（计算机应用技术专业论文）网络环境下的etc系统的设计及实现.pdf

南京航空航犬人学硕 论文 摘要 佶前，我困大力发展交通事业，许多高速公路迅速兴建，但是收费系统并1 i 尽 如人意。尤其是e t c ( 自动收费) 技术在我国还处于一个起步阶段勺本文结合江苏 、。 、 。 省高速公路联网收费系统，讨论了一些流行的e t c 技术，并对这些技术进行了分析 和比较，并介绍了自动收费系统的设计和实现。同时，文中还探讨了人工收费和自 动收费合成的三种模式的优缺点。另外，作者结合实际经验，还对远程数据传送提 出了两种完全不同的方案，文中详细介绍了两种方案的设计。最后，本文对我国e t c 技术提出了展望。 a b s t r a c t i o n a tp r e s e n t ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h et r a f f i cu n d e r t a k i n gi no u rc o u n t r y ， m a n ys p e e d w a y sa r eb u i l tq u i c k l y , b u tt o l l i n gs y s t e mi s n o tv e r yg o o d t h et e c h n i q u eo f e l e c t r o n i ct o l l i n gc o l l e c t i o ni sv e r yp o o ri no u rc o u n t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ep o p u l a r e t ct e c h n i q u ea r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e da c c o r d i n gt os p e e d w a yt o l l i n gs y s t e mo f j i a n g s up r o v i n c e ，a n dt h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z i n go ft o l l i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d a tt h e s a m et i m e ，t h ea d v a n t a g ea n dw e a k n e s so f t h r e em o d e so ft h em e r g e n c eo fe t ca n dm t c a r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，a u t h o rc o m b i n e p r a c t i c e ，p u tf o r w a r dt w oe n t i r e l yd i f f e r e n tp l a n s t os o l v et h ep r o b l e mo fl o n g d i s t a n c e d a t at r a n s m i s s i o n ，t h ed e s i g no ft h ep l a n s i s i m r o d u c e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i nt h ee n d ，a u t h o rf o r e c a s tt h e e t ct e c h n i q u ei no u r c o u n t r y 筇l 页兆i 页 南京航。航人人学硕卜论文 第一章e t c 介绍及系统设计背景 1 1 e t c 介绍 e t c 系统( e l e c t r o n i ct o l l i n gc o l l e c t i o n ) 即应用于高速公路上的电子收费系统， 主要利用车辆自动识别系统技术，通过收费设施的发射和接收装置读取和识别车辆 l 车载应答器或车牌照的信息，在不需要司机或其他收费人员采取任何操作的情况 卜完成收费处理过程，因此我们平时又称它为“不停车收费系统”。 e t c 系统是集自然科学技术( 计算机技术、无线通讯、网络技术、图象识别技 术等) 、社会科学( 管理机制、教育、政策、法规、道德等) 和金融等先进技术于 体的综合系统。从e t c 技术的形成和发展、硬件产品的丌发过程、标准化和系统实 旌( 单一系统和网络环境下的系统) 等划分，e t c 技术的总体发展趋势可划分为三 个大阶段。 1 基础理论研究和移植阶段( 4 0 年代8 0 年代) 利用车道设备( 读写天线或发射接收装置) 识别目标车辆的车载应答器以便于 向道路使用者收取特定费用的自动车辆识别技术起源于第二次世界大战使用的目标 识别系统。雷达系统检测到天空的飞机时，在雷达的屏幕上显示一亮点，但雷达不 能确认该飞机是敌机或友机，而是通过雷达系统进一步与飞机驾驶员确认，如果飞 机驾驶员不参与确认，那么就无法判断了。解决的途径是在友机上安装预编码的应 答器，出于保密原因，应答器的编码可经常改变，以后应答器编码还包括飞机类型 等其他信息，如果雷达检测到的飞机，无应答器或应答器没有反应，那么就可确认 浚飞机不是友机。 目标自动识别技术弗不是直接从军用转为电子收费系统，而是首先用于大型军 工或大型民用企业产品生产过程控制，并在此基础上形成电子收费技术的原型，这 也是早期电子收费系统体系( 标准) 很难形成的原因之一。 2 系统技术丌发和标准化形成阶段( 8 0 年代2 0 0 0 年) 这一阶段主要完成电子收费系统的成熟技术和标准化，主要内容有： 实验和实施了各种不同车辆自动识别技术、无线电频率( r f ) 微波、感 应线圈、光红外线( 条形码) 和表面波( s a w ) ，确定了无线电频率( r f ) 微波作为电子收费系统中的车辆识别技术。 研制和丌发了三代车载应答器及其读写天线：只读、可读写、可读写+ i c 网络环境1 - e t c 系统的改计和实现 等接1 1 、三片式( 应答器灭线与主体+ i c 等接门分离) 。本f l j = 纪内t 要采 用读写和带以别卡( i c 卡) 的应答器。从9 0 年代中后划玎始实施的 b 子收费系统均采用带智能卡的i i ，读写应答器。 政府部门、收费公司和制造商充分认t ! 到电子收费系统通用性的重要性， h 本和欧洲标准化委员会制订了各自的标准。其中物理层( l 1 ) 采用5 8 g h z 是大坍所趋。 实施单+ 收费公司属f 的路桥电了收费系统：放式、封闭式：专用车道、 混合车道和令电予收费( 多车道、自山流) ，建立多收费公司拆帐模型， 并进行相应的软件开发。 研制和丌发了自动分车型装置并投入实际工程中应用。 研制和开发了车牌号码图象自动识别技术，并投入实际工程中使用。 建立了电子收费系统实施模型，系统的精确度、可靠性和安全性已达到很 高的要求。 可实施多种付款方式：主要有预付、银行转帐和银行自动电子帐目交换， 以后将逐渐采用信用卡和电子钱包支付方式。一般不采用后付方式。 3 网络环境下电子收费系统的实施阶段( 2 0 0 0 年2 0 1 0 年) 在1 9 9 8 年之前实施的电子收费系统大多是采用带有专利性质的技术规范，读写 天线与应答器之间的传输速率、调制方式和通讯协议均由生产厂家自行规定，所以 各系统间是无法通用的。因此各国都在加紧标准制订和执行，使之在网络环境下使 用。 1 2 系统的目标和任务、及完成情况 1 2 1 系统的目标和任务 随着高速公路的发展，以前的一路一公司，每条路( 甚至一条路的每一段) 、每 座桥都封闭独立收费，阻碍了交通发展。减少主线收费站和减少停车次数成为发展 方向。 本系统的设计目标是将江苏省几条高速公路( 沪宁高速公路、锡澄高速公路、 江阴长江公路大桥等，图1 1 ) 进行连网收费。这样，江苏省的主要几条高速公路将 连为个大网，车辆进入这几条路的任何一个入1 5 1 ，经过几条分属不同公司的高速 公路后，在路网的任何一个出口去，只需要交纳一次费用。这样卅真正体现了高 速公路的高速化。 筇2 页儿5 0 页 南京航卒航火人学硕十论文 图1l 项目的位置 在设计时，按照江苏省交通厅批准的“路网收费、分路计价、一次缴费、逐车 分帐、每班结算”的原则执行。 “分路计价”是指在计算金额时，通过的每一条路按里程分别计费。 “一次缴费”是指经过路网只需交一次费。 “逐车分帐”是指对每一辆车进行分帐，在票据上打印“x x 高速公路：x x 元、x x 高速公路：x x 元”。 “每班结算”是指一天分为三个班。每班下班后，收费站、分中心、中心即打 出各种报表，统计出总的收费余额、各家公司应分的款项等。 因此系统必须达到以下几个要求： 系统在恶劣环境和高速行驶条件下的高可靠性。 系统运营的保密性、安全性。 数据远途传送的可靠性。 大量数据传送的高稳定性。 各收费公司阳j 数据进行拆帐的正确性。 系统的可扩充性。 户避免电磁干扰。 收费公司和用户的经济性。 整个系统又分为以下几个子系统： 篇3 页l g5 0 页 刚络环境fe t c 系统的吐计干实现 户m t c ( 停车收费) 系统 e i 、c ( 不停车收费) 系统 收费站、分中心、中心报表系统 收费站实时监视系统 收费站多媒体图象采集系统 数据传送系统 收费站设备监视系统 本人在其中主要负责e t c 系统和数据传送系统，并参与“tm t c 系统和检索模 块的设计和丌发。 1 2 2 系统完成情况 经过一年的努力，所有的模块都编制完成，以上各个要求基本上都已达到。大 部分程序都已投入使用，并且运行良好稳定。有些收费站一f f 通过的车辆有几力辆， 系统完全可以承受这种负荷，并做到准确无误，使几家收费公司都很满意。这个系 统获得了江苏省交通厅的高度评价，并准备将正在建设的几条高速公司也并入路网。 第4 页共5 0 页 南京航空航天人。1 硕r 沦文 第二章e t c 车道的设计和实现 2 1 不同e t c 技术的分析和比较 目的所有的e t c 技术的工作原理均为： i 接收从车辆发射出的己调制的电磁辐射： 2 将包含在传输信号中的信息分离、恢复； 3 使用计算机从数据库中确认该车辆的应答器。 现有的e t c 技术均能完成上述工作，所不同的是实现的原理不同。 2 1 1 感应线圈系统( i l s ) 在e t c 技术中使用低速率( 小于2 0 0 k h z ) 的是感应式线圈系统。该系统是通 过埋在路面下的l o o p 线圈天线与安装在车辆底部的应答器通信。路面下的线圈天 线发出访问信号，应答器响应信号将包含有应答器内存储的信息。感应线圈系统 般是主动式的，属于最早的e t c 技术。 i l s 的优点： 由于天线与应答器的距离教近，具有较高的可靠性： 维修保养方便； 受电磁干扰的可能性较低： 不受邻近车道和周围车辆的干扰； 不受天气条件的影响： 先迸的交通管理和行车诱导信息系统可共用感应线圈。 i l s 的缺点： 传输介质的带宽( 频率) 较小导致其传输速率较小； 车辆须为应答器提供电源( 主动式) ； 应答器安装较为困难，导致系统成本较高； 2 1 2 光学系统 有两种e t c 技术采用光或接近光频率识别车辆。 笫5 页共5 0 页 网络环境re f c 系统的殴汁 ij 实现 第一种光或接近光频率e t c 系统是直接读耿车牌号码，然后从车辆注册数掘 库中识别该车辆。! 车辆通过收费亭时，摄象机拍摄车牌图象，将图象数字化读取 车牌号码。一般地，图象数字化处理需要近1 秒的时问，所以不一一j 能通过多次重读来 提高可靠性。在自由流和高速争用e t c 车道中，车牌自动识别是不可缺少的辅助系 统。 车牌自动识别的优缺点： 不需要专门的车载应答器； 不受附近车道和车辆的于扰； 数字化处理的计算工作量相当大； 图象处理需要较长时问使得通过多次重读提高可靠性的可能很小： 车牌不清洁、损坏、车牌位置和能见度对车牌的识别有很大影响： 可靠性不高，一般为8 0 9 5 ，增加人工识别其精确率也只能达到9 8 ； 要求车牌是全反光的。 另一种光或接近光频率e t c 系统是用条形码作为车载应答器。其工作原理是激 光束不断地对可能出现车载应答器的区域进行扫描，并从返回信号中读取车载应答 器的代码，此系统也称为红外线条形码e t c 技术。 条形码系统的优缺点： 与车牌自动识别系统相比其可靠性较高； 车载应答器很简单，仅为印刷上条形码的粘贴带： 不受车道之问的干扰： 与车牌自动识别系统相比其读取速度快多了： 与其他e t c 技术相比，条形码容易被复制； 受雨、雾和应答器上污物或水伤的影响大： 其可靠性比微波系统的应答器低； 对车辆的位置和车速有很严格的限制。 2 1 3 主动式r f 微波系统 主动式r f 微波系统是采用微波频率与车载应答器进行通信，所有主动式r f 微 波系统，由于具有高通讯速率，可进行多次通讯传输( 冗余) 提高可靠性：其通讯 传送过程在“瞬问”中完成。在主动式r f 微波系统中有主动式应答器和被动式应 答器两种。主动式应答器自身能生成微波信号，主动式应答器需要电源( 电池或与 车辆电源连接) 。被动式应答器简单地把接收到的信号反射回去，被动式应答器可以 有电源或不需要电源。在自动式应答器系统中，读写天线发射非常短的访问信号触 托6 页儿5 0 贞 南京航卒航人人学硕 论文 发i 、v 答器工作电路，应替器产生微波信号( 含有应答器中存储的数据) 发送给读写 天线。读写天线将信号解码并送给计算机系统。 主动式车辆应答器的优点： 由于应答器不是从接收的微波信号获得能量，所以其工作范嘲比被动式大； 由于应答器发送给读写天线的信号强度比被动式高，所以其可靠性更高： 由于信号强度高，受电磁干扰的机会就较少。 主动式车辆应答器的缺点： 应答器电路结构更复杂，制造成本相对较高； 由于信号强度高，车道之问相互干扰的可能性增高： 应答器必须有电池或使用车内电源。 2 1 4 被动式r f 微波系统 被动式r f 微波系统使用被动式车载应答器读写天线通常不断地发射信号，该 信号被车载应答器接收并反射给读写天线，反射信号量( 反射信号是经调制的) 取 决于应答器中储存的信息量。读写天线也将收到的信号解码还原成数据，并传送给 计算机。被动式r f 通信有时也称为“反射”法。 被动式应答器的优点： 应答器不需要与车内电源相连接； 与主动式相比应答器的电路结构较为简单； 由于信号较弱车道问相互干扰的机会少。 被动式应答器的缺点： 与主动式相比可靠性较低： 由于信号较弱对电磁干扰较为敏感； 工作范围较小。 2 2 5 表面波( s a w ) s a w 使用与r f 微波大致相同的频率，s a w 和r f 微波系统的主要差别是s a w 应答器的不可编程。s a w 技术的工作原理是由e t c 天线发射的低功率信写被应答 器天线俘获和激发锂晶体，并沿着其表面调整声波。声波沿着晶体表面运动到达金 属纹路将原来的信号延时反射回去，达到识别车辆应答器的目的。 采用s a w 技术在应答器中存储信息的优点： 应答器不叮能被复制； 筇7 页共5 0 页 网络环境pe t c 系统的波计千实现 户应答器的电路结构简单，制造成本低： ，应答器小需要电源。 采用s a w 技术在应答器中存储信息的缺_ ： 应答器不可能预编程： ，r 作范围有限( 最大为1 5 f t ) ； 由于微波能必须转为机械能，其传输速率低。 2 1 6 本系统方案 在收集了一系列的资料，并对部分产品做了测试后，我们做出了以 二的比较。 经过丌发人员讨论，并与甲方进行协商，确定使用主动式r f 微波系统，应答器 内置电池，每个电池可使用半年。 原因如下： 主动式r f 微波系统的可靠性是所有方案中最高的，这也是选择它的最主要原 因。因为牵扯到分帐的问题，所以系统的可靠性和准确性是必须放在首位的。 现在各个收费站都是以m t c ( 人工收费) 为主，e t c 为辅，一个收费站仅有两 条e t c 车道( 一入一出) 。因此不存在车道间相互干扰问题。 2 2 网络环境下e t c 系统收费站的车道特征 2 2 1 “开放式”和“封闭式”系统的识别 “开放式”系统是指公路中有多个出口，可以自由进出，收费站设在路的中间 车辆经过收费站就要缴费，收费的金额是固定的。如图2 1 所示。 。ll0 、 厂 、 。 、 厂 - 一 站1 收赞站2 收费 图2 1 “丌放式”收费站 筇8 页批5 0 页 南z ! 航空航天人学硕十论文 “封闭式”收费站是指将道路全程封闭 入口、出口均建立收费站。收费时通过纸牌、 收费。如图2 2 所示。 道路两端设立收费站，中问的每一个 i c 卡等识别入，按经过的距离进行 父父 一 了 厂 、 ( # 均表示收费站 图2 2 “封闭式”收费站 电子收费系统和一般的人工、半自动收费系统一样，对于“丌放式”和“封闭 式”有不同的收费方法( 参数) 。不论何种付款方式，应答器本身不能识别“开放式” 或“封闭式”，但应答器的可读写区内能记录高速公路的代码和类型( “开放式”或 “封闭式”) 、入口( 出口) 站址、入口( 出口) 方向和时间、日期等信息，应答器 是根据读写天线的指令进行付款操作的。在网络环境下的“开放式”和“封闭式” 电子收费是由系统本身事先确定的，由读写天线传给应答器。 2 2 2 “开放式”和“封闭式”系统的选择 传统的封闭式电子收费系统的站点布设和人工( 半自动) 封闭式系统一样。收 费方式也是根掘车辆行驶距离等参数确定的。这种布设方法适合于短距离高速公路。 但是在网络环境下的高速公路( 开放式、长距离封闭式和短距离封闭式) ，如果应答 器是可以移动的，司机在长距离封闭式高速公路途中可以交换应答器，利用缩短早 程达到作弊的目的。同时，封闭式系统与丌放式系统相比需要更多的收费站和通信 设备，但计算机系统的数据处理量和复杂性比开放式小。人们普遍认为增加计算机 处理数据量比增d n ； b 场设备无论从系统可靠性和成本考虑都是合适、可行的。在实 际项目设计中，应充分比较“丌放式”和“封闭式”的优缺点，耿长补短，保证系 统的可靠性和防止作弊。 第9 页基5 0 页 网络环境l 、e t c 系统的殴计和实现 2 2 3 电子收费车道布设和特征 a 高速专用e t c 车道( 1 0 0 k m h ) 高速专用e t c 车道一般小需蛰车辆减速，适合于自由流全电子收费系统或高速 公路主线收费站。适合于车辆应答器安装率达到8 0 9 0 的“封闭式”或“j i ：放式” 路桥。其收费车道靠设见图23 。高速专用e t c 车道配置的e t c 设备育：e t c 读写 天线、车辆定位天线、自动分车型装置、车牌摄像机( 无应答器车辆则摄取车牌号 码) 、照明系统( 红夕卜线) 和路侧控制单元等。 第1 0 页共5 0 页 南京航空航天人学硕十论文 图2 3 两种高速专用e t c 车道 b 低速专用e t c 车道( 控制电动栏杆抬起和落下。 对通过车道的车辆计数。 对特殊收费车辆发报警信息。特殊车辆指的是公务车、军车、无i c 卡车、 欠费车等不按正常金额收费的车辆。发出报警信息后，收费站的多媒体采 集程序会将该车拍照，以备将来查询。 收费车道人工收费系统特点： 使用非接触i c 卡作为通行券 在车道上对每一辆车的通行费进行分配 数据多级备份和核对 自动检测网络故障和硬件故障 车道视频图象显示 第1 7 页j e5 0 页 网络环境re t c 系统的设汁和实现 3 1 2 m t c 入口车道简单流程 图3 1m t c 入口车道简单流程 痢1 8 页共5 0 页 南京航空航天人学硕i 论文 3 1 3 m t c 出口车道简单流程 图3 2 m t c 出口车道简单流程 筇l ) 页共5 0 页 3 1 4 m t c 收费系统界面 图3 3 m t c 主界面 3 2 m t c e t c 系统的切换 3 2 1m t c e t c 切换系统的设计 本系统的车道为混合车道。所诮混合牟道就是有、无应答器的乍辆均可通行， 即彳i 仅要处删装有应答器的电子收费车辆，还要处理人： 收费牟辆，混合车道除配 置e t c 设备外，还需配置人 收费设备，并进行连动控制。因此如何使各部分外设 协训：j t f i ! ，备种! 辆顺利通行，将足混合车道设计方案解决的，疑键问题。 i i 常情况r ，e t c 系统处于运行中。当辆没有或带有无效腌答器的车试图通 过e t c 通道时，f i 动栏杆天闭，界嘶上出现m t c 界面，特殊键搿激活。收赞员进 行矿常的收龄操作j _ 乍辆驶出与：道时，系统会切换到正常状态，m t c 外嘶消失， 特殊键盘被锁死。 34 嵌可i 现场功能操作流程。 南京航空航天人学硕士论文 图3 4 e t c m t c 切换流程 3 2 2 e t c 与m t c 切换系统实施的三种方案： 方案一：e t c 和m t c 软件、硬件为独立。e t c 有一套完成电子收费的软、硬 件，m t c 有一套完成人工收费的软硬件。由e t c 的路侧控制单元和m t c 的车道控 制机共同控制自动栏杆和通行信号灯，如图所示。当天线确认为无效应答器后，启 动m t c 处理，把对栏杆和通行信号灯的控制权交给m t c ，m t c 处理完成后自动把 控制权交给e t c ( 见图3 5 ) 。 第2 i 页共5 0 页 网络环境。i - e t c 系统的设计和实现 图3 5 方案一 这种方案m t c 和e t c 软件相对独立，对m t c 和e t c 的开发者来说，只需精 通各领域的技术，不需知道对方怎么做。这样做路侧控制单元和车道控制机之间对 外设的控制权交换需要频繁通信，采用哪种通信方式最好，需要进行试验。路侧控 制单元和和车道控制机都要控制栏杆和信号灯，能否做到协调，也需要大量试验。 这种方案需要二种服务器，e t c 数据送入e t c 服务器，人工收费车道的数据送 入m t c 服务器，存在数据合并问题，因为m t c 和e t c 和数据相互独立，站一级 m t c 和e t c 管理也相对独立。 方案二：只使用一台计算机做为混合车道的控制计算机，需要一套软件，这台 计算机完成路侧控制单元和车道控制机的所有功能，栏杆和通行信号灯只由这台车 道控制计算机控制，减少了协调处理的麻烦。当装有有效应答器的车辆进入混合车 道时，车道控制计算机做相应的e t c 处理，当无应答器或装有无铲应答器的车辆进 入混合车道时，计算机做相应的m t c 处理，不需要计算机之间的通信。只需根据 天线的返回信息即可。如图3 6 示意： r 厂_ 1 厂_ 1 im t c 服务器卜一混合车道的车道控制计算机卜叫天线、栏杆和通行信号灯j 1 _ ji ，ji ，_ j 图3 6 方案二 这种方案需要将m t c 和e t c 完成的功能有机结合在一套软件中，软件工作量 大，难度大而且需要编程人员同时精通m t c 和e t c ，知道m t c 和e t c 的数据结 构、操作流程。这种方案只需一种服务嚣，可将混合车道的m t c 和e t c 的数据放 在数据库不同的表里，在收费站的报表中就能完成数据合并，在收费站一级i c 卡的 数据完整，便于管理。 方案三：把m t c 的车道控制机看作是混合车道的车道控制计算机，把e t c 的 路侧控制单元看作是同非接触式i c 卡读写器一样的车道控制机的外部设备，由m t c 的车道控制机控制栏杆和信号灯。需要两套软件，一套在车道控制机上，完成m t c 功能及对栏杆和信号灯的控制，另一套在路侧单元上，主要完成e t c 功能及天线、 车道机的信息交换功能。 这种方案e t c 和m t c 相对独立，只有车道机才有对栏杆和通行信号灯的控制 权，不会有协调处理的麻烦。 赫2 21 豇共5 0 页 南京航空航天大学硕士论文 当装有有效应答器的车辆进入混合车道时，路侧控制单元作相应的e t c 处理， 处理完后与车道控制计算机通过串口 江阴长江公路大桥 广靖高速公路 江广高速公路 淮江高速公路( 在建) 沂淮高速公路( 在建) 4 1 1 网络拓扑结构 采用路由器( r o u t e r ) 将站、分中心及中心局域网连接成为广域网，网络的拓扑 结构为星形( 也称树形) 结构，如图4 1 所示。 采用星形结构的原因如下： 站间的距离长达几百公里，因此采用全互连耗资太大。 线路采用光纤，光纤的特点是信号稳定、衰减较小、速度快，并且保护很 好，不易损坏，同时价格昂贵。 第2 5 页共5 0 页 匿on球鹾口n s 匝素姆姆匿寸匝 离林柔盎魁星攥帕u-|a l辉薛瓣匿 南京航空航天人学硕士论文 为方便集中控制和管理，所有收费站路由器采用相同配置的c i s c o 2 5 0 1 ( 1 l a n + 2 w a n ) ，分中心采用相同配置的c i s c o2 5 2 2 ( 1 l a n + 1 0 w a n ) ，收费中 心因考虑到今后路网扩展的需要，采用模块化设计的路由器c i s c o3 6 4 0 ，可根据用 户需要进行扩展。路由器操作系统为c i s c o 公司的i o s ( i n t e r n e t w o r ko p e r a t i n g s y s t e m ) 1 1 0 。路由器通过非屏蔽双绞线( u t p ) 连接至各级局域网的h u b 上。路由 器之间通过数据专线连接起来。 南京、镇江、常卅i ：i p , 、无锡东及苏州东5 个收费站因距离收费分中心较近，不 使用r o u t e r 连接，在分中心至收费站已敷设了单模光纤，因此使用n b a s e 公司的 r j _ 4 5 一一光纤转换器进行连接。 数据通道由通信系统p c m 设备提供，站到分中心速率为1 2 8 k b p s ，分中心到 中心速率为5 1 2 k b p s ，接口为非i e e e 标准的2 6 p i n 接口，使用转换线将其转换成 v 3 5 接口或c i s c o 路由器的d 8 6 0 接口，由通信机房或至收费站监控室或由通信设 备机架至控制台的转接线通过房间时沿墙角布置，并使用线槽以加强防护。 4 1 2 网络数据安全性 建成后的收费系统广域网具有较高的安全性，因为其有以下特点： 广域网的通信线路采用通信系统提供的专用通信线路，因此是一个封闭的 系统，只有通过收费系统使用的计算机才能迸入该网络，而收费系统的操 作系统对收费站的操作人员是不开放的； 采用m i c r o s o f tw i n d o w sn t 网络操作系统和m s s q ls e w e r 数据库管理 软件，通过严格的权限和口令管理，可以杜绝非法操作，保证系统不被破 坏： 每条线路由p c m 设备在两端进行物理加密和解密： 收费中心是路网收费的核心部分，担负着路网管理和拆帐的功能，联网收 费后，收费中心服务器系统的安全性和可靠性是至关重要的，因此在收费 中心采用r a i d5 冗余磁盘阵列和双机热备份模式( s f t 3 ) ，通过高可靠容错 软件，来保证收费中心服务器系统的硬件、软件、数据库的高可靠性和连 续可用性。 广域网建成后，特别重视防病毒工作，一方面通过防病毒软件进行预防，另一 方面要制定严格的管理制度，严格杜绝与系统无关的软盘和光盘的使用。防病毒软 件建议在服务器端采用美国c h e y e n n e 公司( 夏恩) 的i n n o c u l a nf o r n ts e r v e r 和 i n n o c u l a nf o rs q ls e r v e r ，客户机端采用n o r t o n 公司的a n t i - v i r u s 。 网络环境fe t c 系统的设计平f 实现 4 2 数据的备份和恢复 备份及恢复是所有网络灾难恢复计划的主要组成部分，收费数据因涉及收费金 额，且收费具有延续性，本系统对数据进行四级备份，即车道机两份( e t c 用e x c e l ， m t c 用f o x p r o ) ，一份在硬盘，另一份在电子盘，本地收费站一份( s q l s e r v e r ) ，收费分中心一份( s q ls e r v e r ) ，收费中心一份( s q ls e r v e r ) 。 收费站的数据都保存在硬盘中。 由于收费中心汇总了整个路网的收费数据，因此在收费中心每天0 ：0 0 自动对 重要的数据用光盘进行备份。 在发生故障后，可以用两种方法进行恢复。 1 数据升迁或下载 即把车道机的数据重新传送到服务器，或把服务器中的数据复制到本地。车 道收费软件和收费站管理软件都能实现这一功能。 2 光盘恢复 筇2 8 页共5 0 页 南京航空航天大学硕十论文 第五章数据的远程传送 在收费中心，需要实时将当前的交通流量、钱款收入、通行卡的流通情况等数 据表现出来，并达到实时拆帐、监控整个路网的目的。 由于本系统的数据量非常大，因此如何高效实现远程数据传送，以达到准实时 的目的，成了系统的关键。 传输数据计划每5 分钟传输一次，数据传输采用站一分中心一中心。 为了实现这个目的，在几个月来尝试了以下两个方案： 第一、使用s q ls e r v e r 的复制功能实现数据传送。 第二、用编程实现数据传送。 5 1 使用s q ls e r v e r 的复制功能实现数据传送 从理论上来讲，利用s q ls e r v e r 的复制功能来实现数据传送是最合适的，因 为这是s q ls e r v e r 自带的功能，是一项非常成熟的技术。所以本文最先考虑的就 是这个方案。 5 1 1s q ls e r v e r 的数据复制原理 s q ls e r v e r 数据复制基于“出版一订阅”模型， 者三种服务器构成。 1 出版服务器 出版服务器标识其数据库中有哪些数据用于复制， 护该站点中的所有出版信息。 它由出版者、分发者和订阅 并检测这些数据的变化和维 出版服务器所出版数据的最小单位是条目，出版条目可以是数据库中的表或存 储过程。s q ls e r v e r 允许对所出版的表添加纵向或横向过滤器，从而使出版条目 中只包含表中的某些列或其中的某些数据行，一组出版条目的集合构成一个出版物。 2 分发服务器 分发服务器用于存储复制数据和接收对复制数掘的更改，s q ls e r v e r 7 0 还允 许修改订阅服务器所接收到的出版物。 3 订阅服务器 订阅服务器对出版物的订阅方式有推订阅和拉订阅两种，s q ls e r v e r 中的每 第2 9 页共5 0 页 网络环境fe t c 系统的设计和实现 个出版物都支持推订阅和拉订阅两种订阅方式。 推订阅是指当出版物内容被修改时，由出版物服务器通知订阅服务器，而不需 要订阅服务器进行查询。推订阅的优点是订阅服务器能够及时了解出版物数据的改 变情况，但它相应加重了出版服务器的负载。所以，推订阅适合于需要近乎实时要 求的数据复制领域。 拉订阅是指由订阅服务器定期轮询出版服务器中出版物内容是否改变，之后决 定是否需要进行复制。拉订阅能够减轻出版服务器的负担，所以常用于拥有大量订 阅者的数据复制区域，他们采用拉订阅方式，只是在需要时才查询出版物内容的变 化情凋。 5 1 2s q l s e r v e r 的数据复制代理 s q ls e r v e r 复制部件采用模块化设计，各种复制操作通过不同的复制代理实 现。s q ls e r v e r 中的复制代理包括： 1 快照代理： 快照代理运行在s q ls e r v e r 代理服务环境下。其功能是：为复制准备表结构、 初始化出版表和存储过程的数据文件、将出版物快照存储到分发服务器的分发数据 库中、并记录分发数据库的同步状态信息。每个出版物在分发服务器上均运行着自 己的快照代理，并通过快照代理与出版服务器连接。 2 日志阅读代理： 同志阅读代理将用于复制的事务从出版服务器的事务日志中拷贝到分发数据 库。每一个使用事务复制出版的数据库在分发服务器上均运行着自己的日志阅读代 理，并通过该代理与出版服务器连接。 3 + 分发代理： 分发代理将保存在分发数据库中的事务或出版物快照传递到订阅者。分发代理 运行在s q ls e r v e r 代理服务环境下，可以直接使用s q l 企业管理器进行管理。 对于快照复制和事物复制，如果在配置推订阅时采用立即同步方式，那么每个出版 物在分发服务器上启动各自的分发代理，并由它实现与订阅者的连接；如果将推订 阅配置为非立即同步方式，那么所有的快照或事务出版物早分发服务器上共享一个 分发代理，并由它实现与订阅者的连接。快照和事务拉订阅的分发代理则运行在订 阅服务器上，而不是在分发服务器上。合并复制没有分发代理。 4 合并代理： 每个合并出版物均有各自的合并代理，在创建出版物的初始快照后，由合并代 理在出版服务器和订阅服务器之间传递出版物内容的变化，并对两者中的出版物做 筇3 0 页共5 0 页 南京航空航天人学硕士论文 响应的修改。合并出版物推订阅的合并代理运行在出版服务器上，而其拉订阅的合 并代理则运行在订阅服务器上。快照复制和事务复制没有合并代理。 5 1 3s q ls e r v e r 的数据复制类型 在分布式数据库应用环境中，不同的应用领域对数据复制的要求各异，不可能 有一种方法能适合所有领域中的应用需要。为此，s q ls e r v e r 提供了以下三种数 据复制类型来满足不同环境中的应用需要。 1 快照复制： 快照复制是s q ls e r v e r 中最简单的一种复制方式，它拷贝数据库出版物在某 一时刻的结构和数据状态，即建立出版物快照，之后通过复制代理将出版物快照复 制给订阅服务器。 快照复制操作由快照代理和分发代理实现。快照代理将出版物中各条目( 表) 的结构拷贝到分发服务器的快照文件中，并在分发服务器的分发数掘库中记录复制 同步操作。分发服务器再根据分发数据库中的同步记录将快照文件传递到订阅服务 器的目的数据库中。 2 事务复制： 在出版大型数据库时，如果采用快照复制方式，分发服务器为完成复制操作， 必须在每次出版物内容变化时从出版服务器中拷贝表结构和其中大量数掘，之后再 将它们传递给订阅服务器，这大大加重了网络的通信负担。对于低速连接的网络环 境，采用快照复制将严重影响应用程序的正常运行。 为解决这一问题，s q ls e r v e r 提供了事务复制方式。采用这种方式时，当订 阅服务器对出版服务器中的出版物做到初始同步后，s q ls e r v e r 监视i n s e r t 、 u p d a t e 、d e l e t e 等数据修改语句的执行，并对影响出版物的事务进行标识。事 务日志阅读代理从事务同志中捕获出版条目中数据的变化，并将引起这些变化的事 务拷贝到分发服务器的分发数据库中。之后，由分发服务器将这些事务传递给订阅 服务器，并在订阅服务器上顺序执行这些事务，对复制品做增量修改，从而保证订 阅服务器中的复制品与出版服务器中的数据一致( 但不是实时一致) 。由于事务的数 据量远小于它所操作的数据量，所以采用事务复制方式能够有效减轻网络的通信负 担。 事务复制由快照代理、同志阅读代理和分发代理实现。 3 合并复制： 合并复制允许修改出版服务器中的出版数据库和订阅服务器中的订阅数据库， 它能自动监视这些数据库中的数据变化，并定期将这些修改操作进行合并，把合并 扎3 l 页；l5 0 页 刚络环境re t c 系统的设计平实现 后的结果提交给所有订阅者。如果在合并过程中，发现不i 叫用户对数据库所做的修 改有冲突，s q ls e r v e r 根据建立订阅时为订阅者所设置的优先级裁决哪个用户的 修改有效。 5 1 4 采用s q ls e r v e r 复制技术配置本系统 由于本系统数据传输采用站一分中心一中心的方式，所以有出版者较多，而订 阅者不多的特点，并且实时性要求较高，所以采用了推订阅的方式。每个收费站的 服务器即是出版服务器又是分发服务器，分中心的服务器方面作为订阅服务器接 收下属收费站的传来的数据，另一方面将数据向中心发送。 数据复制则采用事务复制，因为这种方式对于大数据量的系统比较适合，效率 较高。 下面以南京站为例，说明配置的方法( 南京站的服务器名称为s e n ，e r 0 1 9 ，高速公 路的缩写为g s g l ，即数据库的名称) 。 1 建立分发数据库 在各收费站服务器上执行存储过程s pa d d d i s t r i b u t o r 建立分发服务器，它将分发 服务器记录添加到m a s t e r 数据库的s y s s e r v e r s 系统表中。 s pa d d d i s t r i b u t o r d i s t r i b u t o r = s e r v e r 0 1 9 分发服务器名称 2 创建分发数据库 在分发服务器上调用存储过程s p创建分发数据库。_adddistributiondb s pa d d d i s t r i b u t i o n d b d a t a b a s e = 。g s g l 0 1 9 ， 表示分发数据库名称 d a t a _ f o l d e r = d ：g s g l 0 1 9 循蔓示数据库的文件位置和名称 3 为出版服务器指定分发服务器 建立分发服务器后，执行系统存储过程s p _ a d d d i s t p u b l i s h e r 指定哪个出版服务器 能够使用已建立的分发服务器出版数据库。 s p _ a d d d i s t p u b l i s h e r p u b l i s h e r = s e r v e r 0 1 9 ， 出版服务器名称 d i s t r i b u t i o n _ f i b = g s g l 0 1 9 ，出版数据库名称 国s e c u r i t ym o d e = l ， 表示分发服务器运行在w i nn t 卜 w o r k i n gd i r e c t o r y = s e r v e r ol9 d $ g s g l o19 文件路径 4 ，定义出版数据库 筑3 ：! j i5 0 页 南京航空航天人学硕十论文 定义出版数据库可以在数掘库的一个选项，打丌数据库的出版选项即可，也可 以用存储过程s pr e p l i c a t i o n d b o p t i o n 设詈。 s p _ r e p l i c a t i o n d b o p t i o n d b n a m e = 。g s g l ， 数据库名称 o p t i o n n a m e = p u b l i s h ， 表示事务出版 v a l u e = t r u e 打丌数据库的出版功能 5 创建事务出版物 执行存储过程s p 创建事务出版物。_addpublication s p _ a d d p u b l i c a t i o n p u b l i c a t i o n = c 0 1 1 9 9 9 1 2 0 1 9 ， s y n c _ m o d e = n a t i v e ， r e p l f f e q2 c o n t i n u e s ， s t a t u s = a c t i v e ， 6 注册订阅服务器 出版物名称，c 0 1 1 9 9 9 1 2 0 1 9 表示南京站l 车道( 出门车道) 1 9 9 9 年1 2 月的数据 以本地批拷贝方式复制表中的数据 出版所有复制事务 可立即被订阅 在订阅之前在出版服务器上需注册订阅服务器，即在出版服务器上建立订阅服 务器的远程服务器记录。执行存储过程s p即可册订阅服务器。_addsubscriber s p a d d s u b s c r i b e r s u b s c r i b e r = s u b c e n t e r 0 5 表示南京分中心 7 创建订阅事务出版物 执行存储过程s p为事务出版物刨建推订阅。_addsubscription s p _ a d d s u b s c r i p t i o n p u b l i c a t i o n = c 0 11 9 9 9 1 2 0 1 9 ，出版物名称 a r t i c l e = a l l ， 订阅所有条目 国s u b s c r i b e r = s u b c e n t e r 5 0 ，订阅服务器名称 d e s t i n a t i o n _ d b = g s g l ， 数据库名称 s y n c = a u t o m a t i c 出分发进程自动同步 上面7 个步骤简单介绍了本系统的配置，由于每个收费站一个车道一个月产生 一张表，所以每个月底都需要建立新的事务出版物，分发服务器和订阅服务器的配 置都需要改变。所以又辅助设计了一个程序在月份交换之际自动修改分发服务器和 订阅服务器的配置。 筇3 3 页共5 0 页 网络环境re t c 系统的设计平实现 5 1 5 本方案实