（计算机软件与理论专业论文）高速公路不停车收费系统的研制.pdf

摘要 基于非接触i c 卡的高速公路不停车收费方式，越来越成为未来收费方式的主流， 论文从信息融合的角度出发，首次提出了把非接触i c 卡、车型、牌照三种信息有机融 合在一起，作为收费依据的解决思路，是适合国内高速公路收费实际情况的一种有益 尝试。 该系统的研究，推动了基于非接触i c 卡的收费方式在国内的逐步推行，该系统具 有操作快捷、实用可靠的特点，能有效提高高速公路的通行能力和服务水平，并且， 不停车收费使高速公路收费走向无纸化、无现金化管理，可以从根本上堵塞收费票款 流失的漏洞。 本论文分析了现行高速公路收费系统存在的主要缺点与不足，阐明了不停车收费 系统的系统结构与收费原理。把信息融合技术引入到不停车收费系统中来，让非接触 i c 卡数据、牌照识别、车型识别结果有机融合在一起，根据d - s 证据推理算法，提出了 高速公路不停车收费系统的信息融合模型，并完成了相关的信息融合算法设计。以单 片机为核心，附加相关的外围电路，实现了收费额显示的电路设计和提杆机的控制箱 设计，给出了具体的设计过程和设计电路。利用无线射频芯片n r f 4 0 1 对可读可写式非 接触i c 卡的设计进行了研究，论述了设计的思路、过程，并给出了设计的硬件电路。深 入研究了提高数据传输可靠性的编码和纠错措施，分析了所采用的校验编码和纠错方 法，并给出了核心的软件设计思路和程序。 关键词：不停车收费；信息融合；非接触i c 卡：d - s 证据推理； a b s t r a c t t h et o l lw a yb a s e do nn o n t o u c h e di cc a r db e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r a n dp l a y sg r e a tr o l ei nt o d a y ，t h i sp a p e rb r i n g sa b o u tt h ec o n c e p tw h i c hm a k e s n o n t o u c h e di cc a r d ，c a ri d , c a rt y p ef u s i o nt o g e t h e rf i r s ta n dg e t sm o n e yb a s e d o ni t ，i ti sab e n e f i c a lt e m p tw h i c ha d a p t st oo u rc o u n t r y sr e a lc o n d i t i o n f r o mi n f o r m a t i o nf u s i o np e r s p e c t i v e b yt h i sr e s a r c h ，o u rt o l lw a ym o v e sag r e a ts t e pf o r w a r e d ，t h es y s t e mi s q u i c kt oo p e r a t ea n dr e a l i a b l et ou s e ，w h i c hc a ni m p r o v eo u rc a p a c i t i e sa n d s e r v i c e sg r e a t l y f u r h e r m o r e ，i tc a nr e a l i z et o l lw i t h o u tp a p e ra n d n e r v e rm a k e al i t t l em o n m o yl o s t t h i sp a p e r a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo u rc u r r e n t e t c ，i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c p l e so ft o l ia n ds y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w i t h i n f o u m a t i o nf u s i o n ，m a k e sc a ri d ，c a rt y p ea n dn o n t o u c h e dc a r dt o g e t h e r f r i e n d l y b yw a y so fd - sp r o o ft h e o r ya l g o r i t h m s 。t h ei n f o r m a t i o nm o d e li s g i v e na n dc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa r eg i v e na sw e l l f i n a l l y ，s o m em a i n l y h a r 栅ea n ds o f t w a r ea r eg i v e n k e y w o r d s ：e t c ，i n f o r m a ti o nf u s i o n ，n o n t o u c h e di cc a r d ，d - st h e o r y 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承 担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：白浩囟津 2 0 0 6 年1 1 月1 5 日 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的意义与背景 1 1 1智能交通系统的发展及其重要意义 8 0 年代以来，伴随着经济的发展，交通设备日益增加，随之而来的城市交通拥堵、 交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通落后以及能源短缺等成为当前世 界各国面临的共同问题，无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断恶化的交通困 扰。据美国有关部门预测，到2 0 2 0 年，国内交通事故造成的经济损失每年将会超过1 5 0 0 亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失约为1 2 3 0 亿美元。解决交通 问题的传统办法是修建或扩建道路，但是，随着人口的增长，城市人均居住面积日益 减少，可供修建的道路空间也越来越少。同时，交通系统是一个复杂的综合性系统， 单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题。在这种背景下，把车辆和 道路综合起来系统地解决交通问题的思想就油然而生，这就是智能交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s , 搠t s ) 1 1 1 。 近年来，世界各发达国家虽然己经基本建成了四通八达的现代化国家道路网，但 随着社会经济的发展，路网通过能力己满足不了交通量增长的需要，交通拥挤堵塞现 象日趋严重。经过长期和广泛的研究，各个国家己从主要依靠修建更多的道路、扩大 路网规模来解决日益增长的交通需求，逐渐转移到用高新技术来改造现有的道路运输 系统及其管理体系，从而大幅度地提高了路网的通行能力和服务质量。日本、美国和 西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规 模地进行道路交通运输智能化的研究试验1 2 j 。 我国是当今世界上公路建设速度最快的国家之一，在未来2 0 年内，我国道路仍然 处于建设期。根据“九五”规划和2 0 1 0 年发展纲要，交通部计划用3 0 年左右的时间建 设1 2 条约3 5 万公里由高等级公路组成的国道主干线【3 1 0 由于经济条件的制约，政府无 力承担高速公路建设的巨额资金投入，我国高速公路的投资体制呈多样化，这样的建 设体制导致了道路收费点的密集化，在一定程度上制约了高速公路效益的充分发挥， 同时，所采用的收费制式本身的特点更加剧了这种局面。由于投资主体的多样化，加 上人们当时对道路收费中出现的问题认识不足以及技术的限制等原因，我国高速公路 收费制式落后于高速公路的发展，也给高速公路的管理工作增加了一定的难度。 通过智能交通系统的研究，它使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质 第1 丘f 郑州大学硕士学位论文 量，规范收费方式、优化管理措施，使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获 得巨大的社会经济效益。主要表现在：提高交通的安全水平：减少堵塞，增加交通的 机动性；降低汽车运输对环境的影响；规范收费方式，优化结算体系；提高道路网的 通行能力以及提高汽车运输生产率和经济效益。 1 1 2 课题来源 本文选题来源于河南省杰出人才创新基金项目高速公路不停车收费系统的研制 中的子项目。本人的主要工作是完成不停车收费系统中非接触i c 卡和外围控制器的设 计与实现，并对相关的软硬件做了具体实现。 1 2 高速公路收费方式及其分析 高速公路目前的收费方式一般有人工收费、半自动收费和自动收费三种【4 l 【5 】j 1 人工收费方式：人工收费直接进行现金交付，既无可靠的收费监控设施，也缺 乏先进的计算机管理手段，因此存在工作疏忽、司机逃票、收费员作弊等漏款现象。 2 半自动收费方式：人工判别车型，人工开票收费，采用人工发放的通行券作为 收费媒介，在工作中引入计算机作为辅助管理的工具，适当提高工作效率和车辆通行 效率，从而实现半自动收费。这种方式可避免纯人工收费方式的一些弊端，提高通行 能力。 3 自动收费方式：完全采用专用的设备和计算机系统联网，收费车道安装l c 卡读 写装置，可利用微波、红外1 6 】、激光等技术与车载l c 卡进行数据传输，卡上存有该车 的主要信息，即车主单位、存入金额、车型类别等，可以不停车自动读写，进行自动 收费。 在采用人工收费方式时，不但影响了高速公路的通行能力，而且现金交易存在其 它弊病，以及导致环境污染等一系列可持续发展问题。据资料统计，仅广州地区1 9 9 6 年因为停车等待交费而损失的车时就达数百万小时，由此导致的汽油浪费达亿元之多 m 。 作为通行车辆和收费站的媒介，通行券在收费系统中必不可少，它的类型决定了 收费智能化程度的高低，也最能反映收费系统的技术特点，从而也就产生了半自动方 式和自动方式。在国内由于各路段所采用的收费技术千差万别，收费系统所使用的通 行券介质种类也较多。 目前国内高速公路收费系统在用的通行券主要有两大类：一次性使用通行券和重 复性使用通行券。一次性使用通行券包括纸质打印通行券、纸质磁性通行券、一维条 码通行券、二维条码通行券；重复性使用通行券包括磁卡、接触式i c 卡、非接触式l c 第2 负 郑州大学硕士学位论文 卡以及纸介质的月票等。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、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、对计算机网络的依赖性等。 非接触l c 卡作为目前国内外高速公路收费系统中使用的通行券与接触式i c 卡及纸 质通行券相比，具有以下优点 s 1 1 9 1 1 1 0 1 ： ( 1 ) 可靠性高：非接触l c 卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产 生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，增强了读写设备 和卡的寿命； ( 2 ) 操作快捷：读写的过程瞬时完成，运行速度非常快，每张卡的收费或使用 操作时间小于0 5 秒，快速放行起到了关键性的作用； ( 3 ) 防止冲突：非接触i c 卡中有防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰， 因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式i c 卡； ( 4 ) 独立卡号：卡号直接烧制在卡芯片中，便于计算机管理； ( 5 ) 寿命较长：读、写入次数大于1 0 万次； 由于非接触i c 卡具有以上优点，所以在高速公路不停车收费系统中得到了广泛的 应用。 伴随着高速公路建设的智能化程度越来越高，电子收费系统( e t c s ) 作为自动收费 方式的代表，不失为未来收费方式的最佳选择【1 1 l ，它的研究与应用日益受到普遍的重 视，并且在实践中发挥越来越重要的作用，带来了可观的经济效益和社会效益。 1 3 不停车收费系统的研究与应用现状 不停车收费系统( n os t o pe 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 简称n s e t c s 或e t c ) 作为智能交通系统f i r s ) 的重要内容，是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于道 路、大桥和隧道的电子自动收费系统。 e t c 收费系统采用多种技术手段使得车道收费过程自动化，常用的不停车系统利 用非接触i c 卡技术、车辆识别技术和计算机系统相联接使用。该系统建立有关车辆的 信息数据库，将通过高速公路机动车的车型、车牌号码、金额存入i c 卡中，并同时输 入系统计算机中储存起来。当车辆通过收费车道入口时，车载电子标签自动与安装在 路侧或门架上的阅读器进行信息交换，中心控制计算机根据电子标签中存储的信息识 别出司机用户，系统数据库核对车卡中各数据是否合法，同时对合法的车卡写入收费 站入口编号；通过出口时，系统计算机通过分析运算，在卡中扣除通过此路段的费用 第3 贞 郑州大学硕士学位论文 并自动放行。如果收费过程失败，根据存入计算机中的该用户的数据信息和汽车牌照， 进行事后处理。这样以来，车辆在高速公路上行驶时，到达入口时自动提取数据，出 1 ：3 时自动扣费并自动放行，实现不停车自动收费1 7 l 。 采用不停车收费系统，可以使车道收费过程完全自动化，并大大提高公路的通行 能力和服务水平，有效地减轻收费站工作人员的劳动强度和改善工作环境。车辆不停 车通过收费口不仅使道路的通行能力得以充分发挥，而且有利于提高车辆的营运效益。 并且，不停车收费使公路收费走向无纸化、无现金化管理，可以从根本上堵塞收费票 款流失的漏洞，解决公路收费中的财务管理混乱问题。另外，实施不停车收费系统， 从长远来讲，还可以节约基建费用和管理费用。 e t c 作为i t s 系统的重要组成部分，它的研究与开发工作受到了广泛的关注。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。1 9 9 7 年春季，日 本e t c 采用的是微波技术在一些收费道路开始进行不停车收费的试运行。根据实验数 据的统计，收费站的通行能力提高为原来的4 倍以上。同时不停车收费己经成为欧洲、 美国回收公路投资的有效手段。 从1 9 9 6 年1 0 月我国交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系统 举行了中日技术交流和现场演示会以来，国内的不停车收费系统发展取得了一定进步 川。 目前国际上己经基本形成了以美国、日本和欧洲为代表的不停车收费系统 1 1 z l l l 3 1 8 4 1 在自发引进的形势下，造成了我国不停车收费系统比较混乱的局面；同时我 国的技术水平和制造水平与发达国家有一定差距，国内还无法生产符合国际标准的针 对高速公路不停车收费的某些硬件设备，还有高昂的进口价格也限制了不停车收费系 统在实际中的普及应用。为适应我国高速公路建设快速发展的局面，需要针对国内用 户的承受能力和相关服务功能的具体情况，做认真分析，在该领域开展广泛研究，从 而确定适合我国推广应用的不停车收费系统，这也是本论文研究的初衷。 1 4 论文的主要内容 本论文介绍了国内外高速公路收费方式和发展状况，分析了传统收费方式的缺点 与不足，同时介绍了不停车收费系统的工作原理和具体应用。 在第二章中，把信息融合技术引入到不停车收费系统中来，提出了高速公路收费 为应用背景的信息融合收费模型，另外作为信息融合模型核心的不停车收费信息融合 算法，本论文也进行了详细的分析。 在第三章中，研究、设计了基于n r f 4 0 1 射频芯片和单片机系统的可读可写式非接 触i c 卡，它在脱离网络的情况下仍能快速完成收费。本论文说明了所研制的可读可写 第4 贝 郑州大学硕士学位论文 式非接触i c 卡的设计思路，工作原理，所采用的各种抗干扰措施和数据可靠性措施。 另外，以a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机为平台，设计了外围控制器的红绿灯、显示屏和栏杆 机的驱动电路，以及相应的配套软件和通信协议。 在第四章中，深入研究了提高数据传输可靠性的编码和纠错措施，分析了所采用 的校验编码和纠错方法，并给出了核心的软件设计思路。 第5 贝 郑州大学硕士学位论文 第二章信息融合技术在不停车收费系统中的应用 信息融合技术是由多传感器融合技术发展而来的信息科学领域的一项高新技术。 本章将介绍不停车收费系统的构成及工作原理，以及信息融合技术在不停车收费系统 中的应用。 2 1 不停车收费系统的构成及工作原理 不停车电子自动收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能型分布式计算机 控制、处理系统。先进技术与实际应用紧密结合的不停车电子收费系统，是电子技术、 通信和计算机、自动控制、传感技术、交通工程和系统工程的综合产物 1 5 】。系统中不 停车收费的关键是利用车载智能识别卡与收费站车辆自动识别系统( a u t o m a t i cv e h i c l e i d e n t i f i c a t i o n ，简称a w ) 的无线电收发器之间，通过无线电波实现车辆自动识别和数据 交换，获取通过车辆的类型和所属用户等相关数据，并由计算机系统控制指挥车辆通 行，其过路过桥费通过计算机网络，从用户所在数据库中的专用账户或用户拥有的智 能储值卡中自动交纳，从而实现不停车自动收到垌。 2 1 1不停车收费系统的结构层次 完整的收费系统结构层次如图2 1 所示。 一臆媛 一警段缀 一收叠站照 图2 1 完整的不停车收费系统结构层次幽 本系统采用三级网络结构：收费站级、路段管理中心级、路网管理中心级。 车辆经过收费站车道时，由车道管理控制系统完成车辆数据采集和通行的实时管 理控制，收费站监控管理系统对各自收费车道过车数据进行采集、分类汇总和处理， 第6 页 郑州大学硕士学位论文 将每日过车纪录通过专用网或公共网上传到路段管理中心，各路段管理中心最后再将 数据汇总上传到路网结算支付中心。 本论文的侧重点是收费站级车道管理控制系统的结构和相关的软硬件设计。 车道管理控制系统主要完成车辆数据采集和通行的实时管理控制。收费车道管理 控制系统是整个不停车自动收费系统的前端系统，主要由车辆自动识别装置( a v d 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非接触i c 卡实现高速数据交换， 使系统可在极短时间内做出反应，因而车辆通过收费车道时，可以不停车快速通过 同时，采集通过车辆的数据信息，形成过车记录，实时控制和管理车道通行控制设备， 上传过车记录数据至收费站管理系统主机，接收收费站管理系统主机下传的控制信息 ( 如收费标准、黑名单等) 一j 。 收费车道豹结构示意图如图2 2 所示 图2 2收费车道结构示意图 收费车道管理控制系统的核心工作是车道控制机的设计。车道控制机是收费系统 最底层的设备，是收费道口的车道控制系统( 主要由p c 机控制软件和相关外围控制硬 件组成1 ，简称车道机【1 7 1 ，功能完善、稳定可靠的车道控制机是建立收费系统的技术基 础。车道控制机的结构图如图2 3 所示。 车道控制机 奄莸il 显示i l 筹霎i l 装蓍lj 翥翥| i 赣茹 系统li 系统| | 制| | 系统| | 系统jl 系统 图2 3车道控制机结构图 当载有电子标签( 非接触i c 卡) 的车辆通过收费车道时，具体的逻辑流程是： 车辆经过入1 3 地感线圈，使地感线圈启动数码相机和阅读器工作； 阅读器从电子标签中获取相关身份证据，送上位机( 收费站主机) 处理； 数码相机拍下汽车的车型、拍照数据参数，也送上位机处理； 第7 贞 郑州大学硕士学位论文 将获取的信息相互比对核实，进行数据融合和判断，如果是合法车辆，计算本 次收费额，并写回数据库；同时绿灯显示、挡车器栏杆抬起，显示收费额和车型代码； 如果是非法车辆( 无效卡、无卡、假卡、低值卡) ，红灯显示，挡车器栏杆闭 合，同时进行人工收费； 把本次收费数据送数码管显示； 车辆经过车道的出口地感线圈，地感线圈发出信号，关闭阅读器、放下栏杆， 完成收费过程。 2 1 2 不停车自动收费体系的运作 这里，我们通过跟踪一个通用的不停车电子自动收费的过程来描述该体系的运作 【切。 1 办卡：用户首先到当地网段管理中心( 高管局) 办理电子自动收费开户手续，开 立电子自动收费专用账户，在收费数据库中录入个人和车辆相关信息，预存一定数额 的收费款，领取非接触l c 卡。 2 通行：当车辆进入收费车道时，由车道计算机系统实时控制通行与否。 3 收费清算：收费站收集收费车道的过车记录，自动上传到网段收费中心进行收 费处理，处理月票、免费、折扣信息后，产生实际收费记录，下传到各个收费站，和 收费站中的数据进行同步。 4 其它：清算系统从用户账号中扣取应收费额后，产生含有接近透支、已经透支、 透支止付、挂失止付等信息的黑名单，下传到各个收费站和收费车道。 其中，入口车道和出口车道工作流程是自动收费运作的两个主要环节，其工作原 理在本章的后半部分有详细说明。 2 2 1 信息融合技术 2 2信息融合技术的引入 信息融合技术又称数据融合技术，是由多传感器融合技术发展而来的信息科学领 域的一项高新技术。它是将多种类型的信息融合在一起，并从其中提取出具有更多特 征或是更精确的有用信息的技术【1 8 】。信息融合的概念是在7 0 年代提出的，其基本原理 是充分利用多个信息采集通道的资源，对观测到的信息进行合理支配和使用，把在空 间或时间上的冗余或互补信息按照某种准则进行组合，以获取对被观测目标的一致性 认识【1 9 1 。通用的信息融合模型如图2 4 所示。 第8 负 郑州大学硕士学位论文 被 ， 信息采集通道l l 啼 信 息判 测叫信息采集通道2 卜_ 寸 融决 对 厶 输口 象 计出 叫信息采集通道r l 算 图2 4 通用信息融合模型 从单独一路信息采集通道得到的被测目标的数据，由于种种原因，往往不足以反 映目标或对象的全部实际情况，因此需要其他信息采集通道得到的被测目标的数据信 息来补充说明这一信息【2 1 1 1 2 2 1 ，一个识别系统中可能存在一个以上的信息采集通道， 这些信息采集通道获得的数据集中在一起，用以产生一定程度的信息冗余和互补，来 判断、证实、确定所测目标和事件的准确性，这种利用多路信息采集通道所获得的多 个数据来反映同一目标或同一事件的过程叫做信息融合过程( i n f o r m a t i o nf u s i o n p r o c e s s ) 2 3 1 。 信息融合的基本原理也就像人脑综合处理信息一样，充分利用多路信息资源，通 过共同或联合操作的优势，提高对目标对象识别的准确度i 冽。具体地说，按信息抽象 程度，目标识别信息融合可分为三种结构层次：数据层融合，特征层融合和决策层融合 阎。 数据层融合：对每个信息采集通道的观测数据进行特征抽取，将所得特征参数融 合后得出关于目标的一个融合后的特征向量，并由此进行目标识别和判定。 特征层融合：把数据层融合后得到的特征向量融合起来，并根据融合后得到的特 征向量进行识别。 决策层融合：根据一定的准则和决策可信度做出最优决策，以便具有良好的实时 性和容错性，使系统在一种或几种信息采集通道失效时也能正常工作。 总之，多路数据的信息融合系统可更大程度获得被探测目标和环境的信息量，通 过采集到的冗余、互补信息，使这些不同来源的数据可以相互补充以降低系统的不确 定性，提高系统目标识别的精确度，还能在某一路信息出错或失效时，保障系统的可 靠性。 2 2 2 信息融合所采用的方法 从国内外文献看陋l z r l 2 8 l ，多路数据进行信息融合时，常用的识别技术有许多种： 统计模式识别法、贝叶斯法、综合平均法、证据推理( d e m p s t e r - s h a f e r ) 法、模糊逻辑法、 神经网络、专家系统等方法 2 4 l i z g 。 ( 1 ) 统计模式识别法 这种方法利用不同类型信息采集通道提供的不相关信息来提高决策的正确性。 第91 i 郑州大学硕士学位论文 ( 2 ) 贝叶斯法 该方法首先对各种信息采集通道采集到的数据作相容性分析，删除那些可信度很 低的错误信息，然后对保留下来的信息进行b a y e s i a n 估计，以求得最优的融合信息。 ( 3 ) 综合平均法 该方法是把来自多个信息采集通道的众多数据进行综合平均。它适宜于用同样的 信息采集通道来检测同一个目标。 ( 4 ) 证据推理( d e m p s t e r s h a f e r ) 法 该方法是目前数据融合技术中比较常用的一种方法。证据理论最早是h q i ) e m p s t e r 提出的，s h a f e r 又对这一理论进行了推广。该准则以融合后决策的不确定性最小为目 标，即融合后拟信区间最短。其实现思路是：依靠证据的不断积累，不断缩小假设集。 在证据理论中，由各种信息采集通道提取到的信息特征参数构成了该理论中的证据， 这种证据通常是不确定和不完善的，并且有误差。该方法通常根据人的推理模式，采 用了概率区间和不确定区间来决定多证据下的函数信任度值来进行判决。利用这些证 据构造相应的命题，对于所有的命题分别赋予一个信任度，基本可信度分配值及其相 应的命题合称为一个证据体。因此，每个信息采集通道就相当于一个证据体。多个信 息采集通道的数据融合，实质上就是利用d e m p s t e r 2 d 。并规则将各个证据体合并成一个 新的证据体，产生新证据体的过程就是d s 数据融合过程。 ( 5 ) 模糊逻辑法 这种方法是用某种模型系统地反映数据融合过程的不确定性，并通过模糊推理来 完成数据融合。针对数据融合中所检测到的目标特征具有某种模糊性的现象，建立标 准检测目标和待识别检测目标的模糊子集是此方法的研究基础。但模糊子集的建立， 需要有各种各样的标准检测目标，同时又必须建立合适的隶属函数，而确定隶属函数 比较麻烦，目前还没有规范的方法可遵循，同时由于标准检测目标子集的建立受到各 种条件的限制，往往误差较大，所以该方法应用局限性比较大。 2 3 信息融合技术在不停车收费中的具体应用 按照信息融合的定义可知，多信息采集通道系统是信息融合的硬件基础，多源信 息是信息融合的加工对象，协调优化和综合处理是信息融合的核心。在本系统中可将 信息融合技术定义为：一个处理探测、互联、估计以及组合多源信息和数据的多层次 多方面的过程，以便获得准确的车辆状态和身份估计，并将相关信息用于收费系统的 决策支持。这一定义强调信息融合的三个核心方面：第一，信息融合是在几个层次上 完成对多源信息处理的过程；第二，信息融合包括探测、互联、估计以及信息组合； 第三，信息融合的结果包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的决策支 第1 0 贝 郑州大学硕士学位论文 撑划。 收费系统信息融合是整个收费系统中的一个核心组件。通过信息融合，即通过对 不同信息采集通道数据的综合处理，可以得到比任何单个数据源更全面、更准确的收 费参数信息。为了收费系统的可靠运转，有必要对多个数据源联合分析处理，以避免 单个信息源失效而导致的判断失误。本文正是在这一背景下提出了一种基于多信息采 集通道信息融合技术的高速公路不停车收费系统，给出了系统结构、信息融合模型和 计算方法。 不停车收费系统中的信息融合模型如图2 5 所示。 行一非接触i c 卡卜叫车中身份数据 - 信息 输出 进融合本次 由 叫车辆检测器卜_ 车型识别参数 与判 收费 的 和 决计额及 汽 算余额 坌叫数码相机卜_ _牌照识别参数 图2 j 高速公路不停车收费系统信息融合计算模型 模型中的信息采集通道分别是非接触l c 卡、车辆检测器和数码相机，用来完成车 型参数、牌照参数和车载非接触i c 卡卡号的数据采集，模型中的关键部分是对采集到 的信息进行信息融合计算。 2 3 id s 算法的基本理论及其在本系统中的应用 d s 算法是基于证据理论的一种推理算法，它t h d e m p s t e r 首先提出，并由s h a f e r 加 以扩充发展，故称之为d s 证据理论【3 ”。 设q 是被识别目标变量的所有可能值的穷举集合，称q 为样本空间。如果q 中元 素的个数为1 1 ，则q 中的样本个数为2 丑( 针对不停车收费系统中，q 样本空问中只有1 个被识别的元素：“合法车辆”) 。o 集合中的每个元素对应一个命题，相当于概率 论中的基本事件，当然，o 样本空间中还存在空集，我们称之为“不可能事件”。 对任一个属于样本空间q 的命题a ，令它对应一个映射1 1 1 ，m 【0 棚，且满足： ( 1 ) 肌仲) 一0 ，m 为空集或称为不可能事件； 2 p ”1 。 其中，m ( a ) 为称为命题a 的基本可信度分配值，它是赋给a 的置信测度。 定义命题a 的信任函数( b e l i e ff u n c t i o n ) 为 b e l ( a ) = 罗m ，0 ) v a e q ，q 一【o j 】 ( 2 1 ) _ 。 j 郑州大学硕士学位论文 b e l ( a ) 表示对a 的总的信任程度，称之为可信度。 定义命题a 的似然函数( p l a u s m i l i t yf u n c t i o n ) j f q ) 一1 - b e l ( a - - ) 一罗m p ) ，v a q ( 2 2 ) 6 怠。 其中。一【叫】，万；q a ，p l ( a ) 表示不否定a 的信任程度，又称之为拟信度。 b e l ( a ) 和p l ( a ) 分别为命题a 的下限函数和上限函数，两者的关系满足 p l ( a ) b e l 0 ) 。事实上，在获得的关于命题a 的证据中，一部分是支持命题a 的，称之 为支持证据，另一部分是反对命题a 的，称之为拒绝证据，此外还有既不明显支持又不 明显反对a 的证据，称之为中性证据。这三类证据及其不确定性度量的概念如图2 6 所 示，其中区间总长为1 。 中性证据区问 图2 6d s 证据区间及其不确定性度 根据以上分析和示意图看出，b e l ( a ) 是所有支持命题a 的证据所能获得的关于a 的极 大可信度值，p l ( a ) 是所有不反对命题a 的证据( 支持证据和中性证据) 所能获得的关于a 的极大可信度值，所以，可由【0 ，1 】区间中的一个子f 司 b e l ( a ) ，p l ( a ) l 来度量命题a 的不 确定性，其中b c l ( a ) 和p l ( a ) 对应于未知概率的下界和上界，即：i b e l ( a ) p ( 口) sp f 0 ) 1 ， p l ( a ) 一b e l 0 ) 的值反映了我们对命题a 的“未知”信息，该差值越小，则表明“未知” 成分越小，证据对假设的支持越明确【”1 。 在多个信息采集通道的数据融合处理过程中，不同信息采集通道所得到的数据提 供的各个证据对假设的支持程度不同，对应各个证据的基本可信度分配值也不同，根 据d s 证据组合规则，用正交和的概念来融合各个证据的基本可信度分配值。 在证据理论的一般形式中，给定的证据可以对样本空间q 中的多个子集提供支持， 其中最简单的情况是证据仅仅支持q 中的一个单子集，而将剩余的信任度赋给不支持 该单子集的o ，对于d s 规则，有人已经作了不少工作，并且推导出n 个证据支持同一 命题的公式i ”1 。 设n 个证据同时支持命题a ，其基本可信度分配值分别为m 0 ) ，且 慨( e ) 一1 一m 。0 ) i = 1 ，2 ，l ( 2 3 ) 根据d s 组合规则有： 郑州大学硕士学位论文 b e l ( a ) 。埘- ( 口) 。槐：o ) 。肌o ) 一1 一兀m t ( e ) ( 2 - 4 ) 即多个证据对同一命题的基本可信度分配值的正交和为该命题可信度分配的联合 值。 在本系统中，我们把d s 证据组合规则应用在决策层来得到最终的收费依据可信 度，其示意图如图2 7 所示。 被 测 对 象 | h | | 巴b e l 2 量 图2 7d - s 证据推理在决策层数据融合过程中的具体应用 本系统中的非接触i c 卡、车辆检测器、数码相机采集到数据后，进行数据层融合 处理，主要包括对采集到的图片进行预处理，同时对车型、牌照进行识别，另外根据 采集到的卡号检索数据库中相应记录等。而要真正得到判决输出的结果，关键还要进 行决策层的数据处理，应该看到仅仅通过车型数据，是没法进行对结果命题( 即“合法 车辆”1 的判决，只有联合卡号或者牌照才可以作为决策层的输入数据，这样数据融合 层的3 重证据( 卡号，牌照，车型) 在进行决策层融合前，变成了2 重证据( 牌照+ 车型 和卡号+ 车型1 来作为决策层数据融合的资源。 这里，为了验证上述理论的可行性，可以假定这2 个证据( 即牌照+ 车型和卡号+ 车型) 对命题( “合法车辆”) 的支持度分别为： m l ( 4 ) 一0 8m 1 ( e ) 一0 2 m 2 0 ) 一0 9m 2 ( e ) 一0 1 所以，根据d s 证据组合规则有： m 。 ) o 埘2 ( 口) = m 1 ( 口) n m 2 ( 4 ) = 0 7 2 m 1a ) a m 2 ( e ) 一o 0 8 m 1 ( e ) n m 2 q ) = o 1 8 m 2 ( 口) a m l 0 ) 一o 0 2 ( 2 5 ) 这样，就可以得到2 重证据联合作用下的可信度 删( 咖m ( a 。) ) | o = 0 0 2 9 81 ( 2 6 ) 由此可见，联合作用下的可信度比单个证据的可信度要高。下一节有具体的实验 数据来证明该算法的有效性，另外也应该注意，在实际融合计算过程中，由于存在多 种误差和干扰，其联合可信度分配值可能不如计算出的这样理想。 在上述推理模型中，首先计算各个证据的基本可信度分配值、可信度、拟信度， 墨一 郑州大学硕士学位论文 然后根据d s 组合规则计算所有证据联合作用下对某个命题的可信度，最后根据一定的 决策规则( 本系统选用2 重证据下的融合规则) ，得到目标在所有证据支持下的晟终可信 度，这样可以有效避免信息采集不精确、环境噪声和人为干扰等因素所造成的单个证 据对命题判决的不可靠性。 2 3 2 信息融合技术在不停车收费系统中的实现 本软件流程的设计基础，是基于只读式非接触i c 卡在封闭式高速公路中的具体应 用，由于只读式的非接触i c 卡完成收费要依赖网络，所以在收费车道入口处，主要完 成卡中卡号的数据提取和部分软件算法，在出口处完成收费和主要的信息融合流程， 所以信息融合的软件算法主要集中于出口车道的收费过程中。 司机在办理i c 卡的时候，i c 卡中的数据己被存入收费结算中心的数据库，同时收 费结算中心的数据库和收费站本地数据库定时保持数据同步，这样收费站本地数据库 中在数据同步后就保存着所有用户的数据信息。每一个司机用户i c 卡中的信息只有卡 号，而每一个司机用户在收费站数据库中的信息不仅包括卡号，还有车牌号、车型、 余额、收费站编号等数据信息。当然数据库中还提供了入口字段、出口字段、收费标 准表等信息字段。 对封闭式的高速公路，收费车道只有两种情况：要么是入口车道，要么是出口车道， 所以软件中只需进行相应配置即可。正常的挡车器处于常闭状态，以保证非正常的车 辆( 无效卡、无卡、假卡、低值卡) 不能通过自动收费车道。当车辆进入收费站区域时， 启动数码相机和阅读器，数码相机获取汽车的车型和牌照信息，阅读器获取车载非接 触i c 卡中的相关身份数据，三种数据参数送上位机后，软件进行信息融合处理。如图 2 8 所示。 图2 8 不停车收费系统信息融合总体流程 入口车道信息融合算法：当装有车载识别卡的车辆驶入无线电通信区域时，读( 写) 天线将检测和读取车载识别卡的卡号，同时启动车型、牌照识别，最终完成入口车道 第1 4 贞 郑州大学硕士学位论文 在数据库的打标工作，算法的过程和出口车道收费流程差不多，只是不进行收费，只 设置入口车道在数据库中的标记。同时，要完成低值卡的充值。 出口车道信息融合算法：当装有车载识别卡的车辆驶入无线电通信区域时，启动 车型、牌照识别系统判别车型和牌照，阅读器将检测和读取车载识别卡的信息，电子 收费系统将判别车辆身份的有效性并计算应上缴的通行费。 首先以读取到的卡号作为索引，送入本地数据库，找到该卡号对应的数据记录， 判断数据库记录中的车型与此时系统识别到的车型是否一致，如果一致，我们认为车 辆身份合法，就在该记录的“出口车站编号”字段上打出口标记，软件根据入口编号、 出口编号和车型信息，查询收费标准表，计算出本次应收费款。如果卡号对应记录中 的车型与识别到的车型不一致，这时就要提取牌照识别的结果，以牌照数据作为索引， 找到该牌照对应的相关记录，从而在该记录的“出口车站编号”字段上打出口标记， 软件根据入口编号、出口编号，车型信息，查询收费标准表，计算出本次应收费款。 然后，把计算的结果通过上位机下传到数码管上显示，同时把本次应收款写回本地数 据库，本地数据库的数据和结算中心的数据在每天同步时，就扣除了本次收费额，在 同步之前本地数据库的数据一直保留备份。从而完成事后的不停车收费。出口车道不 停车收费信息融合算法软件实现流程图如图2 9 所示。 在实际收费操作过程中，由于识别率原因，个别车辆的识别可能有偏差，这时， 收费员可通过人工来进行判别。另外，人工收费也必须存在，以备在电子系统检修期 间或系统检测到有非正常状态时，收费车道能正常工作1 1 1 。 2 3 3 信息融合的实验结果分析 为了验证信息融合的效果，在信息融合之前，我们把采集到的“卡号+ 车型”，“牌 照+ 车型”这两组数据分别进行测试，以得到作为收费依据的可信度，在第一组“卡 号+ 车型”组合的数据中，由于采集到的卡号一般比较可靠，只要保证车型的识别率 即可；而第二组“牌照+ 车型”组合的数据中，不仅要对车型进行识别，还要对牌照 进行识别，所以得到的是否为”合法车辆”的判断可信度要低于第一组数据；测试结果 如图2 1 0 所示。 从实验数据中可以看到，中型货车、中型客车的收费可信度较低，主要原因是中 型货车、中型客车外观较为相似，从而导致车型识别率较低，所以得出的收费可信度 也比小型车和大型车要低一些。在信息融合后，把卡号、车型、牌照三种信息综合起 来作为收费的依据，可使对各种车辆判断的可信度大大增加。 第1 5 贞 郑州大学硕士学位论文 收 费 依 据 可 信 度 图2 9 出口车道不停车收费信息融合算法的数据流程 、 、二， 、。， lii 小型车巾型车 中型货车 大型车 实验车型 图z i o 信息融合实验结果分析 第1 6 ! i f ， 9 婚 8 两 ， 蝴 慵 嘶 郑州大学硕士学位论文 2 3 4 信息融合技术在不停车收费系统中的应用小结 为获取被检测对象全面和完整的信息，可采用多个信息采集通道对同一对象进行 多方位检测。多信息采集通道系统中，多源信息的表现形式具有多样性、复杂性、互 补性以及大容量性，其信息处理技术不同于单个信息采集通道的信息处理技术，多信 息采集通道系统能精确、有效地反映被检测对象的特征，消除信息的不确定性，从而 提高检测的可靠性1 3 3 j 。 不断发展起来的信息融合技术以其强大的信息综合和提取能力，越来越成为信息 处理领域的强有力工具，信息融合技术的最大优势在于它能合理协调多源数据，充分 综合有用信息，提高在多变环境中正确决策的能力。它所揭示的信息处理思想和方法 论，可以很好地解决复杂系统判决识别中的瓶颈问题。 在不停车收费系统中，不管用非接触i c 卡、车型还是牌照，在实际应用中，都不 能单独作为汽车身份识别的依据，这样就给不停车收费的实际应用，造成了一定困难。 信息融合技术的引入，把这三种信息有机的结合起来，融合后的结果作为车辆身份判 决的依据，无论理论和实际应用都具有积极的意义。 2 4系统的设计目标 作为一个可以实际应用的系统，它至少应该在系统的精确度、可靠性、稳定性、 抗干扰性、兼容能力和扩充能力等各方面得到保证。例如：能够保证车辆在限制的最 高速度( 如l o o v , m h ) t 通过收费站时不漏读；保证系统在全天2 4 4 , 时内不间断连续工作 且不受电波干扰及外界影响；保证系统的读写误码率足够小；保证系统有足够长的平 均无故障运行时间；此外，作为一个基于网络运行和处理的大型计算机系统，不停车 电子自动收费系统应该能够充分发挥高速网络技术带来的优势，诸如对数据的实时快 速处理、传输、归档，对交通流量的统计、分析、预测等：并且，系统应该具有远程 控制和自动切换保障功能及先进的综合网络管理功能。具体说明如下i 卅： ( 1 ) 实时性：要求每个收费车道均能2 4 + 时连续、快速的收费，并能把电脑收费 的票据数目完整不漏地送往收费站保存。 ( 2 ) 准确性：要求每个收费车道通过计算机可靠地进行收费工作，减少人为错误， 并通过专用的或公用的网络，保证收集到数据的准确性和一致性。 ( 3 ) 可靠性：要求整个系统具有良好的可靠性，能在较恶劣的环境下全天候连续 稳定工作。 ( 4 ) 安全性：要求系统数据有安全措施，设计严格的管理权限，防止人为破坏； 数据传输过程中确保收费会额的绝对安全和精确。 郑州大学硕士学位论文 ( 5 ) 稳定性：中心服务器或收费站服务器某一方不能工作，收费站不允许出现死 机现象；相应机器恢复工作后，下位收费机应能自动、精确无误的把待传收费资料传 至相应位置。 ( 6 ) 可扩展性：要求系统能满足未来收费站点增加时的扩展要求以及各种功能性 扩展的要求。 收费站系统总体性能如表2 1 所示。 表2 1收费站系统总体性能表 项目参数 最高通过速度l o o 公里孙时 反应时间m 1 秒 车道通行能力2 0 0 0 辆，小时 车辆分辨距离3 0 c m 平均无故障时问 2 0 0 0 小时 差错率1 旷 结算时间2 4 小时实时 2 5 本文的设计思路 上面对系统方案的介绍中，侧重于对