硕士学位论文-高速公路ETC车道收费软件的设计与实现.doc

学校编码：10384 分类号 密级 学号： UDC 工 程 硕 士 学 位 论 文 高速公路ETC车道收费软件的设计与实现Design and Implementation of Highway ETC Lanes Toll Software 指 导 教 师：专 业 名 称：软件工程论文提交日期：2013年10月论文答辩日期：2013年11月学位授予日期： 年月指 导 教 师： 答辩委员会主席： 2013年 月厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范（试行）。另外，该学位论文为（ ）课题（组）的研究成果，获得（ ）课题（组）经费或实验室的资助，在（ ）实验室完成。（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。）声明人（签名）： 年 月 日厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文（包括纸质版和电子版），允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于：（ ）1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。（ ）2.不保密，适用上述授权。（请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。） 声明人（签名）：年 月 日摘要摘 要页眉下要有分割线，全文检查修改。缺页脚高速公路发展至今天，日益增长的车流量和交通拥堵问题成为了当前公路管理的难题和挑战。随着人们生活水平的提高和社会经济的发展，原有的人工收费车道已经不能满足公路的需要。不停车电子收费系统(ETC)是一种有效的解决公路拥堵问题的方法。本文在对ETC系统进行总体分析的基础上，以ETC车道收费软件为对象进行研究，设计车道收费软件的内部结构并实现了具体功能。本文首先介绍了ETC系统和软件在国内外的研究，分析了ETC软件的总体结构、具体功能和相关技术。其次对车道收费软件进行了需求性分析，对软件进行了总体结构的设计。再次详细设计了软件的各个功能模块。本文基于C+语言开发，采用Linux平台和相关的工具盒软件库设计实现了该收费软件。并给出了部分测试实例和结果。通过该软件的实现，可以在车辆通过ETC车道时，使用ETC软件进行车辆信息记录、通行费自动扣款、联动相关机电设备等多项功能，满足了ETC车道日常工作的需求。关键词：ETC；收费软件；车道软件 ABSTRACTAbstractWith the development of highway construction, growing traffic and congestion problems have become the big challenges of the current highway management. With the improvement of peoples living standards and socio-economic development, existing manual toll lane could no longer meet the needs of highway. ETC (Electronic Toll Collection) system is an effective method for solving the problem of highway congestion. In this paper, we focus on the structure and function of ETC toll system based on the analysis of the structure of the ETC toll system. And then design the ETC Lanes Toll Software. This article first describes the status of ETC system and software research at home and abroad, analysis ETC software architecture, specific features and related technologies. Second ETC software undertook a needs analysis, ETC software modular separation of research as a whole, and a logical structure of software design. Again according to the software parts of the detailed design of the main features of each module. This article is based on c + + language development, USES the Linux platform and related tools box of library design software has been implemented. The part of the test cases and results are presented. Through the implementation of the software, can be in the vehicle through the ETC lanes, using ETC software for vehicle information record linkage related mechanical and electrical equipment, automatic tolls deductions, such as multiple functions, meet the needs of daily work of the ETC lanes. Keywords: Electronic Toll Collection（ETC）; Toll system; Lane software 目录目 录第一章 绪论11.1 ETC车道系统简介11.2 国内外研究现状21.2.1国外现状21.2.2国内现状51.3 本文主要内容61.4 全文组织结构6第二章ETC车道收费系统及其技术82.1 ETC车道收费系统主要结构102.2 ETC车道收费系统相关技术112.3 本章小结13第三章ETC车道收费软件需求分析143.1 ETC车道收费软件的需求分析目标143.2 功能需求分析143.3 非功能需求分析183.4 本章小结19第四章 ETC车道收费管理软件的总体设计204.1 ETC车道软件总体架构204.1.1 ETC车道软件功能划分204.1.2 ETC车道软件数据流程224.2 ETC软件逻辑设计234.2.1类的设计234.2.2数据库的设计254.3 本章小结28第五章 ETC车道收费软件的详细设计295.1 系统初始化模块295.1.1 初始化流程设计295.1.2 模块内容和应用设计305.2 工作管理模块325.2.1上班流程的设计325.2.2 入口车道交易流程设计345.2.3 出口车道交易流程设计375.3 数据管理模块395.4 串口通信模块415.4.1 天线控制器（RSU）串口通信设计415.4.2 费显串口通信设计455.4.3 字符叠加器串口通信设计455.5 I/O控制模块465.6 数据库访问模块485.7 本章小结50第六章 系统实现516.1 软件系统主界面设计516.2 工作管理模块536.3 数据管理模块566.4 串口通信模块606.5 I/O控制模块626.6 数据库访问模块646.7 本章小结65第七章 系统测试667.1测试方案与环境准备667.2测试实施过程677.3 结果分析727.4 本章小结73第八章 总结与展望748.1 论文总结748.2 展望74参考文献76致 谢79附录 部分数据库参数表80CONTENTSCONTENTS Chapter 1 Introduction11.1 Introduction of the ETC lanes system11.2 Research status at home and abroad21.2.1 Abroad condition21.2.2 The domestic status quo51.3 Main content61.4 Organizational structure6Chapter 2 The ETC lanes charge system and technical82.1 Main structure of the ETC lanes charge system102.2 The ETC lanes charge system related technology112.3 Chapter Summary13Chapter 3 System needs analysis143.1 The ETC lanes charge software requirements analysis target.143.2 System needs analysis143.3 System non-functional requirements183.4 Chapter Summary19Chapter 4 The ETC lanes management software overall design204.1 The ETC lanes software overall architecture204.4.1 The ETC lanes software functional division204.1.2 The ETC lanes software data flow224.2 Software logic design ETC234.2.1 Class design234.2.2 The design of the database254.3 Chapter Summary.28Chapter 5 The ETC lanes for software detailed design295.1 System initialization module295.1.1 Initialization process design295.1.2 The module content and application design305.2 Work management module325.2.1 Work process sequence diagram325.2.2 Entrance lane transaction process design345.2.3 Requires export lane transaction process design375.3 Data management module395.4 Serial interface communication module415.4.1 RSU serial port communication design415.4.2 Money monitor serial communication design455.4.3 Character adder serial communication design455.5 I/O control module465.6 The database access module485.7 Chapter Summary50Chapter 6 System implementation. 516.1 Software system main interface design516.2 Work management module536.3 Data management module566.4 Serial interface communication module606.5 I/O control module626.6 The database access module646.7 Chapter Summary65Chapter 7 System test667.1 Test plan and environment ready to667.2 Test implementation677.3 The result analysis727.4 Chapter Summary73Chapter 8 Conclusions748.1 Thesis summed up748.2 Looking forward74Refrences76Acknowledgements79Appendix.80第一章 绪论第一章 绪论正文页眉，偶数页是论文标题，全文检查修改1.1 ETC车道系统简介随着我国经济的腾飞，国家高速公路得到了迅猛发展。截至2011年底，我国高速公路总里程达8.5万公里。根据我国交通运输“十二五”规划，到2015年，国家高速公路通车里程将达到10.8万公里。贵州省省长陈敏尔在省第十二届人民代表大会第一次会议上作政府工作报告时指出：今后五年，要达到“高速公路通车里程6000公里。”虽然我国高速公路发展势头一片良好，但随之而来的，是庞大交通网络带来的交通压力和技术挑战。在全国范围内，高速公路采用的收费方式大多为人工收费，即在收费站入口车道发放通行卡记录车辆信息，在出口车道收回通行卡并收缴过路费用。传统收费模式使得车辆通过收费站时必须停车进行相关业务办理，收费员的工作效率直接决定了收费系统是否运行良好、车道是否通行畅通。一个操作失误就能造成收费站拥堵，因车道堵塞原因导致驾驶员与收费站的争执经常发生。为了充分发挥高速公路高效、畅通、快速的特点，高速公路ETC车道系统应运而生。高速公路ETC车道系统，即英文“Electronic Toll Collection”的缩写，意为电子不停车收费系统。电子不停车收费系统，是指车辆在通过收费站车道时，通过车载设备实现识别车辆、写入车辆相关信息（入口车道）并自动从预先捆绑的IC卡或资金帐户上扣除相应费用（出口车道）的电子化收费系统。在通过ETC车道时，驾驶员只需在车内安装通讯感应设备（即电子标签OBU）并在相应银行卡中预存费用，通过收费站时便无须停车通过人工缴费，过路费从卡中自动扣除。安装有ETC系统的车道每车通过耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道无法比拟的。过往车辆通过道口时无须停车，即能够实现自动收费。图1.1 ETC车道电子感应示意图图名要与之后正文间空一行，全文检查修改 ETC车道收费系统是目前国际上最先进的收费系统，是智能交通系统的重要功能体现。科学技术发展到今天，给社会带来的最直观的改变即为：自动代替手动。高速公路也是如此。随着ETC技术的发展和普及，在公路收费技术层面，人工收费模式被电子自动化收费模式取代是必然趋势。ETC技术节约了高速公路系统的人工资源，提高了公路系统运作效率，简化了机电系统维修流程。宏观来说，还能促进相关科学技术的研发和创新，丰富相关产品的多样性发展。1.2国内外研究现状1.2.1国外现状ETC从上世纪80年代开始研究，到90年代在西方国家兴起，再到今天国际范围的推广应用，已经有近30年的历史。1.ETC系统的发展ETC收费系统在国外开始应用从上世纪90年代初兴起，国外的ETC技术主要有三个技术标准。一是以挪威瑞典厂商Qfree和康比特为代表的欧洲技术标准。二是以日本丰田电装、三菱为代表的日本技术标准。三是以无线局域网技术为基础的美国技术标准。比较而言，欧洲和日本的技术较为成熟，已得到了大规模的应用。下面以美国和日本为例，介绍ETC的发展现状。（1）美国在美国，最著名的ETC系统是E-Zpass系统。该系统是主要应用于美国东北部收费高速公路、桥梁和隧道。目前，14个州的25个代理处构成了E-ZPass代理集团（IAG）。所有的代理处都使用统一技术，允许车辆在IAG网络中使用统一的E-ZPass电子标签。在其网络中，E-Zpass系统整合了各种采用统一技术的不同系统，包括马萨诸塞的Fast Lane、伊利诺伊的I-Pass、印第安纳的i-Zoom，以及停用的马里兰M-Tag等系统。这样E-Zpass系统在这一区域形成了一个联网的 “一卡通”系统，车辆可以跨州市而不受到系统限制。美国高速公路总里程近9万公里，收费高速公路的里程约有8000公里，所占比例不大。与我国相比，E-ZPass的运营模式更为复杂。图1.2 有E-Zpass车道的美国公路收费站（2）日本与美国有着明显区别的是日本。根据日本政府统计，日本高速公路塞車的原因有30是来自于收费站的人工收费速度太慢所致；因此，ETC系统被日本政府视为解决塞车的法宝。2001年3月，日本ETC系统正式投入营运。在2003年年末，日本已拥有超过1000条的ETC收费车道，几乎遍及日本所有的高速公路。目前，日本全国l300多个收费站全部都安装了ETC系统。伴随着系统的开通，ETC用户数也不断增加。2003年初用户数不足1O0万，至2006年10月用户数量已达到1514万户，占全国车辆的20，ETC的通车量占全国收费公路交通量的655， 占到东京周边收费公路圈交通量的728。绝大部分的商业运营车辆都装备了ETC车载设备，即使是普通司机也使用ETC收费卡。有专家指出，日本的ETC系统是目前世界上规模最大的、应用效果最突出、产业化规模最大的智能交通项目。图1.3 日本ETC专用收费卡2.ETC软件的发展国外ETC行业发展速度迅猛，其ETC软件的更新换代也是日新月异。综合了国外ETC软件的发展情况，主要有以下特点：（1）车道设备IP化管理指的是将车道设备如天线控制器、车牌识别、车道摄像机、字符叠加等设备全部由脚本程序对其进行IP化控制。车道设备的IP化，使一些冗余的设备的自动切换和自动恢复都变得非常容易。设备一旦出现了故障，就可以通过脚本程序切换到备用设备，然后通过IP化的I/O模块，使故障的设备通过电源复位而重启。（2）监控系统自动化管理指的是不需要人工在后台监视车道监控图像，可以通过自动监控系统来实现全自动化监控。自动监控系统只需要在被监控的设备上安装插件，就可以对设备进行监控和报警。同时这些信息还能通过邮件或手机短信的形式发送给管理人员，从而实现全天候不用人工的实时监控。（3）远程维护由于高速公路里程长范围广，如果ETC软件系统出现故障要派遣维护人员到现场维修，往往在时间和空间上都比较困难。远程维护可以通过全球互联网实现不限时间地点地登陆软件系统进行维护。远程维护通常是通过虚拟网先接入公路单位的网络，然后通过单位网络连接维护系统。包括人工/自动收费切换、软件升级、参数修改、系统重启、故障检测等都可以通过远程维护来实现。（4）前端后台一体化指的是通过IP化技术将尽可能多的车道前端设备与后台管理设备集中在一起，便于管理和维护。通过IP转换可以改写ETC车道系统三级或四级繁复的结构，将ETC系统简化为一到二级；这样使得软件的安装和维护轻松简便，十分有利于软件的管理。除了上述特点外，ETC机电设备的发展也直接决定了ETC软件的发展。例如国外车牌识别数字化技术的进步，可以直接将车牌识别下来转换为数字进行传输和保存，跳过了以往对车辆图像抓拍的步骤。这样就简化了ETC软件的工作流程，减少了ETC软件故障的可能性。1.2.2国内现状国内最早的ETC应用于1996年lO月开展。广东省路路通有限公司从美国TI公司引进ETC收费设备，根据我国路桥的实际情况自行开发了ETC系统收费软件，在佛山等地的地方收费公路上建立了ETC车道并投入运营。同样在10月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司进行了有关ETC系统的技术交流和现场演示。同年底，首都高速公路发展公司与美国Amtech公司在北京首都机场高速路段进行了不停车收费试验。1998年1月，交通部下达了“网络环境下ETC收费系统研究与推广应用”的联合攻关项目，全面系统地开展ETC收费系统的技术构成、接口规范、电磁兼容性、网络结算等技术细节的研究，促使了ETC收费系统市场健康、快速地发展。2000年6月，国家经贸委和交通部联合主持启动了“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化”项目。该项目提出了适合我国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IC卡的组合式电子收费系统”。 2007年5月1日，我国正式发布实施智能运输系统(ITS)电子收费系列国家标准。该系列国家标准是我国智能运输电子收费系统建设中必需参照的技术规范和要求，同时也是交通部制定的公路联网收费技术要求技术参数指标的依据和配套资料。该标准的出台，标志着我国智能运输电子不停车收费系统进入实质性建设阶段，同时也为正在进行的ETC收费试点工程建设奠定了技术基础。目前，全国已有十几个省市开通了多条ETC车道。截止2013年1月，贵州全省高速公路有52个收费站的104条ETC车道运行使用。根据贵州省交通运输厅制定的贵州省高速公路ETC建设规划（2011-2015年），到2015年，贵州全省设置ETC车道的收费站要达到205个，ETC车道达到410条，覆盖率达60%。目前我国已有地区采用了计重ETC收费系统，其ETC收费软件能够连接计重设备对大型货车进行计重ETC收费。但此项技术仍存在研究和进步的空间，因而还没有大范围地得到推广。在软件集成模式上，国内的电子收费系统采用三级甚至四级的拓扑结构：第一级为车道设备级，包括车道读写天线、车辆检测线圈、车道栏杆机、车道摄像机及通行灯等。第二级为收费亭设备级，包括车道控制计算机、车辆检测器等。第三级为收费站级，包括收费及图像监控终端、收费站服务器和报表系统等。第四级为营运管理中心及资金清算单位级，包括数据库服务器、查询及管理终端、上层报表系统、电子标签管理系统及清算系统等。随着高速公路的发展和路网的整合，ETC技术将在研究中不断发展和应用，高速公路系统必将朝着统一化收费和全自动收费的趋势前进。1.3 本文主要内容本文首先研究和解析了ETC系统的相关技术和功能，结合贵州省实际情况架构了ETC系统对应的设备结构和框架，阐述设计改软件的技术手段及技术关键。根据软件工程要求对ETC系统软件进行需求分析，划分软件各个模块的组成与功能，并详细设计软件使其在系统中能实现具体运用。最后对软件的运行进行测试并分析结果，总结软件的设计过程及展望研究前景。1.4 全文组织结构第一章 介绍ETC系统的基本概况及国内外ETC系统的发展和现状，列举本文的主要内容第二章 研究ETC车道收费系统的结构，架构收费系统的组成部分和框架，研究ETC收费系统的技术手段及其技术关键第三章 根据软件工程要求对ETC软件进行需求分析第四章 划分ETC系统的功能并设计模块、数据库和类等第五章 进行ETC系统的详细设计、整合系统第六章 进行ETC系统的具体实现第七章 设置测试环境及制定相应方案，对软件进行测试并分析结果第八章 总结全文工作，展望研究前景83第二章 ETC车道收费系统及其技术第二章ETC车道收费系统及相关技术要居中，全文检查修改ETC车道作为电子化自动收费车道，拥有一套完整稳定的收费控制系统。ETC收费系统保障ETC车道收费的便捷、快速、自动等特性，统一管理和联动ETC车道所有机电设备。本章以贵州省ETC发展情况为例，主要从ETC车道系统的结构出发，介绍其各部分功能、技术及相关协议。2.1系统主要结构根据收费站和ETC车道的工作原理，ETC车道主要分为入口车道和出口车道两部分，其设备组成部分是一样的。ETC专用车道设备主要分为车道设备和亭内设备两部分。车道设备：ETC天线、费额显示器（以下简称费显）、高速栏杆机、车检器、车牌识别系统、摄像机、LED指示屏。 亭内设备：ETC天线控制器（RSU控制器）、车道控制机、字符叠加。ETC车道收费系统主要设备如图2.2所示。图2.2 ETC车道系统构成图ETC车道收费系统采取专用短程微波通信技术（Dedicated Short Range Communications，简称DSRC），使用安装在车道前的车辆检测天线（RSU）与车载电子标签(OBU)进行信息交换，再由车辆检测天线将信息通过天线控制器传递到车道控制机上。天线控制器、费显以及连接车道摄像机的字符叠加通过RS232接口直连到车道控制机由车道收费软件直接控制，车道栏杆机、车道通行信号灯、天棚通行灯、车道摄像机及车辆检测器等通过PCL-725卡连接到车道控制机。这些设备采用开关量进行状态变化控制。2.2系统相关技术ETC车道收费系统综合涉及了多种技术手段和通信协议，以此来支持ETC车道各项设备的连接，完成收费和信息采集的过程。主要技术如下：1.AVI技术自动车辆识别技术（Automatic Vehicle Identification,简称AVI），是ETC系统的核心技术。其主要工作是通过收费系统的机电设备及软件控制对车辆进行信息的识别，从而实现收费。AVI技术框架主要包括电子标签（OBU）、车辆检测天线（RSU）、专用短程微波通信技术（DSRC）以及车辆检测线圈。车辆在不停车通过车道时，车载OBU与车道RSU进行互相通信，车道控制机通过OBU读取车辆信息（车辆种类、车牌等）、车辆行驶信息、缴费状态等，根据营运中心各收费站的下发收费标准参数从车载IC卡中扣除相应费用。2.AVC技术自动车型分类技术（Automatic Vehicle Classification,简称AVC），是收费站征费的依赖技术。其主要工作是通过车道内和车道周围的各种传感装置，通过接触或非接触方式测量车辆物理特征来确定车辆类型，并于车载OBU内获取的车辆类型进行对比，以此保障按标准和规范对车辆进行收费。AVC系统必须与车辆营运系统保持紧密的联系关系，以保障系统能按正确标准对过往车辆收费。 （1）车型分类车辆的类型主要根据车辆的物理特性、额定乘客数、车辆的用途（货用或客用等）、车辆的高度和总重量等要素来进行判断。因此，自动车型分类技术必须通过测定车辆的高度、轴数、以及车辆整重等要素，以此来对车辆进行辨别并正确归类，因此自动车型分类系统还必须依赖一套完整的、规范的分类标准来实现。但当车辆分类仅仅依靠判别车上的乘员数时，目前还无法通过自动车型分类技术对车辆进行正确的分类。同样，也无法通过自动方法来确定车辆的具体用途(如无法将通过收费站的出租汽车从客车中分离出来)。（2）前分类系统和后分类系统在车辆通过收费站之前就可以完成车型分类的AVC系统称作前分类系统(PreClassification)，而在车辆通过收费站后才能完成车型分类的称作后分类系统(PostClassification)。前分类系统能够使机电收费系统首先计算出通过车辆的正确费率，并通过语音报价器等形式通告给收费人员。后分类系统主要用于核查所通过车辆按照车型正确缴费与否（人工收费车道），或为带有计重设备的ETC车道计算正确的费率。前车型分类系统特点是，收费站入口前必须有足够的空间安装AVC装置，以便使系统能够辨别所通过的最大车辆，这对收费站建设时的选址有着一定要求。（3）DSRC技术专用短程微波通信技术（Dedicated Short Range Communications，简称DSRC）既是AVI技术框架的通信方式，也是整个ETC系统的关键技术手段。它是车载OBU与车道RSU在小范围内实现图像、语音和数据的交互通信的一种协议，其传输媒介可以是无线微波信道，也可以是无线红外信道。全球不同地区所采用的DSRC标准各不相同，国际上已形成以欧洲标准化委员会的CEN/TC278，美国的ASTM/IEEE,日本的ISO/TC204为核心的标准化体系。2007年5月，我国正式颁布了电子收费 专用短程通信系列国家标准(GB/T20851-2007)，使其作为研究热点出现在了国际DSRC舞台上。按照电子收费 专用短程通信系列国家标准，DSRC通信系统主要包括三个部分：车载单元OBU、路侧天线单元RSU以及专用短程通信协议。DSRC采用三层协议结构：物理层、数据链路层和应用层，具体结构和其在收费系统中的功能如图2.3所示。图2.3 DSRC技术协议在ETC收费系统中的功能其三层结构各项功能如下：物理层（Physical Layer）:规范无线通信所使用的传媒介质及上下链路传输介质的参数，规定了通信系统中机电设备、传输过程的参数。数据链路层（Data Link Layer）:规定了逻辑链路控制方法和数据访问参数，定义了数据进入物理媒介、寻址和差错检验等步骤的操作。应用层（Application Layer）:分解与重组应用数据，并提供DSRC系统工具，包括数据传输，通信初始化，广播服务等。除了以上提到的三种ETC车道常用的技术手段外，还有路侧天线设备技术（RSU）、天线控制器技术、图像处理技术（VES）等，在这不一一赘述。2.3 本章小结本章介绍了ETC收费系统的主要结构和组成部分，并阐述了目前行业内ETC系统所涉及的主要技术及通信协议，这为后面的具体设计提供了依据和方向。第三章 ETC车道收费软件需求分析第三章 需求分析对ETC车道收费管理软件进行需求分析，是在ETC车道整体运行环境下，对ETC收费软件进行性能、功能、设计等方面的期望分析，确定软件要达到的具体目的。本章从ETC收费软件的功能需求和非功能需求两方面进行分析，通过规范软件的开发过程来提高软件质量，提高用户使用体验，降低后期维护成本。3.1需求分析目标设计一个为高速公路ETC收费车道服务的收费管理软件，其要达到的基本目的是：信息读写及扣费快捷准确、便于管理、防止舞弊、稳定可靠。主要完成的日常工作内容是：收费站出入口ETC车道的收费流程、车道机电设备的联动控制、读取和写入通过车道的车辆信息、车道数据的存取和上传到管理所及营运中心。因为收费站工作的特殊环境，此软件还需要进行24小时稳定运行，操作简单直观，便于维护。收费方面保证能根据车型、路段、里程正确调用收费站函数对过往车辆进行收费，并保持原始数据的完整一致。另外作为一套完整的收费系统，还需要预留备用的软硬件接口，系统内部分区合理不杂乱，便于未来的升级。3.2 功能需求分析本节对ETC软件系统的参与者进行了划分，对于每个参与者分别进行了功能需求分析。需求分析采用UML统一建模语言的用例图进行描述。1.参与者划分参与者作为软件系统外部存在的实体，其通过各种方式参与到软件系统的运行和工作过程中。系统参与者主要可以分为系统使用者和其他外部程序两大类。本项目的参与者为系统的使用者。每一个参与者都是对若干使用者的抽象，这些使用者对于系统有着相同或者相近的功能需求。根据ETC软件的工作过程，可以将系统参与者划分成为如下几种参与者：（1）软件管理员该参与者表示对软件系统进行具体功能维护和管理的工作人员。（2）收费站管理员该参与者表示对软件系统内数据信息进行操作的各收费站工作人员。（3）路段管理所管理员该参与者表示对软件系统内数据信息进行操作的各路段区域的工作人员，其负责对其所在路段内的收费站进行管理。（4）省中心管理员该参与者表示对软件系统内数据信息进行操作的省中心工作人员，其负责对全省的ETC车道分路段地进行管理。2.软件管理员功能需求图3.1对软件管理员的功能需求进行了描述。图3.1软件管理员功能需求图登录管理：该用例提供给用户登录软件对个人账户进行相关操作，是该软件所有参与者的公共用例。其功能由软件登录、修改密码和退出登录三个子用例来实现。账号管理：该用例是软件统管理员对软件系统所有使用者的账号进行统一管理的操作。主要功能包括账号注册、账号配发、账号启动和禁用、密码重置等操作。员工管理：该用例用来对收费站收费员工的信息进行管理。包括员工相关信息添加、修改、删除、角色分配、员工所属用户群调整等操作。后台维护：该用例用来对ETC软件的后台程序内容进行维护。包括所有数据表、信息表、相关参数的添加、修改、删除等操作。权限管理：该用例用以对软件系统内部进行权限的统一管理，包括三个子用例：权限初始化子用例，用来初始化代码中的权限到数据库中。用户管理子用例，用来对软件系统使用者进行用户类别划分。授权管理子用例，用来将权限授予用户并呼应到具体员工上。3.收费站管理员功能需求图3.2对收费站管理员的功能需求进行了描述。图3.2收费站管理员功能需求图登录管理：该用例前文已描述，不再重复。查看本站工班信息：收费站管理员能通过登录软件查看本站的班次信息。查看本站通信日志：收费站管理员能通过登录软件查看本站ETC车道日常的通信记录。查看本站车辆图像：收费站管理员能通过登录软件查看本站过往车辆的正面图像信息。查看本站交易流水记录：收费站管理员能通过登录软件查看本站一定时间内的原始交易流水记录表。4.路段管理所管理员功能需求图3.3对路段管理所管理员的功能需求进行了描述。图3.3路段管理所管理员功能需求图登录管理：该用例前文已描述，不再重复。查看本路段通信日志：路段管理所管理员能通过登录软件查看所管辖路段内各站ETC车道日常的通信记录。查看本路段车辆图像：路段管理所管理员能通过登录软件查看所管辖路段内各站过往车辆的正面图像信息。查看及统计本路段交易流水记录：路段管理所管理员能通过登录软件查看和统计所管辖路段内各站一定时间内的交易流水记录表。5.省中心管理员功能需求图3.4对省中心管理员的功能需求进行了描述。图3.4省中心管理员功能需求图登录管理：该用例前文已描述，不再重复。查看全省各路段通信日志：省中心管理员能通过登录软件查看全省各路段各站ETC车道日常的通信记录。查看全省车辆图像：省中心管理员能通过登录软件查看全省各站过往车辆的正面图像信息。查看及统计全省交易流水记录：省中心管理员能通过登录软件查看和统计全省各站一定时间内的交易流水记录表。一般由各路段管理所统计后上报，不由省中心直接统计。3.3 非功能需求分析ETC车道收费软件的非功能需求即为性能需求，主要表现为软件运行的安全、可靠、稳定能特性。1.数据安全ETC软件在运行时产生和保存的相关数据信息的安全能有所保证，防止未授权用户随意修改数据库中的数据，确保数据的安全。2.工作可靠ETC软件能够独立进行日常工作，如出现故障情况，车道设备可以脱离软件运行。如发生数据传输故障，之前生成的数据参数能保存在本地。整套系统具备长时间不间断工作能力，故障率和错误率较低。3.运行高效ETC收费特点最关键的即为高效性，能保证车辆可以不停车经过收费站即可完成缴费。因此ETC软件要保证车辆通过收费站完成整个交易过程的时间不超过5秒。3.4 本章小结本章根据ETC软件的功能构架明确了需求分析的目标，从功能需求和非功能需求两方面分析了ETC软件，对软件参与者不同的功能需求进行了分别分析，以此作为规范后期软件设计的重要依据，改善软件的不足，减轻维护的难度。第四章 ETC车道收费管理软件的总体设计第四章 总体设计根据需求分析结果，本章将开始对ETC车道收费软件的初步设计。本章主要围绕ETC软件的功能划分和概念设计展开，分析各功能区之间的关系；并运用相关设计手段从ETC软件的内部结构开始，描述该软件内部各项对象和类及其关系，为后期的详细设计奠定基础。4.1 总体架构4.1.1 功能划分ETC 车道收费软件既是整个ETC 系统的中枢，也是一个实时操作的自动控制系统（可以人工干预）。因此，在设计ETC车道收费软件时既要考虑软件界面的友好性、易操作性，又要保证在操作系统时必需的可靠性和及时性，以及相关软件程序的简洁直观和容故障性（指在软件存在故障的情况下计算机整体系统仍不失效，能够继续正常工作的特性）。根据需求分析,在设计此软件时需考虑到方便日后程序调试、维护及升降级，因此为了降低软件内各部分的耦合复杂性，这里采用模块划分的方法，把软件系统划分为6 个模块，从而将软件功能系统能分离成各个部分，便于以后工作的开展。ETC 车道收费软件功能模块示意图如图4.1所示。图4.1 ETC 车道收费软件功能模块示意图如图所示，各模块主要功能如下：1. 系统初始化模块此模块是启动ETC软件的第一部，也是系统的基础。此模块主要是在软件启动时将软件外接设备初始化、连接到数据库、打开软件工作界面、加载所需的系统文件（相关配置文件和动态库文件等）以及初始化车道的相关机电设备。2. 数据库访问模块 此模块是采用ADO技术（ActiveX Data Objects，即ActiveX程序对象，简称ADO）连接远端数据库服务器接口，通过接口访问服务器数据库下载所需的配置和参数等信息；以及上传本地数据至远端数据库，更改、检索和更新数据库表记录等功能。3. 串口通信控制模块此模块的工作主要是控制用串口通信的机电设备，一般包括路侧天线控制器RSU、费显、字符叠加器。4. I/O控制模块此模块主要是控制开关量设备的。主要包括车道栏杆机、车道通行信号灯、天棚通行灯、车道摄像机、黄闪报警器及车辆检测器等。5. 工作管理模块此模块作为系统中最关键的部分，主要是进行数据上传和下载、联系各部分模块，综合处理各模块反馈的信息。包括收费员或维护员进行上下班或软件管理、相关设备模块的启动、车辆过站收费流程、时间同步等功能。6. 数据管理模块此模块主要功能是信息数据的上传和下载、相关参数的存储及数据校对。其中涉及到的数据类别主要包括收费参数表数据、车道日志数据、交易数据、通信记录数据、车辆图像数据、数据库数据、报警数据等。其中数据传输模块即为各模块间数据传输的总称，并不将其过程模块化及研究。4.1.2 数据流程在ETC车道软件从软件启动到完成一个完整的工作流程，信息数据要经过软件内部的各个模块。模块间信息数据的流动过程如图4.2所示。图4.2 ETC软件各模块间数据流示意图各模块间的数据流程主要是： 启动软件，系统初始化开始。全部操作完成后，软件界面打开，工作管理模块可以进行上班和车辆通过的业务处理。 软件在交易过程中形成的交易流水记录、通信日志、车辆图像等数据校验后保存并备份到本地车道控制机。 软件在上班和交易过程中需要通过本地查询相关数据参数，包括收费费率表、车辆黑名单、车辆超时表、员工信息表、班次表、车类分型、动态超时信息表等。 开始上班后，软件通过数据库访问模块启动远程数据库，进行信息参数表的下载。 软件系统将交易流水记录、通信日志、车辆图像等数据远程上传到远端数据库。 将下载的信息参数表存储在本地车道控制机并形成相应文件。 数据管理模块把交易流水记录、通信日志、车辆图像等数据传送至数据传输模块。 工作管理模块在交易过程中以串口通信方式控制相应机电设备，包括RSU、费显、字符叠加。 串口通信模块将RSU接收到的交易信息数据传送给工作管理模块，工作管理模块对其进行交易处理。 工作管理模块在交易过程中以I/O 控制方式控制相应机电设备，包括车道栏杆机、车道通行信号灯、天棚通行灯、车道摄像机、黄闪报警器及车辆检测器。 I/O 控制模块将机电设备的信号输入转变成信息传送给工作管理模块，以此检测是否有车辆通过车道。4.2 逻辑设计4.2.1类的设计因为要根据业务需求和系统要求来设计软件，以此本文采取面向对象的设计方法和思想来设计ETC软件。