公路物理结构和收费规则 进行修正，提出了收费数据清分表的构造方法，从算法的角度解决了路网扩展后 清分表需重新计算的大工作量问题，并在理论方面对不同情况的路网扩展进行了 一致性分析；王豫辉在其硕士论文里，从理论上建立了基于路网结构的高速公 路路网数学模型树状结构图和网状结构图，并结合实际提出来适用于这两种 网络模型的高效灵活的清分算法。 路网模型的描述同时也是交通地理信息系统( g i s t ) 研究的热点问题之一， 赵鸿铎等针对关系数据库模型应用在g i s t 中的局限性，采用面向对象的建模 技术，在分析了运输系统的特点后，提出了面向对象的g i s t 空间数据模型。陆 峰等n 们通过分析交通网络特性，提出了一种适合城市交通网络数据表达与操作、 基于完整交通特征的g i s 数据模型，以弥补传统基于弧段节点的g i s 数据模型 在城市交通网络建模中的不足，并在此基础上将传统的交通网络平面图表达模式 升华到非平面模式，设计了基于特征的交通网络非平面数据模型的概念建模与逻 辑建模方法。蔡先华等1 从提高数据处理效率、节约存储空间的角度出发，提出 基于g i s 的道路几何网络矢量数据模型。利用几何网络拓扑关系，提出实现道路 网络的自动生成的算法，并把该数据结构模型及算法应用于道路网络分析软件中。 左小清等n 2 1 提出了基于车道的道路数据模型，以车道作为建模的基本元素，准确 4 描述车道的属性信息，通过对同向车道的聚合来提高网络分析的效率，降低数据 冗余。该模型既考虑了网络分析的速度效率，又顾及了每个车道的属性信息，扩 展了已有的道路数据模型。童小华等u 3 1 提出了用于交通运输地理信息系统的一种 新的线性参照数据模型。在分析了线性参照系统概念模型的基础上，对其中两个 关键问题进行了研究，即基于道路几何特征的线性参照基准模型和基于道路曲线 要素的动态分段模型。g i s t 在路网模型方面的研究成果为研究高速公路收费系 统路网模型提供了丰富的研究基础。 1 2 3路径识别技术与清分算法 高速公路联网收费系统中，通行费的清分方法是高速公路管理的有效经济手 段。随着路网规模的逐步扩大，网状结构的路网中环路增多，车辆行驶路径出现 多种可能性。而通行费准确计算与清分的依据是车辆的实际行驶路径，因此，如 何判断网状路网中车辆的行驶路径，是进行费用计算和清分的关键。中国交通信 息产业杂志为此于2 0 0 6 年第3 期开辟了“高速公路联网收费路径识别技术应用 专题 ，组织全国各地相关单位，集中进行了路径识别问题的交流。北京中咨的陈 剑威等3 归纳了路径识别的基本方法：标志站法；车辆分型统计法；最短路径法； 布瑞尔交通分配法；出口确认法；路网平衡法；最大概率法；协商法；实际调查 法；车牌照识别技术。同时他们也提出了选择路径识别技术应该考虑的主要因素 n 5 i 。河南省交通厅的张洋等n 们介绍了河南省高速公路联网收费多路径的解决方 案，根据河南省高速公路网的建设周期和路网特点，考虑到技术条件、运营管理 和投资成本等因素，针对河南省高速公路网多路径问题，目前采用基于最短路径 收取通行费，交通分配的“概率( 模糊) 拆分 方案。安徽省交通厅的郭晓泽 介绍了安徽省高速公路多路径识别方案的实施情况，安徽省采用的是分期分段组 织实施的方案，即第一步采用“最短路径+ 交通量调查分析”的方法进行模糊拆 分，第二步采用“电子标签+ 标志站”的精确拆分。相关的文献还有，江运志引 通过对福建省中期、远期路网中的路径识别问题的分析研究，提出采取标识站法 与最短路径法相结合的方案来解决福建省联网收费的路径识别问题，针对不同的 环路采取不同的处理办法，大环采用标识站，小环采用最短路径法。何耀忠鲥从 经济效益的角度，比较了江西省高速公路路径识别采用最短路径法和车牌识别技 术两个方案的优缺点，认为从精确性与经济性平衡的角度，应该选用车牌识别技 术最短路径识别的主要方法。张建禄介绍了射频识别技术( r f i d ) 的工作原理 及其在高速公路路径识别中的应用情况。作者认为，采用r f i d 技术解决高速公 路二义性路径识别的方案技术成熟、投资成本不高、对现有系统改动少、维护简 单、车辆通过标志站时无需停车。2 0 0 8 年7 月1 2 日至1 3 日，交通部科学研究院 与中国建设银行、中国交通运输协会信息化展业委员会在长春联合举办了“基于 r f i d 技术的高速公路多路径识别技术座谈会 ，会上，专家们探讨了目前高速公 路管理工作中出现的路径识别、通行费拆分及收费站拥堵等问题，探讨了r f i d 技术国内相关政策、在交通系统的应用情况，几种不同频率r f i d 技术各自的优 劣势情况等。研讨会认为，积极推广应用基于8 0 0 9 0 0 m 赫兹无源r f i d 技术的汽 车电子牌照及其广泛的车辆管理服务，可以有效地推动我国对公路、尤其是收费 公路车辆的数字化、信息化管理；在全国高速公路网络及联网收费体系形成之前， 低成本、广泛地解决高速公路多路径识别和不停车收费问题。 同时，不少学者也对网状结构下高速公路多路径识别的模型算法进行了研究。 杜海宁等心对已有的环路处理方法进行分析，以无环型结构的清分算法为基础， 对路网中的环型路段进行定义和描述，从而对原有矩阵算法进行必要的修改，形 成了包含环型结构在内的路网收费数据清分表的构造方法，从算法的角度为准确 进行联网收费提供了可靠的清分依据。丛浩哲等他2 1 通过深度优先搜索算法搜索出 需要在交通网络中添加标识站的路段，把交通网络网状结构图转化为支撑树树状 结构图从而实现多路径的识别。张起等将高速公路二义性路径环网视作一个封 闭回路，以节点法或网孔法求得各支路电流作为网络通行概率流。以确定的概率 差为截断壁垒，调整网络拓扑结构。用二次计算各支路的网络概率流，确定通行 费分配的方案。高沽等阻4 3 以路网拓扑结构为基础，采用图论中的支撑树理论来研 究高速公路标识站数量及选址问题。基于支撑树任意两点之间恰有一条路径的性 质，定义了余边集的概念，在此基础上提出了标识站确定理论，从根本上确立了 标识站最优数量，并将破圈法与展开树法有机结合，提出了适合大型路网的标识 站选址算法。赵艳红等凹53 提出了可以识别车辆行驶路径的“r f i d 标识站+ 组合式 收费卡”的收清系统模型，利用支撑树理论确定需添加的r f i d 标识站的位置和 数量，引入有效路径系数标定路网的合理路径，给出了依据车辆行驶路径的精确 清分算法。 1 2 4 计重收费技术 载货类汽车的严重超载超限运输，危及交通安全，缩短汽车本身使用寿命， 同时造成公路、桥梁及公路附属设施使用寿命大幅度降低，养护、维修费用成倍 增加。超限运输行为严重侵害了国家和广大公路使用者的利益，是通过掠夺性的 使用公路来获取高额暴利的一种非法行为。国家发改委、交通部、公安部等部委 联合在全国范围内开展了超限运输专项治理工作，但仅靠行政执法手段并不能从 根本上解决超限超载的问题，要从源头上治理超限超载，只有合理运用运输市场 经济杠杆，实施计重收费，兼用行政手段，二者合力形成治理车辆超限超载的长 效机制。为此，全国大多数省份都先后实施了计重收费。计重收费实施中最关键 的因素是合理地确定收费费率。朱耿先陋蚰以天津市为例，系统研究了如何以原分 6 型收费标准和载货车辆质量分布为依据构建货车完全计重收费标准，并且研究了 计重收费标准的评价指标和优化方法。张卫宇乜73 介绍了河北省计重收费实施方案 中的计费软件的选择、计费标准的确定、计费设备的选择以及实施计重所面临的 改造工程等几个方面。刘轶等心引介绍了贵州省高速公路计重收费费率方案研究的 要点，分正常装载情况和超载情况分别确定了相应的费率标准。杨晓林等心们基于 高速公路联网收费的原则，提出了联网收费通行费拆分算法，并在湖北省联网计 重收费拆分结算系统的基础上，设计了计重货车通行费的拆分算法。王永康叩从 计重收费的标准、数据结构和编码、通信接口及称重收费数据传输规程、计重收 费系统的容错设计、计重收费系统数据设计与分析、计重收费技术规范应用中应 注意问题等几个方面，介绍了江苏省联网计重收费系统技术规范的研究制定过程。 赵晓东等口”介绍了山东省高速公路计重收费的收费标准设置和算法。 1 3研究目标和主要研究内容 1 3 1研究目标 ( 1 ) 本模型要求对高速公路现有的收费系统的收费模式和流程进行详尽的阐 述，提出现有收费模式和流程上面的不足，建立新的更为合理的收费模型。 ( 2 ) 结合湖南省实际建立新的高速公路路网模型，该模型应具有较强的可扩 展性和适应性，能准确反映高速公路各元素的属性特征，能够随着高速公路的发 展方便地进行调整。 ( 3 ) 针对现有费率政策变换频繁、计重收费之后带来的费额计算的复杂性、 各路段单价不同等各种现状，在新的收费模型中，我们将建立一个通用的计费模 型，通过参数式的管理应对以上各种变数，以减少对收费软件的修改，保障收费 系统的稳定性。 ( 4 ) 以湖南省为例，对高速公路现有拆帐系统的算法进行阐述，借鉴一些先 进的拆帐算法，建立更为完善的拆帐模型。 ( 5 ) 规范和统一收费系统的各种常用概念和技术用语的定义，建立一个统一 的技术交流平台。 1 3 2 主要研究内容 本文以湖南省高速公路网为基础，针对现有费率政策变换频繁、计重收费之 后带来的费额计算的复杂性、各路段单价不同等各种现状，建立一个通用的计费 模型，通过参数式的管理应对以上各种变数，以减少对收费软件的修改，保障收 费系统的稳定性；分析现有收费模型和流程，找到现有收费系统的问题，并建立 了更为完善的拆帐模型。设计出一套科学合理、实用性强的高速公路联网收费系 统。 本项研究将重点解决以下关键技术： ( 1 ) 建立适用于高速公路联网收费的路网模型； ( 2 ) 在路网模型基础上，设计灵活完善的计费模型和算法； ( 3 ) 在准确识别车辆行驶路径的基础上，准确地拆分通行费； ( 4 ) 系统软件的架构和设计。 本文的研究将以湖南省为例提出联网收费系统方案，可以指导今后高速公路 收费系统的设计和施工，满足经济发展和交通量增长的需要；设计的软件系统可 改变现阶段收费软件过分依赖于费率、政策的局面，减少人工工作量、提高效率、 保证数据的一致性和准确性，能灵活适应目前和将来一段时间的要求，合理清分 通行费用。本文提出的模型还可推广到其他省份，并将带来显著的社会效益和经 济效益。 第二章高速公路联网收费系统现状分析 联网收费是多条高速公路联成路网后，通过计算机管理和通信、网络、监控 等先进技术手段，对路网高速公路采取统一收费的管理方式，是提高公路通行效 率和管理水平、加快收费资金流通速度的重要手段口副。 近几年随着高速公路建设的快速发展，对高速公路管理手段现代化的要求就 越来越高。“贷款修路，收费还贷已成为高速公路建设和管理的一个主要形式， 因此高速公路收取过路过桥费是高速公路管理的一个重要内容。由于市场经济和 科学技术的大力发展，以及高速公路建设主体的多元化，高速公路联网收费是高 速公路收费模式发展的必然趋势。交通部2 0 0 0 年1 0 月1 日公布实行的高速公 路联网收费暂行技术要求引，规定“高速公路应首先实现省内联网收费，逐步 实现省际间的联网收费，为全国联网收费电子货币化做好基础工作 。 据了解，目前全国大部分省份已经建立了高速公路联网收费系统。从总体看， 管理模式主要有三种：一是“联合国”式管理模式，即由省高速公路联网收费管 理委员会( 由各高速公路负责人组成) 确定联网收费统一的运行管理和清分结算 规则，监督检查收费业务和结算业务运行，处理违规行为，决定联网收费重大事 项；二是专设高速公路联网收费结算管理中心模式，由集高速公路收费中心、通 信中心、监控中心为一体的高速公路联网管理中心负责全省高速公路联网收费的 实时管理和通行费拆分、通行费收入的清算划拨、对全省监控数据进行分析和处 理等；三是由现有机构负责管理模式，收费行为一般由省公路管理局或高速公路 管理局负责实施。 2 1高速公路联网收费费率政策 现行收费政策主要分为计程收费和计重收费两种类型引，在经过一些特殊路 段( 如大型桥梁和隧道) 时，通行费要额外加收( 具体说明见下) ，此外，国家近 期出台了绿色通道的收费办法。 2 1 1计程收费 1 ) 通用模式：计程收费的通行费= ( 路段长度路段费率) 由于不同的路段费率有可能不同，需要对费率不同的路段分别进行计算然后 汇总。 计程收费的费率为车辆在路段上行驶单位里程的费用，单位为元k m 。不同 的车型费率不相同。下表是湖南省普通路段计程收费的费率： 9 表2 1 湖南省普通路段计程收费费率 车型费率 10 4r m b k m 2 o 7r m b k m 31 or m b k m 4 1 2r m b k m 51 4r m b k m 6o 2r m b k m 对于特殊路段，目前的路网中有邵怀高速公路、怀新高速公路等，其计程收 费的费率标准如表2 2 。 表2 2 邵怀、怀新段计程收费费率 车型费率 lo 5r m b k m 20 8r m b k m 31 1r m b k m 4 1 3r m b k m 51 5r m b k m 60 2 5r m b k m 2 ) 特殊模式 经过大型隧道或大桥等构造物时，在总费用的基础上还要增加一固定费用。 即需要在总费用的基础上增加一定的固定费用的情况，如车辆经过雪峰山隧道时， 按以下原则收取隧道附加费： 表2 3 雪峰山隧道附加费 车型隧道费 l 1 0 元 21 5 元 32 0 元 42 5 元 50 元 65 元 2 1 2 计重收费 计重收费方式计算的车辆通行费除了与行驶的路段长度相关之外，还与车辆 的载重相关。计重收费方式的费率为单位重量的车辆在路段上行驶单位里程的费 用，单位为元t * k m 。 计重收费方式的车辆通行费费率也分为正常费率和特殊费率，如雪峰山隧道， 在正常计重收费的基础上，还要按车辆重量分区间收取附加费。 1 ) 计重收费系统工作原理及流程 系统工作原理见图2 1 。 l o i 坚丝兰ii 些丝主i o ；蒜w 冒嘱。 睡 广7 。4 ”“ = = = 目圄口“1 # i 口“1 2 “ 彘熹。 i 掌m用= ! 二；岩。； 回矧 归” | u j 目2l ”i i 镕目4 进入安装有计重收费系统车道的车辆，其汽车车轴依次压过铺设在车道路面 中的称重平台，称重平台内的传感器由电阻应变计构成的多组电桥失去平衡，从 而产生瞬间的不平衡输出信号，通过信号线缆传向路侧的车道称重数据采集处理 器。其中的称重卡利用一组高速a d 转换器将其转换成数字信号，经专门的程 序处理，计算出其轴重、轴组重和速度，并依次累加出车辆总重。称重平台前端 布置的单取轮检测器可检测出胎型。安装在路侧的红外线车辆分离器或安装在车 道上的收尾线圈可准确判别车辆是否完全通过。同时通过独特的逻辑分车装置判 断是否有不同形式的倒车、溜车等现象，当车辆完全通过后，将称重结果、车型 判断结果、车速等信息传输到车道收费计算机。车道收费计算机依据计重收费费 率计算出该车辆的费额，从而完成计重收费。 计重收费系统主要工作流程如下图22 。 厂霸丽五羽 称重仪 轮轴识别器 车辆分离器 轴重数据 轴数 车辆数 感应线圈卜- 叫 辅助车辆数 收费处理| 一计重收费数据 l 三塑墼坐王堂f 目2 2 * 重收费系统i 作流程 2 ) 计重收费原则 ( 1 ) 车辆轴限及车货总重限判别标准： 根据2 0 0 4 年国家标准g b l5 8 9 2 0 0 4 道路车辆外廊尺寸、轴荷及质量限制 和2 0 0 0 年交通部第2 号令超限运输车辆行驶公路管理规定，以实地测量的车 货总重是否超过车辆的总轴重认定标准和车货总重认定标准作为判断超限的标 准。当车辆总轴重认定标准与车货总重认定标准不一致时，以二者之间的较小值 作为超限的认定标准。 ( 2 ) 正常车辆通行费收费标准的确定 以收费站实际测量确定的车货总重为依据，小于1 0 t ( 含l o t ) 的车辆，按基 本费率计算确定通行费收费标准；1 0 t 至4 0 t ( 含4 0 t ) 的车辆，1 0 t 及以下部分， 其费率按基本费率计收，l o t 以上的部分，其费率按基本费率线性递减到基本费 率的5 0 计收；大于4 0 t 的车辆，1 0 t 及以下的部分，其费率按基本费率计收， 1 0 t 至4 0 t 的部分，其费率按基本费率线性递减到基本费率的5 0 计收，超过4 0 t 的部分按基本费率的5 0 计收。 表2 4 轴限标准 单轴( 每侧单轮胎)7 吨 单轴( 每侧双轮胎)1 0 吨 并装双轴( 每侧双轮胎)1 8 吨( 每少2 个轮胎减4 吨) # 转= 轴( 短佃i 刃轮胎) 2 4 吨( 每少2 个轮胎减4 吨) 表2 5 车货总重限的标准 2 轴车1 7 吨 3 轴车2 5 吨 4 轴车3 5 吨 5 轴车4 3 吨 6 轴车及以上车4 9 吨 ( 3 ) 超过公路承载能力的车辆通行费收费标准的确定 总轴重超过该车对应的公路承载能力认定标准3 0 以内( 含3 0 ) 的车辆， 暂按正常车辆的基本费率计重收取车辆通行费。 总轴重超过该车对应的公路承载能力认定标准3 0 1 0 0 ( 含1 0 0 ) 的车 辆，该车车货总重中符合公路承载能力认定标准的重量部分以及超出公路承载能 力认定标准3 0 的重量部分，按正常车辆的基本费率收取车辆通行费，超过公路 承载能力认定标准3 0 以上的重量部分，按基本费率的3 倍线性递增至6 倍计重 收取车辆通行费。 总轴重超过该车对应的公路承载能力标准1 0 0 以上的车辆，该车车货总重 中符合公路承载能力认得标准的重量部分以及超出公路承载能力认定标准3 0 的重量部分，按正常车辆的基本费率收取车辆通行费；超过公路承载能力认定标 准3 0 1 0 0 的部分重量，按基本费率的3 倍线性递增至6 倍收取通行费，超 过公路承载能力认定标准1 0 0 以上的部分重量，按基本费率6 倍计重收取车辆 通行费。 这其中注意几个问题： 车货总重不足5 吨时按5 吨计费：计费不足5 元时按5 元计收。 最终费额按以下办法取整：费额零头 2 5 0 元，舍去；2 5 0 费额零头 7 5 0 元，归5 元；7 5 0 元s 费额零头 10 元，归1 0 元； 对于符合湖南省鲜活农产品“绿色通道 政策减半征收高速公路