（机械设计及理论专业论文）基于三层分布式技术的公路收费监控系统研究与应用.pdf

基于三层分布式技术的公路收费监控系统 研究与应用 机械设计及理论专业 研究生陈华指导教师侯力 公路收费监控系统是交通信息化的重要组成部分，是国家“贷款修路，收费 还贷”政策的基本保证。一个完整的公路收费监控系统可以保证车辆的高速通 行，杜绝假票和违规收费行为的发生，保证票款及时足额的上缴财政。本课题 是会财高新技术有限公司承担的四川省政府非经营性公路收费监控系统研制和 开发的实际项目。主要任务是利用三层分布式技术实现系统的高效性、安全性 和可维护性，并提供统一的财政接口杜绝票款流失。通过对本课题的研究，主 要取得了如下几方面的研究成果： 1 提出并论证了以收费站( 所) 为中心的系统软硬件架构并予以实现，充分考虑 了系统的可靠性、安全性和实用性。对于后期将实现的全省联网数据集中的模 式给出了基本的网络结构。 2 利用三层分布式技术作为系统软件的基本结构，在分析m i d a s 中间件的基本 原理和技术特点的基础上对三层分布式结构下的数据更新、数据完整性保证和 系统安全性进行了深入研究，用自定义事务处理规则保证了数据的完整性，综 合使用系统安全模式、数据库安全模式和数据加密技术保证了数据的安全性。 3 在分析了数字视颏监控技术原理的基础上，采用视频采集卡的s d k 实现了视 频图像的显示，并与控制系统结合实现了对车辆图像的自动触发抓拍与保存。 在本课题中还利用组件技术实现了不同型号的视频采集卡接口的a c t i v e x 封 装，提高了系统的兼容性，降低了系统的维护成本。 4 在分析自动道闸集成的车道控制模块原理和结构的基础上，采用r s - 4 8 5 接 口和串行通讯技术实现了对相关硬件设备的控制。对收费亭和中央监控室的电 气系统进行了技术改造，保证了电源的品质和供配电系统的可靠性。 5 实现了车道收费控制子系统、综合管理子系统和中问层服务器程序的系统 分析、程序设计和调试测试工作，并在泸州大纳公路收费站安装运行。 关键字：三层分布式系统，数据库，视频采集，串行通讯 t h e s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h w a y t o l lc o l l e c t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nt h r e e - t i e r d i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r e m q i o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：c h e nh u a a d v i s o r ：h o ul i a so n eo ft h em o s tc r i t i c a la s p e c t so ft r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o n ，t h eh i g h w a yt o l l c o l l e c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei np r o v i d i n gs t r o n gs u p p o r t sf o rt h e e f f e c t i v ee x e c u t i o no fo u r c o u n t r y st r a n s p o r t a t i o np o l i c i e s a n e f f e c t i v ea n de f f i c i e n t h i g h w a yt o l l c o l l e c t i o n m a n a g e m e n ts h o u l d h a v et h e c a p a b i l i t y o ff r a u dd e t e c t i o na n d a v o i d a n c e ，p r e v e n ti r r e g u l a rt o l lp r a c t i c e sa n de n s u r et h ec o l l e c t e df u n d st ob et u r n e di nd u l y a n da c c u r a t e l y t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa b u s i n e s sp r o j e c t t h es i c h u a np r o v i n c en o n p r o f i t a b l eh i g h w a yt o l lm a n a g e m e n ts y s t e m ， w h i c hi su n d e r t a k e nb yj i n c a ih i g ht e c hc o ，l t d t h em a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st o r e a l i z eh i g he f f i c i e n c y , s e c u r i t ya n dm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e mo nt h et h r e e t i e rd i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r ea n dp r o v i d eu n i f o r mf i n a n c ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e st o p r e v e n tt h e l o s so ft o l l c o l l e c t i o n c h i e fw o r ka n da c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a f i o na r ea sf c l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so ff u l lc o n s i d e r a t i o n so fr e l i a b i l i t y ，s e c u r i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h es y s t e m ； at o l l c o l l e c t i o n - s t a t i o n - c e n t e r e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei s p r e s e n t e da n d i m p l e m e n t e d ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i cn e t w o r ks t r u c t u r ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t o f t h ew h o l e p r o v i n c ed a t ac o l l e c t i o np a t t e r n 2 t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sb u i l tt h r o e l g ht h eu s eo f3 - t i e rd i s t r i b u t e dt e c h n o l o g y ， b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fm i d a sm i d d l e w a r e ，a n i n d e p t hs t u d y o f d a t a u p g r a d i n g ，d a t ai n t e g r i t y a n ds y s t e ms e c u r i t yi nt h e3 - t i e r d i s t r i b u t e de n v i r o n m e n ti so f f e r e d s e v e r a lc u s t o m i z e dt r a n s a c t i o nr u l e sa r ed e s i g n e dt o l 3 4 5 e n s u r et h ei n t e g r i t yo f d a t aa n dt h es y s t e m s e c u r i t yp a t t e r n ，d a t a b a s es e c u r i t yp a t t e r na n d d a t ae n c r y p t i o nt e c h n i q u e sa r ei n t e g r a t e dt og u a r a n t e et h es e c u r i t yo fd a t a b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fv i d e os u r v e i l l a n c e t e c h n o l o g y , t h ev i d e o d i s p l a yi s r e a l i z e db yt h eu t i l i z a t i o no fv i d e oa c q u i s i t i o nc a r ds d k ，w h i c hi sa l s o c o m b i n e dw i t ht h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i c a l l yt r i g g e r e d s n a p p i n ga n ds a v i n g o fv e h i c l ei m a g e s a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e r f a c e so fs e v e r a lt y p e s o fv i d e o a c q u i s i t i o n c a r d sa r e e n c a p s u l a t e d i na c t i v e xd l l sb y a p p l y i n g c o m t e c h n o l o g y , t h u sp r o m o t i n gt h ec o m p a t i b i l i t yo ft h es y s t e ma n dr e d u c i n gt h ec o s to f s y s t e mm a i n t e n a n c e b a s e do f ft h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ei n t e l l i g e n tr o a d w a yc o n t r o l s y s t e m ，t h ec o n t r o lo fc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ed e v i c ei si m p l e m e n t e db yt h e u s eo f r s - 4 8 5i n t e r f a c ea n ds e r i a lc o m m u t a t i o nt e c h n o l o g y t oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e p o w e rs u p p l ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a na p p r o a c ht ot h e t e c h n i c a lm o d i f i c a t i o no ft h et o l lc o l l c e t i o ns t a t i o n e l e c t r i c a ls y s t e mi sa l s op u tf o r w a r d t h er o a d w a yt o l lc o l l e c t i o ns u b s y s t e ma n dt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ts u b s y s t e ma r e i m p l e m e n t e d a l s o ，t h es y s t e ma n a l y s i s ，p r o g r a m d e s i g n a n d d e b u g g i n g o ft h e c o m p o n e n 括o nt h eb u s i n e s sl a y e ra mp r e s e n t e d t h es y s t e m i sc u r r e n t l yi n s t a l l e da tt h e d a n ah i g h w a yt o l lc o l l e c t i o ns t a t i o ni nl u z h o uc i t ya n dc a nf u l l ys a t i s f yt h ec l i e n t s d e m a n d s k e y w o r d s ：t h r e e t i e rd i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n ，d a t a b a s e ，v i d e oc a p t u r e s e r i a ic o m m u n i c a t i o n i v 叫川大学硕i ：学位论文 1 绪论 公路收费监控系统是交通信息化的重要组成部分。自1 9 9 8 年以来，随着国 家宏观经济政策的调整，加大了对路桥等基础设施的投入，“贷款修路，收费还 贷”成了我国交通事业发展的一项基本政策，与此相应对公路收费监控系统的 需求也同益突出。公路收费监控系统融合了数字音视频监控技术和数据库技术， 监控子系统主要用于对路况、收费道口、车辆和人员的音视频信息进行采集和 整理，可以使管理人员在监控中心对道路交通状况有一个基本的掌握，获取交 通事故和车辆违规驾驶现象的第一手资料，同时对收费员的收费行为也起到监 管的作用，这就减轻了道路管理人员的负荷，极大的提高了工作效率。数据库 子系统主要用于对票据、票款和车辆信息进行管理，有效地杜绝假票和违规收 费行为，此外还要对收费道口的交通流量和收费状况进行实时的数据统计，便 于管理人员随时了解收费状况，同时数据库子系统还要根据财务的相应科目生 成缴款凭证，做到财务收支两条线管理，杜绝票款流失。可以说，公路收费监 控系统是用现代信息技术对传统道路管理模式的一个重大改革。 1 1 视频监控系统的发展及应用 视频监控系统是【蚓图形传感设备、图像处理设备、图像存储设备和相关软 件系统的集成，主要用于采集图形信息并整理为二进制表达形式以便于人们进 行丌发和利用。 1 1 1 视频监控系统的发展历程 视频监控系统的发展大致经历了三个阶段【5 1 。 1 、模拟视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代以前，监控系统的主要设备为模拟闭路电视，称为第一 代视频监控系统，即模拟视频监控系统。 2 、基于数字设备的数字视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初、中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发 展，技术人员利用计算机的高速处理能力进行视频信号的采集和处理，从而大 大提高了图像的质量，增强了视频监控能力。这种基于计算机的系统称为第二 代视频监控系统，即模拟输入与数字压缩、显示和控制系统，因为其核心设备 基十三层分布式技术的公路收费监控系统研究麻用 为数字设备，所以又称为基于数字设备的视频监控系统。 3 、基于网络的数字监控系统 在2 0 世纪9 0 年代术期和2 1 世纪1 0 年代初期，随着计算处理和存储、网 络带宽的提高，以及各种先进的视频信息处理技术的出现，视频技术进入了全 数字化的网络时代，称为第三代视频监控系统，即全数字视频监控系统或网络 数字视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、 传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控系 统的技术革命。 1 1 2 数字视频监控系统的原理和特点 基于计算机网络的数字视频监控系统的原理1 5 1 1 2 4 1 是将模拟的视频信息转换 为数字信号在计算机网络上传播，经过授权的管理者可以不受地点和时问的限 制，通过网络对受控对象的情况进行全面的实时监控。数字视频监控技术的三 大核心技术则3 4 】：图像压缩技术、图像控制技术和网络传输技术。 同传统的模拟视频监控技术相比，数字视频监控技术具有以下一些技术特 点【5 1 ：数据的存储和传输为二进制格式。具有良好的可扩展性。具有较 强的智能性。具有较强的可操作性。 1 1 3 数字视频监控系统在交通信息化中的应用 我国目前的交通监控系统还处于一个相对落后的状态，尤其体现在交通信 息采集方式的落后，远不能满足交通控制、管理对交通信息的需求。另一方面 现有的监控系统中采集到的含有极大信息量的视频信息却没有被充分的利用。 因此将视频处理技术应用于交通监控系统，从视频中提取有用的交通信息，并 用交通工程学的方法加以处理分析，以提高我国的交通监控水平。基于视频技 术的监控系统，从视频检测器图像和隧道、大桥、关键路段的视频监控图像中 提取交通监视和控制的有用信息并与其它信息相融合，为事件检测、事故救援 和交通控制等提供有效的依据。 视频交通监控系统可以对道路交通状况进行监控、检测和控制，保证车辆 运行通畅、减少交通事故、降低事故危害性。其监控的目标主要有以下几个方 面【2 7 l ：准确统计道路交通数据。有效监视道路的交通、气候状况，及时掌 2 叫川人学颂i ：学位论文 握道路运营状况。及时发现和处理交通事故，减少交通事故，降低交通事故 的严重性。减少突发事件、交通事故和恶劣气候对道路交通的影响。交通 量达到饱和时，对交通流进行引导和控制以提高道路网的通行能力。用于对 道路管理人员进行监控，以归范其管理行为。视频监控技术在交通监控系统中 的应用就是为了实现以上目标提供更为有效的技术手段，以确保交通的顺畅。 1 2 分布式技术的发展及应用 1 2 1 分布式技术的发展 随着计算机技术的发展，特别是网络技术的兴起，人们的关注焦点逐渐从 单一的计算机系统转移到计算机群，随即出现了对分布式计算机系统的研究并 提出了鉴定分布式计算机系统的五个标准1 2 1 】：分布式系统是由多个处理机 或多个计算机组成。这些计算机或处理机可以物理相邻，用机器内部总线或 丌关连接，通过共享内存进行通讯；也可以在地理上分散，用计算机网络互连， 采用消息通讯。这些计算机或处理机组成一个整体，对用户是透明的，即用 户使用任何资源时不必知道这些资源在哪里。一个程序可分散到多个计算机 或处理机上运行。系统的表现与单一系统相同。其中对于满足第四条和第二 条中“共享内存进行通汛”的系统称为紧藕合系统，否则称为松藕合系统。而 要实现以上的分布式系统，其关键就在于分布式计算技术的发展。分布式计算 技术的发展经历了两条不同的技术路线【1 】：在2 0 世纪8 0 年代，人们以紧藕合 系统的实现为目标，试图在计算机网络上部署全新的分稚式操作系统，尽管产 尘了许多技术成果和实验系统，但却没有被用户和市场接受，至今尚未见有商 业化产品的报道。客观的分析，就目前的技术而言开发分椎式操作系统的时机 尚未成熟。面对【”l 现实情况，在2 0 世纪9 0 年代人们丌始探讨新的解决方案， 研究在网络计算平台上部署基于实现松藕合系统的分布式计算环境，提供丌发 工具和公共服务，支持分布式应用。业界普遍遵循这一技术路线，不仅制定出 了一系列的分布式计算标准，而且还基于这些标准开发出了行之有效和广为用 户接受的中间件( m i d d l e w a r e ) 产品。 1 2 2 分布式计算环境 目前被大部分学术机构、行业协会和开发人员所接受的分布式计算环境主 3 基于三层分布式技术的公路收费监控系统研究j 应用 要有三种，它们分别是【4 】：s u n 、i b m 、b o r l a n d 和n e t s c a p e 等2 0 0 多个公司提 出的以c o r b a 技术为核心的分布式计算环境；m i c r o s o f t 提出的 c o m d c o m c o m + ；s u n 提出的e j b 。 1 、c o r b a 2 8 1 c o r b a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 是最早出现的分布式 对象计算环境，它是由o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 提出的应用软件体系 结构和对象技术规范，其核心是一套标准的语言、接口和协议，以支持异构分 御应用程序间的互操作性及独立于平台和编程语言的对象重用。1 9 9 1 年o m g 颁布了c o r b a l 0 标准，目前的版本是3 0 。o r b 是c o r b a 平台的核心，它 用于屏蔽与底层平台有关的细节，c o r b a 对象通过o r b 进行交互。不同供应 商的c o r b a 平台之间通过i i o p 实现互操作。此外1 4 c o r b a 也是一个语言中 立的对象标准，它允许开发人员使用o b j e c tp a s c a l 、c c + + 、j a v a 、s m a l l t a l k 和 c o b o l 等语言来开发运行于w i n d o w s 操作系统下的客户端程序去调用在u n i x 或 l i n u x 上运行的基于c o r b a 的服务器端程序，这将对目前主流操作系统的整合 具有重大意义。课题系统数据库部分的开发采用基于c o r b a 标准的m i d a s ( m u l t i t i e r d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n s e r v i c e ss u i t ) 中间件。 2 、c o m d c o m c o m + 1 1 4 j c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是m i c r o s o f t 提出的构造二进制兼容软件 组件的标准，它规定了对象模型和编程要求，使用本地问进程通讯实现与其它 对象的互操作性。d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是c o m 的进 一步扩展，它用网络协议来代替本地间进程通讯，同时增加了诸如位置透明、 网络安全和跨平台调用等一些适合于分布式计算环境的新特性。c o m + ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e lp l u s ) 则是m i c r o s o f t 将c o m 、d c o m 和m t s ( m i c r o s o f tt r a n s a c t i o ns e r v e r ) 在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统中融合在一起形成的 产物。 3 e j b 3 6 】 e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n ) 是s u n 为开发和使用基于事务和分相对敛应用的服 务器端组件而定义的一种技术规范，其目标是为服务器端组件定义一个技术规 范。该规范能提供一个标准的、分布式的、基于o o ( o b j e c to r i e n t e d ) 的体系 结构，能屏蔽复杂的系统级功能需求，可以兼容c o r b a 标准，具有与非j a v a 4 列川大学硕士学位论文 应用之间的互操作能力。 1 2 3 分布式技术在数据库系统中的应用 分布式数据库技术是分布式技术与数据库技术的结合，在数据库研究领域 中已有多年的历史和出现过一批支持分布数据管理的系统。分布式数据库【2 j 【3 7 】 是物理上分散在计算机网络各结点上，而逻辑上届于同一个系统的数据集合， 它具有数据的分布性和数据库间的协调性两大特点。系统强调结点的自治性而 不强调系统的集中控制，且系统应保持数据的分布透明性，使应用程序编写时 可完全不考虑数据的分布情况，无疑分布式技术是计算机应用的发展方向，也 是数据库技术应用的实际需求，其技术基础除计算机硬、软件技术支持外，计 算机通讯与网络技术当然是其最重要的基础。最早出现的分布式数据库系统是 基于c s ( c 1 i e n t j s e r v e r ) 结构的，就是指一个数据处理任务至少是分布在两个 不同的部件上完成。c s 结构把任务分为两部分，一部分是由客户端运行应用 程序，提供用户接口，而另一部分是由服务器端提供特定服务，包括数据库文 件服务、通讯服务等。客户机通过远程调用或直接请求应用程序提供服务，服 务器执行所要求的功能后，并将结果返回客户机，客户机和服务器通过网络来 实现协同工作。b s ( b r o w s e s e r e r ) 是c s 的一种扩展，只不过b ，s 是客户端 基于浏览器而业务规则集中于服务器的应用程序。c s 和b s 结构的数据库系 统如图1 - 1 所示。 客，o 螭程序 图卜1 0 s 和b s 结构的数据库系统 5 基于三层分布式技术的公路收费监控系统研究与应用 2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员在总结c s 结构模型的基础上进步提出 了三层分布式数据库的结构模型，这一模型是分布式数据库系统发展的一个重 要成果。该结构模型的提出是基于c s 结构的如下缺点【4 】： 1 系统维护成本高 由于基于c s 的数据库系统通常是将需要实现的企业逻辑编写在客户端应 用程序中，当企业的业务规则发生变化时，所有的客户端程序都要重新编译和 发布。另外，在c s 结构模型中支持客户端程序的相关数据库驱动引擎也安装 在客户端，当数据库驱动引擎的版本发生变化或客户端操作系统重新安装时， 客户很难独立完成，需要技术支持人员的指导。如果这些客户端程序在地理位 置上分布很广且有多个不同的版本，这将使系统的维护成本大大增加。 2 系统迁移性差 在c s 结构模型下为了提高数据库系统的执行效率或是为了避免客户端程 序的变动，广泛使用了存储过程和触发器。由于存储过程和触发器所使用的s q l 语言和函数还没有统一的国际标准，这就使得整个数据库系统绑定在了特定的 后台数据库上，很难做到平台的迁移。另外，s q l 语言和函数的功能十分有限， 许多复杂的企业逻辑无法在后台数据库中实现。 3 系统的扩展性差 c s 结构能支持的客户端数量有一定的限制，当客户端数量小于2 0 0 个时， c s 结构的数据库系统能够高效率的运行。但当客户端数量超过2 0 0 时，尽管 系统仍能正常运行，运行效率将开始下降，这大大影响了c s 结构在 i n t e r n e t i n t r a n e t 和电子商务方面的应用。 4 系统藕合性高 c s 结构由于将企业通用的业务规则放到客户端，使得系统的藕合性增强， 不利于开发小组自j 的分工合作。 三层分布式数据库系统的出现解决了以上c s 结构的缺点。三层分布式数 据库的核心就是在客户端和服务器端之间再增加一个应用程序，即中间层服务 器程序。通用的业务规则将放到中问层上予以实现，也就是将c s 结构中在客 户端编写的公用模块和数据库服务器端编写的触发器和存储过程集中到中间层 上。当客户端发出数据请求时，首先调用的是中间层，再由中白j 层更新回数据 库。中问层运行在专用的服务器上，也可以运行在客户端和数据库服务器端， 6 四川大学硕士学位论文 理论上中间层可以运行在任何一台处于该局域网或广域网上的计算机中。中间 层的布署可以是一个或多个。当布署多个中间层时，由中间层负责提供负载平 衡和容错功能。中间层可以根据发出调用请求的客户端数量自动平衡各个中问 层连接客户端的数量，保证客户端的访问效率。当客户端连接的中问层发生故 障时，可以自动将当前连接转移到正常运行的中间层上以保证访问的可靠性。 三层分布式数据库系统的结构如图1 2 所示。 窖、端程序 。盔：； 图1 - 2 基于三层分布式结构的数据库系统 基于三层分布式结构的数据库系统具有如下优点【4 l ： 1 维护方便，维护成本低 由于通用业务规则的实现放到了中问层上，当这些规则发生变化时，只需 重新编译并发布中间层即可，客户端不需要作任何变动。而且相关的数据库驱 动引擎只需要在中间层所在的计算机上安装一份即可，客户端只需要一个可执 行程序，当客户端重新安装操作系统或版本升级时，用户可方便的自行安装， 不需要相关的技术支持人员提供服务，大大降低了数据库系统的后期维护成本。 2 系统的迁移性好 由于将服务器端的存储过程和触发器集中到了中间层上予以实现，在用户 需要时可以很方便的实现后台数据库的迁移。此外，由于中间层同客户端程序 一样可以用d e l p h i 、v c + + 、v b 等高级语言丌发，能实现复杂的企业业务规 7 幕十三层分布式技术的公路收费监控系统研究j 心用 则。 3 系统扩展性好 三层分布式数据库系统突破了c s 结构在客户端数量大于2 0 0 时出现的效 率下降问题，可以保证大用户量的数据访问效率。 4 降低了系统间藕合性，提高了开发效率 由于通用的企业业务规则在中间层上实现，客户端程序问的藕合性大大降 低，有利于不同的开发小组之间的分工合作，大大提高丌发效率。 课题系统的开发采用三层分布式数据库结构，采用b o r l a n d 公司的m i d a s 中间件开发客户端和中间层服务器程序。 1 3 课题来源及选题意义 本课题来源于金财高新技术有限公司承担的四川省政府非经营性公路收费 监控系统的研制开发工程，主要目的是为了提高公路收费过程、财务管理的自 动化程度，提高工作效率和服务质量。最大限度的提高各政府非经营性公路的 管理透明度，防止票款流失，堵住各种收费漏洞，确保收费及时足额的上缴国 库。 目前四川省非经营性公路收费的经营状况比较混乱，其主要原因在于当前 的非经营性公路还没有实行完善的信息化管理。有些收费站点尽管采用了一些 信息化的管理软件，由于缺乏完善的票据管理制度和财政部门的软件接口，使 得各收费站点不能严格的执行财务收支两条线的原则，造成国有资产的流失。 本系统由于得到了四川省交通厅和财政厅的联合支持，采用全省统一的单联滚 筒式电子号票，校验码防伪，有效地杜绝了假票和乱收费状况的出现。同时陔 系统提供了银行和财政部门软件的相关接口，将各收费站点的票据收入纳入到 了省财政的监管范围，彻底杜绝了票款的流失。根据计划，将在泸州大纳公路 试点的基础上逐步实现省、地市州、县、收费站( 所) 的收费、票据、财务和 监管稽查工作的联网管理，形成全省公路收费网络管理系统。本系统的实现将 对国家的“贷款修路，收费还贷”的政策提供有力的保障，对四川省的公路建 设的良性滚动发展具有重要意义。， 四川大学硕士学位论文 1 4 课题的主要工作内容 本课题针对当前四川省非经营性公路收费的现状，根据四川省交通厅和财 政厅的相关要求，完成系统整体架构方案的论证与实现，相关硬件设备的论证 选型，各软件模块的研制开发和系统集成。课题系统的实现主要分为两个阶段： 1 第一阶段本着经济、安全、易用的原则，提出、论证并实现基于当前收费站 ( 所) 的四川省非经营性公路收费监控系统的整体架构，系统必须满足当前以 收费站( 所) 为单位的实际要求，同时需提出并论证第二阶段的系统整体架构， 保留逐步扩展为全省联网、进行数据大集中管理的能力。 2 第二阶段在以收费站( 所) 试验的基础上逐步扩展为地、市、州、县联网， 最终实现全省联网，实现数据的大集中管理。 本人在课题系统中参与了两个阶段的系统方案论证、系统分析和设备选型， 参与了收费监控子系统的设计，主研了中问层服务器程序和综合管理子系统。 9 摹于三层分布式技术的公路收赞监控系统研究j 心用 2 公路收费监控系统的总体方案 公路收费监控系统的方案分两个阶段完成，第一阶段的系统方案总体上是 基于i n t r a n e t 的局域网系统，是课题系统设计的重点。第二阶段则是基于 i n t e m e t i n t r a n e t 的广域网系统。 2 1 系统硬件平台架构 2 1 1 系统硬件平台设计方案 以收费站( 所) 为单位的第一阶段硬件平台方案主要考虑以车道收费亭和中 央监控室为中心的设备和网络架构。设备的选型需符合收费站( 所) 的现场实际 需求，做到高效、安全、稳定。网络的架构应同时满足收费数据、视频图像和 控制信号的快速、稳定和实时传输，尤其要防止视频图像的延迟和失真现象。 图2 - 1 是课题系统的物理连接拓扑图。 图2 1 公路收费监控系统物理连接拓扑图 i o 四川大学硬1 ：学位论文 课题系统采用l o o m 网络线和网络交换机构成局域网系统，用于各设备间 的业务数据交换。车道摄像机和收费亭摄像机采集的图像通过视频电缆和分频 器传输到车道工控机和监控服务器上，保证了图像的同步显示。自动道闸和交 通灯由车道工控机通过r s 4 8 5 转接器和双绞线进行控制。在课题系统方案论证 的初期对图像传输曾一度采用车道工控机图像由监控服务器经1 0 0 m 网络线和 t ( ：p ，疋协议进行回传的方法，这样做的优点是车道工控机可以不安装视频采集 卡，不需要分频器，节约了系统成本。这种的架构的主要缺点如下：通过t c p i p 回传单路图像信息有1 5 s 的显示延迟( 网络线l o r e ) 。由于抓拍车辆图像的 功能通过视频采集卡实现，该方案下各车道的车辆图像抓拍只能通过监控服务 器完成，这对监控服务器的稳定性提出了很高的要求，同时降低了系统的可靠 性。通过反复的比较论证，最终选择了图2 1 所示的系统硬件平台架构。 2 1 2 主要硬件设备及其功能 1 收费亭主要硬件设备 车道工控机( e v o c f s c - 1 6 1 2 v 2 n 一4 ) ：用于运行车道收费控制程序，控制自 动道闸、交通灯和滚筒式票据打印机等外部设备。 摄像机( p a n a s s o n i s ：c p 2 4 0 ) 和麦克风：用于采集车道和收费亭的音视频信 息。 视频采集卡( d s4 0 0 x m ) ：用于实现图像的显示和车辆静态图像的抓拍。 自动道闸( j s z d 0 0 2 8 ) 和交通灯：主要用于车道的放行控制，同时自动道闸 还通过两个车辆感应线圈和集成的智能车道控制器向车道工控机传输图 像抓拍信号和车辆状态信号。 滚筒式票据打印机( 北洋b t p - 2 0 0 0 t ) ；用于套打四川省财政厅指定的专用 车辆收费票据。 2 中央监控室主要硬件设备 数据服务器( 组装) ：用于运行综合管理程序，远程数据库管理系统。 监控服务器( 组装) ：用于运行组态监控软件，对车道收费亭的音视频信息 进行记录和回放。 磁盘阵列塔( 组装) ：用于存储业务数据和视频数据。 网络交换机：用于将收费亭和中央监控室的计算机设备连接起来组成局域 1 1 网。 u p s ：用于在意外断电的情况下对整个系统提供动力支持。 2 2 系统软件平台架构 从公路收费的实际需求分析，软件系统要实现车道相关硬件设各的控制、 业务数据的处理与存储、车道和收费亭图像的显示与存储以及收费站( 所) 的 基本管理。 2 2 1 相关软件子系统 系统的软件部分主要包括四个独立的应用程序，即四个软件子系统。分别 是中佃j 层服务器程序、车道收费控制子系统、综合管理予系统和组态图像监控 子系统，如图2 2 所示。其中车道收费控制子系统和综合管理子系统通过同一 中间层服务器程序进行数据的存储与处理，这三部分为自主研发。组态图像监 控子系统为相对独立的部分，采用系统集成的方法。整个软件系统的运行环境 采用m i c r o s o f tw i n d o w s 系列，中间层服务器程序和组态图像监控子系统的运 行环境为w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r ，车道收费控制予系统和综合管理子系统的运行 环境为w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i n a l ，后台数据库采用js q ls e r v e r 2 0 0 0 。 卜一一i q ls e r v e r j 图2 - 2 公路收费监控系统软件平台结构 1 2 心川大学硕士学位论文 2 2 2 软件子系统的主要功能 1 、车道收费控制子系统 车道收费子系统运行于车道工控机上，它的主要功能有两方面。首先该子 系统要完成收费车辆的基本信息录入，如车型、出站口、是否为月票或免费车 辆等。其次就是相关硬件设备的控制，自动道闸、交通灯、票据打印机和车辆 的图像抓拍等。车辆的图像信息和车辆的基本数据将通过中间层服务器程序保 存到数据库中。 2 、综合管理子系统 综合管理子系统运行于数据服务器上，主要用于公路信息、票据信息的管理， 整个系统的权限分配，收费、车流量信息的实时监控和统计分析以及相关的财 务处理。 。 3 中间层服务器程序 中间层服务器程序运行于数据服务器上，它实现了整个公路收费监控系统 的通用业务规则，为车道收费控制子系统和综合管理子系统提供公共调用和事 务处理，保证数据的安全性、完整性和同步性。 4 组态图像监控子系统 组态图像监控子系统运行于监控服务器上，主要用于实时监控各车道车辆 的通行情况和收费员的收费行为。通过车道摄像机和收费亭摄像机，对车道状 况和收费过程进行实时的音视频监控、录像，并将图像和声音信息保存一周， 在保存期内可以对任一时段和车道的音视频信息进行回放。它利用最新的图像 数字处理技术将模拟音、视频信号转化为数字信号，在显示器上实时显示多路 ( 1 1 6 路) 活动图像的同时，将各路音视频信号以数据流方式同步存储于计算 机硬盘内。在计算机上实现音视频信号的监视、记录、回放。与模拟监控系统 以录像机、录像带为主的模拟记录方式和庞大的控制设备相比，该子系统具备 图像监视系统的小型化、高清晰度化、自动化和网络化等优点。同时具有比模 拟监控系统更低的成本。组态图像监控子系统采用了系统集成的方法，不是自 主开发，本文后续章节不再讨论。 基于三层分布式技术的公路收费监控系统研究与应用 2 3 电气和控制系统设计 2 3 1 电源和电网设计 稳定的供配电系统是整个公路收费系统正常运行的基本保证。由于政府非 经营公路收费站( 所) 多在中小城市和偏远地区，电源系统的电压波动较大，整 个系统的输入电源必须经过交流稳压后方可接入。对于系统的重要设备如自动 道闸、摄像机和计算机系统应单独设计线路并用u p s 作为后备电源，保证不问 断供电。收费亭电源、中央监控室电源和接地系统分别如图2 3 、图2 - 4 和图 2 5 所示。 囝2 3 收费事电源系统 jf i i lif【f ：“”。 ；| 一 图2 - 4 监控室电源系统图2 - 5 接地系统 1 4 四川大学硕士学位论文 2 3 2 控制系统设计 j s z 0 0 2 8 自动道闸集成了车道控制模块，提供r s 4 8 5 接口和计算机通讯以 控制道闸和交通灯，同时还提供手动开关控制。自动道闸连接关系如图2 - 6 所 示。 图2 - 8 自动道闸接线圈 2 4 第二阶段系统的总体架构 针对第二阶段采用数据大集中的模式，系统将采用省、地市州、收费站三 级网络，各收费站和管理中心内部全部采用交换以太网结构，如图2 - 7 所示。 省管理中心与地市州管理中心由于数据量较大，最好采用光纤专线方式，条件 不具备的地区也可以采用电话拨号的联网方式。各地市州与下属收费站之间一 般采用电话拨号联网方式。三级中心均有自己的数据库服务器存储和管理各级 收费和票据信息，省级中心地市州采用双机备份系统，确保数据的稳定可靠。 省级中心还配备w e b 服务器以接入i n t e m e t 和政府专用网络。通过i n t e r n e t 可以 为公众提供开放式服务，如购买月票、余额查询以及票据真伪鉴别和相应的政 策法规等。通过政府专用网络可以为各级部门提供内部的数据查询服务，为相 关部门掌握省内公路收费状况提供依据，同时为各收费站( 所) 的软件升级提供 1 5 基于三层分布式技术的公路收费监控系统研究与应用 下载更新服务，减小系统的维护成本。 管 省收费管理中心 专线接入地市州 地市州管理中心 专线接入收费站 ：二髓机- 一道胞一一鲤拦一j 收费站( 所) 图2 7 第二阶段系统网络拓扑图 2 5 系统开发环境和工具 课题系统的开发语言采用o b j e c tp a s c a l ，开发平台为d e l p h i 5 0 ，数据库驱 1 6 四川大学硕士学位论文 动引擎为b d e i