（交通信息工程及控制专业论文）网络环境下电子不停车收费系统的设计与研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着高速公路的建设和交通量不断的增长，原有收费口通行能力和收费方式 已难以满足车辆快速通行的要求，“收费站塞车”是一个较为普遍的社会现象。 加之改扩建收费站难度大、城市规划限制、土建成本高等许多方面的因素，传统 的人工及人工半自动收费方式已不能适应社会和交通发展的追切需要，寻求高效、 安全的收费替代方案已成为必然。网络环境下电子不停车收费系统是智能交通系 统中一个重要的研究领域和应用环节，通过采用电子自动收费技术手段，缓解了 交通拥堵，提高了道路的通行能力、车辆运营效率和公路管理与服务水平，降低 了油耗和车辆损耗，减少了尾气排放。节约了能源，保护了环境。 本文在进行系统分析国内外收费系统现状的基础上，提出了采用双片式电子 标签+ 双界面i c 卡实现网络环境下电子不停车收费技术方案。文章首先对系统框架 结构、网络拓扑结构、数据库应用程序体系结构、收费管理控制中心系统软件进 行了详细设计和研究，其次对收费系统中路径识别和通行费用清分算法进行了分 析和研究。在数据库应用程序体系结构设计与研究过程中，提出将多层c s 结构应 用于网络环境下电子不停车收费系统数据库应用程序体系结构。很好地解决了传 统两层c s 体系结构在应用中面临的诸多问题。在收费管理控制中心系统软件的设 计过程中，分析了系统的功能和流程，划分了系统功能模块，定义了系统数据编 码，并详细设计了系统数据库的逻辑结构。在路径识别和通行费用清分算法研究 与分析过程中，分析了路网中路径的二义性，研究了二义性路径的识别方法，提 出了基于图论的路网模型建模方法和基于矩阵模型的数据清分算法，较好的解决 网络环境下通行费用的拆分清算问题。最后对此次研究工作予以总结并提出展望。 该系统的应用使系统的安全性、兼容性、扩展性、通用性、可重用性得到加 强，减少了系统维护的工作量，提高了系统的效率 关键词：联网电子不停车收费系统，网络拓扑结构，多层c s 结构，路径识别， 清分算法 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t he x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o na n dt r a f f i cw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s e t o l l g a t e st r a f f i c c a p a c i t ya n dt h eo r i g i n a lc h a r g e sm o d e sh a v eb e e nd i f f i c u l tt om e e tt h ed e m a n d so ft h e r a p i dm o v e m e n tv e h i c l e s 。“t o l ls t a t i o nt r a f f i c ： a 耵r i sm o r ec o m m o np h e n o m e n o ni no n r s o c i e t y m o r e o v e r , l o t so fa s p e c tf a c t o rs u c ha st h ed i 硒c u l t ye x p a n s i o nt 0 1 1s t a t i o n , t o w np l a n n i n gr e s t r i c t i o n s 。g r o u n dc o n s t r u c tc o s te x p e n s i v ea n ds oo n t h et r a d i t i o n a l m a n u a la n ds e m i a u t o m a t i cc h a r g e sc a nn o tm e e tt h ep r e s s i n gn e e d so fs o c i e t ya n dt h e d e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o n , s e e k i n gh i g he f f i c i e n c y , s a f e t yh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l e a l t e r n a t i v et ot h ec h a r g e s i n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct 0 1 1c o l l e c t i o ns y s t e mi sn i l i m p o r t a n tf i e l do fs t u d ya n da p p l i c a t i o nl i n k s i ni 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 i n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mc a r r i e di n t oe x e c u t i o nt oe a s e 仃a 伍c j a m s ，i m p r o v et h er e a dc a p a c i t i e s ，e n h a n c ev e h i c l eo p e r a t i o n a le f f i c e n c ya n dh i g h w a y m a n a g e m e n tl e v e la n ds e r v i c eq u a l i t y c u td o w nf u c lc o n s u m p t i o na n dv e h i c l ew e a ra n d t e a r ，d e c r e a s ee m i s s i o n s ，e c o n o m i z ee n e r g ya n dp r o t e c te n v i r o n m e n t b a s e do nt h es y s t e ma n a l y s i so ft h eh o m ea n da b r o a dt o uc o l l e c t i o ns y s t e mo nt h e b a s i so ft h es t a t u s p u tf o r w a r dt e c h n i q u ep r o j c o to fi n t e r e o n n e c t e de l e c t r o n i ct e l l c o l l e c t i o ns y s t e mi n t r o d u c ed u a lc h i pe l e c t r o n i ct a g + d u a l - i n t e r f a c ei cc a r dt oc o m i n g t r u e f i r s t l y , t h ef r a m es t r u c t u r eo ft h e t o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ，n e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r e d a t a b a s ea p p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e 。t o l lm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lc e n t e rs y s t e m s o f t w a r ei nt h i sp a p e rd e t a i l e dd e s i g n e da n dr e s e a r c h e ds e c o n d l y ，r o u t er e c o g n i t i o na n d t o l lf e el i q u i d a t i o na r i t h m e t i ca n a l y z e da n ds t u d i e di ni e t cs y s t e m i nt h ep r o c e s so f d a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n e da n ds t u d i e d ，m u l t i - t i e rc ss t r u c t u r e i n t r o d u c e dt oi n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct 0 1 1c o l l e c t i o ns y s t e md a t a b a s ea p p l i c a t i o n s t r u c t u r e b e t t e rs o l u t i o nt ot h et r a d i t i o n a lt w o t i e rc ss t r u c t u r ef a c i n gm a n yp r o b l e m s i nt h ea p p l i c a t i o ns y s t e m d u r i n gt h ec o u r s eo ft h et o l lm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lc e n t e r s y s t e ms o f h 矾a r ed e s i g n e d ，s y s t e mf u n c t i o na n df l o wa n a l y z e d ，f u n c t i o nm o d u l ep l o t e d ， s y s t e md a t ac o d i n gd e f i n e d ，s y s t e md a t a b a s el o g i cs t r u c t u r ed e s i g n e dd e t a i l e d l y i nt h e p r o c e s so f p a t hr e c o g n i t i o na n dt o l lf e el i q u i d a t i o na r i t h m e t i cs t u d i e da n da n a l y z e d , p a t h a m b i g u o u si np a t hn e ta n a l y z e d ，r e c o g n i t i o nm e t h o do fp a t ha m b i g u o u ss t u d i e d ，r o a d n e t w o r km o d e l i n gm e t h o d sb a s e do ng r a p ht h e o r ya n dd a t al i q u i d a t i o na l g o r i t h m m o d e l i n gb a s e do nm a t r i xi n t r o d u c e d b e t t e rs o l u t i o nt h et o l lr e v e n u eo ft h en e t w o r k e n v i r o n m e n ts p l i ta n dl i q u i d a t i o n f i n a l l y , t h ec u r r e n ts t u d yt ob es u m m a r i z e da n dp u t f o r w a r dp r o s p e c t 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h ei n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mt om a k e s a f e t y ，c o m p a t i b i l i t y ，e x p a n s i b i l i t y ，i n t e r c h a n g e a b l e ，r e u s a b l eb e e ns t r e n g t h e n e d ，r e d u c e m a i n t a i nw o r k l o a da n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h et 0 1 1c o l l e c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：i n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ，n e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r e ，m u l t i - t i e rc ss t r u c t u r e ，r o u t er e c o g n i t i o n ，l i q u i d a t i o na r i t h m e t i c 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 随着经济的快速发展和社会进步，高效、快捷的交通运输系统已成为社会经 济发展的有力保障。近年来，世界各国先后建立了四通八达的交通运输网络，尤 其高速公路的发展，极大提高了各国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结 构，对缓解交通运输的瓶颈制约发挥了重要作用，有力地促进了各国的经济发展 和社会进步。但交通量的增长速度远远高于道路和交通设施的增长，随之引起交 通拥堵、环境污染、交通事故等一系列交通问题，也造成了巨大的物质与经济损 失。这些情况表明，单纯依靠修建道路与交通设施和采用传统的管理方式来解决 交通问题，不仅成本昂贵、环境污染严重，而且其缓解交通拥堵、提高交通运输 效果也是十分有限的。人们逐渐认识到交通系统的复杂性及传统控制方法的局限 性，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题，必须把车辆和道 路综合起来，考虑如何在有限的道路资源条件下，提高道路资源的利用率，这才 是解决问题的关键，迫使人们研究应用现代化的技术来解决交通控制问题。同时 随着计算机技术、网络技术、通信技术、电子技术、智能控制技术的飞速发展， 给交通控制带来了一次新的革命也给以上的解决思路提供了有效的技术手段和 支持。另一方面，由于地理空间的限制和建设费用的昂贵，通过扩建道路来提高 道路的通行能力不易被采纳。因此采用有效的交通控制方法对交通流进行科学的 组织与管理，充分发挥现有交通网络的通行潜力，最大程度上使交通流做到有序 流动成为解决交通拥堵的主要办法。在这样的背景下，智能交通的概念应用而生， 成为研究应用的熟点。近年来各国的实践证明，智能交通运输系统( i n t e l l i g e n c e t r a n s p o r a f i o ns y a t e m ，i t s ) 是解决当前交通拥堵、环境污染等矛盾的有效途径。 智能交通系统是利用现代高新技术对传统的交通运输系统进行改造而形成的 一种新型现代交通系统，它是将先进的信息技术、传感技术、数据通讯技术、自 动控制技术、运筹学、图像处理技术、计算机处理技术及网络技术、人工智能等 有效地综合运用于整个交通管理系统。在系统工程集成思想的指导下建立的一种 在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 它是目前解决城市以及高速公路交通阻塞、提高行车安全、资源使用效率和环境 保护的主要措施。网络环境下电子不停车收费系统( i n t e r e o r m e c t e de l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o ns y s t e m ，i e t c s ) 是智能交通系统体系结构中一个重要的组成部分，是智 能交通系统在公路收费领域的具体体现。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 目前，国内许多高速公路和快速道路采用企业征收通行费还贷的方式建设， 但路路设站的方式已严重阻碍了高速公路的高效运转，传统的收费方式( 人工收费 以及人工半自动收费) 已不能适应高速公路收费管理的需要。“收费站塞车”现象 已经是一个较为普遍的社会现象，给路、桥、隧道的使用带来诸多负面影响，主 要表现为：人工收费速度慢，效率低，大大降低了路网的通行能力和服务水平， 造成交通堵塞，成了高速公路发挥其最大效率的瓶颈“”；车辆频繁的启动刹车 造成能源浪费和环境污染，同时还加快车辆部件的磨损，带来了交通隐患；现 场现金交易，导致贪污作弊现象时有发生，造成资金流失n “：不易调整收费费 率和更改收费方式；系统外延性、兼容性差，无法向机动车辆使用者提供快捷、 方便的综合收费服务。 目前部分公路管理运营单位提出扩建收费站和增加收费人员，以解决收费站 区的拥堵问题，但此措施带来的不但是运营成本的增加，且并不能从根本上改变 收费口的拥堵状况。而且随着交通量的不断增长，原有的收费口通行能力和收费 方式已难以满足车辆快速通行的要求。 基于以上因素以及改扩建收费站难度大、城市规划限制、土建成本高等许多 方面的因素，传统的人工及人工半自动收费方式已不能适应社会和交通发展的迫 切需要，寻求高效、安全的收费替代方式已成为必然。 随着电子技术、传感器技术、模式识别技术、图象处理技术、网络通信技术、 计算机技术、自动控制、交通工程和系统工程的发展，为实现公路的科学化和现 代化，提高现有交通设施的利用率，有效地防止、杜绝各种舞弊现象的发生，为 网络环境下电子不停车收费的顺利实施提供了有力保证。根据高速公路收费系统 的特点，网络化管理才能充分发挥其使用效益，才能提高公路网的综合运输能力 和服务水平。而且，随着高速公路的迅速增加和路网规模的逐步扩大，加快推行 高速公路网络化管理，已显得尤为紧迫。 网络环境下电子不停车收费系统允许车辆高速通过，具有人工收费不可比拟 的优越性：大大提高了公路服务水平和通行能力，使得交通运行更加高效、畅 通、快捷，收费管理更加方便、安全、经济、有效，同时解决因人工收费造成的 交通堵塞现象；公路收费走向电子化，降低了收费管理的成本，提高了车辆的 运营效益，同时也大大降低收费口因堵塞造成的车辆延误、工时损失、噪声水平、 能源消耗和环境污染等问题；提高了社会经济效益和管理水平；自动化程度 高，减轻了工作人员的劳动强度和工作环境，节约了大量人力物力；同时易调整 收费费率和更改收费方式，适合于不同的收费促销方式：系统外延性、兼容性 强。免现金交易，减少驾驶员携带现金和财务报销的麻烦，可以从根本上杜绝 票款流失的漏洞，防止舞弊现象的发生，解决公路收费中的财物管理混乱问题； 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 确保公路收费的可靠性和可控性，提高了通行费的征收率。由于通行能力得到大 幅度的提高，可以缩小收费站的规模，节约基建和管理费用。另外，不停车收费 系统对于城市来说，不仅仅是一项先进收费技术，还是一种通过经济杠杆进行交 通流调节切实有效的交通管理手段。 无论从交通工程的角度还是从智能运输系统的角度看待，网络环境下电子不 停车收费技术对于提高高速公路运营效率和服务水平都有很大的潜力和现实意 义。根据国家关于用信息技术改造和推进传统产业的发展战略，采用先进的信息 技术对道路网络进行有效的控制与管理，以便最大限度地发挥现有交通设施的利 用率，扩大运输供给，从而提高整个道路系统的运营效率。而且信息化是保障交 通安全、缓解拥堵、节约能源，实现交通智能化、现代化的有力保障。因此，加 快网络环境下电子不停车收费系统设计研究就显得重要而迫切，这也是本课题的 研究意义所在。 1 2 国内外研究现状 电子不停车收费技术在国外已有多年发展历史，各发达国家也都在积极开发， 并已进人实用阶段。1 9 8 8 年美国l i n c o n 隧道首开不停车收费系统以来，目前美国 国内己有1 2 个运输管理机构在进行这方面的工作，大量的不停车收费车道己在美 国国内的收费公路上开通，仅1 9 9 7 午4 月份在华盛顿地区就一次性开通了5 0 多 条电子收费车道。不停车收费已经成为美国回收公路投资的有效手段。 三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者，并 在世界各地广泛地开展了不停车收费系统验证试验。1 9 9 5 年6 月，日本建设省和 公路管理公司组织了国内i o 多家单位在全国各地进行了不停车收费系统的现场试 验，试验于1 9 9 6 年3 月结束，1 9 9 6 年8 月发表了总结报告，就有关技术参数和试 验结果进行了详细叙述。1 9 9 7 年，在日本政府的协调下，编制了有关不停车收费 标准草案并提交给国际标准化组织第2 0 4 委员会( i s o t c 2 0 4 ) ，并于1 9 9 8 年在全 国范围内统一推广不停车收费系统，以保证全国范围内的兼容性。 欧洲在不停车收费方面起步更早，自1 9 8 6 年挪威的b e r g e n 首次不停车收费应 用以来，意大利、西班牙、英国，法国等国先后在国内开始了e t c 的应用。由于 欧盟的许多国家均开发了不停车收费设备，并在本国进行了一定范围的实施，导 致1 9 9 6 年欧洲标准化委员会( c e n ) 的不停车收费草案遭到部分欧盟国家的反对而 未获通过。然而，在全欧洲范围内统一的不停车收费所带来的利益诱惑，c e n 仅 仅经过约一年的协调工作就统一了欧洲的呼声，使得欧洲的不停车收费标准草案 顺利通过。欧洲计划在未来几年内开发多国问统一的不停车收费系统，取代现有 的各国自成体系的收费站，以期给欧洲的公路运输带来巨大的经济和社会效益。 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 国际上，美国、欧洲、日本分别就不停车收费系统中的技术标准进行了深入 研究，并分别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 提出的标准则更为成熟，获得了较广泛的厂商支持。根据1 9 9 9 年i t si n t e m a t i o m l 杂志的最新调查结果，被调查的1 6 家国际知名e t c 设备制造商中己有1 l 家宣布 支持c e o t c 2 7 8 委员会所公布的技术标准。在日本，n e c 、三菱电机等获得了首 批日本e t c 设备供货许可证，并参与了日本1 9 9 9 年的全国e t c 试点工程如首都 圈e t c 工程。目前，该系统己投入运营。 1 9 9 9 年2 月1 9 日，于瑞士日内瓦召开的i t u r s g 8 w p 8 a 会议上，a s t a p 提出的提案书“t i c s ( t r a n s p o r ti n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ) ：d s r c a t5 8 0 h z ” 取得承认。由此，作为“全双工被动式”的两种欧洲方式( c e n 方式与意大利方式) 和作为“全双工主动式”的日本方式，在通过1 9 9 9 年1 1 月的研究委员会s g 8 9 ( s t u d y g r o u p8 ) 的承认以及其之后的无线通讯总会( r a d i o c o m m u n i c a t i o na s s e m b l y ) 的承 认后，将正式记入国际规约，成为不停车收费系统中车路专用短程通信( d s r c ) 链 路的国际标准，获得普遍认可。 我国早在2 0 世纪9 0 年代初就开始关注不停车电子收费系统，并开始对不停 车收费系统进行实验。电子收费系统在我国的应用和推广已有多年的时间，但至 今它的应用范围仍局限在少部分发达地区的开放式收费站上，而没有真正形成网 络。 1 9 9 8 年6 月，交通部组织交通部公路科学研究所、西安公路科学研究所、广 东、北京、江苏、四川省交通厅开展了“网络环境下不停车收费系统研究与应用 推广”行业联合攻关项目研究。该项目的科研成果后纳入交通部2 0 0 0 年发布的高 速公路联网收费暂行技术要求。 为推动中国i t s 的发展，2 0 0 0 年2 月2 9 日，科技部会同国家计委、经贸委、 公安部、交通部、铁道部、建设部、信息产业部等部委相关部门，在充分协商和 酝酿的基础上，成立了发展中国i t s 的政府协调领导机构全国智能运输系统( i t s ) 协调指导小组及办公室，并成立了i t s 专家咨询委员会。这必将对我国的电子收 费系统的发展起到积极的推动作用。 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“两片式电子标签+ 双界面i c 卡的组合式电子收费系统方案”。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高速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。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 到2 0 0 3 年底，我国的电子收费系统实施取得了一定进展，目前多个示范点的 工程己经开始了试运行。这些工程基本都是采用了国外的车辆识别技术和d s r c 短程通讯手段，所以也称为e t cb a s e do i ld s k c ，即基于d s r c 的不停车收费系统。 这种技术方式经过国外的多个系统测试，己经比较成熟。 加快收费站通行速度和电子化进程是联网收费的一个重要发展趋势。在欧美 等一些高速公路发达的国家中，收费站通常既有半自动收费车道，又有不停车收 费车道。虽然在今后一段时间内，半自动收费方式尤其是智能卡( i n t e l l i g e n t c a r d ， 缩写为i c 卡) 收费方式，仍将继续存在并发挥重要作用，但是随着高速公路收费 一卡通的逐步推广，乃至将来实现高速公路统一收费的趋势，不停车收费系统将 是最佳的选择。 1 3 论文主要研究内容 本文主要从以下几个方面对网络环境下电子不停车收费系统展开研究： 1 、分析和研究网络环境下电子不停车收费系统的框架结构，并设计了系统框 架结构，详细介绍了系统的构成、工作过程以及系统实现的关键技术。 2 、i 分析和研究网络环境下电子不停车收费系统的网络拓扑结构，设计了系统 的局域网和广域网结构。 3 、针对传统两层c s 结构的缺点与不足，提出了将多层c s 结构应用于网络 环境下电子不停收费系统，并详细设计系统多层c s 结构的数据库应用程序体系 结构。 4 、分析了网络环境下收费管理控制中心的功能需求，划分了系统功能模块； 分析了系统工作流程，同时对系统数据编码进行了定义。研究并详细设计了系统 数据库的逻辑结构，通过软件予以实现。 5 、分析和研究网络环境下路网中路径的二义性，详细研究了二义性路径识别 方法以及在收费系统的具体实现。同时对网络环境下电子不停车收费系统中的路 网模型、通行费用拆分与清算方法进行了研究，提出了基于图论的路网模型建模 方法与基于矩阵模型的通行费用清分算法。 1 4 本文各章节内容安排 本文各章节内容安排如下： 第一章绪论，主要是介绍了网络环境下电子不停车收费系统研究的背景、目 的及意义，论述电子不停车收费系统国内外研究现状，同时介绍本课题研究的主 要内容和各章节内容安排。 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计，首先分析系统的工 作原理以及高速公路管理体制，其次设计了系统框架结构，并介绍了系统构成及 各组成部分功能，最后分析和研究了系统实现的关键技术：自动车辆识别技术和 自动车型分类技术。 第三章系统网络拓扑结构的设计，首先分析网络环境下系统通信需求及特 点，然后根据系统需求和特点设计系统的局域网结构和广域网结构，并确定系统 的网络通信协议。 第四章系统数据库应用程序体系结构的设计，描述了数据库应用程序体系的 几种结构，详细介绍了多层c s 体系结构的特点，并对本系统采用的多层c s 结 构进行了详细的设计。 第五章收费管理控制中心系统软件的设计，首先阐述了面向对象的设计方 法，然后分析收费管理控制中心系统的功能和工作流程，划分了收费管理控制中 心功能模块并定义系统数据编码，最后介绍了收费管理控制中心系统软件开发中 的一些关键技术。 第六章收费系统中路径识别和通行费用清分，首先分析路网中的二义性路 径，研究了二义性路径的识别方法以及确定方法；然后研究网络环境下系统通行 费用的清分算法。 第七章总结与展望，对本论文的工作进行总结，并对联网环境下电子不停车 收费系统的相关技术提出展望。 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 网络环境下电子不停车收费系统是以计算机网络及专用短程无线通信 ( d e d i c a t e ds h o r t - r a n g ec o m m u n i c a t i o n ，d s r c ) 等技术为保障的一种新型的收费系 统，利用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自 动识别和有关收费数据的交换，通过计算机进行收费数据处理，然后从用户银行 帐户或电子标签中扣除相应费用，完成不停车收费。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 网络环境下电子不停车收费示意图 2 1 收费系统框架结构的设计 根据高速公路管理体制和联网收费范围的大小不同，不同的地区在满足联网 收费系统功能实现的前提下，可因地制宜地确定各自网络环境下电子不停车收费 系统的框架结构。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。 本文主要针对省内联网收费而言。 网络环境下电子不停车收费系统主要由车道控制系统、收费站管理系统、收 费管理控制中心、金融机构及传输网络组成。根据分工的不同，系统又可分为前 台和后台两大部分。前台部分由车道控制系统和收费站管理系统组成，完成对过 往车辆车型的判别，收费信息的采集与处理，违章车辆图像抓拍与处理等功能 西j 匕工业大学硕士学位论文第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 后台部分由收费管理控制中心和金融机构组成，完成系统运行参数的制定与修改， 系统运行管理和监控，通行费用的汇总、拆分、清算，交通信息的分类，统计， 与金融机构进行帐务结算和客户服务等功能。系统框架结构如图2 - 2 所示： 收费管理控制中心卜_ 金融机构 收费站管理系统 二二工二二 车道控制系统 嘉荔蔫ll 纂器弱ll 妻戮麓l 离襄恕i 栏紧囊潦态 车载单元 o b u 2 2 收费系统的构成 图2 吧网络环境下电子不停车收费系统框架结构图 由系统框架结构可知，网络环境下电子不停车收费系统主要由车道控制系统、 收费站管理系统、收费管理控制中心、金融机构及传输网络构成。 l 、车道控制系统 车道控制系统是网络环境下电子不停车收费系统的核心，是一个重要的前端 控制系统。主要由车辆自动检测系统( a u t o m a t i c v e h i c l e d e t e c t i o n ，a v d ) 、车辆自 动识别系统( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i e a t i o i l ，a v i ) 、车辆自动分类系统( a u t o m a t i c v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n ，a v c ) 、车辆逃费抓拍系统( v i d e oe n f o r c e m e n ts y s t e m ， v e s ) 、辅助装置等组成。其主要功能是：按车道操作流程正确工作，并负责系统 收费信息的采集、处理和通行能力的实时控制，违章车辆的图像抓拍与处理，并 按照一定的规则整理成数据文件实时上传给收费站计算机系统；接收收费站下传 的系统运行参数；对车道设备进行管理与控制，使其做出必要的反应，并具有设 备状态自检功能；当通信中断时具有后备独立工作能力；为车辆通行提供控制信 息；将各种违章报警信号实时传送到收费站控制室。 车辆自动识别系统，完成车辆身份参数的快速自动识别，该装置通过无线电 波与车载电子标签实现高速资料交换，使系统可在极短时间内做出反应，因而车 辆通过收费i s i 时。可以不停车快速通过它由车载单元o b u ( o n - b o a r du n i t ) ，也 称电子标签、路侧控制单元r s u ( r o a ds i d eu n i t ) 和数据处理单元p d u ( p r o c e s s i n g 8 西j t 工业大学硕士学位论文第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 d a t au n i t ) 组成。车载单元存有车辆的标识码和其他有关车辆属性的数据，当车辆 进入融、u 的识别区时，能将这些数据传送给r s u ，起到车辆身份证的作用；同时， 也可接受、记录由r s u 发送的有关数据。路侧控制单元设备分别安装在路侧或路 面上方，用于读取o b u 内的车辆标识码等数据，并对数据进行预处理，然后将数 据发送给p d u ；也可将有关的各种数据发送给r s u ，它是o b u 与p d u 之间的通信 桥梁。数据处理单元p d u 接收r s u 送出的有关数据，对车辆身份进行验证并实施 有关计算和控制的操作，或通过r s u 给o b u 发送有关数据。 车辆自动分类系统。车辆的分类是道路征费的依据。自动车型分类系统是现 代技术的综合体现，通过接触或非接触的方式测量车辆物理特征把车辆分成确定 的类型。在车辆到达收费点以前就完成车型分类的a v c 系统。称作前分类系统。 而在车辆通过收费点后才能完成车型的分类，称作后分类系统。前分类系统使收 费系统根据分类结果计算通过车辆的费率。后分类系统用于核实所通过车辆是否 按照车型实施了正确收费。前分类系统的分型数据是作为收费的依据，对系统的 要求高；后分类系统的分型数据是作为校验之用，由于还有录像资料可以调用核 实，所以系统要求较低。 逃费抓拍系统。v e s 系统采用高速c c d 摄像机，利用视频图像捕获技术、车 辆牌照识别技术记录逃费车辆的外部特征，通过抓拍逃费车辆并进行事后处理来 强制这些车辆完成收费。 a v d 子系统，是电子收费系统中用于检测是否有车辆经过的各种装置的总称。 检测是否有车辆经过的目的，是为了给系统的某些操作提供触发或启动信号，如 天线开始通信、启动摄像机拍照等。 2 、收费站管理系统 收费站管理系统，是一个完整的计算机局域网( l a n ) 系统，由收费站监控管 理子系统和车道实时控制予系统构成。负责对每个收费现场进行统一的管理和控 制，轮询所有收费车道，实时采集收费车道每一条原始数据；对收费车道的运行 状况实施实时检测与监视，具有故障自动检测功能；负责和收费管理控制中心进 行实时或定时的业务数据交换，接收来自收费管理控制中心的系统运行参数资料 并下传给车道控制系统，向收费管理控制中心上传收费站的通行业务数据；处理 收集到的数据与资料，汇总、统计、分析、检索、打印等报表；系统中操作、维 修人员权限的管理；数据库、系统维护、网络管理等：数据、资料的存储与备份 和安全保护；抓拍图像的管理等。 3 、收费管理控制中心 收费管理控制中心是i e t c 系统的最高管理层，负责对整个系统进行全局性的 管理和监控。其主要功能是：制定和下传联网收费系统运行参数( 车型分类表、费 西j 匕工业大学硕士学位论文第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 率表、全线统一时钟参数、收费参数等) ；轮询所有收费站计算机系统，获取收费 站的所有原始收费数据和管理资料，并对通行费进行拆分和复核；与指定银行进 行帐目信息交换和通行费结算、帐务分割；收集各收费站上传的交通信息数据； 系统操作、维护、维修人员权限的设置与管理；数据库、系统维护、网络管理； 分类汇总、分析、统计、查询、打印费收、管理、交通量统计和各种财务等报表； 数据存储、备份和安全保护；为电子标签建立结算帐号；监控电子标签的财务状 态，根据其余额形成管理名单( 黑、黄名单) ，再将银行有关电子标签的信息下传 到各个收费站；对搜集的车辆违章信息，按有关规定处理，同时为交通路政部门 提供综合管理信息；客户服务和抓拍图像的管理等。 4 、金融机构 金融机构的主要功能是接收收费管理控制中心上传的收费数据；处理业主和 用户的帐务等业务。 功能强大的计算机数据传输网络完成各种语言、数据、图像的采集、处理和 传输，把各个组成单元连成一个系统。 2 3 收费系统的工作流程 封闭式网络环境下电子不停车收费按车型和行驶里程收费，收费系统识别进 入高速公路的每一辆车的车型并判断其所属类别，确认其进出口地址，按通行费 征收费率计算费额和收费，因而封闭式网络环境下电子不停车收费方式一般采用 双向式系统，其工作流程如下： 1 、当车辆进入收费车道时，车辆检测器1 触发车辆自动识别系统，入口天线 和电子标签通讯在确认电子标签的有效后，将入口代码( 收费站和车道代码) 和入 口时间写入i c 卡中，否则根据从车辆检测器2 发出的车辆通过信号，触发逃费抓 拍系统，对该车进行摄像； 2 、当车辆进入出口收费车道时，车辆检测器3 触发车辆自动识别系统和车辆 自动分类系统，电子标签进入第一个天线的作用范围，激活电子标签，从卡中读 取入口信息，a v c 设备对该车辆进行分类，将入口信息和车型信息传给收费车道控 制器，检索有效电子标签名单，计算费额，返回给电子标签。电子标签从插入的 l c 卡中扣除金额，并在l c d 显示收费后i c 卡的余额。 3 、电子标签进入第二天线的作用范围，天线从电子标签获得收费的结果信息； 4 、收费车道控制器综合第一和第二天线的信息，检索有效电子标签清单和黑 名单，对未能正常收费和检索中有问题的电子标签，根据车辆检测器发出的车辆 通过信号，触发逃费抓拍系统，对该车进行摄像： 5 、收费结果传送给收费站计算机，并由它传输给收费管理控制中心计算机。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 如果是违章车。则同时传送摄像图像； 6 、收费管理控制中心根据计算机统计的收费数额向指定银行或电子标签发行 部门或公司请示支付； 7 、对违章车辆车牌号图像进行自动识别( o c r ) ，提取车牌号，根据出入口信 息将系统自动产生的罚单邮寄给车主。 2 4 收费介质的确定 收费系统所使用的收费介质最能反映收费系统的技术特点。经过多年的收费 实践，收费系统对收费介质的选择越来越注重以下方面的性能和技术要求：自动 化程度、读写方式、数据安全性、存储容量、明文打印、介质成本、标准化与通 用化( 互换性) 、设备可靠性及寿命、管理成本、对分段建设及混合收费路段的适 应性和计算机网络的依赖性0 4 。 目前在进行试点的e t c 收费系统，大多采用单片式的电子标签作预付卡介质。 这有经济性、可获得性及成熟度方面的考虑，是e t c 系统建设初期较稳妥的选择。 但其也存在以下不足： l 、目前普遍使用的m i f a r ei 卡适合作通行卡，但安全性不高，不宜作大规模 预付卡( 记账卡、储值卡) 使用，不利于开展高速公路收费费现金支付业务，一卡 多用受到限制； 2 、采用单片式e t c 电子标签的电子收费系统必须同时覆盖封闭式路网的全部 收费站，投资规模大、利用率低、可靠性差，不易被推广。 基于以上原因，有必要考虑e t c 收费系统与已建的非接触i c 卡收费系统进行 必要的结合。也就是说，e t c 电子标签最好能采用非接触i c 卡做数据存储介质， 双片式电子标签正好具备这方面的潜力。 随着技术的发展，i c 卡产业界已经推出了同时支持接触式读写方式和非接触 读写方式的双界面卡。当电子标签采用双界面i c 卡做数据存储介质时，就可以很 好地解决非接触i c 卡在半自动收费系统与e t c 收费系统的结合问题，使两者的优 势充分得以发挥。 因此，采用双片式e t c 电子标签+ 双界面i c 卡作为网络环境下电子不停车收 费系统的预付卡方案：双界面i c 卡作双片式e t c 电子标签的扩展数据存储介质， 双片式e t c 电子标签和双界面i c 卡同时存储包括车主、车型、车辆物理参数等固 定信息，双界面i c 卡存储帐号、余额、交易记录、入出口编号等信息，双界面i c 卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问；e t c 收费专用车 道同时设置e t c 车道天线控制器和车道i c 卡专用收费机具，由一台车道工控机进 行控制，实现对正常e t c 车辆、误入普通车辆通行费收取，以及灰、黑名单核查、 l l 西北工业大学硕士学位论文第二章网络环境下电子不停车收费系统框架结构的设计 原始交易记录生成、车道交通控制等功能；在交通量大易产生交通流瓶颈的收费 站按需设置1 条以上的e t c 收费专用车道，允许司机将双界面i c 卡插入双片式 e t c 电子标签，免停车通过收费站，通行费被自动扣取；在一般收费站，仅设置 i c 卡收费车道，允许司机从双片式e t c 电子标签中拔出双界面i c 卡以非接触式 操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。 此方案之优点：集中了i c 卡收费系统和e t c 收费系统的优点，方便、快捷， 通行能力强；系统可靠性高、可扩张性强、投资及规模富有弹性、易于试点和推 广：为联网收费系统开展预付卡业务提供了安全、可靠的解决途径：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的交通瓶颈提供了有效手段；符合 中国金融卡规范及电子商务等国家鼓励发展方向。 2 5 系统实现的关键技术 2 5 1 自动车辆识别技术 自动车辆识别技术是i e t c 系统的核心技术，是实现车辆信息数据自动识别与 采集的重要手段，它可快速、准确地进行数据的自动采集和输入，解决计算机应 用中由于数据输