（机械电子工程专业论文）前置式etc系统中旁车干扰问题解决方案研究.pdf

摘要 摘要 不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 是智能交通系统中一个重要 的研究领域和应用环节。通过电子自动收费的技术手段，提高了公路的交通能力、 车辆运行效率、降低了油耗和车辆损耗，减少了尾气排放，达到了节约能源和保 护环境的目的。 本文介绍了不停车收费系统的背景、国内外的发展现状，对“两片式电子标 签+ 双界面c p u 卡”的组合式电子收费技术方案进行了详细的研究，深入分析了 前置式不停车收费系统的工作原理、收费处理流程以及过车处理规则。在参考了 国内外不停车收费的现状后，分析了目前国内应用最广泛的前置式e t c 存在的主 要缺点一一旁车干扰问题的产生原因，指出了传统处理方法中不足之处。根据旁车 干扰问题发生的位置将旁车干扰问题归纳为两大类，跟车干扰问题与旁道干扰问 题。把车牌识别系统引入到不停车收费系统中，提出了基于车牌识别的跟车干扰问 题的解决方案；针对旁道干扰问题，提出了通过串口通信实现相临车道收费系统共 享交易记录的解决方案。接着，对提出的两种解决方案进行了详细的阐述，论述 了解决方案的思路过程、总体设计，并给出了核心的详细设计与编码实现。最后， 在收费站现场进行了基于车牌识别的跟车干扰问题解决方案的试验和在实验室内 对基于串口通信的旁道干扰问题解决方案的测试。 关键词：不停车收费；旁车干扰；车牌识别；串口通信 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e t c ，e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，i so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i n i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s w i t h e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , e t ci s d e s i g n e dt oi n c r e a s et h et r a n s p o r t a t i o na b i l i t yo fh i g h w a y sa n dt h ee f f i c i e n c yo ft h e v e h i c l e s ，r e d u c et h eo i lc o n s u m i n ga n dv e h i c l ec o n s u m i n g ，e c o n o m i z ee n e r g y r e s o u r c e sa n dp r o t e c te n v i r o n m e n t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fe t c ，a n di t sd e v e l o p m e n to ft h es t a t u s a th o m ea n da b r o a d b a s e do ni n v e s t i g a t i n gt h ec o m p o s i t ee t c a p p l i c a t i o ns o l u t i o n o ft w op i e c e se t ct a g p l u sd o u b l ei n t e r f a c ec p uc a r d s ，i ta n a l y z e st h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fp r e p o s i t i v ee t c ，p r o c e s s i n go fc h a r g ef e e s ，a n dr u l e so fd e a lw i t h v e h i c l e s i nr e f e r e n c et ot h es t a t u so fe t ca l lo v e rt h ew o r l d ，i ta n a l y z e st h ec a u s eo f n e x tv e h i c l ei n t e r f e r e n c ep r o b l e m ，w h i c hi st h em a j o rd r a w b a c ko fp r e p o s i t i v ee t c ， t h ec u r r e n tm o s tw i d e l yu s e da th o m e a tt h es a m et i m e ，i tp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c i e s o ft r a d i t i o n a lm e t h o d st od e a lw i t hn e x tv e h i c l ei n t e r f e r e n c e u n d e rt h el o c a t i o no f t h ed i s t u r bv e h i c l e ，n e x tv e h i c l ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mw i l lb es u m m e du pi nt w o c a t e g o r i e s ，f o l l o w v e h i l c ei n t e r f e r e n c e p r o b l e ma n d s i d e - c h a n n e li n t e r f e r e n c e p r o b l e m b yi n t r o d u c i n gt h el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e mt oe t c ，as o l u t i o n b a s e do nl i c e n s e p l a t er e c o g n i t i o n i s p r o p o s e df o rf o l l o w v e h i l c ei n t e r f e r e n c e p r o b l e m f o rt h es i d e - c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b l e m ，i tp r o p o s eas o l u t i o n sb a s e do n s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t w oo ft h ep r o p o s e ds o l u t i o n si sd i s c u s s e di nd e t a i l ，t h ei d e ao f t h es o l u t i o np r o c e s s ，t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ec o r ea n dc o d i n gi sg i v e d a tl a s ti tt e s t s t w os ol u t i o n s k e yw o r d s ：e t c ；n e x tv e h i c e l si n t e r f e r e n c e ；v e h i c l el i c e n s er e c o g n i t i o n ； s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 捌l 剖 论文作者签字：高芝、成 二oo 九年六月四日 5 8 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展，交通需求急剧增长，收费站已经逐渐成为公路交 通的瓶颈地段，传统的人工收费方式使得车辆在经过收费站的时候必须停车交费， 因而在路段上产生了瓶颈”。采用电子不停车收费( e 1 e c t r o n i ct o ll c o lle c ti o n ，e t c ) 系统可以有效的解决这一问题。e t c 是国际上正在努力推广的 一种用于道路、桥梁和隧道的电子自动收费系统。这一系统的使用将实现完全自 动化收费并且很容易实现联网收费，能够大大提高公路的通行能力和服务水平， 有利于提高车辆的运营效益，经过合理的e t c 改建后的收费站不仅可以提高收费 站的通行能力，也大大降低了车辆在收费站处的延误。 目前e t c 系统在欧美等发达国家的应用已经比较成熟和普遍，我国也已经在 广东、北京、上海等地的高速公路上投入使用“。e t c 也是智能型运输系统 ( i n t e l lig e n tt r a n s p o r t a ti o ns y s t e m ，i t s ) 中较容易实际应用的系统之一。因 此为了提升高速公路的行车效率并且顺应科技进步与收费技术的创新，使用无现 金交易的e t c 取代现有的人工收费方式已成为必然发展趋势。由于国外的道路状 况和交通状况都与我国有很大差别，因而国外e t c 系统不能照搬进来。虽然经过 十几年实验探索后，适合我国道路国情的e t c 系统的研究和实施取得了巨大的发 展，涌现出一批具有自主知识产权的e t c 设备与e t c 软件系统，但是我国的e t c 系统还存在很多问题还未解决，比如设有常闭栏杆、过车干扰严重、恶意旁道插 队逃费现象无法处理等，。 1 2国内外e t c 发展现状 1 2 1 国外e t c 发展现状 国际上，美国、欧洲、日本等国从8 0 年代中期、9 0 年代初就针对不停车收 费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究。不停车收费系统 实际应用也有十多年的时间。美国以及欧洲许多国家和地区的电子收费系统已经 广东工业大学工学硕十学位论文 局部联网，并逐步形成规模效益。 在美国，电子不停车收费( 简称e t c ) 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。 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。从e z p a s s 系 统开通起，e t c 的交易量持续增长，到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的效益和吸引力 充分体现出来。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。z p a s s 专用车道规定了时速不超过5 英里的限制，并有相应的标志牌提示， 以便于给收费人员和道路使用者确保一个安全的收费环境。另外美国基本上是采 用开放式收费制式构成的网络 ，。 葡萄牙的v i a - v a r d e 电子收费系统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。收费系统采用封闭式 和开放式相结合的模式。v i a - v a r d e 电子收费系统的进程主要经历了两个阶段。 第一阶段为1 9 9 1 1 9 9 6 年，在四个开放式收费站上试运营。不停车收费车道的交 通量达到交易量的4 0 。1 9 9 6 年开始，v i a v a r d e 电子收费系统在葡萄牙所有高 速公路的收费站进行联网应用。经过升级改造，使得葡萄牙成为全球第一个所有 收费道路均使用电子不停车收费，并实现联网运营的国家。又经过十几年的发展， 葡萄牙的电子标签用户达到了15 0 万，电子不停车收费车道的通过交通量约占 6 0 ，通行费收入占5 5 ，。事实已证明，v i a v a r d e 电子收费系统是既有利于道 路使用者又有利于道路运营商的有效收费手段。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15 0 0 辆小时，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。 意大利在3 0 的收费站使用不停车收费设备，该收费方式每分钟可处理3 0 辆 车。意大利a u t o s t r a d e s p a 公司的t e l e p a s s 系统可以认为是目前世界上最庞大 的不停车收费网络，不停车收费交易次数达到每日5 0 万次，。 日本e t c 系统起步较早，1 9 9 3 年日本政府制定的“道路技术5 年规划中明 确指出大力支持开发e t c 系统。1 9 9 4 年至1 9 9 9 年，由原建设省、四大道路公团 以及日本国内的企业集团合作进行了一系列的试验和试点，于1 9 9 9 年制定出了全 2 第一章绪论 国统一的e t c 相关设备的技术规格标准。2 0 0 0 年4 月，日本开始正式实施其e t c 计划。同年1 2 月，国土交通省颁布了e t c 系统的相关法规。日本e t c 系统自2 0 0 1 年3 月正式投入营运以来，其覆盖区域不断扩大。目前，日本全国1 3 0 0 多个收费 站全部都安装了e t c 系统。伴随着e t c 系统的开通，e t c 用户数也不断增加。2 0 0 3 年初用户数不足1 0 0 万，至2 0 0 6 年1 0 月用户数量已达到15 14 万户，占全国车辆 的2 0 ，e t c 的通车量占全国收费公路交通量的6 5 5 ，占到东京周边收费公 路圈交通量的7 2 8 ”。 日本的e t c 系统采用i s o 标准，使用5 8 g 专用短程通讯( d s r c ) 作为e t c 的 核心技术，采取的是接触式c p u 卡加两片式电子标签和双e t c 天线的方案。车道 设双向打开的高速栏杆，无人职守，车道设置成栏杆常闭的状态，车辆通过时系 统自动处理后，栏杆抬起车辆通行。 1 2 2 国内e i o 发展现状 我国的e t c 发展主要分为两个阶段，第一个阶段是国外成熟的e t c 被引进实 验。第二个阶段是全国各省联网逐步完善后，我国的e t c 系统开始大规模的应用。 1 9 9 6 年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国t i 公司的e t c 收费设 备，开发了e t c 收费系统软件，在佛山、顺德、南海等地建立了e t c 车道并投入 使用，。年底，北京首都高速公路发展有限公司与美国a m t e c h 公司签订协议，在 首都机场高速公路进行为期三个月的e t c 收费系统试验，该系统第二年投入试运 行。2 0 0 2 年4 月8 日，天津市第一条公路自动收费系统正式开通，4 月1 8 日正式 对外运营。此外，我国香港地区九十年代中期以来在所有公路隧道口都安装了带 有自动车辆识别技术的自动收费系统；我国的台湾省也于19 9 8 年1 1 月15 日起在 中山高速公路上推行高速公路电子收费系统n ”。 2 0 0 0 年6 月，在国家经贸委和交通部的主持下，“高等级公路电子收费系统 技术开发和产业化 项目启动。该项目提出了适合国情的组合式公路电子收费的 技术方案一一“两片式电子标签+ 双界面c p u 卡的组合式电子收费系统方案 n ”。 通过在京珠高速广东韶关段试点工程的实践，普遍认为方案技术上合理，经济上 可行，为解决中心城市的环城公路网及区域经济圈内城间公路网收费站的交通瓶 颈提供了一种有效手段“。该项目还开发了5 8 g h z 频段的组合式e t c 收费的核心 产品、软件系统、检测装置等。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 2 0 0 4 年底，广东省宣布全省基本实现了高速公路联网收费，当时已开通了 7 8 条e t c 车道。经过四年多的运营和建设，现已建成开通2 0 0 多条电子不停车收 费车道，粤通卡的用户数量超过4 0 万户”。长三角高速公路电子不停车收费系统 于2 0 0 8 年1 2 月3 1 日试运行，上海和江苏率先联合开通跨省市联网e t c 收费系统。 本次开通试运行的e t c 收费系统为长三角区域联网e t c 的一部分，其中上海市域 内共安装了8 0 条e t c 车道，e t c 覆盖率达到3 0 以上，江苏省安装了2 3 条e t c 专用车道。在此之前，北京市也于2 0 0 8 年l2 月2 1 日开通了符合国家标准和交通 运输部规范的e t c 收费车道7 9 条。加上已经运营的福建省和江西的e t c 收费系统， 目前全国符合国家标准和国际电信联盟( i t u ) 频率标准的e t c 车道已经达到4 0 0 条以上”。 随着中国经济的发展，高速公路用户对高速公路的需求和服务水平的要求不 断提高，大规模建设e t c 收费系统的条件已经具备，准备工作也已就绪。中国东 部地区不停车收费将进入较快的发展阶段。交通运输部建设的收费公路密钥和安 全服务系统为全国高速公路跨地域联网收费提供了基础条件；国内按照国家标准 和交通运输部规范生产e t c 设备的企业已经超过1 0 家。据悉，下一步交通运输部 将继续加大高速公路电子不停车收费系统的建设力度，预计2 0 0 9 年底以前，浙江、 安徽、湖南都将陆续开通e t c 系统。长三角四省一市高速公路网将实现e t c 的互 联互通；而河北、天津和山东的e t c 建设也列入计划，将与北京市的e t c 系统相 连形成跨省市联网e t c 系统。这两大区域按照国家标准和交通运输部规范发行的 电子标签( o nb o a r do n it ，o b u ) 和i c 卡将在联网区域内通用，实现“一卡畅行”， 为高速公路用路人提供便捷的服务，并提升区域快速交通圈的经济效益，推进区 域一体化。 1 3研究目的及研究意义 1 3 1 研究目的 通过比较世界各国的e t c 系统的技术原理，系统设计，运营状况等，我们可 以发现：各国e t c 系统的建设和发展都经历了不同阶段才发展今天比较成熟的阶 段。在国外，e t c 技术主要应用于自由流收费，其国家法规、个人信用以及司机 4 第一章绪论 的驾驶习惯与我国不同。国内的情况要复杂得多，最典型的例子是非法车辆闯关 的问题。在国外自由流收费环境下，非法进入专用车道的车辆，在被现场拍照后， 依据照片可索回通行费并将依法给予处罚；而国内由于相关法规的缺陷，目前尚 无配套法规来治理逃费现象，人工收费车道都难对逃费车辆进行处罚，像这样的 电子收费方式就更无法进行追费与处罚了。对此，典型的中国式无人值班管理的 e t c 系统的做法是：系统的车道布局是采用前置式，在专用e t c 车道的车道检测 器之后十几米左右，安装常闭式自动栏杆。车辆交易成功后，系统自动抬杆放车 辆通过。由于每次只能对当前车进行处理，这样当客户增加、交通量增大时，会 造成收费通行的混乱：如果一辆非法车和一辆合法车相继进入车道，往往会给系 统造成逻辑混乱，一旦系统承认了合法车辆，栏杆就会打开，这样非法车辆也得 以通行。 本文的研究的目的就是为前置式e t c 过车中产生的混乱问题提供技术解决方 案，即基于车牌识别系统的跟车干扰问题解决方案和基于串口通讯的旁道干扰问 题解决方案。 1 3 2 研究意义 2 0 0 7 年对于中国e t c 来说是具有里程碑式的一年。系列e t c 国家标准的颁布 实施、跨省连网e t c 示范工程正式启动、全国范围标准宣传培训等活动无不标志 着我国e t c 已经跨入了标准化时期n ”。在各省的联网收费网络不断完善、通行卡 用户的不断增加和e t c 系统标准出台这两大引擎强大推动下，我国e t c 系统将开 创新的局面，即将迎来发展的黄金时期。如何提高电子不停车收费系统整体服务 的效率将成为人们越来越关注的问题，跟车干扰问题是其中的瓶颈之一。传统的 管理方式，只能解决一小部分的问题。随着车量的增多，电子不停车收费系统的 压力将越来越大，一旦出现跟车干扰问题将导致电子不停车收费车道的堵塞。以 车牌识别系统和串口通讯实现邻道数据共享为基础的新的不停车收费解决方案则 能有效的改变这一现状，使交通更为准确，保持电子不停车收费车道顺畅。本文 在已有的前置式e t c 系统的基础上，结合当今国内外对汽车牌照识别先进技术的 研究与所得成果，提出将车牌识别系统应用于e t c 系统中来解决旁车干扰问题， 同时，针对未来可能更多出现的旁道干扰问题，亦提出来了相邻车道数据共享的 解决方案。这两项技术的实施可以减少e t c 工作中的出错率，提高e t c 系统的收 5 广东t 业大学t 学硕十学位论文 费效率。 1 4本文研究内容 本课题来源于广东省新粤智能交通研究中心，受该智能研究中心的委托，我 们承担了高速公路前置式e t c 的开发与运营维护工作。本文对e t c 运营中出现 的问题进行研究总结，所做的研究主要包括以下几部分内容： 1 、分析了组合式电子收费系统的框架结构，研究了前置式不停车收费的系统 构成、收费流程和过车处理规则。 2 、对e t c 的旁车干扰问题进行了认真的调查分析，查阅了大量的文献资料， 提出基于车牌识别系统的跟车干扰解决方案和基于串口通讯的旁道干扰解决方 案。 3 、对各解决方案进行整体架构设计，对各解决方案中核心模块进行了详细的 设计及编码实现。 4 、对解决方案进行了现场的功能测性或性能测试，论证了方案的可行性。 1 5本文各章节安排 本文第一章主要介绍了本论文研究背景、国内外e t c 发展现状，提出了研究 对象一一中国e t c 中旁车干扰问题及其研究意义。 第二章介绍了我国收费系统的组成架构及e t c 车道系统的技术原理，分析了 e t c 的车道收费处理流程与处理规则。 第三章介绍了e t c 中旁车干扰问题的表现形式并分析了其产生的原因，总结 了旁车干扰干扰问题的传统处理方法，并指出了其弊端与局限性，最后提出了解 决问题的技术思路。 第四章和第五章是本文的重点，也是本文的最主要的创新点。第四章阐述的 是旁车干扰中跟车干扰问题的解决方案：基于车牌识别的跟车干扰问题解决方案。 重点分析了加入车牌识别系统后新的e t c 车道系统的车道布局和软件系统的结构 分析，设计实现车牌识别处理模块及修改交易处理模块，然后设计了跟车干扰问 题解决方案的测试方案、采集并仔细分析了实验数据，最后总结了实验报告与方 案的实施建议。第五章阐述的是旁车干扰问题的另一种解决方案：基于邻道系统 数据共享的旁道干扰问题解决方案。 6 第一章绪论 结论部分主要总结了文论文的研究成果，同时对旁车干扰问题的下一步研究 提出建议。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章前置式e t c 的应用背景及相关技术 2 1组合式电子收费技术方案的简介 2 1 1 组合式电子收费技术方案的提出 1 、国际上现行e t c 技术方案在我国面临着很多问题 国外目前除日本外，其他国家普遍采用的电子收费技术方案，采用的都是单 片式的电子标签。这对于以开放式收费为主、经济发达、e t c 车辆的比率相对较 高的应用环境来讲是非常适合的。但国外这种电子不停车收费系统和人工收费系 统完全分离的运营模式，对于我国这样大规模的公路联网收费系统而言，可能会 面临以下几方面的问题n 。，： ( 1 )投资大、周期长、风险高； ( 2 )采用单片式电子标签建立的e t c 系统必须自身构成一个完整的封闭式 系统，即在路网内所有的入口和出口都必须设置一条以上的e t c 专用收费车道， 即使是交通量小、车道数量少的收费站。这造成e t c 系统规模庞大，一次性投资 大，建设周期长，风险高。在联网收费环境下该问题尤其突出； ( 3 )支付方式单一； ( 4 )单片式电子标签只支持后台帐号扣款结算，不支持使用储值卡。由于 该种结； ( 5 )算方式存在透支的风险，一般只对信用度较高的用户推广使用。考虑 到目前我国的信誉建设情况，这种方式增加了电子标签推广的难度； ( 6 )运营管理复杂，系统可靠性差； ( 7 )由单片式电子标签构建的e t c 系统将独立于i c 卡人工半自动收费 ( m a n u a lt 0 1 lc o l l e c t i o n ，m t c ) 系统，两个系统之间互不兼容，无法统一，使运 营管理相当复杂； ( 8 ) 维护要求高； ( 9 )由于没有m t c 收费车道作为e t c 车道的备份，如果某个收费站e t c 车 道出现故障，e t c 合法用户将无法从该站出去，这样必须保证e t c 车道时刻处于 正常运行的状态，增加了系统维护的难度，同时给收费站的运营工作也带来了许 8 前置式e t c 的应用背景及相火技术 多麻烦。 由此可见，国际上现有的e t c 技术方案及运营模式并不适合我国区域经济发 展不平衡条件下的联网收费新形势的要求。要在我国成功地推动e t c 系统应用， 需要在方案上予以突破。必须结合国内公路的收费现状，充分利用现有收费技术 和收费设备，推动电子收费技术的发展。 2 、组合式电子收费技术方案的提出 2 0 0 0 年，交通部公路科学研究所研究并提出了适应高速公路联网收费新形式 的组合式e t c 联网收费技术，即“两片式电子标签+ 双界面c p u 卡的组合式电子收 费系统技术方案”，提出了e t c 技术和i c 卡收费技术紧密结合发展的新思路”。 组合式收费技术方案，以目前高速公路广泛采用的非接触式i c 卡收费系统作 为基础，充分综合考虑了e t c 系统和m t c 系统的适用条件，将两项技术通过两片 式电子标签进行有机结合，采用高安全性的双界面c p u 卡作为电子支付手段，完 全兼容人工半自动收费和不停车电子收费，从而在高速公路联网收费以及区域经 济不平衡的条件下，以经济、有效的手段在部分有实际需求的收费站点实现电子 不停车收费，避免收费站的拥堵，提高服务水平。组合式收费技术方案的实施， 一方面，继续为公路用户提供熟悉的“入口领卡、出口交费 的持卡通行，现金 付费业务。另一方面，组合式收费技术方案利用e t c 技术解决收费站交通堵塞问 题，为用户提供安全便利的电子支付手段，实现区域内收费公路一卡通行。 该方案摆脱了欧美和日本技术方案的束缚，形成具有国际先进水平、融和停 车和不停车收费系统的新技术，既保护了现有投资又提高了系统的先进性，是适 合我国国情的e t c 收费技术方案。真正做到了e t c 车道系统的按需设置，大大的 降低了联网环境下电子收费系统建设的投资，有力的保护了道路运营者和用户的 利益。 2 1 2 组合式电子收费技术方案的技术基础 组合式电子收费技术与传统的电子收费技术相比，其最大的差异就在于采用 了双界面c p u 卡作为电子标签的扩展信息载体，从而构成了两片式电子标签。 1 、双界面c p u 卡 双界面c p u 卡是智能卡的一种，称之为双界面卡的原因是它有两个操作界面， 对卡内芯片的访问可以通过接触方式的触点，也可以通过相隔一定距离( 一般在1 9 广东t 业大学工学硕十学位论文 o c m 内) ，以射频方式来访问芯片。卡片上只有一个芯片，两个接口，通过接触界 面和非接触界面都可以执行相同的操作。两个界面分别遵循两个不同的标准，接 触界面符合i s o i e c 7 8 1 6 ；非接触界面符合i s o 1 e c1 4 4 4 3 。 2 、两片式电子标签 电子标签按形态可分为单片式和两片式两种。 单片式电子标签在物理结构上是一个不可拆分的整体，既存储了车牌号、车 型等车辆物理参数，也记录了用户的消费帐号、帐户金额方面的信息。 两片式电子标签是带有i c 卡接口的读写型电子标签，由双界面c p u 卡和电 子标签两部分组成。与单片式所不同的就是多了一片可插拔的作为扩展存储器使 用的双界面c p u 卡，卡插在电子标签里面，其中电子标签主要作为车辆识别卡和 通信中继器使用，在电子标签中只记录车牌号、车型及车辆的物理参数，为车道 系统提供车辆识别信息；而账号、金额方面的信息则储存在双界面c p u 卡内，电 子标签与卡之间可以进行数据交换。e t c 车道天线可以借助车载电子标签远距离 快速读取c p u 卡中的数据信息，从而实现不停车通过收费站并完成收费交易。对 于交通量较小的一般收费站，允许司机从两片式电子标签中拨出双界面c p u 卡， 以非接触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。 2 1 3 组合式电子收费技术系统框架 组合式电子收费系统在收费站级以上部分，与一般的收费系统配置完全一致， 所不同的是在前台的车道级系统上，其采用一种独特的以“两片式电子标签+ 双界 面c p u 卡 为核心的组合式电子收费技术。持两片式电子标签加双界面c p u 卡的 用户，在通过e t c 车道系统时，可以免停车快速通过收费站；通过m t c 车道系统 时，将双界面c p u 卡拔出，短暂停车刷卡通过收费站，实现了一张卡片可以从任 意的e t c 车道或者m t c 车道出入。对普通用户，保留原有“入口领卡、出口交费 习惯，使用一张卡通行整个封闭路网。实现真正意义上的一卡通行。组合式电子 收费系统前台结构如图2 1 。 1 0 前置式e t c 的应用背景及相关技术 收费站管理系统 jl m t c 车道系统e t c 车道系统 jljl 两片式电子标签+ 非逻辑加密卡用户 双界面c p u 卡用户 图2 1 组合式电子收费系统结构 f i g2 - 1t h es t r u c t i o no ft h ec o m p o s i t ee t c a p p l i c a t i o n 2 。1 4 组合式电子收费技术方案过车流程 组合式电子收费技术方案过车流程如图2 2 。 广东工业大学工学硕士学位论文 入口车道出e l 车道 图2 2e t c 车户流程图 f i g2 - 2t h ef l o wd i a g r a mo fe t cu s e r l 、e t c 车户使用e t c 专用收费车道驶入收费路网 e t c 车户驶入入口收费站，车辆检测器检测到车辆到来，触发e t c 天线( r s u ) 工作，与车载电子标签( o b u ) 进行双向认证，识别电子标签的有效性。若电子标签 不合法，车道控制机控制触发声光报警装置报警，车道关闭，记录非法车辆信息； 合法将入口通过信息写入电子标签，两片式电子标签将信息同时写入双界面c p u 卡中。成功后交通灯变绿，栏杆打开，车辆快速通过。 ( a ) 当e t c 车户使用e t c 专用收费车道驶出收费路网，车辆检测器检测到车 辆到来，触发路边识别单元工作，与电子标签进行双向认证，识别电子标签的有 效性。若电子标签不合法，则触发报警装置声光报警，车道关闭，记录非法车辆 信息；合法则读取电子标签中的入口信息，e t c 系统根据卡中的入口信息计算所 需通行费并扣减，并将交易记录通过电子标签回写到双界面c p u 卡上。成功后交 通灯变绿，栏杆打开，信息显示牌显示本次交易金额和余额，车辆快速通过。 ( b ) 当e t c 车户使用m t c 收费车道驶出收费路网，用户从两片式电子标签中 1 2 前置式e t c 的应用背景及相关技术 拨出双界面c p u 卡，将卡交给收费员，收费员刷卡，系统根据卡中的入口信息计 算所需通行费并扣减，并将交易记录回写到双界面c p u 卡上。信息显示牌显示本 次付费金额和帐户余额，栏杆抬起，车辆驶出站区。 2 、e t c 车户使用m t c 收费车道驶入收费路网 e t c 车户驶入入口收费站，从两片式电子标签中拨出双界面c p u 卡，交给收 费员，收费员刷卡，将入口信息写入卡中。栏杆抬起，车辆驶出站区。 ( c ) 当e t c 车户使用e t c 专用收费车道驶出收费路网，流程如( a ) ； ( d ) 当e t c 车户使用m t c 收费车道驶出收费路网，流程如( b ) 。 2 1 5 组合式电子收费技术方案特色 组合式电子收费技术方案是对我国高速公路收费技术现状、需求和发展趋势 进行充分调研的基础上提出来的，是目前我国推广e t c 、解决收费站交通拥堵等 问题、提高高速公路的通行能力和服务水平的经济、有效的手段。组合式收费技 术方案具有以下特色： ( 1 ) 提高了收费系统的效率； ( 2 ) 系统冗余性好，运行稳定； ( 3 ) 高安全性，符合金融交易规范； ( 4 ) 兼容多种收费方式； ( 5 ) 实现一卡通行，提高了资金结算效率； ( 6 ) 系统实施易行，可扩展性好，适用于多种收费制式； ( 7 ) 降低了e t c 推广难度。 2 2 前置式e t c 车道系统的简介 组合式电子收费车道系统包括m t c 收费车道系统和e t c 收费车道系统。m t c 收费车道系统与一般的i c 卡收费系统基本上没有差别，唯一的不同是要求m t c 车道系统的i c 卡读写机具要选用m i f a r ep r o 型的读写设备，因为m t c 车道必须 具备处理双界面c p u 卡的能力。目前，整个m t c 收费车道设备和系统集成技术均 己相当成熟，因此，本节将重点介绍e t c 收费车道系统。 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 前置式e t c 车道系统总体设计 目前国内的e t c 收费车道系统大多数都是从已有的m t c 收费车道系统改造而 来，撤除m t c 系统后把e t c 系统设置在收费车道的前端。故将此类e t c 称之为前 置式e t c 系统。 前置式e t c 系统包括e t c 车道系统和后台管理系统两大部分。e t c 车道系统 是电子不停车收费系统设计的关键，它包括以下子模块：车辆检测模块、车辆识 别模块、交易模块、设备控制模块、图像抓拍模块、通信模块、记录模块和日志 管理模块。后台管理系统则由监控系统、管理系统、服务系统以及e t c 系统与外 部系统( 如m t c 系统) 之间的接口系统三部分构成。我国的e t c 车道系统采用5 。 8 g h z 频段的专用短距离微波通信( d s r c ) 技术，利用两片式电子标签( 车载电子标 签+ 双界面c p u 卡) 作为车载单元，实现以高安全性电子钱包为支付手段的不停车 收费。 车道系统采用模块化方法设计，结构灵活。在基本配置下，可以灵活增加功 能模块，进行多种形式的灵活配置；可以根据路段车流特征，交通管理和不同运 营方式的需要，通过软件灵活进行车道类型选择和运营参数配置。同时，为了保 证交易数据的上传以便业主及时对数据进行结帐，也为了及时给车道下发新的运 营参数，系统提供了收费站数据库与车道计算机之间通过网外介质上传、下发数 据的机制。 根据系统设计原则，e t c 车道对无法完成交易的车辆只作拦截而不做处理。 也就是说，出现任何无法完成交易的情况，栏杆不抬起，系统对异常的情况判断 后将异常信息显示在费额显示牌上，并启动声光报警器。这时车道处于临时“关 闭 状态，不接受其他任何车辆的交易。当出现异常情况的车辆驶离e t c 车道后， 车道自动由“关闭状态恢复到正常状态，继续工作。 2 2 2 前置式e t c 车道系统构成 前置式e t c 车道系统的构成如图2 - 3 所示。 电子标签读写天线( r o a ds id eu n it ) 通过天线控制器由r s 2 3 2 串行电缆线直 接连接到位于收费亭内的车道计算机上，读写天线与车载电子标签之间利用专用 短距离微波通信方式进行信息交换。读写天线与收费亭内的车道计算机之间通过 1 4 前置式e t c 的应用背景及相天技术 天线控制器实现信息交换。地感线圈通过车辆检测器与车道控制器相连，车道信 息通过车道控制器传输至车道计算机。读写天线可由计算机通过天线控制器间接 打开，也可由车道控制器直接打开。费额显示器、字符叠加器通过r s 2 3 2 串口由 计算机控制。其他设备如自动栏杆、车道通行灯、声光报警器等设备则由车道计 算机通过车道控制器间接控制。视频信号通过字符叠加器叠加车辆信息后传至车 道计算机与收费站的监视器上他“。 图2 - 3 前置式e t c 车道系统构成 f i g2 - 3s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fp r e p o s i t i v ee t cl a n e 2 2 3 前置式e t c 车道布局 触发线圈抓拍线圈自动栏杆厂证矾收费岛 j嘲豳 邋二 n k | 玲黻雩 u 不停车收费车道 -，-( ，r 嘲 收费岛 人工收费车道 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 4 前置式e t c 车道布局 f i g2 - 4l a y o u to fp r e p o s i t i v ee t cl a n e 2 3 前置式e t c 的收费流程与过车处理规则 2 3 1 入口e t c 车道收费流程 如图2 - 5 所示，入口e t c 车道的过车原理如下他： 车辆进行通信范围内，首先压到触发线圈，启动读写天线； 读写天线与通信范围内的电子标签进行通信，将读取的电子标签与通行卡信 息通过串口发送至计算机； 系统判断电子标签与通行卡是否全法有效，有效则判断车辆是否在黑名单之 列，如果不在则发写卡指令，通过读写天线将入口信息写入通行卡内； 如交易成功，系统控制栏杆抬升，亮绿灯，费额显示器上显示车型、车牌和 余额等； 车辆通过抓拍线圈时，系统进行图像抓拍，字符叠加器将过车信息叠加到抓 拍图像中； 车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，信号灯变红； 系统保存交易记录，并将其上传至收费站服务器中，等待下一辆车进入。 2 3 2 出口e t c 车道收费流程 如图2 - 6 所示，出口e t c 车道的过车原理如下： 车辆进行通信范围内，首先压到触发线圈，启动读写天线； 读写天线与通信范围内的电子标签进行通信，将读取的电子标签与通行卡信 息通过串口发送至计算机； 系统判断电子标签与通行卡是否全法有效，有效则判断车辆是否在黑名单之 列，如果不在则根据入口信息查找费率并发扣款指令； 如交易成功，系统控制栏杆抬升，亮绿灯，费额显示器上显示车型、车牌、 入口和交易金额等；。 车辆通过抓拍线圈时，系统进行图像抓拍，字符叠加器将过车信息叠加到抓 拍图像中； 1 6 车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，信号灯变红； 系统保存交易记录，并将其上传至收费站服务器中，等待下一辆车进入。 1 7 定时器超时 中止交易 声光报警 l 栏杆关闭( 维持原状) 广东t 业大学t 学硕十学位论文 图2 - 5 入口过车流程 f i g2 5t h ee n t r a n c ef l o wo fp a s s i n g 识别电子标签、通 行卡 关闭识别电子标签 蓊卜定时器 。： n y - 读入口信息 y n 交易处理 l 启动写卡定时器 有 l l 、1 7 1 失败 l成勃 i 关闭写卡定时器 亮绿灯 费显器显示 ( 车型、车牌、入口、费率、) 栏杆打开 i 启动过车定时器车检器c 检测到车辆到来 土、 抓拍图像 声光报警 皇上 车检器d 检测到车辆离开 栏杆关闭( 维持原状) ll 。 l 关闭过车定时器栏杆关闭 图2 - 6 出口过车流程 各定时器超时处理流程 定时器超时 中止交易 t 声光报警 栏杆关闭( 维持原状) 前置式e t c 的应用背景及相艾技术 f i g2 - 6t h ee x p o r tf l o wo fp a s s i n g 2 3 3e t c 过车处理规则 入口与出口的过车交易流程大致如前面描述。但是现实中不是每辆车都能正 确交易的，总是有车辆因为各种原因导致不能通行e t c 车道。完善、高效的e t c 系统除了能正确处理正常过车以外，还能处理各种非正常的过车情况。这就需要 e t c 系统有完善的异常处理机制，来处理类似无电子标签、无卡、写卡失败、黑 名单、连续过车和再次过车等特殊情况。经过长期的运营改进，e t c 系统已经完 善了各种处理机制，使得e t c 系统过车更加顺畅。现总结过车处理规则如下： 1 三个定时器 过车交易过程，不是系统独立处理的过程，而是系统、车辆、设备之间的交 互过程。每一次交互都不可避免出现中断，所以，系统在与设备、车辆的处理过 程中有三个定时器来保障交易处理的衔接。 读电子标签定时器一一车辆检测器检测到有车立即启动，时间为3 秒，超时 则报警”无电子标签 。用于处理无电子标签或电子标签不能正常使用的车辆进 入e t c 车道。 写卡定时器一一系统在发送了写卡指令或扣款指令后立即启动，时间为3 秒， 超时则报警 写卡失败”。用于防止系统长期等待读写天线的写卡返回。 过车定时器一一系统在交易成功，抬起栏杆后启动，时间为5 秒，超时则报 警 超时停留 。用于防止车辆在交易成功后故意不走发生作弊行为。 2 连续过车机制 当前面的车辆交易成功但未完全驶出e t c 车道时，系统已经读取到后面车辆 的信息。系统以不同于上面的过车流程交易此车辆t 不必等待前面车辆通过落杆 线圈就可以马上交易此车辆，但不对此车辆操作e t c 设备；等前面车辆通过落杆 线圈后才对后面车辆操作，交易成功则抬杆放行否则落杆报警。车流量大时，同 时有多辆车进入通信范围内时此机制可生效，此机制可大大提高e t c 系统的过车 效率。 3 再次过车机制 连续过车时，多辆车先后成功交易，系统依次抬杆放行，但是有可能有些车 辆因为车多行驶过慢而未能在规定的时间内通过落杆线圈，导致系统重新关闭栏