组合式电子收费系统研究及实现.doc

1 / 86 中图分类号：中图分类号：TP391 论文编号：论文编号： 1028704 10-Z032 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 组组合合式式电电子子收收费费系系统统研研究究及及实实现现 学学 号号： 0 6 0 4 7 0 7 姓姓 名名： 郑郑 欣欣 然然 专业、领域专业、领域： 软软件件工工程程 研研究究方方 向向： 计计算算机机应应用用 指指导导教教 师师： 谢谢强强 副副教教授授 南南京京航航空空航航天天大大学学 研究生院 信息科学和技术学院 二二 一一 年年 五五 月月 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Information Science and Technology Research and Implementation of Composite ETC Application System A Thesis in Electronic Science and Technology by Zheng Xinran Advised by Professor Xie Qiang Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering May, 2010 3 / 86 承诺书承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： i / 86 摘 要 电子收费是目前国际上广泛应用于高速公路、城市道路、隧道和桥梁的一种新型 电子自动收费技术。指导我国高速公路电子收费应用的国家标准 GB/T20851电子收 费 专用短程通信也于 2007 年正式颁布。本文在国标的基础上，研究了国内各省已 建设完成的高速公路联网收费系统，结合用户对 ETC 系统的不同需求及试点应用情况， 设计了一套兼容人工半自动收费的电子收费技术方案-“两片式电子标签+双界面 CPU 卡”的组合式电子收费技术方案。该方案不仅解决了 ETC 与 MTC 之间相互兼容 的问题，并且具有投资少、效率高的优点。通过对组合式电子收费系统深入、细致的 研究，文章给出了组合式电子收费系统技术方案的总体设计；介绍了组合式电子收费 的关键技术和电子设备；给出了 ETC 车道的设计方案；最后给出了组合式电子收费系 统的实现以及其今后发展的一些建议。 关键字词：电子收费 人工半自动收费 组合式电子收费系统 两片式电子标签 双界面 CPU 卡 专用短程通信 ABSTRACT As a new type of Electronic Automatic Toll Collection technology, ETC is more and more widely used in the field of highway, country road, tunnel and bridge all over the world. The guideline for Chinese highway ETC applications national standard-GB/T20851for ETC has been formally published in 2007. On the basis of the national standards and according to the research of our countrys highway toll system and users different requirements and test situations, I present the article. In the article ,I raise my view on the Composite ETC Application Solution of two pieces ETC tag plus dual interface CPU card which is compatible with nowadays used MTC well and it has the advantage of less investment but higher performance .Through deep and extensive investigation on combined toll collection system, this article present the global design of composite ETC application system , explains the key technology and the using electric equipments, and illustrates detailed contents of the composite ETC application system traffic lane function .In the end of the article ,I give the implementation of the composite ETC application system and some suggestions of its development in the future. Key words: ETC MTC Composite ETC Application System Two Pieces ETC Tag Dual Interface CPU Card DSRC iii / 86 目 录 第一章 绪论.1 1.1.电子收费技术的发展.1 1.1.1.现金收费存在的问题.1 1.1.2.ETC 的概念.1 1.2.ETC 的优点.2 1.3.ETC 的工作原理.2 1.4.国内外 ETC 应用现状.3 1.4.1.国外电子收费技术现状.3 1.4.2.国内电子收费技术现状.5 1.4.3.我国电子收费（ETC）发展趋势.7 1.5.项目背景.8 1.6.本文的主要内容与组织结构.9 1.6.1.论文的主要内容.9 1.6.2.论文的组织结构.9 第二章 组合式电子收费系统的关键技术.10 2.1.电子收费标准的现状及发展趋势.10 2.1.1.ETC 标准的选择-无线通信频率.10 2.1.2.ETC 标准的选择-电子标签.11 2.1.3.我国电子收费（ETC）标准.12 2.2.组合式电子收费系统.15 2.3.非接触式逻辑加密卡.15 2.4.双界面 CPU 卡.16 2.5.两片式电子标签（OBU）.17 2.6.ETC 车道天线及控制器.17 2.7.IC 卡专用收费机具.18 2.8.高可靠性车道工控机.18 2.9.车牌识别系统.18 第三章 组合式电子收费系统总体设计.20 3.1.组合式电子收费系统需求分析.20 3.1.1.总体需求.20 3.2.组合式电子收费技术系统框架.20 3.3.组合式电子收费系统功能流程.21 3.4.组合式电子收费系统安全体系框架.22 3.4.1.电子收费安全需求.22 3.4.2.电子收费数据安全体系框架.23 3.4.3.电子收费密钥管理系统方案.24 3.5.组合式电子收费技术方案的实施.25 3.5.1.人工 MTC 收费车道新增功能.25 3.5.2.人工收费车道改造方案.26 3.5.3.收费站新增系统功能.27 3.5.4.收费站改造方案.27 3.5.5.路段收费分中心新增系统功能.27 3.5.6.路段收费分中心改造方案.27 第四章 组合式电子收费车道设计.28 4.1.ETC 车道的构成.28 4.2.ETC 车道结构设计.28 4.3.ETC 车道设备布设.30 4.3.1.设备清单.30 4.3.2.ETC 车道系统电气连接.31 4.3.3.ETC 车道收费岛上设备布局.31 4.3.4.ETC 车道亭内设备布局.31 4.4.ETC 车道设备功能介绍.32 4.4.1.路侧读写设备（RSU）.32 4.4.2.车道控制器.33 4.4.3.IC 卡专用收费机具.33 4.4.4.字符叠加器.33 4.4.5.自动栏杆机.33 4.4.6.费额显示器.33 4.4.7.车辆检测器.34 4.4.8.地感线圈.34 第五章 组合式电子收费车道系统的设计与实现.35 5.1.系统开发与运行环境.35 5.2.ETC 车道系统总体设计.35 v / 86 5.3.ETC 车道系统实现.36 5.3.1.登陆模块.38 5.3.2.数据处理模块.38 5.3.3.设备控制模块.38 5.3.4.系统维护模块.40 5.3.5.通信模块.41 5.3.6.综合业务处理模块.41 5.3.7.任务执行模块.62 5.4.ETC 车道系统运行示例.62 5.4.1.上班操作.62 5.4.2.出口过车交易.64 5.4.3.系统维护操作.65 第六章 总结与展望.66 6.1.总结.66 6.2.展望.66 参考文献.67 致 谢 .71 在学期间发表的学术论文以及科技成果.72 图清单 图 1.1 1998 年美国 E-Zpass 系统收费区域.3 图 1.2 德国高速公路卫星定位全自动收费系统运作流程.4 图 2.1 国际标准化组织对微波频点的选择.10 图 3.1 组合式电子收费系统收费站构成.21 图 3.2 全省联网收费系统架构.21 图 4.1 ETC 车道系统构成图.28 图 4.2 ETC 车道布局示意（自动栏杆岛内设置模式）.29 图 4.3 ETC 车道布局示意（自动栏杆岛头设置模式）.29 图 4.4 ETC 车道系统电气连接图.31 图 4.5 ETC 车道收费岛上设备布局.31 图 4.6 ETC 车道亭内设备布局.32 图 4.7 ETC 车道系统地感线圈布局.34 图 5.1 ETC 车道收费系统维护功能模块示意图.41 图 5.2 ETC 车道收费系统综合业务处理模块的功能模块图.43 图 5.3 ETC 车道收费系统日常事务处理模块组成图.43 图 5.4 ETC 车道收费系统日志生成模块组成.44 图 5.5 ETC 车道收费系统入口交易流程图.45 图 5.6 ETC 车道收费系统入口 OBU 合法性判断流程图.46 图 5.7 ETC 车道收费系统入口闽通卡判断流程图.47 图 5.8 ETC 车道收费系统出口交易流程图.48 图 5.9 ETC 车道收费系统出口闽通卡判断流程图.49 图 5.10 ETC 车道收费系统判断 OBU 是否存在流程图.51 图 5.11 ETC 车道收费系统再次抬杆处理流程图.54 图 5.12 ETC 车道收费系统违章车处理流程图.56 图 5.13 ETC 车道收费系统天线故障实时检测流程图.58 图 5.14 ETC 车道收费系统免费车判断流程图.59 vii / 86 图 5.15 ETC 车道收费系统减征车处理流程图.61 图 5.16 ETC 车道收费系统初始界面示意图.63 图 5.17 ETC 车道收费系统上班登录界面示意图.63 图 5.18 ETC 车道收费系统等待收费界面示意图.64 图 5.19 ETC 车道收费系统出口交易成功界面示意图.65 图 5.20 ETC 车道收费系统系统维护界面示意图.65 表清单 表 1.1 国内 ETC 应用情况.7 表 22.1.1 ETC/DSRC 标准比较表。.11 表 2.2 下行链路参数.13 表 2.3 上行链路参数.14 表 3.1 联网收费系统数据信息安全体系框架层次、类别及安全关键技术.24 表 4.1 ETC 车道设备清单.30 1 / 86 第一章第一章 绪论绪论 1.1.电子收费技术的发展 1.1.1. 现金收费存在的问题 我国的高速公路发展比西方发达国家晚近半个世纪的时间，从 80 年代末开始起步， 经历了 80 年代末至 1997 年的起步建设阶段和 1998 年至今的快速发展阶段1。目前已 建成通车的高速公路主要采取入口发卡、出口缴费的联网收费模式。出口主要通过读 取通行卡的入口信息，再根据收费员人工输入的车型或根据车辆的车货总重，由计算 机系统计算出车辆应缴纳的通行费，再收取现金，这种收费模式称之为人工半自动收 费（Manual Semi-automatic Collection，MTC） 。随着每个路网的收费里程不断加长、 货车实施计重收费，单车缴纳的通行费金额呈不断增长态势，高的单车一次缴费甚至 达到上万元；并且伴随着国民经济增长、车辆保有量快速增长,现有的 MTC 收费模式开 始逐渐暴露出其缺点，主要有以下几点： (1) 人工收取现金，需要花费大量时间进行点钞、验钞，极大降低了车辆通行效率， 造成收费广场车辆拥堵； (2) 车辆停车次数增多，必然增加噪声污染和尾气排放污染； (3) 收取现金容易带来廉政问题； (4) 车主在路上携带大量现金也容易导致安全问题。 1.1.2. ETC 的概念 电子收费（Electronic Toll Collection ，简称 ETC）是国际上正在努力开发并 推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的收费系统。不停车、非现金交易、无需人员 操作是电子收费系统的三个主要特点。它通过路侧设备（Road Side Unit 简称 RSU） 与车载电子标签（On Board Unit 简称 OBU）之间的专用短程通讯协议（Dedicated Short Range Communication，简称 DSRC） ，在不需要司机停车和其他收费人员采取任 何操作的情况下，自动完成收费处理全过程。 电子不停车收费技术，以其具有免除现金交易、无需停车快速通过、有效提高通 行能力、大大提升服务水平、简化收费管理、降低环境污染等等明显特点和优势自 90 年代初面世以来，广为大众青睐，先后在北美、欧洲、日本、澳洲、新加坡等地，得 到了广泛应用，被实践证明是一种必将逐步取代传统人工半自动收费的先进的非现金 支付方式的电子收费技术手段2。 1.2.ETC 的优点 ETC 系统作为一种先进的收费技术手段，实现了不停车收费和非现金交易，它具有 MTC 无法比拟的优点： (1) 安全 司机跑长途，再也不需要携带大量现金，只需携带一张卡片即可。无须担心现金 被盗抢。 (2) 快捷 车辆可以不停车快速通过收费车道，免去了排长队的烦恼，节省时间。 (3) 投资少 1 条 ETC 车道的通行效率相当于 3-5 条 MTC 车道，1 条 ETC 车道的建设费用为 40- 60 万元，而 1 条 MTC 车道的建设费用为 10-20 万元。 (4) 提高管理效率和收益 ETC 车道无需人员值守，按每条 MTC 车道需要 4 个收费员轮班来计算，1 条 ETC 车 道每年即可节约 4 个人员的人员成本。 (5) 环保 车辆无需停车缴费，减少了车辆尾气排放量，也节省了燃油，降低收费站的噪音污 染，有效的提高了环境保护效果。 (6) 兼容性良好，保护原有投资 使用 ETC 的车辆仍然可以在 MTC 车道通行，不需要每个收费站都建设 ETC 车道，可 以在必要的时候再建设，这样有效保护了原有建设的投资。 正因为 ETC 有以上这些优点，它正越来越广泛的应用到路、桥及隧道的收费中，目 前，国内有许多省市也正在建设高速公路 ETC 收费。3 1.3.ETC 的工作原理 ETC 与其它收费方式相比，关键之处在于增加了短程微波通信技术。即依靠架设 在车道龙门架上的路侧单元（RSU）与车辆内安装的电子标签之间的微波通信，完成不 停车收费流程。ETC 车道系统主要由车道控制器、路侧单元及其控制器、高速栏杆、电 子显示屏、地感线圈、电子标签等组成。 3 / 86 1.4.国内外 ETC 应用现状 1.4.1. 国外电子收费技术现状 (1) 美国 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-ZPass 系统。1989 年的 7 月，美国新 泽西和纽约港务局首先在 Lincoln 隧道的两个收费车道采用自动车辆识别（AVI）系统 成功地实现了公共汽车收费的自动化。由于意识到通用的电子标签将给公路用户带来 很大的便利因而带来极大的市场机会，1990 年七个地方收费部门联合在一起，共同策 划了一个全地区兼容的 ETC 系统：E-ZPass 系统。1997 年 7 月， “E-Zpass”工程的最 终运行方案开始赋诸实施和运行。从各路桥的 E-Zpass 系统开通起，ETC 的交易量持续 增长，截止 1998 年 12 月，仅经过 1 年半的时间，共计 23 条专用 ETC 车道的电子不停 车收费网络就承担了整个月平均交易量的 43%，高峰时段甚至达到 55%60%。网络化 运行的电子不停车