（应用数学专业论文）电子不停车收费系统的研究与优化设计.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 电子不停车收费系统的研究与优化设计 应用数学 宋丽晓 赵高长 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着i t s ( 智能交通系统) 技术的发展和交通需求的增加，国内外已有一些收费站 采用多种收费方式，比如现金收费与非现金收费方式，不停车收费与停车收费方式，并 设置了普通收费车道、e t c 收费车道与混合收费车道。e t c 收费方式的效率是人工收费 方式的5 1 0 倍，一般来说，使用e t c 技术可以提高收费站的通行能力，但实际上不一 定可以增加单位时间内通过收费站的车辆数。因为如果e t c 收费车道的使用率不高， 则因为人工收费车道数的减少使人工收费车道的延误大量增加，而e t c 车道则长期空 闲造成资源浪费。若e t c 收费车道使用率过高，其配置却没有随之改变，会导致e t c 收费车道的延误高过人工收费车道。因此，在对先进技术进行投资之前，必须先对该项 技术的使用率、相关成本及驾驶员属性进行分析，了解他们之间的相互关系，正确估计 出使用e t c 的车辆比例，解决相对应的不同收费车道数的配置问题。 本文旨在讨论高速公路收费系统在改造过程中所需解决的车道合理配置和优化问 题。本文研究内容分为三部分：一是对京津塘高速公路e t c 收费系统进行研究；二是 以随机排队论为基础，建立了高速公路收费站汽车排队问题的数学模型，并以京津塘廊 坊立交收费站为例给出了收费站正常及繁忙时的性能参数，给出了收费车道数的设计方 法，并分别列出了电子收费车道，人工收费车道，以及混合收费车道的延误模型。三是 在随机排队论的基础上，以高速公路收费站系统总费用损失最小为原则建立数学模型并 用遗传算法得出收费车道的最优配置，并应用于京津塘高速大羊坊收费站的设计中，使 得随着e t c 技术使用率的增长，e t c 车道与人工车道能够得到最佳配置、系统总费用 损失最小。所以，本文的意义在于，根据e t c 技术使用率对车道数进行优化设计，为 高速公路收费系统的建设提供了理论依据。 关键词：电子收费系统；排队论；遗传算法；优化设计 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d ya n do p t i m i z e dd e s i g no fe l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n s y s t e m s p e c i a l t y ：a p p l i e dm a t h e m a t i c s n a m e ：s o n gl i x i a o i n s t r u c t o r ：z h a og a o c h a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e )2 k g a 。以 w i mt h ed e v e l o p m e n to fi t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m ) t e c h n o l o g ya n dt om e e tt h e r e q u i r e m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，s o m eo fd o m e s t i c & f o r e i g nt o l ls t a t i o n sa d o p tm u l t i p l et o l l i n g m e t h o d s ，f o re x a m p l ec a s ha n dn o n c a s h ，p a r k i n gr e q u i r e da n dn o tr e q u i r e d t h e yh a v e e s t a b l i s h e dm a n u a lt o l lc o l l e c t i o nl a n e s ，e t cl a n e sa n dt h em i xt o l l c o l l e c t i o nl a n e s e f f i c i e n c yo fe t c i s5 l ot i m e sh i g h e rt h a nm a n u a lc o l l e c t i o nm e t h o d g e n e r a l l ys p e a k i n 舀 u s i n ge t ct e c h n o l o g yc a l li m p r o v et h eh a n d l i n ga b i l i t yo ft o l ls t a t i o n ，b u ti nf a c t ，i td o e s n ，t m e a nt h eq u a n t i t yo fv e h i c l e sp a s s e di nu n i tt i m ec a l l c e r t a i n l yi n c r e a s e t h er e a s o ni si ft h e u t i l i z a t i o nr a t eo fe t cl a n e si sn o th i g h ，t h ed e c r e a s eo fm a n u a lt o l lc o l l e c t i o nl a n e sc a u s e d b ys e t i n ge t cl a n e sw i l ll e a dt oc o n g e s t i o no ft h ew h o l es t a t i o n , a tt h es a m et i m e ，t h ee t c l a n e sa r ei d l ea n dw a s t e f u l h o w e v e r , i ft h eu t i l i z a t i o nr a t eo fe t cl a n e si st o oh i g hb u tt h e a l l o c a t i o no fl a n e sh a s n tc h a n g e d ，t h ed e l a y i n go fe t cl a n e si sm o r es e r i o u st h a nm a n u a lt o l l c o l l e c t i o nl a n e s t h e r e f o r e ，w em u s ta n a l y s i sa n dm a k ec l e a ro fi t su t i l i z a t i o nr a t e ，r e l a t i v e c o s t sa n dd r i v e r s c h a r a c t e r s ，a n dc a l c u l a t eo u tt h e p e r c e n t a g eo ft h ev e h i c l e st h a tw i l lu s e e t c l a n e s ，s oa st od e c i d et h ea l l o c a t i o no fl a n e sb e f o r ei n v e s t i n gi ne c t t e c h n o l o g y n e p u r p o s eo ft h i st h e s i si st od i s c u s st h ea l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o no fl a n e sd u d n g t h ec o n s t r u c t i o no ft o l lc o l l e c t i o n s y s t e m n l et h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：f i r s t l y d i s c u s s i n gt h ee t cs y s t e mi nb e i j i n g t i 删i n - t a n g g uh i g h w a y ；s e c o n d l ye s t a b l i s h i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d eo fv e h i c l e s q u e u i n gp r o b l e mi nh i g h w a yt o l l s t a t i o n sb a s e do nt h e s t o c h a s t i cq u e u i n gt h e o r y a n dt a k et h et o l ls t a t i o ni nl a n g f a n gc l o v e r l e a fi n t e r s e c t i o no f b e i j i n g t i a n j i n - t a n lh i g h w a f o r ) l e ihadbeljmg l a n j l na n g g uh i g h w a yf o re x a m p l e hw o r k e do u tt h ee f f i c i e n c yp a r a m e t e ro f 。 i n o r m a lt i m ea n dr u s ht i m ea n dt h ew a yo f d e c i d i n gt h en u m b e ro ft o l ll a n e s ，a n dl i s t e dt h e p o t e n t i a ld e l a y i n gm o d e lf o re t cl a n e s ，m a n u a lt o l lc o l l e c t i o nl a n e s & m i xt o l lc o l l e c t i o n l a n e s ；l a s t l y ，b a s e do nt h es t o c h a s t i cq u e u i n gt h e o r ya n da sap r i n c i p l eo ft h em i n i m a lc o s to f h i g h w a yt o l ls t a t i o ns y s t e m ih a v ef o u n d e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dw o r k e do u tt h eb e s t m l o c m i o nm e t h o do ft r a f f i cl a n e sb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m a n da p p l i e dt h i sm e t h o dt ot h e d e s i g no ft o l ls t a t i o ns y s t e mi nd a y a n g f a n gs t a t i o no fb e i ji n g - t i a n ji n t a n g g uh i g h w a y ，s o t h a tw eg e tt h eb e s tm l o c a t i o no fe t c1 a n e s & m a n u a ll r i l e sw i t ht h ei m p r o v e m e n to fe t c u t i l i z a t i o nr a t e ，a n dt h ec o s to ft h es y s t e mi sm i n i m a l i naw o r d ，t h i st h e i sp r o v i d e sam e t h o d o fd e s i g na n do p t i m i z a t i o nh i g h w a yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e r ma c c o r d i n gt ot h eu t i l i z a t i o nr a t eo f e t cl a n e sa n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt o l lc o l l e c t i o ns y s t e r mc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ( e t c )q u e u e i n gt h e o r y g e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z e dd e s i g n t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在 谢意。 日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名宗 指导教师签 i 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 我国高速公路从2 0 世纪8 0 年代中期起步，二十年来，高速公路建设突飞猛进，取 得了前所未有的成就，数据显示目前我国高速公路通车罩程超过4 万公里，到2 0 1 0 年， 高速公路总里程将达到5 万公里。2 0 2 0 年，高速公路总里程将达到7 万公里以上，连接 目前人口在2 0 万以上的所有城市，基本形成国家高速公路网。自2 0 0 1 年起，国家每年 投入到公路建设的资金超过2 6 0 亿元，为我国高速公路行业的持续繁荣奠定了扎实的基 础【1 , 2 , 3 j 。通车罩程增加的同时，随着人们生活水平的提高，车流量也在猛增，当交通量 达到一定水平，人工收费或半自动人工收费方式会越来越不适应交通发展的需要，收费 站因车辆排队缴费成为道路的一个个瓶颈【4 】。传统的解决方法是扩大收费站规模，增加 收费车道以缩短排队长度，但是这不能从根本上解决问题，况且还会带来征地与建设等 方面的诸多问题。在这种情况下，不用现金支付通行费，而利用先进的电子手段，使车 辆不需要停车就可以缴付通行费的e t c 收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n 缩写为e t c 。 即：电子不停车收费) 就成为社会发展的迫切需要。在2 0 世纪8 0 年代，西方工业发达 国家的不停车收费技术获得重大突破，随着i t s 研究的进展，e t c 收费系统在世界各国 迅速兴起，形成一个规模庞大的市场和产业，9 0 年代陆续引入我国，并在我国经济和交 通发达地区已有应用，e t c 收费系统的应用，标志着我国高速公路收费系统的研究与应 用水平接近国际先进水平。 电子收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n , 简称e t c ) 是利用当代各种先进的短程通信 技术( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 、自动车辆识别技术( a u t o m a t i c v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，简称a v i ) 、自动车辆分型技术( a u t o m a t i cv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n s y s t e m 简称a v c s ) 和视频稽查系统( v i d e oe n f o r c e m e n ts y s t e m 简称v e s ) 等先进的技术 手段，加上用来进行数据处理的计算机软硬件以及收费管理中心从而实现不用停车自动 收取道路通行费的系统【5 】。e t c 系统在收费方式、技术应用、后台帐务处理与传统人工 收费方式有根本的不同，其主要特点是车辆经过收费站，无需停车缴费，理论上能以最 大1 6 0 k m h 的速度通过收费站，由计算机等设备自动完成对车辆通行费用的征收工作， 因此从根本上摆脱了由于收费本身所造成的交通堵塞。由于e t c 系统实现了收费过程 的全自动化，完全避免了现金交易，不仅能极大地提高现有资源利用率与道路运输效率、 降低收费公路管理成本、杜绝逃费漏费等收费资金的流失。同时所使用的收费卡也能在 其他方面通用，且用量很大，将带动电子货币、制造业、电子信息等相关产业的发展。 将系统稍加改造，还可以运用于智能停车场等项目。 西安科技大学硕士学位论文 e t c 的工作过程，首先用户前往发行安装部门，申请安装车载单元，预交通行费或 设立事后付费帐户，然后该车便可上路使用。当进入收费站时，车辆按规定限速通过电 子收费车道。识别子系统识别该车辆所属的类型，报告控制单元。通信子系统通过天线 与车上单元进行双向通信，收费操作在通信的过程中同时完成。每次收费操作，控制单 元都将收费的相关信息递交给收费站的计算机，同时，事后付款方式的收费数据将定时 传送给中央处理系统，以便生成转帐清单向金融机构请求支付。 e t c 电子收费系统的应用实现了收费工作的完全自动化，极大地提高了收费工作的 效率，再加上以电子货币为主的自动付费方式，使得收费操作可以在机器与机器之间， 通过电子信号以极快的速度进行，避免了以往人与人之间实物交互的繁琐，同时杜绝了 工作中的贪污、作弊、乱收费等现象。 e t c 系统在一定程度上解决了交通堵塞的问题，发挥了高速公路的潜在效益。e t c 系统在不需要增加收费车道和扩建新收费站的情况下，可大大的提高车辆在收费站的通 行能力。统计表明，不停车收费车道的通行能力为2 5 0 0 辆h ，是人工收费车道的5 倍以 上，相当于增加5 条人工收费车道。因此，e t c 系统将极大地提高有限空间的利用率和 收费站的通行能力，解决因停车收费所造成的收费站堵塞。 电子收费系统还大大方便了驾乘人员，减少了无谓的消耗和污染。据资料统计，传 统的半自动收费系统征收费用必须停车，而且是人与人交互，平均每辆车需耗时1 4 s ； 而采用电子收费技术后，当每辆车以4 0 k m h 的速度行驶通过收费站时，只需要3 s 的时 间。由于缴费无需停车，高峰时期的收费站排队等候现象将得到极大的缓解甚至消失。 对于车辆来说，这意味着不必再频繁地启动、刹车，因此无谓的油耗和机件、轮胎的损 耗将降低。目前国内高速公路普遍采用的是人工收费方式( m t c ) ，即人工判别车型、人 工收发通行卷、人工收款找零、计算机自动计算费额和检测放行车辆的这种人工参与的 半自动收费模式。由于m t c 系统防舞弊能力有限，不足以应付和解决联网收费产生的 严重舞弊问题，不能满足日益提高的高速公路车道实际通行能力的需要，而e t c 收费 技术恰恰是解决此问题的首选。 此外，车辆减少了排队等待，那么车辆排放的废气也会得以减少，这对环境的保护 是很有益处的。采用电子收费系统以后，车辆经过收费站时只需稍做减速不必再停车， 收费口的车辆通行能力大大增强，一般可达到人工收费时的数倍，瓶颈制约作用将明显 减弱，提高交通效率。道路通行能力的提高，意味着同一段道路在一定时间内可以通过 的车辆更多，每一辆车通过所需要的时间更短，公路乃至整个交通系统的运输效率由此 得到显著的提高。 总之，e t c 收费技术在偿还手段上增加了投资人信任程度，财务漏洞小；提高了交 通服务流量，减少通勤服务时间；降低收费运营费用，降低了对新道路工程的需求，提 高了收费可靠性和准确速度，具有传统收费模式不可比拟的优势。 2 1 绪论 1 2 国内外研究现状 公路收费在世界上已有相当长的历史了，早在几个世纪之前，欧洲一些国家就有收 费桥梁和收费渡口。到十九世纪初，英国就有3 5 0 0 公里收费道路，日本在1 9 5 6 年就开 始公路收费，到1 9 8 4 年收费道路项目占日本全部道路预算的4 4 。不停车收费的应用 也有近2 0 年时间，主要应用在美国、日本、意大利、法国及新加坡等国家，由于e t c 技术已有较长的发展历史，美国以及欧洲许多国家和地区的电子收费系统已经局部联 网，并逐步形成规模效益。 欧洲国家在8 0 年代中期就开始实施电子收费系统( t e l e p a s s ) 呻】，它仅能在同一高速 公路集团公司的路网中通用，这期间的电子收费系统一般采用第一代只读车载电子标 签，有电子收费系统总处理中心，采用后付款方式。从1 9 9 0 年至1 9 9 5 年底欧洲国家主 要实施第二代电子收费系统，其特征是采用欧盟推荐的5 8 g h zd s r c 频率和可读可写 电子标签。其它典型的项目有葡萄牙的b r i s a 开放式电子收费系统和意大利米兰罗马 高速公路封闭式电子收费系统。意大利在3 0 的收费站使用不停车收费设备，该收费方 式每分钟可处理3 0 辆车。意大利a u t o s t r a d es p a 公司的t e l e p a s s 系统可以认为是目前 世界上最庞大的不停车收费网络，不停车收费交易次数达到每日5 0 万次。电子收费系 统在欧洲国家很难被社会普遍接受，主要是人们担心隐私问题和可能增加车辆所有者的 额外负担。 日本从1 9 9 9 年开始实施全国性的e t c 网络建设，2 0 0 0 年对大坂、名古屋等多条高 速公路进行e t c 建设，共计1 0 0 多个收费站，4 0 0 多条e t c 收费车道。日本采取的是 接触式c p u 卡加两片式电子标签和双e t c 天线方案，车道设双向打开的高速栏杆，无 人职守，具有很高的安全性和车道通行能力，有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流 通体系，但车道系统投资和电子标签的成本都很高，道路运营公司难以接受。 新加坡【_ 7 】使用的电子公路收费系统，包含两道闸门，闸门上装有阅卡器、天线、感 应器和自动摄影机等。要进入电子系统控制的收费地区或路段，车辆必须安装阅卡器， 阅卡器因收费标准不同有不同的设计。车辆进入闸门前，驾车人要确保阅卡器附有现金 卡，现金卡也要有足够的存储现金。当车辆进入收费的第一道闸门时，电子系统的天线 就会启动，“审阅阅卡器的现金卡；车辆进入收费的第二道闸门时，感应器就从阅卡 器中扣除规定的收费；如果没有阅卡器，或阅卡器的现金卡储存值不足，摄影机就会自 动摄下车辆的牌号，并自动将照片等信息传到处理中心，执法人员就可以追查出违章的 车辆。目前，不停车电子收费已经在新加坡全国推行，成为了居民生活不可分割的部分。 美国是当今世界上高速公路最多、设备最完善、路网最发达的国家，也是不停车收 费系统使用最早的国家，最著名的联网运行电子收费系统是e z p a s s 系统【8 】。1 9 9 7 年7 月开始实施运行，之后仅1 年半的时间内，总共2 3 条专用e t c 车道的电子不停车收费 3 西安科技大学硕士学位论文 网络就承担了平均交易量的4 3 ，高峰时段甚至达到5 5 0 旷6 0 ，电子收费系统的效益 和吸引力充分体现出来。e z p a s s 系统采用专用车道、混合车道两种模式，都有收费员 值班，e z p a s s 专用车道规定了时速不超过5 英罩，并有相应的标志牌提示，以便给收 费人员和道路使用者一个安全的收费环境。另外，美国基本上是采用开放式收费制式构 成的网络。 国内对e t c 电子收费系统的研究起步比较晚，1 9 9 5 年，国家技术监督局正式批准 交通部承担i s o t c 2 0 4 国内归口工作，1 9 9 8 年，国家计委立项委托交通部公路科学研 究所开展“交通工程标准化体系研究，并要求尽快制定本领域急需的二十多项国家标 准，其中就包括“公路不停车收费应用技术条件 的编制工作【9 1 。国内电子不停车收费 系统仍处于试验和探索阶段，个别路段正在进行试点，大范围和大规模的推广e t c ，特 别是联网运行，条件仍不具备。其主要原因是：交通量的需求不迫切；道路使用者的需 求不迫切；现有的收费设施，尤其是收费广场和收费车道不能满足或适应e t c 的需要； 系统造价比较高，关键设备需要引进等。 我国的一些试验性或己使用的电子不停车收费系统如下：1 9 9 6 年1 0 月，交通部公 路科学研究所与同本丰田汽车公司就不停车收费系统进行了中日技术交流和现场演示 会，各省交通厅及公路管理部门的领导和专家对此项技术表示了极大兴趣【l 刚。1 9 9 6 年 底，首都高速公路发展公司与美国a m t e c h 公司在首都机场高速路进行了不停车收费试 验，并且目前己投入使用。到1 9 9 9 年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国t i 公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南海等地建立了2 0 余条不停车收费车道并投 入使用【1 1 1 ，平均每车道同交通量已超过1 0 0 0 次。江苏沪宁高速公路也设计了2 0 余条不 停车收费车道。四川省德阳市于2 0 0 2 年2 月完成了设备的安装和系统的调试。重庆的 不停车收费系统拟采用符合c e n t c 2 7 8 标准的“双片式”电子标签。台湾省于2 0 0 5 年 末在岛内部分高速路上实施了e t c ，使用率已经在2 月份超过了4 ，但是由于限速和 管理上的问题，并没有取到很好的效果。 目前我国试点的e t c 系统普遍采用的是单片式e t c 技术1 8 】，其特点是：基于i c 卡( 智能卡) ，在i c 卡中安放单一智能芯片，构成e t c 车载电子标签，安装在车辆前的 风挡玻璃内侧，车载电子标签里存储着车辆编号、车辆型号等相关信息。当车辆通过 e t c 车道进入车道天线的通讯区域时，安装在车辆内的电子标签即把车辆信息，行车记 录信息等向车道天线发送，车道天线接收后，通过交易控制器把信息传送给车道控制机， 信息经车道控制机处理后，每个收费站都可以通过获取车辆的行车记录来计算应收通行 费，并利用计算机联网技术将信息传递到银行结算中心，对e t c 消费用户进行资金划 拨，实现自动收费。 4 1 绪论 1 3 电子收费系统的现状分析 国内部分运营了十来年的高速公路，其交通量已经达到了相当的水平，部分收费站 的通行能力确实不能满足高峰时段交通量的需要，对于扩建收费站和改建e t c 车道， 显然实施e t c 车道要优于对收费站的扩建。 电子收费系统在国外已经成功应用多年，尽管在频点选择上有所差别，但多以单片 式技术为主，国内电子收费系统总体规模较小，由于区域性经济发展的不平衡因素，部 分省区采用了两片式技术( 两片电子标签+ 双界面c p u 卡，电子标签以接触式方式从 c p u 卡上读写信息进行交易) ，目前两片式和单片式技术在国内都有所采用。重点站安 装两片式e t c 系统的方案，是一种创新性的技术模式，此种系统主要应用于广东省。 广东省最早应用两片式模式主要是为解决经济发展极不均衡地区使用不停车收费技术 而设计的，考虑到珠江三角经济带和粤西、粤北地区的联网问题，适用于此方式。 2 0 0 5 年底，由华北高速公路股份有限公司和国家i t s 中心合作开发的京津塘高速电 子收费系统在天津通过项目验收，实现了我国在跨省市高速公路的封闭式收费环境中进 行电子收费系统实施的首次尝试。该项目利用京津塘高速现有的收费系统的特点，采用 “单片式电子标签+ 非接触i c 卡 的“主副卡 技术模式，即系统采用5 8 g h z 频段单 片式读写性电子标签和天线，人工收费前端设备采用m i f a r ei 型非接触式i c 卡及读写 设备；电子标签与i c 卡分离，并在后台进行绑定。当以不停车方式通过收费站时，直 接使用电子标签进行交易，当以人工收费方式通过收费站时，则使用非接触式i c 卡刷 卡通过，交易过程通过后台的中央数据库完成。为满足e t c 车道的稳定性，实时性和 安全性的需要，京津塘高速电子收费系统选择嵌入式l i n u x 作为系统平台。并在该平台 上开发了友好图形界面的电子收费车道控制应用。系统采用高速电子收费专用车道的模 式，自动栏杆采用“岛内 设置方式，安装e t c 标签的车辆可以实现以6 0 公里的时速 通过收费站点。 广东省全省两片式标签的发行数量较少，其技术稳定性和技术本身所决定的产品使 用寿命都有待进一步验证，而且两片式标签生产厂家较少，售价在5 0 0 元人民币左右也 明显超出国内大多数使用者的承受水平，价格因素也是阻碍用户群规模的进一步扩大的 重要因素，目前国际上只有中国部分路段使用此技术，标签生产达不到规模化，售价短 时间内难以下调。相比之下，主副卡模式的核心技术是基于单片式电子标签技术的，这 种技术较为成熟，这一点国外大量的应用实例足以证明，路边天线设备和电子标签的技 术稳定性和使用寿命明显高于两片式方式，且标签售价较低，易于推广使用。同时结合 目前京津塘高速公路收费过程中使用的计算机系统，该方式需采用的中央数据库模式 ( 即预付的费用存储在中央数据库中，电子标签不存储金额信息) 与目前预付卡管理中采 用的模式相同，预付卡用户可自由的选择是否过渡到不停车收费上去，而且操作副卡( 非 5 西安科技大学硕士学位论文 接触式i c 卡) 使用的读写设备也无须更换，节省了工程投资和软件开发周期。同时，作 为衡量一项技术应用优劣的重要指标是用户群规模，单片式电子标签售价一般在2 0 0 元 左右，售价相对低廉有助于用户群的扩大，也就有助于通过不停车收费技术来解决部分 收费站拥堵的问题。从长远的联网收费角度来看，路侧的天线设备和后台管理系统不会 因模式的改变而改变，变化的只是电子标签本身或电子标签上的属性定义，在通信协议 一致的情况下，电子标签上的属性定义也可以通过车道应用程序的调整来满足这一需求 的变化，从这一点来说主副卡模式很容易和其它的电子收费系统相结合。 这两种形式的收费系统都是通过增加e t c 车道或在原有的收费系统基础上增加 e t c 设备，将收费系统改造为e t c 与原始收费功能并存的多收费方式收费系统。e t c 技术已表现出一定的优势，但其将来的长足发展依赖于许多外界条件。从目前我国的特 定情况来看，地区经济发展不平衡，因而交通建设的速度也不一致，在很长一段时间， 我国的收费体系将会是停车收费与不停车收费两种方式并存的混合式收费方式，这个时 期叫做过渡时期。在这个时期内，人工收费方式与e t c 收费方式将长期并存，e t c 车 辆实行不停车收费，非e t c 车辆实行停车收费，驾驶员缴费方式的选择( 包括技术选择 与车道选择) 将呈现多样化。理论上，e t c 技术的使用可以增加收费站的服务容量，实 际上却不一定可以真正增加单位时间内通过收费站的车辆数。因为如果e t c 技术使用 率不高，则人工收费车道的缩减导致人工收费车道的延误增加，e t c 车道的空闲还会造 成资源浪费；若e t c 车道使用率过高，而车道配置没有随之调整，可能导致e t c 车道 的延误高于人工收费车道。从实际情况看，即便是不停车收费系统普遍使用，仍然会存 在着跨省、跨地区的长途客货车和偶尔途径车辆的现金交易问题，因此，在相当长的时 间内，人工收费方式与不停车收费方式将并存，也就产生了我们所要研究的车道优化配 置问题。在不同的e t c 技术使用率情况下，最佳车道配置结果也有所差异。若e t c 收 费车道过多，e t c 车道空闲的费用损失和人工车道排队等待的费用损失都可能增加系统 的总费用损失；若e t c 收费车道过少，使用者排队等待损失费用的增加同样会使得系 统总费用损失增加。因此，合理的车道配置应随e t c 技术的使用率做出相应的调整。 1 4 不停车收费系统的组成 e t c 系统主要由e t c 收费车道系统、收费站管理系统、e t c 管理控制中心系统及 网络传输系统组成。根据分工的不同，系统又可分为前台和后台两大部分。前台以车道 控制系统为核心，用于控制和管理各种设备及天线和标签的通信，记录车辆的各种信息， 并实时传送给收费站管理系统；后台由收费站管理系统和e t c 管理中心系统组成。e t c 管理中心是e t c 系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理，又要完成必要 的管理职能，如与结算中心的数据对帐、交换等。 6 1 绪论 1 4 1e t c 收费车道控制系统 车道收费控制系统是电子不停车收费系统的核心，是一个重要的前端控制系统。主 要由车辆检测系统( a u t o m a t i cv e h i c l ed e t e c t i o n ，a v d ) 、车辆自动识别系统( a u t o m a t i c v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，a v i ) 、辅助装置等组成。其主要功能是：按车道操作流程准确工 作，负责对系统收费信息的采集、处理和通行能力的实时控制，并按照一定的规则整理 成数据文件实时上传给收费站管理系统，以及接收收费站下传的系统运行参数；对车道 设备进行管理与控制，使其作出必要的反应，并具有设备状态自检功能；当通信中断时 具有后备独立工作能力等。 a v d 系统，是电子不停车收费系统中用于检测是否有车辆经过的各种装置的总称。 检测是否有车辆经过的目的是为了给系统的流程操作提供触发或启动信号，如对车辆流 程的判断，启动摄像机拍照等。 车辆自动识别系统，完成车辆身份参数的快速自动识别，该装置通过天线短程通信 ( d s r c ) 与车载电子标签实现高速资料转换，使系统可在极短时间内作出反应，因而车辆 通过收费口时，可以不停车快速通过。它由车载单元o b u ( o n b o a r du n i t ) ，也称电子标 签、路侧控制单元r s u ( r o a ds i d eu n i t ) 和数据处理单元p d u ( p r o c e s s i n gd a t au n i t ) 组成。 车载单元存有车辆的标识码和其他有关车辆属性的数据，当车辆进入r s u 的识别区时， 能将这些数据传送给r s u ，起到车辆身份证的作用；同时，也可接受、记录由r s u 发 送的有关数据。数据处理单元p d u 接收r s u 返回的有关数据，对车辆身份进行验证并 进行相关的计算和控制的操作，通过r s u 给o b u 返回有关数据。 1 4 2 收费站管理系统 收费站管理系统，是一个完整的计算机局域网( l a n ) 系统，负责对每个收费站进行 统一管理和控制，轮询所有收费车道，实时采集收费车道的每条原始数据；对收费车道 的运行状况实施实时检测与监视，具有故障自动检测功能，以及处理收集到的数据与资 料，汇总、统计、分析、检索、打印报表等功能。 1 4 3 收费管理控制中心系统 收费管理控制中心是e t c 系统的最高管理层，负责对整个系统进行全局性的管理 和监控。其主要功能是：制定和下传联网收费系统运行参数( 车型分类表、费率表，收 费参数等) ；轮询所有收费站计算机系统，获取收费站的所有原始收费数据和管理资料， 并对通行费进行拆分和复核；系统操作、维护、维修人员的权限设置；数据库、系统维 护、网络管理；分类汇总、分析、统计、查询、打印各种报表；数据存储、备份和安全 保护等功能。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 4 4 硬件系统的构成 不停车收费硬件系统由收费站数据采集部分、数据传输部分、监控管理部分组成。 每个收费站配置如下设备： ( 1 ) 短程通信设备( 天线) ( 2 ) 工控机 ( 3 ) 栏杆机 ( 4 ) 费额显示器 ( 5 ) 各种监控设备 ( 6 ) 交通信号灯 ( 7 ) 不间断电源 ( 8 ) 地感线圈 ( 9 ) 车辆检测器 1 5 论文主要研究内容 本文主要从以下几个方面对电子不停车收费系统展开研究： ( 1 ) 研究京津塘高速e t c 系统的收费子系统及车道子系统的具体设置方式及应用条 件，以及京津塘高速路端客流本身的特点。 ( 2 ) 通过研究收费广场延误模型，提出收费车道优化配置的数学模型，并运用遗传 算法，求出在不同e t c 技术使用率下车道的优化配置，使收费系统总费用损失达到最 小。 ( 3 ) 将优化模型运用于京津塘大羊坊收费站，通过试验结果得出结论，为京津塘高 速系统的车道配置方案提供理论依据。 8 ：兰兰釜釜：登 2 1 概述 2 京津塘高速系统介绍 2 1 1 京津塘高速公路简介 京津塘高速公路连接北京、河北和天津一省二市，起自北京四环路十八里店互通， 经北京的大兴县、通县、河北廊坊市、天津武清区、北辰区、东丽区，并横贯塘沽区， 止于塘沽区河北路，全长1 4 2 6 9 公里。其中，北京段3 5 公里，河北段6 8 4 公里，天津 段1 0 0 8 5 公里。与之配套的北京市区连接线( 接三环路分钟寺桥) 4 9 2 6 公里，天津塘沽 连接线7 4 2 1 公里。起点( 十八里店) 至塘沽主线收费站1 4 0 4 公里，计算行车速度1 2 0 公 里，j 、时，塘沽主线收费站至终点河北路2 2 9 公里为一级公路，计算行车速度1 0 0 公里， 小时。两端连接线计算行车速度8 0 公里，j 、时。全线路基宽度2 6 米。京津塘高速公路建 设是由北京向天津塘沽逐步实施完成的。1 9 8 7 年1 2 月1 0 日开工，1 9 9 1 年1 月1 5e l ；i e 京至天津杨村( k 7 2 ) 段正式投入运营l1 9 9 2 年9 月3 0 日，杨村至天津机场伥1 0 9 ) 段建成 通车；1 9 9 3 年9 月2 5 日全线建成通车。全线设置马驹桥、采育( 9 8 年增加) 、廊坊、杨 村、宣兴埠、金钟路、天津机场、军粮城( 至今未开通) 和塘沽西( o j 年开通) 共9 个互 通立交。设有大羊坊( 主线) 、马驹桥西、马驹桥东、采育、廊坊、杨村、宜兴埠西、宣 兴埠东、金钟路、天津机场、军粮城、塘沽西和天津塘沽( 主线) 共1 3 个收费站目。 r l 图2 1 京津塘高速收费站 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 2 北京e t c 应用介绍 在收费站土建规模不扩建的情况下，北京的高速公路实施电子不停车收费( e t c ) ， 通行服务水平大幅提升，5 年内收费站通行效率预计将提高约3 2 6 ，可基本缓解收费 站拥堵问题；同时，收费运营人员减少，预计直接运营成本将降低约2 0 6 0 0 。现在系统 刚刚开通半年多的时间，还没有降低尾气排放和节省燃油、减少车辆磨损方面的精确数 据，但是国外的经验和初步测算表明，由于大幅度提高收费站通行能力，减少车辆收费 站停车次数、时间，通过e t c 实现的节能减排效果显著。 经过半年多时间的建设和测试运营，目前北京市在除京津塘高速公路外的所有高速 公路的人工收费车道均测试开通了符合国标标准的m t c 人工刷卡付费功能，共计1 1 3 9 条。高速公路主线收费站、交通量大的匝道收费站均测试开通按照国标建设的e t c 专 用车道，共计7 9 条。目前拥有电子标签用户3 1 6 6 7 个，速通卡用户3 4 7 6 8 个。同时， 这一阶段北京在建、新建高速公路，也都同期开通了电子收费系统。 北京市高速公路电子不停车收费系统的发展目标：市内所有新开通的高速公路都将 同期开通电子收费系统；2 0 1 0 年实现所有高速公路收费站点至少开通l 条e t c 专用( 混 合) 车道；系统正式运营五年内，速通卡客户预计达到5 0 万以上，速通标签客户达到1 5 万；2 0 1 2 年电子收费的通行量比例预计达到高速公路总交通量的5 0 ，其中e t c 交通 量占总交通量的1 0 ，通过人工电子收费的交通量占总交通量的4 0 。 2 1 3 北京高速公路电子收费发展历程 1 9 9 6 年6 月，机场高速公路天竺主线收费站开通2 条e t c 专用车道。系统采用美 标2 4 5 g h z 频段单片式电子标签。截至2 0 0 8 年7 月2 6 同系统更新，共有用户2 0 0 1 6 个。 2 0 0 4 年5 月，京津塘高速公路开通e t c 电子收费系统，2 0 0 5 年7 月，系统正式投 入使用。系统采用欧标5 8 g h z 频段单片式电子标签。采用主副卡绑定付费模式。截至 目前，该系统在9 个收费站点启用，开通了2 2 条e t c 专用车道，用户约为1 4 0 0 0 个。 2 0 0 6 年，根据北京市交通委要求，由北京市交通委牵头，各高速公路业主单位参与 开始对北京市高速公路电子收费技术实现模式进行探讨研究。 2 0 0 6 年1 2 月3 1 日，八达岭高速公路电子收费系统开始试运行，系统采用欧标 5 8 g h z 频段单片式电子标签，配合北京市政交通一卡通卡使用。系统应用在沿线5 个 收费站，开通了1 7 条e t c 专用车道。截至2 0 0 8 年1 月1 日系统关闭，共有用户1 3 8 8 个。 2 0 0 8 年2 月2 6 日，应用国家标准的电子收费系统进入测试运行。系统采用国标 5 8 g h z 频段单片式电子标签，支持国标速通卡使用。截至目前，北京市路网共开通m t c 车道1 1 3 9 条，e t c 专用车道7 9 条，拥有电子标签用户3 1 6 6 7 个，速通卡用