（计算机应用技术专业论文）关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发.pdf

摘要 随着我国城市社会、经济的快速发展，城市交通发生了前所未有的迅速增长。为 了改善日趋拥挤的交通状况，更有效地控制高峰时段的道路交通流量，缓解城市交通 拥挤，我国的一些城市已经在考虑采用城市交通“拥挤收费”策略。在这种交通繁忙 的环境下的道路收费更适宜采用电子不停车收费( 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。 我国目前投入应用的还仅限于单车道不停车收费系统，丽在大城市中心城区的道 路上不适宜进行单车道隔离，所以应采用多车道自由流( m u l t i l a n ef r e ef l o w ，简 称m l f f ) 的不停车收费技术进行收费。 本文主要从以下几个方面对城市拥挤e t c 的相关内容进行了研究： 基于目前上海城市道路的交通状况，分析了实行拥挤收费的时机和地段并提出了 初步的拥挤收费方案，即每个工作日的7 ：o o a i - - 6 ：3 0 p m 在徐家汇地区对除了公交车、 急救抢险车以外的汽车采用e t c 技术进行拥挤收费。 关于城市拥挤收费e t c 系统( c i t yc o n g e s t i n gc h a r g i n ge t c ，简称c c c e t c ) ， 本文从系统功能的界定、系统工作流程到e t c 技术的选择以及运营模式的选择都做了 较为详细的阐述。指出了单车道e t c 设备在自由流运作时可能产生同一时间多辆车同 时到达及车辆在通信区域内换道、拥堵等问题，并提出了多个车道予系统并行工作的 解决方案。当一个收费站的多个车道子系统完全独立工作时，对于同一辆车的处理， 相邻车道可能出现重复收费的情况。对收费站系统来说，车道子系统是服务提供者， 到达的车辆是客户。收费站系统期望达到的目标是各个车道子系统在同一时间对不同 的车辆并行地提供服务，而对同一辆车提供服务时各个子系统问进行相互协调，选择 其中的一个子系统提供服务。本文提出的解决方案是将并行的子系统对同一辆车的服 务纳入一个顺序的数据库表中，选择按某个排序规则排在先序的予系统对该辆车进行 收费，从而避免了并行的子系统对同一辆车的重复收费。 本文详细地叙述了用面向对象方法对收费站a v i 子系统进行系统分析和设计的 过程。通过分析问题域，对系统的对象、活动者以及系统用例进行识别，并使用 r a t i o n a lr o s e 工具创建了系统分析和设计过程的u m l 模型图，包括用例图、类图、 活动图、顺序图、构件图以及部署图，这些图构成了u m l 的完整视图。 在系统实现一章，本文除了简单介绍软件开发的环境以外，还对交易控制器中的 相关设置做了简要说明，因为交易控制器中的某些设置和本系统实现中的交易处理过 程密切相关。 最后，本文描述了基于瑞典康比特公司生产的t s 3 2 0 0 0 5e t c 设备和自主开发的 软件所设计的实验，记录了路侧系统和电子标签在各种情况下的实验结果，并对实验 结果进行了比较和分析，给出了目前系统所能接受的车辆的最高时速。 关键词：智能交通，不停车收费，拥挤收费，多车道自由流，u m l a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m i co fo u rc i t y , t h et r a f f i c n e e d se x p a n s e so b v i o u s l y i no r d e rt oc o n t r o lt h et r a f f i co ft h ef l o o dt i d ea n d i m p r o v et h es i t u a t i o no fc i t yt r a f f i c ，s o m ec i t yg o v e m m e n t so fo u rc o u n t r yh a v e t a k e nt h es t r a t e g yo fc o n g e s t i o nc h a r g i n gi n t ot h e i rc o n s i d e r a t i o n e t ci sm o r e a d e q u a t e f o rt o l lc o l l e c t i o ni nt h ed e n s et r a f f i c t h e r ei so n l ys i n g l el a n ee t c a p p l i c a t e di no u rc o u n t r y h o w e v e r , o nt h er o a d o ft h eb i gc i t y , i t sn o ta d e q u a t et oa p p l ys i n g l el a n ee t ct oc o l l e c tt o l l 。w h i l et h e m l f fi sm o r e a d e q u a t e i nt h i sp a p e r e t cs y s t e ma p p l i e di nt h ec i t yc o n g e s t i o nc h a r g i n gi sd i s c u s s e d i nf o l l o w i n ga s p e c t s b a s e do nt h et r a 仟i cs i t u a t i o no fs h a n g h a ic i t y , t h es c h e d u l eo fi m p l e m e n t i n g c o n g e s t i o nc h a r g i n gi sa n a l y z e da n d ag e n e r a ls o l u t i o no fc o n g e s t i o nc h a r g i n go f s h a n g h a ic i t yi sp u tf o r w a r d ，t h a ti st oc h a r g e t h ea u t o m o b i l ec o n g e s t i o nf e ew h i c h i s e n t e r i n gi n t ox u j i a h u id i s t r i c te x c 6 i p tt h eb u sa n da m b u l a n c ef r o m7 ：o o a mt o 6 ：3 0 p mi nt h e w o r k d a yb ye t cs y s t e m t h e nt h ef u n c t i o na n dw o r kf l o wo ft h ec i t yc o n g e s t i o nc h a r g i n ge t c s y s t e m a n dt h es e l e c t i o no fe t c t e c h n o l o g ya n do p e r a t i n gm o d e a r ed e p i c t e di nd e t a i l s 。 w h a t sm o r e ，t h e r e q u i r e m e n t s o f h a n d l i n gt r a n s a c t i o ns i m u l t a n e o u s l ya n da s s u r i n g t h ec o r r e c t n e s sd u d n gt h et i m eo fa u t o m o b i l e s c o n g e s t i o no rc h a n g i n gl a n ei n m l f fa r es a t i s f i e do nt h eb a s et h ed e v i c eo fs i n g l el a n ee t cb yd e s i g n i n gt h e t r a n s a c u o np r o c e s ss k i l l f u l l y w h e nt h el a n es u b s y s t e mw o r k sf u l l i n d e p e n d e n t l y , t h et w o n e i g h b o r i n gl a n es y s t e mm a yc h a r g e t h es a m ea u t o m o b i l ei n d e p e n d e n t l y , t h e nt h es a m ea u t o m o b i l ew i l lb ec h a r g e dt w i c ed u d n gi t so n ep a s s i ft h el a n e s u b s y s t e mo f at o l lc o l l e c t i n gs t a u o ni sl o o k e du p o nt h es e r v i c ep r o v i d e rt h e nt h e a r r i v i n g a u t o m o b i l e sa r ec u s t o m s t h es y s t e mi s e x p e c t e dt o s e r v ed i f f e r e n t a u t o m o b i l e s b y d i f f e r e n tl a n e s u b s y s t e m a tt h es a m et i m ea n ds e l e c to n e s u b s y s t e mf o ro n ea u t ow h e nt w on e i g h b o r i n gs u b s y s t e mb o t hw a n tt op r o v i d e s e r v i c e t h es o l u t i o ni st ob d n gt h ep a r a l l e ls u b s y s t e m si n t oo n es e q u e n t i a lt a b l e ， t h e nc h o o s et h ef i r s ts u b s y s t e mi ns o m es p e c i a io r d e rt os e r v et h ea u t o 。w h e nt h e p a r a l l e ls u b s y s t e m s i n t e n dt os e r v eo n ea u t o t h u sc h a 叼i n gt w i c ed u d n ga na u t o s o n ep a s si st u m e da w a y e f f e c t i v e l y i nt h i s p a p e r ，t h eo b j e c t e do r i e n t e da n a l y s i s a n dd e s i g n i n gp r o c e s so ft o l l c o l l e c t i o ns t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi sd e p i c t e di nd e t a i l s t h r o u g ha n a l y s i so f p r o b l e md o m a i n ，t h eo b j e c t s a c t o r sa n ds y s t e m u s ec a s ea r ei d e n t i f i e d t h e nt h e u m lm o d e l d i a g r a mi n c l u d i n g u s ec a s e d i a g r a m ，c l a s sd i a g r a m ，s e q u e n c ed i a g r a m ， c o m p o n e n td i a g r a ma n dd e p l o y m e n td i a g r a m a r ec r e a t e di nr a t i o n a lr o s e t h e s e d i a g r a m sb u i l du p t h ec o m p l e t ev i e wi nu m l i nt h ep e r to fs y s t e mi m p l e m e n t a t i o n ，s o m es e t t i n gi nt r c i sd e s c r i b e d ，w h i c h i sr e l e v a n tt ot h ew o r kf l o wo ft r a n s a c t i o nh a n d l i n g i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n ti sd e s i g n e do nt h eb a s eo f t s 3 2 0 0 0 5r o a ds y s t e md e v i c ep r o d u c e db yc o m b i t ec o r p o r a t i o ni ns w e d e n a n d t h es e l f - d e v e l o p e ds o f t w a r e ag r e a td e a lo fr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tb e t w e e n t h e r o a ds y s t e ma n dt r a n s p o n d e ra r er e c o r d e d t h e nt h et o ps p e e dp e r m i t t e di nt h e c u r r e n ts y s t e mi sg i v e na r e rt h ec o m p a n s o n a n d a n a l y s i s o ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s z h a n gx i a o y a n ( c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i a nx i a o j i a n g & r e s e a r c h e rq uh u i k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t t r a f f i c ，e t c ，c o n g e s u o nc h a r g i n g m l f f , u m l 论文独创性声明 x 6 4 0 8 9 8 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：一i 蓬望点 论文使用授权声明 日期：盘! ! 竺：2 ：步 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。 作者签名：鹾i 整堇= 导师签名： 日期：查! 笙：2 。彭 | 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国城市社会、经济的快速发展，城市交通发生了前所未有的迅速增长。为 了改善丑趋拥挤的交通状况，各城市在改善交通软硬环境方面都下了很大的功夫，从 交通硬件条件方面来说，各城市对道路基础设施建设投入了巨大的资源，但是城市道 路的建设始终跟不上车辆的发展，道路扩建后交通状况缓解一段时间而后又开始恶 化，甚至比道路扩建以前的状况更严重。从交逶软条件来说，在大城市中采用了先迸 的技术和管理策略包括科学的交通信号灯控制，实时收集交通信息，发送交通流诱导 信息等等，然而这些努力对缓解城市交通拥挤所起的作用仍然很有限。事实上从城市 道路实际使用情况来看，目前的道路容量并没有发挥充分的效用，造成交通拥挤最主 要的原因是网络向心交通特征明显。城市中心城区和周边道路的流量极度不均匀。耍 改变这一状况最重要的工作在于如何将这些车辆从中心城区诱导到流量远没有达到 饱和的周边道路上去。从国外一些大城市多年来缓解交通拥挤的实践所积累的经验来 看，实行拥挤收费是最有效的措施之一。 国内在城市交通管理相关的研究和讨论中也提出考虑将拥挤收费作为一个解决 城市交通拥堵问题的策略，但是一直都没有明确地将实行拥挤收费纳入到议事日程 上，因此相关的研究也停滞不前。而伴随着大城市交通拥堵情况的目益恶化，实行拥 挤收费也只是时间上的问题，为顺应这一需求，本文将拥挤收费的理论研究与国内的 实际结合，着眼于上海交通发展的实际，讨论拥挤收费这一策略的可行性并提出在上 海实行拥挤收费的初步技术方案。 在论文进行将近尾声时，非常欣喜地得知：在上海，由市建蚕牵头，市发展改革 委、市科委、市信息委、市规划局、市交通局、市市政局、市交巡警总队、同济大学 等单位共同参与的“中心区交通拥挤收费综合技术研究”已正式启动，预计2 0 0 5 年 1 月将全面完成并上报上海市政府嘲。在这种形势下，本课题的研究有了更大的实际 应用价值。 1 1 1 1 城市拥挤收费的实行情况 拥挤收费的概念出现于2 0 世纪7 0 年代。国外经过长时间的研究与宣传，拥挤收 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 费逐步得到重视与应用，新加坡、挪威、英国、美国等国家部分城市已经实施拥挤收 费，其中具有典型意义主要有新加坡和英国伦敦。 拥挤收费是通过在交通拥挤时段对部分区域道路使用者收取一定的费用，以控制 交通出行需求，调整出行路径，减少拥挤区域道路交通流量，缓解交通紧张状况的一 种管理手段，实际上就是通过价格杠杆，控制交通出行的需求和调节车流的时空分布 【神】 1 1 1 1 国外拥挤收费实施情况 拥挤收费的概念不同于传统意义上的公路和桥梁收费，后者主要是为了缓解公路 建设资金的短缺问题，收取的费用大部分用于偿还贷款本息，而拥挤收费通过收费来 引导和调节城市交通，缓解交通拥挤，增加财政收入只是副产品。 新加坡拥挤收费从7 0 年代的区域通行证制度a l s ( a r e al i c e n s es c h e m e ) 发 展到最现代化的电子收费道路e r p ( e l e c t r o n i cr o a dp r i c i n g ) 。a l s 在7 0 年代实施 时，设置一个近6 0 0 公顷的控制区域作为收费区域，在早高峰小时( 7 ：3 0 a m - 9 ：3 0 a m ) 除了公共车辆、高载客率的小汽车外( 含驾驶员三人) ，进入收费区的车辆必须出示 区域通行证。当时通行证每天需要3 新加坡元( 一个月6 0 新加坡元) 。在其它一些措 施的配合下，a l s 的实施效果非常明显，高峰小对交通量下降了4 5 9 6 ( 其中7 0 以上 的为单独驾车) ，平均车速从每小时1 8 公里增加到每小时3 5 公里。使用公交上班的 出行增加了近5 0 ，达到上班总出行的4 6 ，汽车合乘比例也大大提高。 新加坡的e r p 系统是一种简单快捷的车辆使用城区道路收费的电子系统，不需要 派遣执法人员在城区道路收费站门口执勤。道路电子收费系统对不同的机动车辆有不 同的收费标准，而且对不同的时段及道路拥挤状态随时调整。这种变化的电子收费系 统，将鼓励机动车驾驶员选择是否驾驶车辆、什么时候驾驶和在什么地方驾驶。他可 能选择不同的路线、目的地、行车时间，或者就干脆选择不开自己的车辆而使用公共 交通工具的决定。这样就能使闹市区的车辆交通畅通不堵，有节奏、有秩序地充分利 用城区道路。 与新加坡已经实施了二十多年的拥挤收费相比，伦敦是最近一两年才决定实施拥 挤收费。伦敦收费系统也是一种区域通行证系统，收费区域约2 l 平方公里，涉及1 1 3 条道路和8 座穿越边界的桥梁。小汽车和小货车每天收费5 英镑；中型货车每天1 0 英镑；载重货车每天1 5 英镑；公交车、出租车、急救抢险专用车以及残疾人车辆不 收费。收费时段为周一至周五的7 ：o o a m 6 ：3 0 p m 的近1 2 个小时，周末和公众假日不 收费。2 0 0 3 年2 月开始实施收费，实旌收费制度的第二天，伦敦共对2 4 万辆汽车征 2 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 收了交通拥挤费，而1 5 万一2 万的英国市民选择了绕道而行，交通拥堵情况有所缓 解。到2 0 0 3 年8 月，伦敦市中心交通流量减少了大约2 0 ，堵车时间下降如左右， 车行速度提高了3 0 ，交通阻塞现象已大幅度改善聊。目前，不仅英国其它大城市开 始探讨引入该项制度，美国纽约、意大利罗马等大城市也将纷纷效仿。 1 1 1 2 上海实施拥挤收费的必要性 上海城市道路交通流量如今正表现出“三高”，即高峰时段、高流量断面和高流 量方向。在早晚高峰时段内，道路交通还呈现出方向截然相反的“潮汐”特征，部 分放射性主干路高峰小时道路流量双向不均匀比例接近了3 ：1 。全市道路网络向心 交通特征明显，内环线以内的中心城区道路交通容量最小，仅占全市道路交通容量的 1 8 ，但却承担了全市i 3 的交通需求侧。中心区道路网络饱和度已达到0 9 3 ，在 很多地区的路段上高峰小时平均行程车速已低于正常交通临界点，拥堵最严重的地方 位于徐家汇地区o ”。 据上海市城市综合交通规划研究所最近的一份调查显示：徐家汇地区主要道路运 行均处于不堪重负状态，专家在对华山路、漓溪北路、肇嘉浜路、衡山路等1 0 条道 路高峰流量统计后发现，漕溪北路以每秒钟通过i 7 辆车“荣登”车流量之冠，肇嘉 浜路则以每秒钟通过1 辆车而“位居”次席，其它道路的车流量则更低。去年末建成 通车的沪闵高架二期，非但未能从根本上解决入城交通矛盾，相反使徐家汇地区地面 交通更加拥堵。高峰时段从沪闵高架二期蜂拥而至的车流，约有3 0 9 6 进入了徐家汇。 交通拥挤现在越来越集中在城市核心区域和交通主通道。并出现“路修到哪，车就堵 到哪”的现象。不久前，国际一知名设计事务所在做徐家汇地区交通规划时，将某条 拥堵严重的道路由2 车道减为单车道。他们的理由很简单，与其2 条车道堵车，不如 一条堵车，让后来的车辆自行分流。拓宽车道只会吸引更多的车辆汇聚，产生与规划 截然不同的结果，一个很重要的原因在于城市交通需求的增长速度大大快于交通供应 的增长速度。单纯的道路建设已经无法解决城市交通拥挤的问题，而应该采取相应的 策略进行交通流的诱导。 据最近的统计数据，上海的汽车保有量( 不含电车、农用车、挂车、专用机械、 拖拉机) 共约7 7 万辆，其中私车约2 4 万辆。在北京私家车保有量已经突破了1 0 0 万，上海还不到北京的1 4 。这是由于上海采取私牌拍卖的政策，一定程度上抑制了 私车消费。但是上海私牌拍卖的政策一直都受到多方面的质疑，最近又受到国家商业 部的指名批评，一旦上海被强制取消私牌拍卖，上海的汽车保有量将大幅增长，道路 的供需矛盾就更为突出，因此必须采取相关的措施来解决这一矛盾。资深国际交通顾 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 问米彼得在参加“中国城市交通可持续发展的多元化战略国际研讨会”时曾指出，解 决城市交通拥堵，不应该限制人们购买汽车的行为，但可以采用“占有道路空间就需 付费”来控制交通流量。征收“拥堵费”降低了许多没有必要的汽车旅行，提高了公 共交通的利用率。 因此在上海，为了更有效地控制高峰时段的道路交通量，引进“拥挤收费”， 通过价格杠杆。对需要进入城市最繁忙、最拥挤地区的车辆实行收费，控制交通出行 的需求和调节车流的时空分布将是最有效的策略之一。 1 1 2e t c 发展情况 实施拥挤收费从国外实行的情况来看主要有两种操作模式：一种是区域通行证， 另一种是电子收费系统。实行区域通行证制度要求需缴费的通行车辆事先购买一次性 的通行证，在进入区域的路段依靠交管部门现场的监督来保证。采用这种方式，不仅 需要派大量的交警在路口执勤，而且需要有大量的网点保证用户方便地购买通行证， 操作起来人力的成本很高。因此在城市中实行拥挤收费，更适合采用电子收费系统， 电子收费系统分为两种，一种是有人工干预的半自动的电子不停车收费系统称为 盯c ( m a n u a lt 0 1 lc o l l e c t i o n ) ，m t c 有人工判别和输入过程，车辆在收费站停靠， 等待收费完毕才能继续上路，另一种全自动的电子不停车收费( e l e c t r o n i ct o l l c o i l e c t i o n ，简称e t c ) ，车辆行驶在一定的速率以下，不需要停车就可以完成缴费 过程。从国内高速公路收费情况来看，由于g r c 方式，在收费道口车辆通行速度较慢， 已经成为了高速公路的瓶颈。因此以缓解交通拥挤为目的的拥挤收费肯定不可能再采 用m t c 方式。而且在城市中要实行拥挤收费的地段本身是寸土寸金之地，道路面积很 紧缺，也不适宜设立收费亭，因此在城市征收拥挤费应采用最先进的e t c 技术。 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 ) 是国际上正在努力发展并推广普及的一种用 于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。当车辆通过收费口时，车载电子标签自动 与安装在路侧或门架上的微波天线进行信息交换，中心控制计算机根据电子标签中存 储的信息识别出道路使用者，然后自动从道路使用者的帐号中扣除通行费。如果收费 过程失败，当事者的汽车牌照将被拍摄，便于事后进行处理。 1 。1 ，2 1e t c 在国外应用情况 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。在日本，推进i t s 4 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 ( i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ) 被政府和企业提高到很高程度，其中就包括电子不 停车收费。日本采取的是接触式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，具有很高的安全性和车道通行能力和完善的密钥 扩散机制，以及电子标签发行的流通体系。在欧洲，最具有代表意义的联网电子收费 系统之一是葡萄牙的v i av a r d e 电子收费系统，该系统由葡萄牙最大的公路运营商 b r i s a 公司管理，系统采用封闭式和开放式相结合的模式。世界上为数不多的多车道 自由流e t c 系统中最具代表性的是澳大利亚墨尔本都市连接线公路收费系统，于2 0 0 0 年正式投入运营，由瑞典康比特公司提供大部分前端设备和进行系统集成，用户可以 采用登记日通行和使用电子标签两种方式进行付费，该项工程解决了墨尔本市交通拥 堵带来的每年约1 8 亿澳元的高昂费用。 1 1 2 2e t c 在国内的应用 e t c 最早引进我国是在上世纪9 0 年代中期。那时，我国部分经济发达地区的高 速公路车流量激增，导致了收费口交通堵塞、环境污染等一系列问题。据i s o t c 2 0 4 中国委员会统计资料，当年仅广州地区停车等待交费损失的车时就达数百万小时，由 此导致的汽油浪费以亿元计算。1 。伴随着交通流密度的增大，要求的道路服务水平也 在提高，实施不停车的高速e t c 收费业务的需求越来越迫切。 到2 0 0 3 年底为止，我国的电子收费系统成功投入运营的项目概况如表1 1 所示： 表1 1 我国电子收费系统运营项目一览表。3 设备供应商 项目地点技术特点系统规模项目状况 系统集成商 广东佛山、顺美国t i 公司读写型，单片式 4 0 多条e t c 车 9 6 年试运行 道 德、南海等地广东路路通公司9 1 5 m h z 频段目前仍正式运行 约4 万张卡 长沙机场高只读型，单片式 6 条e r e 车道2 0 0 3 年9 月2 日 速 深圳产学研 2 4 5 g h z 频段约1 2 0 张卡开通 四川新源现代公读写型，单片式1 0 条e t c 车道9 9 年开始建设 四川宜宾 司9 1 5 删z 频段约1 万张卡目前已正式运行 北京首都机 美国a m t e c h 公只读型，单片式 司内置电池， 2 条e t c 车道9 7 年底试运行 场高速公路约2 0 0 0 张卡9 9 年正式运行 北京速通公司 2 4 5 g h z 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 厦门海沧大挪威q - f r e e 公司 读写型，单片式 4 条车道9 9 年开始建设， 内置电池， 桥、厦门大桥佛山通达公司约2 万张卡目前已正式运行 5 8 g h z 甘肃尹中公瑞典康比特公司 读写型，单片式 2 条车道2 0 0 1 年建设 内置电池， 路清华紫光公司约2 0 0 0 张卡2 0 0 2 年正式运行 5 8 g h z 瑞典康比特公司读写型，单片式 2 条车道2 0 0 1 年建设 天津津滨路北京清华紫光公内置电池， 约2 0 0 0 张卡2 0 0 2 年正式运行 司 5 8 g h z 广韶高速公广州埃特斯公司 读写型，两片式， 4 条车道 2 0 0 1 年建设 内置电池， 2 0 0 2 年正式运 路广东新粤公司约5 0 0 张卡 5 8 g h z行 广东虎门大广州埃特斯公司 读写型，两片式， 2 条车道2 0 0 1 年建设 内置电池， 桥广东新粤公司 约5 0 0 张卡2 0 0 2 年正式运行 5 8 g h z 山西太旧高广州埃特斯公司 读写型，两片式， 2 条车道 2 0 0 3 年建设试 内置电池， 速公路广东新粤公司 运行 5 8 g h z 1 2 研究的内容及意义 国外实行拥挤收费的经验，以及国内一些不停车收费系统项目的全面运行，为在 国内采用e t c 技术进行城市拥挤收费积累了宝贵的实战经验。 但是国内大城市豹交通硬件条件和管理方式上有很大的差别，在实行拥挤收费时 不能照搬国外的运营模式，需要对城市的交通情况做深入的研究，紧密结合实际再提 出可行的方案，而国内已经上马的e t c 系统还仅限于单车道e t c ，在实行拥挤收费的 城市中心地区也不可能在收费区域作单车道隔离，因此必须采用最新的多车道自由流 ( m u l t i l a n ef r e ef l o w 。简称m l f f ) 。本文以上海城市交通为研究对象提出拥挤收 费的方案，并进行拥挤收费多车道自由流e t c 的开发。 研究工作将围绕以下的内容展开： ( 1 ) 通过分析提出在上海实行拥挤收费的初步方案。 ( 2 ) 定义城市拥挤e t c ( c o n g e s t i n gc h a r g i n ge t c ，简称c c e t c ) 系统的功能、 6 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 工作流程，结合城市拥挤收费的实际，通过比较分析选择合适的e t c 技术 和运营模式。 ( 3 ) 根据国内单车道e t c 实旆经验研究多车道自由流e t c 方案，指出自由流运 作带来的问题并提出解决方案。 ( 4 ) 采用0 0 方法结合u m l 和r a t i o n a lr o s e 工具对实施拥挤收费的收费站管 理系统迸行分析、设计并对收费站a v i 子系统进行实现。 ( 5 ) 在现有的e t c 设备和自行开发的软件基础上搭建实验平台，在路侧系统和 电子标签之间进行大量的交易的实验，收集实验数据并进行分析。 进行这一课题的研究有着多方面的意义： ( 1 ) 关于拥挤收费，在城市交通管理相关的研究和讨论中都开始提出考虑将拥 挤收费作为一个解决城市交通拥堵问题的策略，但是国内关于城市拥挤收 费方案的研究还刚刚起步，在该课题中将拥挤收费的理论研究与国内的实 际结合，着眼于上海交通发展的实际，讨论拥挤收费这一策略的可行性并 提出初步的解决方案，为后续研究奠定基础。 ( 2 ) 国内对于e t c 系统的应用目前还只是应用于车道收费。基本是在单个车道 架设一个或两个天线，同一时间只处理一个交易，而本课题要研究的是城 市拥挤收费e t c 系统，应用的是目前在e t c 领域最先进的m l f f 电子收费 技术，要解决同一时间处理多个交易、车辆在通信区域的换道堵塞等问题， 该系统的实现基于目前国内已经引进的单车道e t c 设备基础上进行，这对 于以后由单车道向多车道过渡和多车道e t c 设备的自主研发都有一定的借 鉴意义。 ( 3 ) 在进行c c e t c 前台系统的开发过程中，采用了面向对象的方法，利用u m l 和r a t i o n a lr o s e 工具进行分析与设计。使用0 0 方法和u m l 为系统建立 了标准化的模型，为e t c 系统进一步的完善或延伸性应用系统的开发提供 了基础的原型。 ( 4 ) 在现有的e t c 设备和白行开发的软件基础上搭建实验平台，在路侧系统和 电子标签之间进行大量交易的实验，收集每个交易处理时间长度的数据， 通过对实验数据的汇总和分析，对提出的方案进行验证，并得出目前系统 所能接收的在通信区域内车辆的最大通行速度，分析影响系统性能的因 素，提出改进建议和措施，为将来c c e t c 系统的工程实施作准备。 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 2 1 技术构成 第2 章e t c 技术简介 对于实际的停车收费系统应用，为了能够高效、可靠地完成收费过程，尽可能地 提高收费口的通行能力，并且让顾客能够接受这种全新的支付方式，它的车道控制系 统中通常包括以下三个子系统咖： ( 1 )自动车辆识别系统 自动车辆识别系统( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，简称a v i 系统) ，使用 安装在门架上或路侧的微波天线查询车载电子标签中存储的识别信息，如电子标签i d 号码、车型、车主等信息，以辨别车辆是否可以通过不停车收费车道。电子标签通常 是可以读写的，在采用“封闭式”收费制式的高速公路上，入口车道天线要向电子标 签写入收费站信息，在离开高速公路时，通过读出入口信息计算通行费。自动车辆识 别系统是构成不停车收费车道的最基本系统，通常由车载电子标签、天线、天线控制 器和计算机系统组成。 ( 2 )自动车型分类系统 自动车型分类系统( a u t o m a t i cv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n ，简称a v c 系统) 利用装 在车道内和车道周围的各种传感器装置来测定通过车辆的类型，并与车载电子标签的 车型数据进行核对，防止故意换卡违章使用，保障电脑系统按照正确的车型实现收费。 ( 3 ) 逃费抓拍系统 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 ，简称v e s 系统) 用于抓拍未安装有 效电子标签并冲闯不停车收费车道的汽车牌照图像，确定选费车主并进行相应处理。 对于高速不停车收费车道，逃费抓拍系统是必需的。对于低速不停车收费车道，也常 常采用高速自动栏杆迫使违章车停车。 国内的e t c 系统主要采用了a v i 技术，后两种技术比较少采用。虽然在多车道自 由流系统中建立一套高精度逃费取证处理系统，现场抓拍捕捉车辆逃费证据，以便于 事后依法处理，是非常必要的，但由于实验条件的限制，在本系统中主要考虑a v l 子系统问题，这也是c c e t c 需要解决的关键问题。 2 2a v i 子系统设备组成 e t c 系统从设备上主要分为路侧处理单元( r o a ds i d eu n i t ，简称r s u ) 与车载 8 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 处理单元( o nb o a r du n i t ，简称o b u ) ，路侧系统单元主要由交易控制器和车道天线 组成，车载处理单元是安装在车辆内的电子标签，路侧系统与电子标签利用微波通讯 技术进行数据交换，从而实现通行车辆的不停车收费。载有电子标签的车辆进入e t c 收费车道，车道天线读写车载电子标签信息，车辆不需要停车，直接通过收费区域， 实现车辆的快速通行，大大提高了车道的通行能力。 交易控制器与车道天线使用同轴射频电缆相连接，交易控制器与车道控制机通过 t c p i p 局域网方式连接，实时与车道控制机进行数据传输。 虽然不同的厂家提供的设备不尽相同，但是设备功能大同小异。以瑞典康比特 公司的t s 3 2 0 0 0 5 的e t c 设备为例，设备组成如图2 1 所示： 图2 1 眦路侧系统设备构成图 主要设备的功能如下： 1 。车道天线、交易控制器- r s u t s 3 2 5 i o i a 车道天线是路侧处理单元与车载电子标签之间的传输中介，天线具 有防水、防雷、防冻、防晒等恶劣天气条件下的高可靠性和稳定性。当e t c 收费的车 辆通过收费车道时，车道天线发射微波激活信号，唤醒电子标签，电子标签与交易控 制器之间经过双向认证，与路侧处理单元之间进行数据交换。路侧处理单元将得到相 应的交易数据，发送给车道控制机，经车道控制机处理后上传至交易数据库，相应处 理信息经车道控制机返回给交易控制器，并写入电子标签。 ( 1 ) t s 3 2 3 6 0 1 b 交易控制器 9 关于城市拥挤收费和电子不停车收费系统的研究与开发 t s 3 2 3 6 o i b 交易控制器用来完成部分e t c 交易，并可使e t c 系统集成更加简单 快捷。它使用t c p i p 协议的以太网接口与车道控制机通讯，这使得主机可使用标准 驱动软件即可与交易控制器相互通信。 该交易控制器支持微波频率为5 8 g h z 专用短程通讯标准，其数据链路层和应用 层分别符合c e n 标准e n v l 2 9 7 5 、e n v l 2 8 3 4 。该控制器同时也符合g s s 工业技术规范 和i s o1 4 9 0 6 。 交易控制器的主要功能是处理了电子收费系统e t c 中的d s r c 通讯链路中所有的 信息交换，使应用d s r c 变得简单，减少了车道控制机的复杂性和工作量。交易控制 器能和任何基于事先定义的交易方式p r o f il e 符合c e n 和g s s 的电子标签进行交易。 交易控制器中内置的基本交易方式p r o f i l e 将能处理所有基于a 1 的交易( a i 是一种 交易方式p r o f i l e 的名称，交易方式p r o f i l e 中定义了交易的步骤和每个步骤利用的 服务原语以及传递的参数) 。 所有的安全功能包括先进的基于d e s 或三重d e s 的双向认证都由交易控制器内部 处理完成。因为e t c 和d s r c 的主要功能已植入了交易控制器中，所以该控制器可保 证在基于c e n 、g s s 、a 1 标准的应用场合中的兼容性。交易控制器的其它功能，包括 设置初始化程序指令、微波监视功能等，还允许设置一些非常关键的参数如频道、电 源电压值等来满足安装的需要。 交易控制器连续的检测功能可以在故障发生的时候传递报警信号和出错信息给 车道控制机，交易控制器系统的升级可通过f t p 或t e l n e t 等远程控制方式完成，适应 未来扩展的功能需要。 ( 2 ) t s 3 2 5 i 0 1 a 单车道天线 t s 3 2 5 i 0 i a 单车道天线是t s 3 2 0 0 0 5 车道系统的组成部分。遵循微波频率为 5 8 g h z 的专用短程通讯( d s r c ) 标准。该天线的设计符合e n v1 2 2 5 3 、e n v1 3 3 7 2 和g s s 技术规范的严格要求。遵循标准规范不仅确保了将来实现的兼容性，更重要的 是，它最大限度地避免了与其他系统的不必要的、无法控制的干扰。 当天线被安装在单车道正上方时，天线通讯区域的范围和形状即处于最优状况。 整个天线的良好设计确保了通讯区界限分明，从而使在实际运作中出现诸如相邻车道 的交叉读取电子标签等问题的可能性达到最小。在c e n 标准给定的规定范围内，天线 的某些参数可由路侧系统的软件来设置，诸如频道和发射功率等重要参数，因此可满 足特别的安装要求。由于产品的高度的稳定性能，设备的保养成本因此降至一个很有 限的幅度。设备能高效地连续运作并具有状态监控功能，当故障发生时能及时向路侧 系统报警，因此设备故障时间得以进一步降低。 t s 3 2 5 i 0 1 a 车道天线安装于车道龙门架的正中央( 或收费天棚的网架结构上) ， 1 0 离地高度5 5 米，以铅垂线为基准下倾5 5 度角，以确保路侧处理单元形成的通讯区 域范围内只能存在一辆车。车道天线的工作频率为5 7 9 7 5 5 8 1 2 5 g h z 频段，子载波 频率分别为1 5 删z 和2 o m t i z ，软件可调，避免了相邻车道之间的频率干扰情况的发 生。 ( a )( b ) 图2 2 车道天线架设示意图 ( a ) 侧面；( b ) 正面。 2 t s 3 2 0 4 电子标签车载处理单元 t s 3 2 0 4 电子标签符合c e n g s s a l 标准以及e n vi s o