钟健朋 基于路网智能化的高速公路收费系统研究与实现.doc

重庆大学工程硕士学位论文基于路网智能化的高速公路收费系统研究与实现硕士研究生： 钟健朋指导教师：何中市 教授 兼职导师：董超俊 高工工程领域：计算机技术重庆大学计算机学院二OO六年九月Engineering Master Degree Dissertation of Chongqing UniversityResearch and Realization of Expressway Network Tolling System Based on Intelligent Road NetworkMaster Degree Candidate: Zhong JianpengSupervisor: Prof. He Zhongshi Pluralistic Supervisor: Senior Engineer Dong ChaojunSpecialty: Computer TechnologyCollege of Computer Science Chongqing UniversitySeptember 2006重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要随着中国交通的快速发展，各级高速公路已逐渐成网,路网信息也随之迅速膨胀。最近粤港两地已实现公路电子联网收费，这是国内首次实现的泛珠三角两个省（区）际电子联网收费模式。但是要认识到泛珠三角地区公路投资主体多元化，各单位有着较多的局部利益，存在众多收费关卡和落后的收费方式，需要协调的问题较多。因此，管理上迫切需要一种“统一收费、自动收费、系统分帐”的路网智能化的收费方式。在此形势之下，一个利用电子不停车技术（简称ETC:Electronic Toll Collection）去准确、快捷地完成车辆扣费的智能收费方式便能发挥重要作用。同时,传统的人工计算路径信息和收费费率表也已不能适应复杂的路网结构。因此,联网收费系统需要一种智能的路径费率生成系统。 本文首先分析了路网智能化收费系统的产生背景,针对其所面临的问题,提出路网智能化收费系统的总体目标和实现策略。其次，本文重点结合ETC、银行账户的自动划扣款、最短路径Dijkstra算法以及CRC校验码算法，详细阐述了路网智能化收费系统的设计与实现。同时本文还对路网智能化收费系统的数据结构、测试用例、容错设计、用户界面和外部接口等作了较详细的描述，给出了系统经典流程及运行界面。最后，结合具体工程说明路网智能化收费系统的运行情况是相当好的,对系统的应用加以推介。路网智能化的收费系统综合运用了计算机软件技术,软件工程, 算法技术, 数据库设计以及IC卡等专业技术知识,对高速公路进行智能化收费系统实施与营运管理都具有很大的价值。关键词：高速公路， ETC， 最短路径算法， 收费系统10重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACTWith rapid development of Chinese transportation, all levels of expressway have gradually become the net，the road-network information has also expanded rapidly. Recently realized highway electronic link between Guangdong and Hongkong, this is the first realization of the Pan-Pearl River Delta two provinces (regions) in the international electronic interconnection fees. But to recognize that the Pan-Pearl River Delta regional highway investment diversification and more units have regional interests, there are numerous checkpoints and backward charging fees, we need more coordination problems. Therefore, the management of the urgent need for a unified fees, tolls automatically sharing system intelligent network charges.In this situation, no one stopping the use of electronic technology (ETC:Electronic Toll Collection) to be completed quickly and accurately prepaid smart vehicle charges can play an important role.Meanwhile, the traditional path information manual calculation of rates and charges has been unable to meet the complex network structure. Therefore, the need for an intelligent network system of trails rates Generation System.This paper analyzes the intelligent network system of background. In view of the problems they face charges intelligent network system to achieve the overall objectives and strategies. Secondly, this paper introduces in detail design and the realization of the tolling system based on intelligent road network, unified ETC, Automatic debit a bank account, Dijkstra shortest path algorithm and CRC algorithms. Meanwhile, This article also to the tolling system based on intelligent road network data structure, test cases, the fault-tolerant design, the user interface and so on has made the detailed elaboration, has carried on the brief introduction to the system classical flow and the run-time interface. Finally, this paper unifies the specific case showing the tolling system based on intelligent road network practical to be good, performs to the system application to introduce.The intelligent network system has utilized the computer software technology, the software engineering, the algorithm technology, the database technology as well as the IC card and so on the specialized technical knowledge, This highway toll system for the implementation and operation of intelligent management is of great value.Keywords：Expressway，ETC，Shortest-Path algorithm，Tolling system.重庆大学硕士学位论文 目 录目 录中文摘要英文摘要1 绪论1 1.1问题的提出及研究意义1 1.1.1 问题的提出1 1.1.2 研究的意义1 1.2国内外的研究现状2 1.2.1 收费制式的研究现状21.2.2 收费方式的研究现状21.3本文研究的主要问题3 1.3.1 收费站所面对堵塞问题31.3.2 路网的分段和与总和不等的问题31.3.3 同一路段在不同方向费率不同31.4本文所提出的解决方案4 1.4.1 以ETC技术为核心的收费站设计41.4.2 建立统一的收费清分与充值规则41.4.3 以收费站为元素建立一套数学模型4 1.5 本系统要实现的目标41.6 本文的结构42 路网智能化收费系统的实现策略6 2.1 确立统一的信息结构与密钥体系6 2.2 采用最短路径算法作为核心算法6 2.3 利用递归技术实现原有系统接口72.4 确定以最小费率为准的清分原则82.5 绑定银行账户的IC卡自动划扣款93 路网智能化收费系统的设计10 3.1 系统构架设计10 3.1.1 系统构架框图11 3.1.2 系统数据字典11 3.2 系统功能设计123.2.1 人工收费（MTC）车道子程序123.2.2 ETC车道子程序12 3.2.3 收费站的子程序133.2.4 路段管理中心的子程序143.2.5 区域收费中心的子程序173.2.6 省收费中心的程序183.2.7 各级数据交换接口183.2.8 省级收费中心系统路径与费率管理193.2.9 绑定银行账户的IC卡自动充值程序193.3 系统运行环境19 3.3.1 中心服务器193.3.2 管理工作站203.3.3 车道控制器203.4 数据库设计20 3.4.1 逻辑结构设计203.4.2 物理结构设计213.5 系统测试用例设计21 3.5.1 功能测试213.5.2 性能测试22 4 路网智能化收费系统的实现23 4.1 系统功能实现23 4.1.1 MTC与ETC车道程序实现23 4.1.2 站服务程序实现26 4.1.3 路段收费管理程序实现264.1.4 路段车流量报表程序实现264.1.5 收费站IC卡调拨程序实现274.1.6 区域中心与路段中心的数据通信程序实现284.1.7 省级收费中心的信息管理与路径生成实现284.1.8 省级收费中心的清分费率的计算实现294.1.9 绑定银行账号的IC卡自动充值系统实现30 4.2 系统接口实现314.2.1 用户接口实现31 4.2.2 内部接口实现31 4.2.3 外部接口实现31 4.3 系统出错处理32 4.3.1 系统出错信息32 4.3.2 系统补救措施324.4 系统的典型流程33 4.5 系统的界面345路网智能化收费系统的运行情况36 5.1 系统的运行状况36 5.2 系统的使用价值36 5.3 系统取得的成绩376结论与展望38 6.1 本文总结38 6.2 后续工作的展望38致 谢40参考文献41重庆大学硕士学位论文 1 绪 论1 绪 论 本章描述了国内外高速公路联网收费系统的情况,结合广东高速公路联网收费现状以及泛珠三角联网所面临的问题,并针对上述问题提出三点解决方案,以及指出路网智能化的收费系统所达到的目标。 1.1 问题的提出及研究意义 1.1.1 问题的提出 中国高速公路越修越多，档次也越来越高，在促进经济发展中发挥着巨大作用。但高速公路上的众多收费关卡和落后的收费方式，已成为制约公路事业发展的瓶颈。频繁的停车、长时间的排队、繁琐的交费手续、麻烦的现金找零等原因造成高速公路拥堵、相关成本增加。今年的“两会”上，全国人大代表再一次就提高收费站通行效率，解决车流量大的收费站所面对堵塞问题询问了政府相关部门。这是联网收费系统需要解决的一个问题。广东省政府在转发广东省交通厅关于进一步清理整顿全省公路收费站有关问题的请示的通知文件中要求省经贸委牵头，会同省交通厅、监察厅、物价局落实全省联网收费工作。1.1.2研究的意义2006年9月，粤港有关部门正式宣布两地实现公路电子联网收费，粤港双方合作的“快易通粤通卡”正式对外发行，此后香港车辆使用此卡在广东境内高速公路实现非现金缴费，配合电子标签使用可实现不停车缴费。现时粤港两地牌照车辆的司机将不用再兑换人民币在广东省内进行现金缴费。这是国内首次实现的泛珠三角两个省（区）际电子联网收费模式，也是为未来泛珠三角十多个省际大联网收费打下了很好的基础。但是我们也要同时认识到由于泛珠三角地区的公路投资主体多元化，各路段收费技术和收费标准复杂多样，各地、各单位存在着较多的局部利益，泛珠三角地区推行联网收费难度较大，需要协调的问题较多。但是联网收费能取得巨大的社会与经济效益。因此，管理上迫切需要一种“统一收费、自动收费、系统分帐”的适合中国国情的路网智能化收费方式，这就是本文研究的意义。1.2国内外的研究现状1.2.1收费制式的研究现状从收费制式的角度来说，国内外的高速公路收费可分为开放式、封闭式两种。开放式收费系统，又称栅栏式收费系统或者路障式收费系统。这种收费系统的收费站建在高速公路主线上，各个互通立交的入出口不再设站，车辆可以从互通立交自由进出，不受控制，高速公路对外界呈“开放”状态。收费站的收费标准仅根据车型不同而变化，通过一次收一次费。封闭式收费系统是在高速公路的起、终点建主线收费站，在所有互通立交的出、入口建匝道收费站，并根据车型和实际行驶里程来确定收费额；对于封闭式收费系统，车辆进出高速公路都要二次经过收费站，高速公路对外界呈“封闭”状态，国内目前对封闭式收费主要采取“入口发卡、出口交费”的管理模式。1.2.2收费方式的研究现状从收费方式的角度来说，国内外的高速公路收费可分为人工收费、人工半自动收费、全自动电子收费（ETC，如图1.1）等类型。图1.1电子不停车收费（ETC）系统结构图Figure 1.1 The architecture of ETC system人工收费是不借助计算机系统或电子系统的软硬件，完全纯手工的进行停车收费的方式。该收费方式现已基本淘汰，不再使用。人工半自动收费简称MTC（Manual Toll Collection）指人工判别车型、人工收发通行券及收费、检测器校核、计算机管理、摄像头辅助监视的停车收费方式，可以概括为“人工收费、计算机管理、闭路电视监视”方式。它的工作模式为：用户持通行卡作为通行券兼支付卡以停车方式由MTC车道人工刷卡通过或在入口领取通行券，在出口以现金付费的方式通过MTC车道。电子不停车收费是利用车辆自动识别技术，通过路侧车道系统的信号发射与接收装置识别车辆，自动完成车辆扣费的全智能收费方式。电子不停车收费技术采用“两片式电子标签+双界面CPU卡”作为通行券的方案。1.3 本文研究的主要问题1.3.1收费站所面对堵塞问题中国的私人汽车拥有量正以每年75%的速度增长,部分地区的增长速度甚至高于这个水平。可以预计,随着人均汽车拥有量的提高和交通基础设施的完善,城市内部的交通量和城际的交通量都将大幅度增长.对公路使用的需求必然随之不断提高，高速公路的收费站则日益的堵塞。这是路网智能化的组合式收费系统需要解决的一个大问题。1.3.2路网的分段和与总和不等的问题目前，高速公路收费标准为整数，尾数要么是零要么是五元，即根据单公里收费标准乘以公里数的结果是三以上五以下的按五元收取，三以下舍去尾数，五以上八以下按五元收取，八以上十以下按十元收取。该取整原则的实行导致了直线上两站点间的费率实施非叠加计算法，不能通过简单的加减运算来计算费率，即ACAB+BC，直接影响了路网费率计算。在路网智能化的组合式收费系统里必须真实反映这些具有执行依据的收费标准，它是高速公路营运管理的立足之本，是经营性收费的政策依据，不能因它不符合相关计算规则而定它的标准性。1.3.3同一路段在不同方向清分费率不同高速公路收费审批表里的一个任意两站间最低5元的原则，即使只有几百米也得收5元。为体现对车主的公平原则，在计算跨路段费率的时候不采用简单的叠加，而依照的原则，因此同一条路段的特定区间在立交桥拆分中，清分费率不同。在路网智能化的组合式收费系统里必须真实做到合理地保护各投资主体的利益，有理、有据收费和公平、公正进行拆分帐。这是路网智能化收费系统里必须解决的又一个矛盾。1.4本文所提出的解决方案1.4.1以ETC技术为核心的收费站设计采用这一技术，可以有效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问题。ETC车道还能根据需要进行设置，可极大地降低高速公路收费系统的改造成本，在资金投入和系统规模上富有弹性、易于试点和推广，运营风险大大降低。1.4.2建立统一的收费清分与充值规则通过路网智能化组合式收费系统的实施，我们要建立一套收统一的收费清分计算以及便利的IC卡自动充值规则，使其既能实现对用户不多收费、对投资者不少分钱的管理要求，又能有效解决费率计算过程中特殊问题和方便使用者。1.4.3以收费站为元素建立一套数学管理模型通过对高速公路实际路网结构以及具体管理需求的分析，整个路网已经形成环形发射关，因此需要对路网进行抽象，建立一种数学模型，既能客观真实地反映路网结构，又便于有效地进行相关计算。1.5本系统要实现的目标1. 建立基于路网智能化的组合式收费系统,使用电子不停车收费技术,确定最短路径和最小费率,保证收费费率和清分数据的准确性、可靠性。2. 综合运行编程技术、数据库设计技术、软件工程、算法技术设计一套功能强大的软件,提高路网路径和费率的计算速度,以后适应新增路段或其他因素引起的路网结构变化,降低路径费率计算出错率,有效提高工作效率和质量,为管理层提供可靠的信息处理工具。3. 提高路网管理的适应性,启用与银行帐户绑定的IC卡自动充值服务，方便客户，提高使用者的满意度。1.6 本文的结构第一章介绍国内外的高速公路联网收费系统情况,并针对泛珠三角地区联网收费所面临的问题提出实施“基于路网智能化的收费系统”的必要性，同时指出实现路网智能化收费系统所面临的主要问题,并提出该系统要实现的目标。第二章具体说明基于路网智能化的收费系统的实现策略。第三章详细介绍路网智能化收费系统的设计,包括系统,功能,运行环境及数据库设计,测试用例，数据通信校验码的设计。第四章详细介绍路网智能化系统的实现,结合经典的最短路径算法详细描述路径和费率的实现过程以及部分核心源代码的实现。第五章介绍路网智能化收费系统的应用情况,包括取得的成绩和经济、社会效益。最后为论文的总结部分,总结论文的主要内容及相关工作, 并提出下一阶段的工作任务,包括相关参考文献列表及对老师与朋友的衷心感谢等相关内容。重庆大学硕士学位论文 2 路网智能化收费系统的实现策略2 路网智能化收费系统的实现策略 本章介绍整个路网智能化收费系统的实现策略，既解决了整个系统面临的问题，又可以成功实现系统的目标。2.1 确立统一的信息结构与密钥体系信息结构体系表包含如下内容：指标编号、指标名称、指标的数据类型、指标的字节宽度、备注。信息指标分为路网、车辆、用户、业主、人员、卡、票、款、管理共九大类，大类中包含指标集、指标子集和指标。密钥管理采用由省级联网收费结算中心、区域收费中心组成的二级管理体制。如图2.1。其中省级联网收费结算中心负责总控卡、业务总控卡、中心主密钥卡、主密钥分散卡、PSAM卡、粤通卡以及各类母卡的生成与管理。区域收费中心则负责本区域内通行卡、公务卡、身份卡的生成与管理。图2.1密钥管理体系结构图Figure 2.1 The architecture of key management2.2 采用最短路径算法作为核心算法根据广东省的实际情况，路网已经形成环形发射状，因此我们从图论的角度把高速公路路网抽象化为可变权重的有向图，路网中各个收费站作为该图一个节点，把收费站之间直接相邻的路段作为图的边，用相邻收费站之间的里程和费率（或其他可以表示的度量方法）作为该边的权值，基于此可以看出，联网收费的最小费率，在数学上可表述为如何找到该有向图中任一点到图中的另外点的最小权值的问题，同时最短路径也可以通过类似的方法进行，只是权值取相应里程数。将高速公路网视作这样一幅带有权有向图G=（V，E，W），V=V1，V2，Vn，E=e1,e2,em，V为顶点集（收费站），比如一收费站为Vi则上一个收费站是父节点vi-1,下一个收费站是子节点vi+1,E为有向边集（相邻收费站），根据各收费站的不同性质，给予不同的属性。W为边上的权集，其中两收费站之间的公里数是稳定权Wij，而收费额是可变权Wij，将各类不规则的收费额和隧道、桥梁加工处理后作为修正权重，而对于分时优惠、路段优惠、IC卡优惠以及各类临时优惠等动态信息，作为可变权重。设想vs到vt的最短路径如下：vs,vj,vk,vt,那么，从vs沿P到vj或vk的路，就是vs到vj或vk的最短路。也就是说，P不仅是起点vs到终点vt有最短路，而且由vs到P上任一中间点的最短路也在P上。由此可以想到，为了求由vs-vt的最短路，可以先求vs到中间vj点的路，然后再逐步扩展到终点vt。这样，通过最短路径算法就可实现路网智能化收费系统的关键的和绝大部分运算。2.3 利用递归技术实现原有系统接口整个高速公路径的计算，由于其里程是以公里为单位保留两位小数严格叠加的，所以可直接采用最短路径算法实现。整个高速公路路网智能化系统是为解决高速公路联网收费以后营运管理所面临的急需解决的问题而设计的畏助系统，因此其生成的结果必须满足现有联网收费系统的接口规范。由于现有联网收费系统必须按路段进行清分，而且系统里还存在诸如“年票卡”“优惠卡”等特殊业务的应用，因此必须要求路径按路段方式进行描述。如从广州环城收费站到湛江收费站的路径在数据库中有六段记录；第一段广佛路从广州到佛山，第二段路从佛山到开平，第三段开阳路从开平到阳江，第四段路从阳江到湛江。在路径用路段清晰描述的基础上，将收取的通告费按清分原则拆分到相应路段上就形成清分费率。显而易见，最短路径算法的结果不满足这种需求。通过仔细分析最短路径算法的路径结果path二维数组，我们发现：path14的值为3表示节点1到节点4经过节点3，据此继续录找path13和path34，发现节点3节点4相邻，节点1和节点3经过节点2，于是节点1到节点4所有经过的节点序列为1、2、3、4。一量形成两节点间经过的节点序列，我们以序列中的路段跨接节点为分界线进行分段，就形成我们需要的路径格式。抽象这种序列搜索过程我们不难发现，对pathij=k进行节点i到节点j的序列搜索，如果节点i和节点j不相邻，就必须以节点i到节点j必须经过的节点为界将其分为两段，分别对对节点i到节点k节点k到节点j进行火大似节点i到节点j搜索，直到相邻为止，这是典型的递归算法。综上所述，利用递归算法对最短路径算法的结果进行整理，与最小费率的结果相结合就可形成现有系统需要的路径、收费率和清分费率，实现数据格式的转换。2.4 确立最小费率收费最短路径清分为原则综合分析路网智能化系统的实现目标以及要实现这些目标所面临的问题，必须确立相应计算原则。只有采取“最少费率收费、最短路径清分”的法则，才能做到公平、公正和公开对用户收费和给各投资主体分帐。特定两收费站间不管存在多少条路径，也不管各条路径收费费率存在多大差异，更不用管最小费率是不是最短路径的费率，只要无法举证车主真实行驶路线，执行经营性收费的调整公路投资者就只能按最小费率收费，否则从法学角度无法给用户一个合理的解释。高速公路路网确定路径的方法有多种多样：有的地方采用“标式站”但需要建设相就站点，建设投资和运营费用自然少不了，关键是需要用户停车，违背了联网收费撤消主线站降低成本让车辆快速通过的原则，与其设“标式站”倒不如干脆停下来直接收费；本着节约运输成本的原则，车主没有理由不走最短路径。因此，在无法确认车主朴实行驶路线的情况下，直接采用“最短路径法”确定车主驶路线是可行的也是必须的。“最小费率收费”对每个使用了调整公路的用户做到应征不漏，保证了高速公路路网的利益，但还没有分配到路网中各投资主体的根本利益，因此我们必须解决如何公平、公正地清分收到的这部分通行费。前面我们讨论了通过“最短路径法”确定车主的行驶路线，那么这钱理所当然的应分给最短路径上的投资主体。为共同承承担按最小费率收费所带来的差额，这些投资主体应按比例进行分摊，分摊原则是该业主的相应路段通行费在最短路径上理论计算收费值的比例。因此，“最小费率收费、最短路径清分”是实现路网智能化收费系统的最基本的原则。2.5 绑定银行账户的IC卡自动划扣款路网智能化收费系统必须提供智能与便利的服务-我们与多家银行合作，通过银行卡和粤通卡“一对多”捆绑，实现IC卡自动充值。如图2.2。 图2.2自动充值服务流程Figure 2.2 The service flow of automatic sufficient value收费系统与专业银行合作，用签约预付费方式解决充值金收款问题。在资金流动上，采用预付费银行划扣的方式，通过与银行签约，网上充值平台和银行之间搭建信息通道，借助银行系统进行充值资金的安全流动。通过银行卡和粤通卡卡绑定，采用一定方式进行资金的银行划转（从客户账户划入粤通卡账户），完成充值资金的收取。在这种方式下，用户只需要在业务开通时，进行一次签约，将银行卡和粤通卡卡绑定，约定划款方式，在享受粤通卡充值服务时即可通过后台进行充值金支付，在资金流动上大大提高了便利性，减少了人工参与的环节，使广大IC卡用户的自主性有很大的提高。重庆大学硕士学位论文 3 路网智能化收费系统的设计3 路网智能化收费系统的设计 本章详细介绍路网智能化收费系统的设计，包括系统、功能、运行环境、数据库设计以及测试用例的设计，通过本设计，可实现路网智能化收费系统的搭建。3.1 系统构架设计路网智能化的收费系统主要采用兼容电子不停车收费和人工半自动收费的组合式收费技术。其中，粤通卡是广东省政府指定的全省公路联网收费专用非现金缴费卡，在高速公路兼作通行券和支付卡使用。车辆用户只要拥有一张粤通卡，便可任意通行全省高速公路，无需缴纳现金，配合粤通卡专用电子标签使用，在高速公路收费站，无论是入口或出口，均可自由选择通行人工收费车道或自动收费车道（ETC车道），享受快捷、舒适的高品质“一卡通行”自动收费服务。当通过人工收费车道时，用户只需停车将粤通卡交收费员刷卡，在收费员交还粤通卡，车道显示绿灯信号，栏杆抬起后便可通行。将粤通卡插入电子标签内，便可不停车通行自动收费车道,实现自动缴费。图 3.1 高速公路收费系统管理架构图Figure 3.1 The management architecture of expressway tolling system其中，收费公路经营单位将车道原始通车记录传送到广东省联网收费结算中心，结算中心对各收费公路经营单位传送来的数据进行统计、汇总，计算出各用户应缴的通行费和各收费公路经营单位应收的通行费，形成划款指令，并将划款指令传送清算银行。清算银行按照结算中心划款指令进行资金结算和划转，从而完成粤通卡通行费的资金清算过程。3.1.1 系统构架框图 图3.2 路网智能化收费系统构架图Figure 3.2 The architecture of tolling system based on intelligent road network3.1.2 系统数据字典数据字典参数是数据库初始化的一部分，主要定义系统的一部分参数，这些数据不能随意修改，也不能浏览，只能在使用过程中选择。包括：车道类型表、票据类型代码、黑名单原因、货币类型代码、车型代码、冲减代码、车道方向、特殊事件代码、车种代码、异常代码表、车道操作代码、系统编码等。3.2 系统功能设计3.2.1 人工收费（MTC）车道子程序对人工收费系统车道子系统的设计，应该满足系统在功能完善及操作简便等方面的要求，以数据安全、可操作性及防止收费员的作弊行为为考虑的重点，在此基础上结合维护、车道布局变更、兼容现有车道设备、新版本开发等方面的要求进行设计。作为一个人工收费系统，与ETC系统相比，其最大的区别在于实时性要求并不是很高，但所需处理的情况相对ETC系统多了很多。因此在ETC系统中界面大部分是作为显示数据的需要，而在人工收费系统中，界面作为与收费员交互的平台需要提供较多的功能。在界面操作时，每当有操作员进行登录或者退出系统时，都要更新当前的操作员，并根据当前操作员所拥有的权限进行功能屏蔽设置。各种操作原则上允许灵活的切换，但当车道处于营运状态（有工班进行），不允许进行车道设备检测操作。3.2.2 电子不停车（ETC）车道子程序ETC车道子程序是利用微波通讯技术实现不停车收费的一个全自动系统，包括站级子系统和车道子系统两个部分，其中车道子系统负责收费车道的数据采集及车道设备的协调管理；站级系统则负责后台的数据服务工作，并通过提供与传统人工收费的数据接口，使本系统能与其形成组合收费的营运管理形式。ETC车道子程序通过微波通讯技术采集过往车辆数据，参照接收站级子系统下发的各种运营参数完成与车载设备间的交易，并协调控制车道中的设备控制车辆的行驶。同时，作为一个全自动化、实时要求比较高的系统，ETC车道子系统同时具备自动化系统与实时系统的特点，不但在反应时间上保证车辆能够保持一定的速度通过，而且应该对各种软件及硬件异常有探知、处理和恢复能力，并对不能处理的异常能采取合理的手段，以保证系统运行的健壮性和安全性。其中ETC车道子系统所使用的触发式车道硬件设备、车道布局及通讯方式如图3.3所示。在ETC车道子系统中，通过探测地感的变化来判定车辆行驶的方向及位置，并使用原有的微波通讯设备进行车辆识别及交易；在车道子系统与站级子系统之间，将使用“客户 服务器”方式进行通讯，通讯方式使用TCP/IP协议进行通讯。工控机、车道控制器收费岛收费岛收费岛MTC车道ETC车道声光报警器抓拍摄像机费额显示牌通行灯自动栏杆落杆线圈天线通信区抓拍线圈触发线圈图3.3 电子不停车ETC车道布局图Figure 3.3 The layout drawing of ETC traffic lane故此，我们在对ETC车道子系统的设计，应满足软件在自动化及实时性方面的要求，以数据安全及车道性能为考虑的重点，在此基础上结合维护、车道布局变更、兼容现有车道设备等方面的要求进行综合考虑。3.2.3 收费站的子程序收费站软件系统包括数据通信管理子系统、参数浏览子系统、交接班子系统、报表管理子系统、数据备份与恢复子系统、发票管理子系统、车牌及卡号查询子系统、收费监控子系统、IC卡管理子系统等。收费站软件系统功能结构见图3.4：图3.4收费站软件系统功能设计图Figure 3.4 The function design drawing of Tolling stations software system3.2.4 路段管理中心的子程序 路段中心是收费站的上级机构，其对路段内所有收费站、收费车道进行管理，包括收费数据的管理、运营参数的管理、IC卡的管理、查询服务，因此收费系统路段中心部分分为如下几个部分：数据服务程序、路段中心管理程序、监控程序、路段中心接口程序、坏卡查询服务程序、流水，图像稽查程序、路段中心时钟同步程序、路段中心通信管理程序、IC通行卡管理程序、IC身份卡管理程序、报表管理程序。其中，通信管理子程序是极为核心的，它主要负责路段收费中心和所辖各收费站之间的数据信息传递以及路段收费中心和区域管理点之间信息传递。路段收费中心上传给区域管理点的传输内容包括：原始通行费流水（包括入口流水表、出口流水表、特殊事件入口流水表、特殊事件出口流水表）等。而数据通信过程为：发送数据时，发送方监控通信中间件返回的发送结果和接收结果。发送结果成功表示数据已经成功到达接收方的通信中间件层，接收结果表示接收方已经成功接收数据，并认可该数据。其关键数据通信过程设计如图3.5所示。接收方发送结果数据数据通信中间件发送方接收结果通信中间件数据接收结果接收结果发送结果图3.5 数据通信过程的设计Figure 3.5 The design of data communication process在通信管理子系统内部之间将采用消息中间件（BEA Tuxedo中间件），开发语言采用C/C+，并以数据流方式进行数据通信。采用消息中间件进行通信，屏蔽了底层的通信协议，能增强通信的健壮性，提供强大的通信管理功能，并简化开发过程。而通信过程的设计必须考虑到数据的安全性与完整性，所以系统设计采用的检验算法是CRC-32算法。当需要检验的内容不是文件时，只需将文件改为相应的数据内容即可。校验码生成算法设计如下：（以文件校验码设计为例）1） .生成CRC初始矩阵void CRC_Init_CRC32_Table(unsigned long * crc32_table) /* Call this function only once to initialize the CRC table. */* This is the official polynomial used by CRC-32*/* in PKZip, WinZip and Ethernet.*/unsigned long ulPolynomial = 0x04c11db7;inti, j;/* 256 values representing ASCII character codes.*/for( i = 0; i = 0xFF; i+) crc32_tablei=CRC_Reflect(i, 8) 24; for ( j = 0; j 8; j+) crc32_tablei = (crc32_tablei 1) (crc32_tablei & (1 31) ? ulPolynomial : 0); crc32_tablei = CRC_Reflect(crc32_tablei, 32); unsigned long CRC_Reflect(unsigned long ref, unsigned char ch) /* Used only by Init_CRC32_Table().*/unsigned long value=0; inti;/* Swap bit 0 for bit 7*/* bit 1 for bit 6, etc. */for( i = 1; i (ch + 1); i+) if(ref & 1) value |= 1 = 1; return value; 2).计算文件CRC校验码：unsigned longGetCRC(FILE * fp)unsigned longcrc32_table256, globalCRC;char lsFileCRC10;inti;unsigned charch;intliFileLen;CRC_Init_CRC32_Table(crc32_table) ;/*start calculation*/globalCRC=0xffffffff;fseek(fp, 0L, SEEK_END);liFileLen = ftell(fp);rewind(fp);for (i=0; i0)*pCRC = (*pCRC 8) crc32_table(*pCRC & 0xFF) *buffer+; 从这个数据通讯过程的校验设计可以看出：校验内容包括通信数据包中在检验码之前的全部数据。其中校验方法为接收方收到通信数据包后，先检查数据包检验码，检验通过后才可将数据写入数据库中，否则回退。3.2.5 区域收费中心的子程序根据系统的应用需求，区域收费中心系统系统功能组成分为两大部分。如图3.6。区域结算中心系统的设计基本功能是：制定和下传联网收费系统的运行参数（费率表、时钟同步、系统工作设置参数等）；接收区域管理点上传的所有原始收费数据并对通行费进行拆分和结算；向省联网收费结算中心发送拆分后的粤通卡原始通行记录；响应路段中心、区域管理点的查询请求；区域结算中心操作、维修人员权限的设置与管理；IC卡管理；数据库、系统维护、网络管理；以及数据存储、备份和安全保护等。区域管理点系统的设计基本功能是：制定该区域的运行参数，下传联网收费系统的运行参数（费率表、时钟同步、系统工作设置参数等）；接收路段中心上传的所有原始收费数据；响应路段中心的查询请求；区域管理点内操作、维修人员权限的设置与管理；IC卡管理；数据库、系统维护、网络管理；接收区域结算中心下传的各种运营参数；向区域结算中心发送所有原始收费数据等。 图3.6区域收费中心的子程序功能设计图Figure 3.6 The function design drawing of region tolling center subsystem3.2.6 省收费中心的程序省收费中心计算机系统的主要功能是实现密钥管理、数据备份与恢复、粤通卡的初始化、粤通卡的库存管理、帐务管理、黑名单管理、系统管理、通信、后台充值认证、交易认证、进行各种报表的统计查询等。按照功能可将系统划分为：密钥管理子系统，数据备份与恢复子系统，粤通卡初始化子系统，帐务处理子系统黑名单管理子系统，库存管理子系统，统计报表查询子系统，系统管理子系统，通信子系统，储值卡销售核对子系统，后台充值认证子系统，交易认证子系统。3.2.7 各级数据交换接口交换接口部分的数据采用基于通信中间件进行传输。本部分定义了通信内容协议。数据通信主要以数据包或文件为单位进行，区域收费中心数据交换接口采用以下两种方式：数据流传输方式、XML格式数据文件传输方式。其中包括： 路段收费中心向区域管理点上传数据；路段收费中心接收区域管理点下传数据；区域管理点与区域结算中心之间的通信；区域收费中心向路段收费