（光学工程专业论文）高速公路组合式联网收费系统中收费车道的研究和设计.pdf

摘要 我国高速公路正处于一个迅速发展时期，然而大部分的高速公路是按照“一路一管”的模 式进行营运管理的，每条高速公路都要对其管辖的路段进行独立管理，都要设置互相封闭的收 费管理设施。根据我国高速公路收费的特点，综合考虑了现有电子收费e t c ( e l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ) 技术和人工收费m t c ( m a nt 0 1 1c o l l e c t i o n ) 技术的适用条件，在本文的高速公 路收费系统中采用了组合式收费方案。该系统以非接触式i c 卡收费系统为基础，将双片式e t c 电子标签和双界面c p u 卡进行有机结合，在全路网内对收费系统采用网络化管理。本文根据层 次化的网络设计及系统功能的划分，将系统设计为“三级四层”的网络结构，充分发挥了网络 化管理的优势。文中主要介绍整个网络系统的层次结构和各层的主要职能，着重设计了e t c 收 费车道子系统，并且根据收费车道的工作流程编写了收费车道收费管理子系统软件。该软件主 要由收费、查询、控制、统计、检测、管理等模块组成。此外，本系统还与基于车辆外形几何 特征的车型自动分类器相结合，实现了在收费现场判断车型，避免了收费现场以外人为修改电 子标签中车型的弊端。本系统以最经济、最有效的手段实现了准确收费、避免交通堵塞、提高 服务质量等综合目标，具有很高的先进性与实用性、可靠性与安全性、经济性与可扩展性。 关键词；高速公路，组合式联网收费，收费车道子系统 a b s t r a c t h i g h w a yd e v e l o p e dr a p i d l yi no u rc d n n 略b u tm o s to ft h e ma r em a n a g e db y “o n ec o m p a n yo n e m a n a g e d ”m o d e e v e r yh i g h w a ym a n a g e si n d e p e n d e n t l y i t s p a r t ya n ds e t u p sc l o s ec h a r g e m a n a g e m e n te s t a b l i s h m e n te a c ho t h e r a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i co f h i g h w a yc h a r g ea n dc o n s i d e r i n g s y n t h e t i c a l l ya p p l i c a b i l i t yo ft h ee t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) t e c h n o l o g ya n dm t c ( m a n t o l l c o l l e c t i o n ) t e c h n o l o g y , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc o m b i n e dn e t w o r kc h a r g es y s t e m t h es y s t e m c o m b i n e so r g a n i c a l l yd o u b l e f l a k ee l e c t r o n i cl a b e lw i t hd o u b l e f a c ec p uc a r db a s e do nn o n t o u c hi c c a r dc h a r g es y s t e m ，a n dt h e na d o p t sn e t w o r k sa d m i n i s t r a t i o nt oc h a r g es y s t e mi nw h o l eh i g h w a yn e t t h en e t w o r ks t r u c t u r eo f “t h r e eg r a d e sa n df o u rl a y e r s i sd e s i g n e di nt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h e h i e r a r c h yn e t w o r kd e s i g n a n di t s s e p a r a t i o nf u n c t i o n s t h ep a p e ri n t r o d u c e sm a i n l yh i e r a r c h y s t r u c t u r e ，r e s p o n s i b i l 畸o fe v e r yl a y e ra n dt h ew o r kp r o g r e s so fu n d e r m o s tl a y e rt o l ld r i v e w a yo ft h e s y s t e mi nd e t a i l ，a n d 印p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft o l ld r i v e w a yi sp r o g r a m m e da c c o r d i n gt op r o g r e s so f t o l ld r i v e w a y t h es o f t w a r ei sc o m p o s e do fc h a r g e ，e n q u i r e ，c o n t r o l ，s t a t i s t i c ，i n s p e c ta n da d m i n i s t e r m o d u l ee t e m o r e o v e r , t h es y s t e mb r i n g si n t op l a ys u p e r i o r i t yo fn e t w o r km a n a g e m e n ta n dc o m e st r u e n o n - p a r k i n gc h a r g ec o m b i n i n gw i t ht h es u b s y s t e mo ft h ea u t o m a t i o nv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o nb a s e do r t h e i ro u t l i n eg e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h a ta v o i dt h es h o r t c o m i n ga m e n d e dt y p eo fv c h i d e m a n - m a d e t h es y s t e mi su pt os y n t h e s i st a r g e t ss u c ha se x a c tc h a r g e ，a v o i d i n gt f 8 埘cj a ma n d i m p r o v i n gs e r v i c eq u a l i t y , s oi tb e a r sv e r yg r e a ta d v a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y , e c o n o m ya n de x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：h g h w a y , c o m b i n e dn e t w o r kc h a r g e ，t o l ld r i v e w a ys u b s y s t e m 独创- i 生声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名；孑华雨 时间： 目多年多月，z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：孑华丽时间：一年月，2 日 导师签名：力礞时间：妒年月z 曰 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外道路收费系统的发展 1 1 1 国外道路收费系统的发展 1 9 2 4 年世界上第一条供汽车通行的收费道路意大利米拉诺至湖水地方间高速公路的 开通，标志着现代收费道路的开始。2 0 世纪5 0 年代后。收费道路进入大规模发展时期。由于 二战后西方国家经济迅速恢复，私人小汽车大量普及，客观上提出了建设高速公路网的要求， 但与此同时，各国又都面i 旌资金短缺的问题，于是一些国家积极采取收取通行费的融资方式来 发展本国的高速公路。这时期的收费道路主要分布在欧洲地中海国家，如法国、意大利和西 班牙。然而，2 0 世纪7 0 年代初由于世界性的石油危机，使一些经营收费道路的特许公司面临 着财务上的困难，收费道路建设有所减缓。2 0 世纪7 0 年代末期，世界上收费道路的建设步伐 明显加快，修建收费道路的国家愈来愈多，建设规模愈来愈大【1 1 。为了建立竞争和激励机制， 提高高速公路的经营管理水平和投资效益，以商业化原则进行的高速公路投资体制和改革正在 全球展开，高速公路建设将向更开放、更市场的方向发展，所队对高速公路的收费管理提出了 更高的要求。 美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了 深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较 为成熟，获得了较广泛的厂商支持。 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 名的联网电子不停车收费系统是e z p a s s 系统。该系统是美国纽约和新泽西地区桥梁和隧道广 泛采用的开放式电子收费系统，它采用预付款方式，通行费从车主预付款中扣除，当赊账资金 低于一定的值的话，车主需要到服务中心区进行充值，预付款支付方式包括信用卡、支票和现 金。 葡萄牙的v i a v a r d e 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网屯子收费系统之一，由 葡萄牙最大的公路运营商b r i s a 公司管理。收费系统采用封闭式和开放式相结合的模式。 在日本，推进i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r a t i o ns y s t e m ) 被政府和企业提高到很高程度，其中 就包括电子不停车收费。由于技术上的难度和协调问题，时至1 9 9 9 年才开始真正实臆全国性的 e t c 网络建殴，首先建成的是东京附近的首都圈e t c 【程。在总结了有关经验后，从2 0 0 0 年开 始在大阪、名古屋等多条高速公路推行e t c 建设。共计约1 0 0 多个收费站，4 0 0 多条e t c 车道。 日本采取的是接触式c p u 卡和双片式电子标签和双e t c 天线的方案，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成本都比较高。 加拿大4 0 7 国道不停车收费道路是目前世界上最先进的全电子收费道路。该公路共有2 8 个出入口，车辆一旦进入该公路，就无需停车交费，车道龙门架上的电子装置自动记录它的入 中国农业大学硕士学位论文 第一章圭蕾论 n 地点，电脑网络将自动计算该用户需要交纳的通行费，并生成一条收费记录存入中央电脑中。 当那些没有电子标签的车辆通过时，抓拍系统自动抓拍到该车的车牌图像，并在中央电脑上生 成收费记录，收费单据通过邮局寄到车主手中l z j 。 尽管国外e t c 系统运行很成功，发展都具有一定特色，但有些技术特点和运营方法能否适 合中国，需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。如果e t c 运营模式不能很好地提 供免停车快速通行服务、不能减少收费值班员，将无法体现出明显的吸引力，推广应用的前景 将无疑受到影响。 1 1 2 国内道路收费系统的发展 我国的收费道路建设始于2 0 世纪7 0 年代的台湾省。1 9 7 8 年1 0 月建成通车的台湾南北商 速公路，全长3 7 3 公里，采用收费偿还方式，成为我国第一条收费的高速公路。1 9 8 4 年，广东 省在中国大陆率先批准对广珠、广深六座新建太桥实行有偿使用，成为中国内地道路直接收取 车辆通行费的先导。随后沪嘉高速公路、光佛高速公路、沈大高速公路、西l 艋高速公路、莘松 高速公路、京津塘高速公路等相继开通并实行了收费。目前，除西藏等少数省份以外，大部分 省份都已有数量不等的收费道路。其中广东、辽宁、湖北、山东等省份收费道路较多。 我国从9 0 年代初开始智能收费系统的研究，在交通部等有关部门的支持下，交通部公路科 学研究所对车载通信单元、路侧收发设备、计算机中央数据处理系统、自动车辆识别技术进行 了大量的研究。1 9 9 3 年由北京市公路局和航天部两院合作开发的国产化自动车辆识别系统在北 京至石家庄高速公路上进行了试验，西安公路研究所和交通部公路科学研究所在“七五”期间承 担了高速公路收费系统的联合攻关项目，对国内外电子收费系统的发展和应用进行了大量的研 究。目前，在我国e t c 系统也越来越受到交通管理部门的重视，并根据我国收费道路的特点进 行改进、试用。 香港目前在一贯通全香港的收费隧道和干线上实施不停车收费，范围覆盖香港仔湾隧道、 红勘海底隧道、青屿干线、狮子山隧道、将军澳隧道及西区海底隧道等。采用的都是开方式系 统，付款方式采用预付费方式。 广东省是目前研究不停车收费系统较早的省份之一，广东省路路通有限公司在佛山地区的 2 7 个收费站3 7 条车道上安装了不停车收费系统发行了约3 万张电子标签，采用的是事后付 款的结算方式，委托银行发行电子标签。该系统没有形成联网收费，只属于开放式收费，同时， 该系统的设备频率在我国与移动通信g s m 的频段重叠，会产生电磁干扰。 我国高速公路建设规模规划达几万千米，穿越几十个省市，虽然在有些高速公路上实施了 e t c 系统，但只能由各区域分别收费，这种“一路一公司”分散经营模式在新的公路建设投 资体制下显示出越来越多的弊端，难以形成规模经营、产生规模效益、提高融资能力。因此在 以高速公路为主骨架的道路网络上，可能由几个分属于不同业主的公司按照不同的模式运营。 为了更好的发挥e t c 系统的优越性，网络化收费管理系统势在必行。1 9 9 7 年华南理工大学计 算机应用_ ：_ l 二程研究所和交通学院开始进行智能收费系统的研究开发工作，根据我国实际情况，提 出要从全局出发，从网络角度建立全省( 全国) 的智能收费网络的思想。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 高速公路收费系统简介 1 2 1 收费系统的组成 高速公路收费系统与城市道路、普通道路的收费系统相比，在收费对象、收费环境等方面 显得比较统一，外部的干扰问题较少，在数学和逻辑分析中比较简单，在实际操作中也容易把 握。高速公路收费系统由人、车、硬件、软件工程、协助机构组成( 图卜1 ) ，每个元素在整个 系统中相互作用，帮助资金和信息完成资金流和信息流的完整运行。高速公路收费系统具有了 系统的诸多条件，所以可以从系统工程的角度来分析高速公路收费系统。 图1 - ! 收费系统的组成 这里“人”主要指收费操作员、收费管理人员和维护人员。收费操作人员是收费系统的信 息录入人员和资金收缴人员，信息流和资金流的转移点就在收费操作人员。收费操作人员利用 收费系统中的硬件和软件，将车辆的信息和通行费纳入到系统中。收费管理人员利用系统中的 设备对这些信息和通行费进行校对，准确无误后才将信息和通行费递交到下一个环节中。在联 网收费中，更高层的收费管理人员还需对信息进行校对和清分。而维护人员需对系统的安全和 有效做出保证。 “车”也就是高速公路的服务对象道路使用者。作为一种有偿服务，道路使用者的使 用和缴费成为了收费系统中信息流和资金流的起点。 “硬件”是指计算机、监控、报警、交通指示等设备。这些设备与软件起构成收费系统 正常运行的物质基础，提供了计算、校对、安全保护、稽查、交通引导等功能，为收费系统的 效率、准确提供了保证。 “软件工程”是蹩个收费系统中至关重要叉最为灵活的元素之一。至关重要是指收费软件 是收费系统信息流的处理者，从技术层面上来看，软件是信息的真正控制者，软件的正确和合 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 理与否决定了收费系统是否可信和高效，对一个联网收费系统来讲，软件是不可替代也是不可 或缺的。软件主要包括操作系统、数据库、通信软件等。软件的灵活性表现在选用软件的范围 上和软件的功能上。收费系统的支撑平台软件，如操作系统、数据库、通信软件的种类非常多， 可以选用商用软件。也可以自用软件，甚至在某些地方使用的收费系统中的软件没有使用这些 支持平台软件直接在单片机实现收费流程。无论采用哪种软件，准确无差错是必备的条件。 “协助机构”是指银行、交通警察等部门。在高速公路收费系统运作中，银行是必不可少 的一个组成元素，可以认为银行成为了收费系统资金流的终点。为了配合收费系统的运营， 银行本身也有一套针对收费系统的资金流和信息流，银行所属的资金流和信息流与收费系统所 属的资金流和信息流在收费站和收费结算中心会有部分重合，交通警察部门以及其它部门是为 了保证收费系统安全的元素。 其它的道路收费系统中，由于采用的收费方式和制式的不同，上述的元素并不定都存在， 也不一定发挥相同的作用。采用纯手工的收费系统中，可能会缺少硬件和软件元素：采用自由 流电子收费系统中，可能缺少人元素中的收费操作人员。不过，无论在哪种形式的收费系统中 资金流和信息流的完整和准确是收费系统晟为重要的问题闭。 1 2 2 收费系统所涉及的技术 收费系统作为门应用工程技术，具有应用科学的诸多特征。在理论上，收费系统与经济 学、运筹学、心理学有关联，人们利用已知的经济学、心理学知识，调节收费费率，保持交通 供给和交通需求的平衡，通过运筹学了解服务时间和排队的关系。在工程设施中，收费系统大 量应用了电子、通信、软件工程等学科发展的成果和设备，由于这些学科的发展，也推动了收 费系统的发展，使得收费系统越来越自动化，规模也越来也越大。另外，由于收费系统的组成 元素中“人”是非常重要的一个元素，所以人和流程的管理学科在收费系统的营运中起了非常 重要的作用。 运筹学的许多理论是收费系统应用的坚实数学基础，图论、排队论、决策论等理论无需变 动和修改，可以不折不扣地应用到收费系统中。在路径识别和通行费清分中，大量地应用了图 论的理论和算法，为软件的编写提供了理论基础，保证了收费数据的准确。在收费广场的设计 中，只需将收费时间和期望排队车辆数代入到排队轮的模型中就可以得出收费车道数：在收费 率的制定和实施中，应用决策分析的理论可以将各种费率产生的后果推算一遍。 电子、通信、软件工程等学科在收费系统中的应用是显而易见的，计算机网络在收费结算 中的应用，各种通信方式在收费系统中的交叉应用，给收费系统的简便、易用、实时、准确提 供了很大的帮助。 1 3 收费制式的基本形式 收费制式决定了高速公路收费系统的建设规模、收费站的建设位置和收费的业务流程。目 前，收费系统通常采用三种收费制式，即全线均等收费制( 简称均一式) 、按路段收费制( 通称 开放式) 和实际行驶里程收费制( 简称封闭式) 如图 - 2 所示。 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 均一式 均一式是最简单的一种收费制式。收费站一般设置在高速公路的各个匝道入口和主线两端 入口，如图1 - 2 0 ) ，每辆车在进入高速公路时，只要在个收费站停车缴费就可以在高速公路 内自由行驶，不再受阻拦，均一制的收费标准仅根据车型一个因素确定，不考虑行驶里程，而 且各个收费站都制定统一的收费标准。 2 开放式 开放式收费系统的收费站建在高速公路主线上，一般每隔4 0 6 0 公里，里程较长的高速路 可以多建几个收费站，各个互通立交的进出口不再设收费站，这样车辆可以自由地出入高速公 路而不受控制，高速公路对外呈“开放”状态，如图1 - 2 0 】) 所示。 每个收费站的收费标准仍仅根据车型一个因素确定，但各站的标准则因收费站的管辖距离 不等而有所差别。车辆经过的收费站越多，表明需要缴纳的通行费越多，这体现了依据行驶里 程决定收取通行费的原则。 3 封闭式 封闭式收费系统的收费站建在高速公路的所有进出处，其中起终点的出口收费站般建在 主线上，称为主线起点( 或终点) 收费站，其收费广场形式与开放式相似，如图1 - 2 ( c ) 行示。互 通立交进出口收费站建在进出口匝道上，称为互通立交匝道收费站。 车辆进出高速公路都要经过收费站并受到控制，但在公路内部可以自由行使，高速公路对 外呈“封闭”状态。车辆驶入高速公路时，首先通过收费站的入口车道，领取一张通行券f 卡) ， 上面记录着该收费站的站名或编号及车辆的驶入日期、时间、车型等有关信息，当车辆驶至目 的地离开高速公路时，通过当地收费站的出口车道，将通行券( 卡) 交给收费员查验，收费员将 根据车型和行驶里程收费。 坶戎 “h 魏。芷 固1 2 三种收费制式收费站布设示意图 目前，有些封闭式收费系统也有采取“入口收费，出口验券( 卡) ”的方法。该方法在一定 程度上可防止发生因某种原因驾驶员在使用完收费公路不缴费的现象。但当车辆实际驶出地点 与原目的地不一致时，就需要补交或退还部分费用，这就给高速公路收费管理带来了麻烦。 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 各种收费制式比较 收费制式的三种形式各有其自身的特点，下面从收费站建造成本、收费效率、营运费用、 收费管埋难易、道路使用者付费的原则、依行驶里程计费、短程交通管理、对主线交通影响和 防止贪污等几个方面对不同收费制式作定性比较，比较结果见表1 - 1 。 三种收费制式对比表1 - 1 1 建造成本 均一式收费系统需在各匝道的入口设置收费站，收费站分散，占地较多，建设及维护成本 较高。开放式收费系统收费站数量少，设施集中，占地少；同时，收费站与互通式立交不建在 一起，立交形式不受收费站的影响，可以选择最简单的立交形式，故建造成本相对最低。封闭 式因各匝道的进出口均需设收费站，对互通立交形式有专门要求，用地最多，建设及管理维护 成本最大。 2 收费效率与营运费用 均一式收费系统收费手续简便，效率很高，车辆行驶高速公路只需一次性缴费，车辆缴费 延误最小，但所需收费车道总数多，因而收费人员和收费设备数量多，营运费用也高。开放式 收费手续简便，效率较高，所需收费车道总数最少，营运费用最低，但艮途车辆需多次缴费。 封闭式采用通行券，入口处理效率和开放式效率相当，手续复杂，效率低，另外，封闭式收费 设备复杂，造价高。所需收费车道数最多，收费站建设规模晟大，所需收费人员最多，营运费 最高。 3 管理难度 均一式收费系统需在各匝道入口设置收费站，因受立交几何形状限制，一般无法以有效方 式将入口或出口合并一处，管理比较不易。开放式因收费站数量少，各项管理设施集中，管理 相对容易。封闭式因需在各匝道进出口处设置收费站，如采用分散式的收费站，需较多的人力， 管理上晟困难，如果利用互通立交几何条件，可以将各进出口收费站位置合并一处r 集中式收费 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 站、，这样可以降低管理的难度。 4 使用者付费 开放式收费系统有可能发生部分道路使用者免费使用道路的情况，有违“使用者付费”的 原则。均式与封闭式收费系统无漏收情况，完全符合“使用者付费”的原则。 5 收费合理性 均一式收费系统对道路使用者彳亍驶距离无论长短仅缴一次固定费用，无法反映实际行驶里 程长度，摄不具“以量计价”的公平性。开放式收费系统中，不论行驶里程长短，只要通过收 费站，均交相同的通行费，当两个收费站之间有两个或两个以上立交时，部分短程交通车辆员l j 可免费通行，因此，开放式对行驶距离愈长者愈公平，对短途车辆则可能低收、免收，亦可能 多收( 超过以里程计费应缴费用) ，不完全符合“以蹙计价”的公平性。封闭式根据行驶里程长 度缴纳通行费，最符合“以量计价”原则。 6 ，对主线交通影响 开放式收费系统需要车辆在主线上多次停车缴费，对主线交通影响晟大。均一式与封闭式 可配合匝道控制，维持主线交通流平顺，但当均一式的收费站设置在匝道出口，或封闭式的出 口匝道收费站，因缴费等侯排队可能延伸到主线上时，以至于影响主线交通。 7 兼顾交通管理 均一式收费系统的收费站若建在入口匝道上。可以很好的兼顾高速公路进出口的交通管理。 开放式不能兼顾高速公路入口的交通管理，阻止行人、非机动车辆及不合格车辆的进入。封闭 式因在所有进出口设置收费站。可以完全兼顾进出口的交通管理。 8 安全性 由于在高速公路上行驶的车辆速度相当高，车辆需减速至零通过收费站，故主线上收费站 的数量越少，行驶越安全，交通越流畅。一般来说，车辆从普通道路进入高速公路入口匝道时， 时速较低，从驶出高速公路到出口匝道收费站，车速较高，且车辆速度相对难于掌握，所以建在 入口匝道上的收费站比建在出口匝道上的收费站安全一些。因此开放式收费系统安全性差，均 一式好( 特别是收费站建在入口匝道上的) ，封闭式较好。 9 作弊贪污可能性 开放式和均一式收费系统均要求车辆经过收费站时按车型缴费，收费员容易利用车型贪污： 封闭式要求在入口和出口两次判别车型，因砸收费员利朋车型贪污相对鼠难，由_ 丁封闭式根据 里程和车型缴费，其他作弊方式较多，例如途中换票、换卡等。 1 3 2 不同收费制式的适用范围 均一式比较适合于都市高速公路、环城高速公路和短途城市问高速公路，其道路交通特点 是总里程较短，互通式立交多而密，车辆行驶里聪较短，车辆之间的行驶里程相差不大，而且 交通量很大。此外，收费站和互通立交的规模和形式又受到用地的跟制，因而需要很高处理效 率，这些特点和要求均一式能比较好地适应。铡如日本东京的首都高速公路是由东京出发的多 条放射状道路和环形构成的道路网，互通立交密集分布，交通十分繁忙，它采用均一式收费系 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 统，收费站设在互通立交的入口匝道上，收费标准分两挡。由于手续简便，效率很高，虽然交 通量很大但收费站规模却不很大。 开放式收费系统在欧美国家应用较多，这种制式适用于里程较短或互通立交较少的高速公 路，或者独立收费的桥梁、隧道和非封闭式的收费道路等，对于中长里程的高速公路，由于漏 收、长途车辆需多次停车缴费以及不能兼顾交通管理等问题比较突出，所以开放式较少采用。 但也有用在里程长的高速公路上的情况，如我国台湾中上高速公路，比起隆基，南至高雄地区 的冈山，全长3 7 3 公里，共有4 1 个互通立交，采用开放式人工收费系统，全线共设1 0 个收费站。 封闭式收费系统一般适用于道路里程较长，互通立交较多，以及车辆的行驶里程差距较大 的封闭式道路。它具有收费合理、缴费延误小等优点，但也存在建设投资和营运成本高、管理 复杂等突出问题。目前我国的高速公路，大部分是城市间的高速公路，因而大都选择封闭式收 费系统。 1 3 3 收费方式 收费方式是指收取车辆通行费中的一系列操作过程，涉及车型分类、通行券( 卡) 选择、通 行费计算、付款方式和停车，不停车收费等因素，每种要素有多种不同的形式，选择收费方式， 就是选择不同形式的组合。一般来说，根据收费员参与收费过程的多少，收费方式可分为人工 收费、半自动收费、全自动收费方式；从用户( 驾驶员) 的角度来分，可分为停车和不停车收费 方式。比较结果如表1 - 2 。 收费方式特点对比表卜2 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 人工收费 人工收费系统不需要配备任何设备。整个收费过程由人工完成，即人工判别车型，人工套 用收费标准，人工收钱、我零、给发票。这种方式需要较多的收费入员与繁琐的程序方式，人 工收费方式具有节约投资，简单易行的优点，目前还有很多收费站点采用。人工收费的缺点也 很明显：它以发出的收据存根作为收费员上缴款的依据，在相当多的车辆在不需要通行费收据 的情况下存在明显的漏洞。而且增加了车辆在收费车道上的延误，影响交通流畅n 另外，在车 辆行驶里程计算和车型分类上难免会出现差错，造成争吵和漏收，也很难防止作弊现象的发生。 这不但给收费工作带来很大麻烦，而且也会造成收费收入的巨大损失。 2 半自动收费方式 在应用半自动收费方式的收费系统中采用了计算机和电视监控等自动化辅助管理设备，计 算机、电子收费设备、交通控制和显示设施代替人工收费方式操作的一部分工作。降低了收费 员的劳动强度，将人工审计核算、人工财务统计报表转变为计算机数据管理，极大地减轻了收 费管理人员的劳动强度，使收费道路的收费管理系统化和科学化，在实际应用中对收费人员 的舞弊行为和驾驶员的冲卡行为，至少在初期可以产生相当大的威慑作用，收费额也有相当大 的增加。通性费流失大大减少，漏洞得到一定程度的控制，但投资比较大，造价比较高。同时， 由于计算机记录了每辆车的数据，因此可自动统计交通流数据。其统计数据的可靠性与人工统 计相比有很大的提高。 目前，我国的收费站。绝大部分使用此种收费方式，同时增加闭路电视监控系统，形成独 具特色的“人工收费、计算机管理、电视监控”的半自动收费模式，使这种收费方式更趋于严 密和成熟。 3 电子收费方式 应用电子收费方式的系统被称为电子收费系统( 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 ) 或不 停车收费系统。e t c 系统是集先进的电子、通信控制、计算机软硬件、网络等技术于一体的， 广泛躅予路桥停车场的不停车收费系统【4 l 。实施不停车收费，可以允许车辆高速通过( 对速保持 在数十公里甚至超过百公里) ，因而可以大幅度提高公路的通行能力。由于通行能力得到大幅度 的提高，所以可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用；同时，公路收费走向电子 化可以降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益，并可以大大降低收费口的噪声水 平和废气排放。另外，e t c 收费系统对于城市来说，不仅仅是一项先进的收费技术，它还是一 种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道等路 段+ e t c 收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回 收能力。 但e t c 系统在中国国内推广也有一定的难度。比如：该系统成本比较高，设备投入比较大 远远高于目前传统收费车道的投资；国内目前尚无配套法规来治理逃费现象，在发达国家，非 法进入专用车道的车辆，在被现场拍照后，依据照片可索回通行费并将依法给予处罚。而国内 目前尚无该方面的法规，人工收费车道都无法对逃费车辆进行处罚，像这样的电子收费方式就 9 中国农业大学硕士学位论文第章绪论 更无法进行追费与处罚了。 1 。4 课题研究的意义 近几年来，国家对交通基础建设的大规模投入促进了我国高速公路事业的快速发展。由于 高速公路建设期投资主体复杂，项目建成后“一路一公司”的经营管理模式导致主线收费站过 多，在现有的收费系统不能适应交通量目益增多需求的情况下，主线收费站，特别是在城市出 入口收费站形成交通瓶颈，严重影响路网效能的发挥，造成资源浪费和环境污染。在现有的道 路收费站基础上，根据高速公路出入口交通流量的分布特点，采用联网不停车收费系统技术来 解决路网中收费站点交通瓶颈问题也成为交通工程研究的一个新课题p j 。 在对现有试点运行的的e t c 系统分析可知，现有e t c 系统中大多采用单片式的电子标签， 使得整个e t c 系统必须构成一个完整的封闭式系统，也就是在路网内的所有出入口，必须有一 条专用e t c 车道。使得系统规模庞大，投资高，建设周期长，风险大。而且在交通流比较小的 情况下，还要单独开辟一条e t c 车道既困难又不经济1 6 j 。并且现有e t c 系统中车型也是预先 存储的电子标签中的，这也潜伏了人为修改车型的隐患。针对国内交通状况，本系统采用基于 双界面卡的组合式电子收费技术方案。必须在定时期内考虑e t c 收费系统与已建的非接触l c 卡相结合，待条件成熟时再淘汰】c 卡收费系统完全采用e t c 系统。并且在该e t c 系统中添加 车型分类器进行现场判断车型。以上方案可以有效解决现有环境下所产生的问题，达至q 提高交 通收费效率及管理水平的目的。 本课题所采用的组合式联弼收费技术方案提供的功能如下： ( 1 ) 组合式收费技术方案利用双界面c p u 卡，集中了i c 卡收费系统和e t c 收费系统的优点， 方便、快捷、通行能力强。更重要的是，这种卡的安全性能得到银行方面的认可，易于与银行 进行密切合作。而且符合中国金融卡规范及电子商务等国家鼓励发展方向。 ( 2 ) 组合式收费技术方案利用双片式电子标签提供安全、便捷的免停车电子交费业务。支持 一卡多用：电子收费、交通统计、出入管理、信息采集及转发。 ( 3 ) 组合式收费技术方案采用主，被动通信方式兼容的e t c 车道天线系统构建路侧系统，从 而保证披动式电子标签和主动式电子标签均可在系统中使用。目前欧洲主要采用被动式通信技 术，电子标签成本低，可以满足目前的收费业务，日本主要采用主动式通信技术，电子标签成 本高，可靠性非常好，适于未来开展i t s 领域的其他综合服务。这两种通信方式均已被i t u 认 可和采纳，是得到普遍认可的国际性专用短程通信标准。因此组合式收费技术方案在兼顾先进 性和实用性的基础上很好地保证了技术的延续性可用性。 ( d ) 组合式收费系统的最底层收费车道子系统添加了基于车辆外形几何特征自动分类器，在 收费现场进行车型判断，避免了人为篡改车型的弊端，减少了整金的流失。 ( 5 ) 组合式联网收费系统为整个联网系统开展预付苦业务提供了安全、可靠的解决途径，也 为解决中心城市的环城公路网及区域经济圈内城闻公路网的交通瓶颈提供了有效手段。 ( 6 ) 采用组合式收费技术方案的收费系统可靠性高、可扩展性强、投资及规模富有弹性、易 于试点和推广。 】0 中国农业大学硕士学位论文第二章e t c 系统 2 1e t c 系统简介 第二章e t c 系统 1 e t c 的定义 不停车收费技术也叫电子收费( 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 ) 技术被用于高速公路收费 系统中，该系统是一种利用专用短程微波通讯技术，通过路侧单元与车载单元的信息交换，自 动识别车辆，采用电子支付方式，自动完成车辆通行费扣除的自动收费方式。不停车收费技术 特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。在传统采用车道隔离措施下的不停车收费 系统通常称为单车道e t c 收费系统，在无车道隔离情况下的自由交通流下的不停车收费系统通 常称为自由流e t c 收费系统。 2 e t c 系统的工作方式 e t c 的工作方式如图2 - 1 所示：当e t c 系统检测到车辆进入e t c 车道的时候，安装在车 道龙门架上的微波天线与安装在汽车挡风玻璃上的“电子标签”自动进行信息交换，与微波天 线相连接的e t c 车道计算机根据电子标签中存储的信息识别出车辆信息，并根据车主的使用情 况从银行帐号中扣除通行费。交易成功后，车道栏杆自动升起，放行车辆：车辆通过后，栏杆 自动降下。整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过e t c 收费车道n 图2 - 1t 作过程示意图 中国农业大学硕士学位论文第二章e i c 系统 2 2e t c 系统的基本组成部分 一、前台系统 工作任务主要是识别车辆在e t c 车道的通行凭证：确定车辆进出口地址和时间；判别车辆 类型；计算本次通行费额；控制管理通行车辆；编制收费数据文件：现场抓拍冲卡逸费车辆的 图像，捕捉证据；与后台通信联系交换数据l b 】。它必须包括四个关键的子系统：即自动车辆识 别子系统( a u t o m a t i o nv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，a v 0 ，自动车型分类子系统( a u t o m a t i cv e h i c l e c l a s s i f i c a t i o n ，a v c ) 、逃费抓拍子系统( v i d e oe n f o r c e m e n ts u b s y s t e m s ，v e s ) 和车道收费子系 ( d r i v e w a yt o l ls u b s y s t e m ) 1 自动车辆识别( a v i ) 子系统 自动车辆识别系统是电子收费系统的基础，是指当车辆通过某一特定地点时，可以不借助 人工而能将该车辆的身份识别出来的系统。车辆的身份，泛指车辆本身的代表符号以及一切的 属性，包括车辆车牌号码、车主及车籍等资料，但无论多少，车辆至少必须具有一个可识别的 唯一标识。 a v i 系统主要是利用d s r c 技术，车辆携带收费卡，收费车道安装读写设备。收费口一般 是一个天线负责一个收费车道，这样要解决相邻车道之间的干扰问题。可以采用信号同步、能 量控制、多路技术等，也可以相邻车道设备使用两个信道，减少干扰【9 1 。该系统主要由以下三 个主要组件组成： ( 1 ) 车载单元( o n - - b o a r du n i t ) 必须要有一个在车辆上的电子标签来携带身份证明用的识别码、授权证明、余额资料，或 更进一步资料。例如：使用者和车辆本身相关资料，主要用来与收发单元( t r a n s c e i v e ru n i t ) 通信使用，可分为只读型或读写型。只读型车载单元( 电子标签) 仅储存使用者或车辆的识别 码，其扣费动作在收费单元的计算机设备上进行；而读写型除存储使用者或车辆的识别码外， 还包括金额、日期、时间等多项资料并且扣费动作由车载单元( 电子标签) 完成。 ( 2 ) 路侧阅读单元( r o a d - - s i d er e a d e ru n i t ) 用以接收或识别车载单元发( 反) 射( 散) 出来的信号和车上电子标签通信，并把收到的信号 解译成有意义且可以阅读的文( 数) 字资料，并做第一步校验工作，以供进一步分析计算使用。 ( 3 ) 数据处理单元 把从解读单元所解译出来的资料和计算机数据库里面的使用者资料对比，验证身份，并进 行所有的数据处理工作，其中包括通行费的计算、交易时间、地点、流水号等资料的登录。 从信号或信息传递与处理的观点看，a v i 的基本运作流程大致可分为三部分； 截取来自车辆发散出来的模块化电磁波信号。 b 将电磁波信号转译成有意义的信息。 c 将译读出来的信息输入计算机中，进行资料对比、验证身份、收取通行费、文件查验等数 据处理工作， 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第二章e t c 系统 自动车辆识别系统按工作频率分为9 1 7 e 4 z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。其中9 1 7 m h z 系统主要用 于北美地区，5 8 g h z 系统主要用于欧洲和亚洲以及大洋洲地区，2 4 5 g h z 系统主要用于实验， 实际使用很少。5 8 g h z 已成为国际电信联嬖l ( r r u ) 划分给专用短程通信( d s r c ) 的专用频段。按 通信方式分类可分为主动式和被动式。主动式由于标签一定含有电源。当车道天线向电子标签 发送询问信号后，电子标签利用自身的电池能量发射载波及数据给车道天线。主动式通信方式 的工作距离可以较远，大约3 0 m 。在被动式系统中，由车道天线发射电磁信号，电子标签被电 磁波激活进入通信状态，上行载波来源于频率偏移后的下行载波，发射的能量来自于存储的电 磁波。被动式电子标签既可以是有源的，也可以是无源的。被动式电子标签的电源是供存储数 据和处理数据用的，其工作距离较近。按读写方式分类分为只读型和读写型。 按目前的技术水平，主动式和被动式的性能比较见表2 - 1 。 表2 1 主动式和被动式的性能比较 2 自动车型分类( a v c ) 子系统 自动车型分类子系统就是利用硬件和处理程序来确定车辆的类型，它由测量车辆物理特征 的各种车道传感器和利用这些装置输出信息的处理器组成。车道传感器记录车辆的物理特征， 处理器汇集各种传感器装置的输入信息并根据这些信息对车辆进行分类，将确定了车型的车辆 信息发送到相关系统，以确保实施正确收费。 车辆类别可从两条渠道获得，一是标示卡存储有车辆牌照和车型类别代码；二是对检测所 得车辆的各种间接参数进行综合评判而确定的车型类别。前者由于卡存储的车类代码不可修改， 无须增添新设施即可在通信过程得到准确度很高的车辆类别判别。但是，一旦用户将卡从原有 车辆上拆卸下来，重新安装到与车类代码不符的另一类车辆上，光有通信所获取的车类信息无 法分辨其真伪。第二种判别法需要安装多种检测车辆轴数、轮数和外部几何尺寸( 或车重) 等 特征参数，还得用计算机配以专用软件作综合( 或图像) 辨识，不但加大系统投资，也增加管 理维修费用。目前常用的分类方法是双管齐下，但有主有次，以卡上获取车辆类别信息为主， 再用检测所得的数据进行校核加以确认。这样可大大降低差错率，同时也可节约设备投资。 3 逃费抓拍子系统( v e s ) 逃费抓拍子系统是指利用收费系统的各种硬件和处理程序对来按正确费率付费的通过车 辆，咀收费车道、栏杆和收费员组成关卡形式，强迫车辆停车缴费，以扼制冲卡逃费行为，并 对该行为进行自动记录的系统。而e t c 系统的目标为车辆提供一个不停车就可缴费的交通环 境，同时它也给冲卡逃费提供了方便条件。e t c 系统开通运行前必须