（系统工程专业论文）高速公路计重ETC收费系统的研究及设计.pdf

摘要 摘要 高速公路收费系统是智能交通系统的一个重要组成部分。近年来，随着社会 经济的飞速发展以及高速公路建设的不断深入，汽车保有量大幅增加，超限运输 也是大幅的增加，道路损坏日趋严重。为了有效治理超限超载，计重收费就显得 日趋迫切，另外随着不停车收费系统的发展与应用，高速公路收费系统也必须不 断适应新的形势要求。 首先，本文概述了系统开发的背景和国内外高速公路收费系统的发展现状， 分析了软件系统设计的相关理论及技术，特别是如何利用面向对象设计方法及统 一建模语言进行系统建模。 其次，以典型的广东模式的e t c 车道应用方案为例，分析了e t c 系统的总 体构成、车道布局及交易过程，在此基础上，根据计重e t c 系统设计的原则，提 出了计重环境下e t c 车道的总体设计方案。 再次，从e t c 计重收费系统的需求分析入手，运用了u m l 建模语言和面向 对象的设计方法，建立了系统的静态和动态模型。通过用例图构建了车道收费软 件系统的实体，通过状态图及顺序图明确了收费系统复杂的时序关系和事件转移 条件，从而提高了计重e t c 车道软件系统开发的效率和结构的合理性。 最后，本文根据建立的系统模型，结合实际外部设备，对系统的主要模块进 行了详细设计及实现，其中包括人机交互界面、外部设备控制、数据传输策略及 数据库管理。 关键词：e t c ；计重收费；u m l ；面向对象 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h w a yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ed e e p e n i n go f h i g h w a yc o n s t r u c t i o n , as u b s t a n t i a li n c r e a s ei n c a r sa n dt r a n s f i n i t et r a n s p o r t ，a n d r o a d sb e c o m i n gm o r ea n dm 。o r es e r i o u sd a m a g ei nr e c e n ty e a r s i no r d e rt oe f f e c t i v e l y c o n t r o lo v e r l o a d , t o n - b y - w e i g h ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yu r g e n t m e a n w h i l e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fe t c ，h i g h w a yt o l l c o l l e c t i o ns y s t e mm u s ta l s o c o n s t a n t l ya d a p tt ot h en e w s i t u a t i o nr e q u i r e s f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ep r o v i d e sa no v e r v i e wo fd e v e l o p m e n ts t a t u so fh i g h w a yt o o l c o l l e c t i o ns y s t e ma th o m ea n da b r o a da n di n t r o d u c e st h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m s t h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yh o wt o u s eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d sa n d u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g ef o rs y s t e mm o d e l i n g s e c o n d l y ，t a k e st h et y p i c a lp a t t e r n o fe t c s y s t e mi ng u a n g d o n ga p p l i c a t i o na sa l l e x a m p l e t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h eo v e r a l lc o m p o s i t i o no f t h es y s t e m , d r i v e w a yl a y o u t a n dt h et r a d i n gp r o c e s s , t h e np r o p o s e st h ep r o g r a md e s i g no fe t cs y s t e mu n d e rw e i g h t i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l eo fw e i g h t - e t cs y s t e m t h i r d l y , t h i s a r t i c l eu s e su m lm o d e l i n gl a n g u a g ea n do b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n m e t h o d st ob u i l ds t a t i ca n dd y n a m i cm o d e lo ft h ew e i g h t e t cs y s t e m t h r o u g ht h eu s e c a s ed i a g r a mt ob u i l dad r i v e w a yt o l ls y s t e me n t i t i e s ，t h ea d o p t i o no fs t a t ed i a g r a ma n d s e q u e n c ed i a g r a mt om a k eac l e a ru n d e r s t a n d i n go fc o m p l e xt e m p o r a lr e l a t i o n s h i pa n d t r a n s f e rc o n d i t i o n so ft h ei n c i d e n ti nt h ec h a r g i n gs y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h e d e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo f w e i g h t - e t cs y s t e ma n di t ss t r u c t u r e sr a t i o n a l i t y f i n a l l y ，b a s e do n t h es y s t e mm o d e la n dt h ea c t u a le x t e r n a le q u i p m e n t ，t h i sa r t i c l e c a r r y s o u tad e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m sm a i nm o d u l e s ， i n c l u d i n gh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e ，t h e e x t e r n a ld e v i c ec o n t r o l , d a t a t r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya n dd a t a b a s em a n a g e m e n t k e yw o r d s ：e t c ；t o l l - b y w e i g h t ；i ，：o b j e c t - o r i e n t e d 独创性声明 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。 指导刻噬毛书叫 论文作者签字：庄戒栏 二o o 九年六月十六日 5 7 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济与技术的不断发展，道路运输已成为了最重要的运输方式之一，并 对保证社会经济体系的正常运转发挥着越来越重要的作用。道路通行费是政府或 由政府授权的道路投资及经营者向道路使用者、受益者征收的费用，它是道路使 用者或受益者对利用道路所支付的一种补偿，是道路管理当局获得收益的主要途 径。数年来的实践证明，收取道路通行费是解决道路建设资金不足、促进公路发 展的有效途径之一。 多年来，我国收费系统是以货车额定载重和客车座位数来进行车辆分类，按 其类别( 也就是目前我国所执行的典型收费车辆分类标准) 进行收费，这种收费 方式有其不合理的地方，我国从事公路营运的车型复杂，各类国产车、进口车、 改装车五花j k l - j ，没有统一标准。收费人员很难从外形上判断车型标准，容易与 司机发生争议，特别是许多货运汽车，核载重量与实载能力之间，保留了很大的 超载空间，超载系数达到了6 0 0 0 , - 2 0 0 ，许多公路和桥梁因大型超载车辆过多， 已对路面和桥桥梁结构造成严重损坏。传统的收费方式对于车辆核载重量比实际 载重量小的情况无法正确处理，其次对于空车和载重车收取一样的费用，这样在 各种车辆之间发生了不公平的转移支付，尤其对于守法司机更为不公平。在这种 条件下，根据车辆实际重量收取通行费是一种比较合理而又科学的收费方式，这 样既能保证道路管理当局及经营者的收益，又能切实保护守法承运人合法权益， 更重要的是可有效的规范超限运输行为。 在2 0 0 6 年全国交通工作会议上，李盛霖部长提出要“继续稳妥推广计重收费 。 在交通部、公安部等9 部委印发的全国车辆超限超载长效治理实施意见的通知 嘲中明确：“从2 0 0 7 年7 月1 日起，全国治超工作将集中治理全面转入常态治理和长 效治理，在经济调节方面，要求各地要根据本地实际情况，在确保突出治理效果 的前提下，可积极稳妥地推广计重收费，通过经济手段，消除超限超载车辆的非 广东工业大学工学硕士学位论文 法利润。实施计重收费的地区，一定要严格按照交通部印发的关于收费公路试 行计重收费的指导意见的要求，统一计重收费的模式，规范计重收费行为。 可以预见，在全国治超全面转入常态治理和长效治理的特定阶段，实施计重 收费，以经济手段强化治超长效机制功能，将成为一种长期、稳定、有效的手段， 在常态治理和长效治理中持续发挥更加明显、稳定的作用，治超工作将步入持久 良性循环。 电子不停车收费( 英文为e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 技术是 一种新兴收费技术，具有免停车快速通过、通行能力和服务水平高、免除现金交 易、简化收费管理、降低环境污染等优点。2 0 0 0 年交通部发布高速公路联网收 费暂行技术要求，明确电子不停车收费技术作为收费技术的发展方向。实施不 停车收费将彻底改变目前半自动收费过程中的弊端。由于不需要停车交费，当交 通量较大时，不会产生收费站前车辆排队等候的现象，减少了车辆延误。由于无 需人工参与和无现金交易，可完全避免收费过程中的舞弊和贪污现象，同时也能 解决由于交通堵塞而引起的能源消耗和环境污染等问题。电子不停车收费系统也 代表当今最先进的收费技术，也是未来发展的方向，有着广阔的发展前景，将会 在我国得到广泛的应用和产业化的大发展。 2 0 0 7 年5 月，关于电子不停车收费系统及设备的国家标准相继正式颁布，截止 2 0 0 8 年1 0 月，除广东外、相继有北京、福建、江西、山东等省( 市) 初步建立了 各自的e t c 系统。e t c 的确在提高高速公路收费效率、提升服务形象、方便用户 快速通行、减少环境污染等方面起到了重要的作用。但随着e t c 建设的全面推进 及计重收费的不断推广，一个新的课题摆在了建设者的面前，那就是e t c 和计重 收费的结合。 e t c 和计重收费相结合，大家自然会想起一对天生的矛盾：快速通行与慢速 通过的矛盾。e t c 的存在就是要让车辆能快速地通过车道，以达到提高通行效率 的目的。而计重收费由于称重设备的先天技术局限性，车辆通行的速度越快，称量 的结果可能误差就越大，则需要车辆慢速通过，有些地方甚至明确车辆通行速度 不得超过5 公里j 、时。这一快一慢的天生矛盾，让人很难想象出二者能有什么结合 点。本文将在此背景下，根据计重收费及e t c 不停车收费的特点，研究及设计两 者相结合的计重e t c 收费系统。 2 第一章绪论 1 2 高速公路收费系统发展现状 1 2 1 国外发展现状 高速公路在国外发展是最早的，收费系统应用也是最为广泛。收费技术主要 包括半自动收费、电子不停车收费两种技术。半自动收费技术与我国采用的管理 模式基本一致，但是此收费技术在发达国家己逐步被电子不停车收费技术所取代。 意大利是世界上修建收费高速公路最早的国家，大部分收费高速公路采取封 闭式收费方式，并且基本实现联网，为方便公路使用者，每个站设有不同收费方 式的收费车道，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。其中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 万次叼。 美国是世界上拥有高速公路最多的国家，大多数高速公路采用开放式收费方 式，一般不同时段采取不同费率，以对公路交通流进行调节。很多收费高速公路 采取停车收费方式，一部分公路己经增加了不停车收费车道，以满足高速公路巨 大交通量的需求。美国收费系统种类繁多，但归纳起来可分为四大类：即人工收 费、硬币式自动收费、统一票证收费和自动车辆辨认收费等。 法国高速公路建设、营运主要以特许经营模式进行，其特许经营高速公路里 程占高速公路总里程7 5 以上。收费高速公路安装有先进实用的收费管理系统， 收费系统实行入口发卡( 一次性磁性通行券，无人值守) 、出口读卡判车型收费， 出口收费方式分四种：现金收费、信用卡结算收费、不停车收费和自动投币收费( 仅 限于开放式) 。目前，法国已经全面启动了高速公路电子自动收费系统，该系统使 用全法国统一的电子收费卡。 德国研制的基于全球卫星定位系统的收费系统，不需要任何地面基础设施， 只需在车辆上安装卫星接收机，使用全球通( g s v 0 移动电话网在一个中心计算机 结账即可。 在计重收费方面，美国和英国等西方发达国家从理论上研究了车辆轴重与公 路路面破损关系，并且从减少超限运输车辆和降低超限车辆对路面的破坏两个方 3 广东工业大学工学硕士学位论文 面进行了富有成效的研究，在此基础上，建立了以行政、司法、经济和技术手段 相结合的综合治超体系。从1 9 7 4 年美国开始进行公路超载管理以来，英国、加 拿大、德国、荷兰等国先后采用固定称重检查站的方式进行超载治理。其目的是 在尽量不影响高速公路通行效率的前提下，限制超载车辆进入高速公路，减缓公 路的损耗，延长使用寿命。由于这些发达国家的严格超载管理，并没有形成庞大 的超限运输群体和严重的超载运输现象，所以国外没有实施计重收费的先例。 1 2 1 国内发展现状 我国高速公路的发展相对较晚，1 9 7 8 年1 0 月，中国第一条高速公路在台湾 建成，1 9 8 8 年1 0 月3 1 日，大陆第一条高速公路( 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，截止到2 0 0 7 年底，高速公路总里程达 到5 3 6 万公里【3 】。我国的高速公路从一开始就采取收费政策，该政策对中国的高 速公路的高速发展起了重要作用。目前，我国的高速公路收费系统有开放式、封 闭式及混合式收费制式。在高速公路发展初期，主要采取开放式，发展到现在转 变为以封闭式为主。我国高速公路收费系统在初期主要采用人工收费方式，发展 到现在以半自动收费方式为主，计重收费方式及不停车收费方式也不断得到推广， 随着我国高速公路交通量的不断增长，不停车收费方式将成为一种发展趋势。发 达国家非常普遍的全自动机械收费方式如自动投币方式在我国没有发展起来，自 由流电子收费技术则因为太过超前而尚无法在国内实施。 在e t c 发展方面，到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【- 6 1 。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1 2 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 4 第一章绪论 率标准的e t c 车道已经达到4 0 0 条以上【- 7 】。 在计重收费方面，从2 0 0 1 年1 1 月天津市开发区彩虹大桥计重收费系统启 用，截至到2 0 0 7 年6 月，我国已经实施计重收费的省份达到1 6 个，实施计重收 费高速公路里程突破3 公里，约占全国高速公路总里程的6 0 0 旷7 0 左右【- 】。从已 经实施计重收费省份的效果看，这一收费方式有效遏制了货车超限超载运输，特 别是严重超限超载现象，道路交通事故和损失明显下降，公路养护维修成本得以 降低，公路货运价格明显回升，表明计重收费是治理超限超载运输有效的经济手 段，可作为建立治理超限超载运输长效机制的重要措施。通过对通行高速公路的 车辆按车货总质量收取通行费，体现多拉多负，少拉少负，公平合理的收费原则。 对超限运输的车辆，运用经济杠杆，对超限部分加收通行费，有利于遏制车辆的 超限运输，保护公路、桥梁等交通设施的安全，降低由于超限运输引发的交通事 故，保护人民生命财产安全。目前，计重收费也在我国得到不断地推广。 1 3 本文的主要研究内容 本课题来源于某高速公路管理处，受该高速公路管理处的委托，我们承担了 高速公路收费系统软件的开发工作，本文在此项目基础上进行了研究总结，所做 的研究主要包括以下几部分内容： 1 研究了软件系统开发的相关技术，特别是面向对象设计方法、统一建模及 数据库管理等技术； 2 对计重收费系统及原有e t c 系统进行了认真的调查分析，查阅了大量的 文献资料，提出计重e t c 收费系统的设计方案； 3 运用面向对象及统一建模设计方法，构建的系统的需求分析、静态及动态 模型； 4 对软件系统进行整体架构设计，对各功能模块进行了详细的设计及实现。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章相关理论及技术介绍 自从软件工程学问世以来，先后出现过多种分析方法。各种分析方法从不同 的观点、不同的角度提出了认识问题域，并建立系统模型的理论与技术，使软件 开发者对问题域和系统责任的描述走上了工程化和规范化的轨道。然而随着时代 的发展和科技的进步，人们对软件的要求越来越高，分析所面临的问题也越来越 突出。主要的问题包括：对问题域和系统责任的理解、人与人之间的交流、需求 的不断变化以及软件复用对分析的要求。 2 1 面向对象设计方法 2 1 1 方法简介 功能过程式的程序设计是一种自上而下的设计方法，过程式设计的优点是易 于理解和掌握，这种逐步细化问题的设计方法和大多数人的思维方式比较接近。 然而，过程式设计对于比较复杂的问题，或是在开发中需求变化比较多的时候， 往往显得力不从心。这是因为过程式的设计是自上而下的，这要求设计者在一开 始就要对需要解决的问题有全面的了解。在问题比较复杂的时候，要做到这一点 会比较困难，而当开发中需求变化的时候，以前对问题的理解也许会变得不再适 用。事实上，开发一个系统的过程往往也是一个对系统不断了解和分析的过程， 而过程式的设计方法忽略了这一点。 面向对象设计自下而上的特性，允许开发者从问题的局部开始，在开发过程 中逐步加深对系统的理解。这些新的理解以及开发中遇到的需求变化，都会再作 用到系统开发本身，形成一种螺旋式的开发方式。和函数相比，数据应该是程序 中更稳定的部分，在以数据为中心构建程序的同时，我们需要一种手段来抽象地 描述数据，这种手段就是使用函数。在面向对象设计中，类封装了数据，而类的 成员函数作为其对外的接口，抽象地描述了类。用类将数据和操作这些数据的函 数放在一起，这可以说就是面向对象设计方法的本质。面向对象设计方法的精髓 6 第二章相关理论及技术介绍 是按照对象( 事物、概念、或实体) 的观点考虑问题域和逻辑解决方案。面向对象 的设计方法把系统中所有资源，如数据、模块以及系统都看成对象，每个对象把 一组数据和一组过程封装在一起，使得仅这一组过程可以对这组数据进行处理。 在定义对象时，可以规定外界的请求权限。对象具有自身的属性( 私有数据类型) 和可以为自己或别人工作的功能( 服务、操作) ，它通过发送消息和其它对象进行 通讯，协同完成任务。这样，一个问题领域就可以通过对象的形式完整的得到反 映，系统的发展和进化均由系统的内外部对象的相互作用完成。通过使用面向对 象方法，设计人员可以按照自己的意图来创建对象，并将问题映射到对象模型上。 这一方法直接、自然，使设计人员能够把主要精力放在系统的设计上，而可以较 少的纠缠于细节问题；同时，使面向对象系统具有很大的灵活性、充分的可扩展 性和可移植性，有利于系统的进一步发展和变化。 2 1 2 面向对象设计方法的技术特性 1 封装性 封装是一种信息隐蔽技术，客观存在使系统设计者，能清晰地标明他们所提 供的服务界面，用户和应用程序只看见对象提供的操作功能，看不到其中的数据 和操作代码细节。 2 多态性 多态性是指函数调用为不同的对象接收时会产生不同的行为，这样在设计时 就可以将函数的某些细节留给函数接收的对象，在程序中则采用同一函数调用。 3 动态连接 在运行前编译时便以目标代码的形式与系统完成的连接称为静态连接，在程 序运行时才进行的连接称为动态连接。动态连接使多个程序可以共用一套库代码， 减少了代码空间，增加了程序的灵活性。 4 消息驱动 消息驱动是由一个对象发出的激活另一对象的某一功能的信息。发送方不管 接收方是否能收到，收方在收到后可以处理，也可以不处理，可以回应消息，也 可以不回应消息。因此，消息驱动是一种松散联系机制，它使对象之间可以同时 7 广东工业大学工学硕士学位论文 运行，不再受程序顺序执行的限制。消息驱动是w i n d o w s 环境下编程的最重要的 思想【4 】。 2 1 3 面向对象设计的模型 面向对象设计的模型是指在进行系统设计时，整个系统分成三个层次：用户 界面层( u i 层) 、业务对象层( 逻辑层) 、数据层。在设计期间须要扩充四个组成 部分：人机交互部分、问题域、任务管理和数据管理 6 1 。 1 交互部分包括有效的人机交互所必需的实际显示和输入。 2 面向对象分析的结果放在问题域部分。在该部分中，需要管理面向对象分 析的某些类和对象、结构、属性和方法的组合与分解。 3 任务管理部分包括任务定义、通信和协调，也包括硬件分配、外部系统 及装置协议。 4 数据库管理包括对永久性数据的访问和管理，数据管理机构所关心的事 项，文件、关系型数据库或面向对象数据库等。 2 2 统一建模语言一u m l 2 2 1 统一建模语言( u m l ) 概念 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 是一种面向对象的建模 语言。它的主要作用是帮助用户对软件系统进行面向对象的描述和建模，它可以 描述这个软件开发过程从需求分析直到实现和测试的全过程。它能让系统构造者 用标准的、易于理解的方式建立起能够表达出他们想象力的系统蓝图，并提供一 种机制，以便于不同的人之间有效的共享和交流设计结果。u m l 提供了一种系统 分析员、客户、程序员和其他系统开发所涉及的人员能够理解和达成一致的方式 来组织系统的设计过程。可以说，u m l 是在纷繁复杂中寻求解决问题的可靠而有 效的方法。u m l 是一种语言，更是一种表示方法。它包含了一些可以相互组合为 图表的图形元素，并具有组合这些元素的规则。u m l 提供这些图的目的是用多个 8 第_ - - 章相关理论及技术介绍 视图来展示一个系统，这组视图被称为模型。一个模型是一组u m l 图，为了理 解和开发一个系统，我们可以检查、获取和修改这些图。u m l 的特点主要有 t j ： 1 支持面向对象的技术和方法。i m ，提供了一批基本的模型元素的表示图 形和办法，能简洁明了地表达面向对象的各种要领和模型元素。 2 独立于开发过程。u m l 在面向对象的开发中使用，也可以在常规的软件 生命周期中使用。它独立于程序设计语言，用i m ，建立的软件系统模型可以采 用任何一种面向对象程序设计语言予以实现。 3 建模的可视化、表示能力增强。u m l 是一种图形化语言，系统的逻辑模 型或实现模型都能用u m l 的模型图形清晰地表示，但u m l 又不只是一堆图形符 号，在每个切儿图形表示符号背后，都有良好定义的语义。 4 标准化统一。切儿融合了当前一些面向对象开发方法的主要概念和技术， 成为一种面向对象的标准化统一建模语言。 5 操作容易、使用方便。l t v 几的要领明确，建模表示方法简洁。 2 2 2u m l 语言的符号表示 i m ，语言中的符号非常丰富，可以建立的主要模型分为功能模型、静态模型 和动态模型。通过这些图形化的模型可以从动态、静态和实现各个观点来全面描 述一个应用系统。 1 功能模型 功能模型主要指用例图。用例图用于刻画系统的用户以及外部系统与本系统 的交互。在需求提出和分析中用来表示系统功能，它从外部的角度关注系统的行 为。通过用例图可以直观的反应出用户对系统功能的要求。便于系统分析员与用 户之间的交互，从而有效地提取用户需求。用例图是包括参与者、由系统边界封 闭的一组用例，参与者和用例之间的关联、用例间关系以及参与者的泛化图。用 例图来自用例模型的元素。u m l 用例之间主要有扩展和使用两种关系，它们是泛 化关系的两种不同形式。向一个用例中添加一些动作后构成了另一个用例，这两 个用例之间的关系就是扩展关系，后者继承前者的一些行为，后者称为扩展用例； 一个用例使用另一个用例时，这两个用例之间就构成了使用关系，如果在若干个 9 厂东工业大学工学硕士学位论文 用例中有某些相同的动作，就可以把这些相同的动作提取出来单独构成一个用例， 别的用例可以使用它。 2 静态模型 静态模型包括设计类图、对象图和包图。类和对象是面向对象技术中的核心 概念。设计类图描述的是一种静态关系，刻画的是系统所包含的类以及类的内部 结构( 类的属性和操作) 。对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标识。 它们的不同点在于对象图是类的多个对象实例，而不是实际的类。包是包含顶层 的模型元素，即任何不被其他元素所包含的元素。包是u m l 模型中一般的层次 组织单元。它们可以被用来进行存储、访问控制、配置管理和构造可重用模型部 件库。 3 动态模型 动态模型主要包括顺序图和协作图。这两种图实际上是从不同角度对系统的 描述。顺序图通过描述各个对象之间的交互( 消息的发送和接收) ，可实现系统功 能在各个对象上的分配。顺序图用于按时间顺序对控制流建模；用顺序图可以展 现系统的动态视图。顺序图是一种动态行为交互图，它强调对象之间消息发送的 时间和顺序，同时显示对象之间的交互，顺序图描述的是用例实例，一个用例是 多个用例实例的抽象，所以一个用例描述多种事件流。系统顺序图向我们展示了 在一个用例的特定的事件发生过程中与系统直接发生交互的外部参与者、系统以 及参与者所发起的系统事件等。在顺序图中，从上到下表示时间的流逝，事件的 顺序要符合用例中所描述事件的发生顺序。协作图与顺序图表示的内容基本相同。 协作图强调收发消息的对象的结构组织，按组织结构对控制流建模。顺序图和协 作图是可以相互转换的 6 1 。 2 2 3r a t l o n a ir o s e 介绍 r a t i o n a lr o s e 是美国r a t i o n a l 软件公司研制的面向对象的c a s e 产品，是目 前最为流行的先进的可视化软件开发工具之一。r a t i o n a lr o s e 集中体现了当代软 件开发的先进思想，把面向对象的建模与螺旋上升式的开发过程相结合，支持团 队开发，并且综合了其它的开发技术，对软件系统的开发提供了强有力的支持， 1 0 第二章相关理论及技术介绍 为运用面向对象的思想和技术、控制系统复杂性、提高软件开发效率创造了必要 的条件。 r a t i o n a lr o s e 具有以下优点： 1 使用方便，降低开发风险。 2 提高软件成分的可用性。 3 提高开发进程的灵活性。 4 提高系统的弹性。 5 节省资源，降低开发成本。 2 3 数据库管理技术 数据管理随着计算机硬件和软件的发展而不断发展。经历了人工管理阶段、 文件系统管理阶段和数据库管理阶段，到了现在，分布式计算与数据管理技术的 最终结合，出现了采用合作分布式处理方式的客户端服务器结构分布式数据管 理系统研。在众多的关系数据库管理系统中，有许多优秀的数据库管理系统都对 分布式数据处理提供了很好支持，m y s q l 就是其中之一。 2 3 1u y s o l 数据库 m y s q l 是一个高性能、多线程、建立在客户一服务器结构的数据库管理系 统( r d b m s ) ，专门为了速度和稳定性而设计。在过去的几年中，它已经成为线 上和线下适合于数据库驱动的应用程序最受欢迎的r d b m s 之一【9 1 ，具有以下特 占 1 执行速度快( 执行一个查询和返回结果给查询者的时间) 。 2 广泛的应用程序支持。 3 具有良好的可靠性。 4 容易使用。 5 多线程、多用户支持。 6 开放源代码。 广东工业大学工学硕士学位论文 m y s q l 始终围绕三个基本原则而设计，它们就是性能、可靠性和容易使用。 严格按照这些准则产生了一个价格便宜而富有特色、适应标准而容易扩展、快速 而高效的r d b m s 。m y s q l 已在商业、教育、科学和工程领域得到应用。现今， m y s q l 支持多种应用、包括i n t e r n e t 网站、电子商务应用程序、+ 搜索引擎、数据 仓库、嵌入式应用程序、大容量存储以及要求严格的软件系统。 2 3 2 数据库访问中间件0 d b c o d b c 是o p e n d a t a b a s ec o n n e c t 即开放数据库互连的简称，它是由m i c r o s o i t 公司于1 9 9 1 年提出的一个用于访问数据库的统一界面标准，是应用程序和数据库 系统之间的中间件。它通过使用相应应用平台上和所需数据库对应的驱动程序与 应用程序的交互来实现对数据库的操作，避免了在应用程序中直接调用与数据库 相关的操作，从而提供了数据库的独立性。 o d b c 作为一个应用广泛的数据库访问应用编程接口，使用标准的s q l 作为 其数据库访问语言。o d b c 的设计是建立在客户栅服务器体系结构基础之上的。 o d b c 使开发者避免了与数据源连接的复杂性。几乎所有的关系型数据库系统都 提供o d b c 驱动程序。o d b c 数据库访问接口是用c 语言编写的，充分体现c 语言的通用性，从而可以更好地访问多种关系型数据库系统。开发者只需安装该 数据库系统的o d b c 驱动程序，就可以建立应用程序和数据库系统的通讯接口， 从而使应用程序快速访问和操作数据库【l o 】。 2 4 小结 本章主要介绍了系统在开发和设计过程中用到的主要技术、工具及相关理论。 由于本系统是采用面向对象方法进行设计的，所以首先介绍了面向对象技术、 u m l 统一建模工具及s q ls e r v e r 数据库访问技术。 1 2 第三章计重e t c 收费系统总体结构设计 第三章计重e t c 收费系统总体结构设计 高速公路计重e t c 收费系统总体结构设计包括了通信设备交互、计算机应 用、自动控制等多学科的内容，是软硬件结合起来的系统工程。在我国，e t c 系 统以前置式设计最为典型，应用最为广泛，因此，本章将在前置式e t c 为基础进 行研究设计。 3 1 现有e t c 车道系统的应用方案 我国的电子不停车收费技术正处于发展阶段，主要的收费模式是混合式。即 既有电子不停车收费车道，又保留原半自动收费车道。电子不停车收费车道是在 原有收费车道的基础上改造而成，与半自动收费车道并列在收费广场，电子不停 车收费系统靠前设置( 如图3 2 所示) 。当有卡车不能顺利能过电子不停车收费车 道，或无卡车闯入电子不停车收费车道时，可引导这些车辆转入半自动收费车道 进行人工收费处理。下列四个图说明了典型的广东模式的e t c 车道应用方案：( 广 东模式是当前应用最广的模式) 3 1 1 系统的硬件构成 e t c 车道包含工业控制计算机( 工控机) 、车道控制器、电子标签读写天线 ( r s u ) 、车辆检测器、触发线圈、抓拍线圈以及落杆线圈、抓拍摄像机、费额显 示器通行信号灯、声光报警器、自动栏杆、字符叠加器等设备。 在各个设备中，费额显示器、电子标签读写天线接口控制器通过r s 2 3 2 串行 电缆线直接连接到工业控制计算机上，由应用程序直接控制；其它设备如自动栏 杆、车辆检测器等都通过车道控制器与工业控制计算机连接，由应用程序控制。 字符叠加器则将过车信息叠加在视频信号上后传至收费站监视器。 广末i 业大学工学碰学位论文 3 12 系统车道布局 图3 一le t c 系统结构参考图 f i g3 1 r e f e r e n c eo fe t cl a n e e t c 系统在我国的试用表明，实际中有很多违章车辆( 无卡或透支车辆) 进入 e t c 车道，影响e t c 车道的正常运行，达不到e t c 车道的目的。因此，需要一条 将违章车辆从e t c 车道分流出来的停车收费车道。车道的布局图如图3 - 2 所示， e t c 车道的前方有e t c 车道引导标志，当合法车进入通信区域时，车道天线读取 电子标签上的信息，如里是在出口，则扣除相应的通行费用，此时电子栏杆抬起， 车辆通过。当非法车辆通过通信区域时，由于未装有电子标签或是黑名单，通过 检测线圈b ，声光报警，提醒司机转向走人工车道，如果司机仍然走e t c 车道通 过检测线圈c ，线圈给摄像机信号，对车辆进行抓拍，咀便对车主进行搜寻和补 收车辆通行费。 第三章计重e t c 收费系统总体结构设计 3 1 3 过车处理流程 图3 - 2e r e 车道布局圈 f i g3 - 2l a y o u ro fe t cl a n e e t c 过车处理结构图如图3 - 3 所示，e t c 车道控制系统过车流程主要有以下步 骤： 1 车辆进入e t c 车道通讯范围，首先压到触发地感线圈，启动读写天线； 2 读写天线与装有电子标签( o b u ) 和c p u 卡的车辆进行通讯，判别车辆电 子标签是否有效，如有效则进行交易；无效则报警并保持车道封闭，直到车辆离 开检测线圈： 3 如交易成功，系统控制栏杆抬升，通行信号灯变绿，费额显示牌上显示交 易信息； 4 车道摄像机将实时车道图像信号传给字符叠加器： 5 车道图像信号叠加字符信息以后分出两路，其中一路直接送到收费站监控 室的监视器； 6 另外一路图像信号送给车道计算机的视频抓拍卡，当车辆压到抓拍线圈时， 车道控制器通过车辆检测器1 获知车辆已经压到抓拍线圈并通知车道计算机，车 道计算机立即通过视频抓拍卡抓拍车头图像以文件形式把图片保存在硬盘上； 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 7 车辆通过落杆线圈； 8 车辆检测器l 将车辆通过落杆线圈的信号通知栏杆机控制器，栏杆机控制 嚣控制栏杆落下，保持水平；车道控制器通过车辆检测器l 获知车辆已通过落杆 线圈，并经p l c 7 3 0i 0 卡将过车信息通知车道计算机： 9 车道计算机通过t c p i p 协议与站服务器进行通信，将过车数据记录( 含 抓拍图像) 上传到站服务器； n 女i _ 上 ，酽” ，”j 飘一 】mj i i i i向 鱼 一菌 目。碧一、：毫到l 赫。 l 。- 筝 r 、，i 萄： 随尉 吣o j 划! 一| u 苣缸 画 一。 一 3 1 4d s r c 设备问通信 图3 - 3e t c 过车处理结构图 f i g3 - 3f l o wc h a r t o f e t c r s u 与电子标签之间通过微波无线链路遵照国标9 s r c 规范通信，电子标签与 i c 卡之间通过触点按中国金融集成电路( i c ) 卡规范通信，p c 机与r s u 之间通 过r s 2 3 2 r s 4 2 2 串行口通信。其设备问及车道计算机问通信图如图3 - 4 所示。 耋三：盐三譬：些茎至釜兰兰兰兰兰盐 r s u 圉3 4 d s r c 设蔷间及车道计算机间通信图 f i g3 - 4 c o m m u n i c a t i o n c h a r tb e t w e e n i n d s r ca n d p c 3 2 计重e t c 车道的总体结构方案设计 3 2 1 总体设计原则 计重e t c 收费系统作为e t c 收费系统的一种扩展，系统的设计目标为：收 费快捷、准确、管理高效、防止作弊、通行速度快、可靠稳定的高速公路不停车 自动收费系统。在设计过程中必须遵循以下原则： 1 效率性原则 e t c 作为一种高速、快速的收费系统，而计重收费对计重的通过速度有严格 的限制，两者的结合必须保证非计重车现有的交易效率尽量不受影响，提高计重车 辆的通过效率。 2 高可靠性原则 只有可靠的系统才能得到用户的信任。计重e t c 收费系统的高可靠性包括两 个方面，一方面要求系统能够2 4 小时不停机运行，系统不能出现死机等故障，因 为这会影响公路的通行效率，也影响服务质量。另一方面要求系统数据传输可靠 和保存安全，不能出现收费数据丢失、错乱和人为修改的情况。因此在设计系统 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 时，要保证系统软硬件设备的稳定性，要保证数据采集的质量，要有数据校验功 能，要有一套系统的安全措施，只有这样，系统的可靠性才能得到充分保证。系 统的可靠性是检验系统成败的主要指标之一。 3 持续开发性 高速公路收费系统是一个随着电子技术、通讯技术和控制技术发展而发展的 应用系统。为了增加系统的安全性，收费的准确性和适应交通量不断增加的需求， 公路收费方式和收费手段都将不断发生变化，这样对收费系统而言意味着系统需 求可能随时发生变化。所以为了增加系统的适应性，使现在开发的系统，能够适 应在将来新设备和新的收费手段的要求，系统应该具有开放性和可维护性，能够 在引进新的收费设备或改变收费方式后只需要对系统做适当改变就能运行。 4 实用性原则 由于e t c 计重收费系统主要在现有的车道结构上进行设计，因此系统的设计 必须在现有车道改动尽量小的基础上进行开发，同时由于货车的长度比较长，受 车道实际空间的影响，车道的布局必须充分考虑现有车道的空间布局，使设计的 系统具有高度的实用性，能进行普遍性的推广。 3 2 2 车道布局设计方案 计重收费是指对货车按照实际的车货总重或轴承负载量进行计费。当车辆为 标准装载时，按实际重量收费；当车辆超载时，则增加其超载部分费用，超载越 多收费也越多，对空载的重型载货货车则降低一个档次收费。计重收费是治理超 载运输过程当中一种较为科学、有效的手段。 考虑到目前通过e t c 车道的车辆主要还是非计重车辆，因此，e t c 收费系统， 必须对非称重车辆应能保证其现有的通行效率，对计重车辆应能保证称重的数据 与计重车辆的一一对应，防止正在计重时有其它车辆插入交易。根据目前的e t c 车道系统布局与过车逻辑，分析计重过车可能发生的场景及对应需要的相关处理， 本文提出了一种计重e t c 车道系统的方案一双通讯区域称台后置式计重e t c 车道系 统。 新系统在原系统设备布局基本不变的情况下，在车道后端安装计重设备( 包括 1 8 第三章计重e