《不停车收费系统设计问题研究9800字（论文）》

高速公路不停车收费系统功能需求分析及系统设计摘要：不收费停车系统主要是通过射频识别技术，通过射频信号的空间配对，实现非接触信息的传输，然后处理器进行处理，以达到识别信息的目的。该技术具有非接触，快速识别，安全性高，存储容量大，可识别多张卡的特点，可以实现高速车辆的非接触，快速识别，特别适用于高速公路系统，被认为是发展视界中最先进的科学技术之一。近年来，它已广泛用于高速公路的进出口和其他各个领域。关键词：高速公路；收费系统；ETC1引言如今我国社会处在一个经济迅猛发展的时代，高速公路的发展也得到了质的飞跃，截止2015年年末，我国高速公路通车里程达到了12万公里，在通车公路里程增加的同时，交通流量也在不断增加，车辆在高速公路运行的速度却呈现下降趋势，拥堵问题困扰着经济的发展。在许多的收费高速公路管理格局中，由于投资主体，建设单位，运营单位不同，形成高速公路经营管理单位的管理格局不符合实际情况，从而导致了以下很多严重问题：1、投资成本高，需建设的收费站亭及辅助设施多，导致后期运营压力大；2、运营成本高，人工费、管理费等维持运营的费用繁杂，运营压力大；3、站点密集，降低了高速公路车辆的通行能力；4、传统的人工收费方式，阻碍了高速公路车辆的快速通行；5、缓慢的通行速度使设备的损耗加大，设备的维护费用增高；6、收费站的建设改造大，对环境的破坏影响较大；7、自动化程度低，不符合高速公路现代化发展的理念。由此可见，运用传统的人工收费方式，不但阻碍了高速公路的现代化进程，而且影响了机动车的安全运行，以及交通通行方便，而运用不停车收费管理系统，不但能够提高高速公路出入口的通行效率，而且拥有巨大的发展潜力，成为高速公路现代化的重要保证。2高速公路不停车收费系统及系统需求分析2.1高速公路不停车收费系统的特点ETC不停车收费系统主要的关键技术为自动车辆分型（AutomaticVehicleClassificationAVC）、视频稽查系统（VideoEnforcementSystem，VES）、及车辆自动识别（AutomaticVehicleIdentification，AVI）。与传统的人工收费方式不同，ETC技术是以频射标签作为数据载体，通过无线电波传输方式实现数据交换，从而达到收费计算机与频射标签中的数据实现远程读取的目的：计算机可以读取频射标签中存放的有关车辆的固有信息（如车牌号码、车辆类别、车主信息等）、征费状态信息、车辆运行记录，然后按照收费标准，通过计算，扣除本次车辆的通行费用，并将扣除信息记录到频射标签上。在电子收费系统交易中，纸币现金将不再被当做交易媒介，取而代之的是电子货币。这就必须要求电子收费系统拥有超强的数据处理能力、快速的计算机网络、现代的电子信息技术、灵活的电子控制系统以及巨大的数据库，从而可以提升系统的安全等级、系统稳定性和通讯能力，满足客户的多方面需求，保障系统的安全性，从而实现电子自动收费系统的高速长远发展。1.系统稳定性和兼容性。系统安全是系统的首要保证，系统必须安全系数高，硬件服务设施须安全可靠，在确保收费站正常的工作环境下，以防止突发事件所引起的误收费、漏收费的情况出现，同时尽量采用快捷有效的处理方式，将问题控制在系统的预设范围之内，确保在复杂多样的环境条件下，系统运行稳定，所有设施运转正常。2.易于操作。对于经行收费站的用户来说，收费系统使用的便捷性足够影响车主对于收费方式的选择，高速公路不停车收费，就是使车主不需要做任何工作就能便捷通过，同时又保证收费系统和车主能够清楚自身的过站信息，对于频射卡中电子货币不足的车主，也可通过简单便捷的电话操作、网络支付等多种方式进行充值。3.兼容性强。高速公路不停车收费系统的建立，应该适用于各种不同收费道路系统，系统各个配置应该普遍符合通用标准，在适时性基础上保持兼容性及拓展性，以确保今后收费系统的升级或开发，例如在系统中并入天气预报功能、路况提醒功能或者线路导航功能等。4.运行费用低。高速公路收费系统在设计之始，对系统的基础要求是能满足对基本功能的要求，在物尽所能原则下，应避免资源浪费，在基础功能可升级拓展的必要条件下，系统的创建、运行和维护费用，需要尽可能的降低，以保证系统的推广。5.隐私保护权。管理系统在设计过程中，为防止管理人员对用户信息的泄露、滥用或其它问题出现，产生侵犯个人隐私的法律问题，须对经行收费站的信息进行系统的使用权限的设置，做到相关责任人和相关使用权限的制度和文件的落实。2.3高速公路不停车收费系统功能需求本设计的思路是通过分析不同角色的需求，来拓展系统的各种性能。角色以客户、收费员、管理人员以及系统维护人员为主要分析对象。1.客户角度：客户是高速公路的主要消费者，他们主要是通过IC卡或纸币到收费站进行消费以达成出入高速公路，使用高速公路到达目的地的需求，对于机动车的通行信息，客户通常需要到指定地点进行查询和操作，对于车主来说，这种方式不方便，同时还浪费时间。在不停车收费系统建立后，车主只需要运用网络，登录到系统的指定网站进行充值和查询，操作方法简单快捷。在系统中，可通过不停车收费的方式，运用频射卡实现客户高速通行的需求。2.收费员角度：收费员主要是指在进出站口坐点的员工，在传统的人工或半人工收费方式中，他们是收费完成的主要执行者，他们主要负责车辆的进出站控制、通行费收取、打印收费凭据、车主信息查询、收费信息统计，生成报表等工作，同时，收费员在通行费用收取的关键作用，由于是人工操作，就必然会存在失误，而这些失误通常会对车主或收费站造成损失，同时，越来越多的机动车，人工收费方式更加浪费时间，收费员的过多操作也会影响通行效率。影响到高速公路机动车的高速通行效率，所以在系统中削弱收费员的角色分量。3.管理人员角度：在本系统中，管理人员的主要职责由传统的管理人员（收费员）转变为管理系统，统计收费数据等，大大降低了管理人员的工作量，减少了对人力资源的浪费。4.系统维护人员角度：在系统中，由于系统是电子的，无人工操作的，所以要加大系统维护人员的投入，系统管理员的主要职责是，管理和维护整个系统的基础数据，包括员工表、收费站点表、参数设置、权限设定等，基本上是高速公路管理系统中的所有功能都可以使用。每个数据表均有列表界面、明细界面、确认界面，需求列表如表1：表1需求列表编号描述。1业务受理2信息查询3统计分析4角色管理5系统用户6公路关卡7收费标准8收费记录按模块分类的详细功能需求列表，如表2：表2功能需求表功能子功能需求描述优先级业务受理业务受理进入高速公路高离开高速公路高信息查询信息查询收费情况查询高操作情况查询高统计分析统计分析收费详细统计高财务总核对高系统维护角色管理显示角色列表高增加角色高修改角色信息高删除角色高系统用户显示系统用户列表高增加系统用户高修改系统用户信息高删除系统用户高公路关卡显示公路关卡列表高增加公路关卡高修改公路关卡信息高删除公路关卡高收费标准显示收费标准列表高增加收费标准高修改收费标准信息高删除收费标准高收费记录显示收费记录列表高删除收费记录高显示操作记录列表高删除操作记录高2.4高速公路不停车收费系统性能需求在高速公路不停车收费系统中，车道控制子系统，主要负责管理和控制收费匝道口的各项设施，内设射频读写器，通过解读安装在机动车上的频射卡发射的无线电波，获得机动车信息。然后将获得的数据传送给收费站管理系统。对车道控制子系统传送的数据信息，收费站管理系统在进行处理、整理后，再将信息上传至结算中心。结算中心对上传数据进行整合、统计后，将数据传至银行，银行再根据数据，对车主所绑定的账户进行划账，从而实现不停车收费的自动化运行。不停车收费系统按照功能区分为三部分，即收费站及收费车道系统、管理中心系统、结算中心系统组成，它系统的完成了对高速公路通行车辆的管理，对高速公路行驶的机动车都进行控制，该系统也可以对机动车进行严格监管，对有不良行车记录的机动车，可管控其不得进入高速公路，同时，将机动车号码及监控视频上次管理中心，再由管理中心传送至相关监管部门。2.4.1收费站及收费车道系统组成收费站及收费车道系统是收费系统的核心组成部分，承担着系统“CPU”的角色，同时也是最基础的管理单元。1、数据传输管理子系统（1）每天在数据流量较小的固定时段，向结算中心上传汇总数据，并接收服务器下达的指令及系统运行参数；（2）每天在数据流量较小的固定时段，向管理中心上传汇总数据，并接收服务器下达的指令及系统运行参数；（3）接收ETC车道控制系统上传的收费业务数据，并向车道控制系统传输相关信息和命令；（4）将从收费车道传来的数据通过处理器转换成与收费中心服务器统一的数据格式，保证了数据的完整性和统一性。2、实时监控子系统（1）实时监控车道运行情况，同时可以查控车道设备的运行状态以及查看车道的收费情况，控制和管理车道；（2）在通信中断时，自动存储并记忆数据传输的中止处，在传输恢复后，从中止处继续传输数据；3、收费管理子系统（1）即时处理上传的收费信息，并对数据进行存储；（2）接收管理中心下发的系统运行参数；（3）完成各种查询及统计功能。2.4.2收费管理中心中央管理系统管理中心管理系统的主要功能是汇总高速公路通行机动车的收费信息，对信息进行分类、统计，并将信息数据清单反馈到结算中心，进行其他功能的行使。管理中心管理系统通过对所管辖区内的收费数据进行统计，然后将数据转发给收费结算中心，中心再将数据信息汇总后，转给银行系统进行划账，银行对账户划账后，对金额不足的账户或者欠费不交的账户名单反馈给结算中心，中心再将名单下传至收费站。同时管理中心也可以联同交通监管部门，根据当地交通监管部门提供的车号名单，对部分有不良违规记录的机动车或涉及违法刑事案件的机动车，做为特殊名单处理，并传送至收费匝道管理系统。管理中心管理系统主要功能：1、管理中心系统对照收费站上传的数据，自动生成收费金额、流量、与银行对账和开展业务所用的报表，存储在本地计算机数据库中，并将收费交易记录上传至结算中心；2、接收结算中心传输的对金额不足的账户或者欠费不交的账户名单反馈等数据信息，并传送至收费车道管理器；3、协同相关部门，对于违法或违规机动车的信息数据，下传至收费站；实时接收采集收费站上传的违法机动车的数据信息及图像信息，及时传送至相关监管部门；4、监控收费站收费管理系统运行情况及设备运行状态等，可以设置管理人员的管理权限，同时也可对收费管理人员进行管理；5、接受对频射卡用户使用情况、余额状态的查询等；6、按照严格的计算机网络分级管理机制，对下属各级计算机系统进行管理，通过对系统关键信息的加密设置，保证信息只能被访问，不能被修改，同时对访问登陆情况进行记录，通过网络自动监管。由于管理中心管理系统涉及业务较多，需要进行数据交换的部门也较多，所以将管理中心管理系统划分为：收费管理子系统、数据传输子系统、监控管理子系统、维护管理子系统4大模块子系统。1、收费管理子系统对所有的收费数据进行分类、管理、存储。2、数据传输子系统（1）在数据传输量较小的时段向其他系统（如收费系统）发送数据信息，对由其他系统传送的数据信息及运行参数进行接收和存储；（2）定时接收收费站上传的收费数据，并向收费站发送命令和相关信息；（3）存储并处理收费站上传的收费数据，保证收费中心系统的数据与收费站系统的数据完整且同一；（4）系统可以向相关部门传输必要交通信息。3、监控管理子系统（1）实时监控各收费站、各重要路段车流量情况，同时可以查控系统设备的运行状态，远程控制和管理收费站子系统；（2）向各收费站下发系统时钟，保证系统的时间同步。4、维护管理子系统收费站信息维护：管理各收费站的信息等；付费类型维护：设定各收费站、各种需付费机动车的类型；费率维护：设定各收费站、各类型车辆的费率等；车辆信息维护：设定所有车辆的相关信息；操作人员维护：设定管理人员的有关信息。2.4.3收费结算中心系统在不停车收费系统下，车辆的收费方式主要以预付费方式和记账式方式这两种形式，在收费车道中进行，而同一条高速公路的不同路段可能由不同的管理中心管辖，所以需要建立统一的结算中心系统来管理ETC收费数据和收费中心的资金划拨。结算中心属于整个不停车收费系统的中枢系统。它负责对收费系统的所有收费数据信息进行收集和处理，资金结算，对无效的车载频射卡清单的处理，其中资金的管理和划拨由结算中心委托银行来进行，结算中心系统各功能构成，如图1。图1结算中心系统功能构成2.4.4收费系统的技术要求1．收费站及收费车道系统的技术要求主要有：1）数据收集上传功能：在网络正常情况下，实时采集到车道产生的数据并上传到站数据库；2）数据保存功能：保存车辆数据信息；3）数据库备份功能：在正常情况下备份一个8G的数据库，时间不大于1小时；4）监控系统性能的功能：在网络正常运行时数据丢失率不超过5%，车道操作信息实时上传至监控室5）系统容错功能：具有完善的备用系统，在网络出现故障时系统系统可以独立运行，保证数据不丢失，并可通过其他方式上传。6）系统安全功能：有严格的用户权限管理、认证机制保证数据不被非法访问。7）系统兼容功能：在多种操作系统下也可以稳定运行8）系统灵活功能：通过配置不同参数满足不同业务管理的需求9）数据库信息保存功能：可即时储存≥10，000，000车次的过车记录10）系统运行稳定功能：平均故障间隔时间>10，000小时2．结算中心系统技术要求主要有：1）主服务器处理能力：TMPC值≥30000；2）数据库存储能力：在正常情况下存储容量为一个500G的数据库3）系统可靠功能：在网络出现故障时系统系统可以独立运行4）系统安全功能：有严格的用户权限管理、认证机制保证数据不被非法访问5）系统兼容功能：在多种操作系统下也可以稳定运行6）系统灵活功能：通过配置不同参数满足不同业务管理的需求7）站数据库信息保存功能：可即时储存≥10，000，000车次的过车记录8）系统运行稳定功能：平均故障间隔时间>10，000小时3基于射频技术的高速公路不停车收费系统实现3.1高速公路不停车收费系统的关键技术在电子收费过程中，流通的不是传统的纸币现金，而是存储在射频标签电子账户中的电子货币，通过数据交换实现金额流通。因此，电子收费是以现代通信、计算机自动控制等高新技术为基础，无线网络通信计算为联通方式的实用型新型科学技术。在ETC收费系统中，采用了大量的现代高新电子技术，主要是涉及无线电通信、计算机自动控制等多个领域。ETC主要的关键技术为车辆自动识别（AutomaticVehicleIdentification，AVI）、自动车辆分型（AutomaticVehicleClassification，AVC）及视频稽查系统（VideoEnforcementSystem，VES）。3.1.1车辆自动识别系统车辆自动识别技术（AutomaticVehicleIdentification，AVI）是ETC收费系统的基础。它是指当车辆通过指定地点时，系统可以不依赖人工而自动地识别车辆身的各种技术的统称。车辆身份，泛指车辆本身的特定标签及一切的附加属性，包括车型、品牌、车号、车主等信息，但这些信息都是可变的，不具有唯一性。所以对于人工来说，车牌号码可以作为车辆的最佳标识，但对机器来说确是很难的事，所以车辆身份就要通过专业识别技术来得到。1、车辆自动识别系统（AVI）的组成目前世界各国厂商所生产的AVI种类极多，且彼此之间大多难以兼容，每一家产品皆有其特色。即便如此，一些基本的系统架构却都基本相同，一般是由车载单元、路侧单元和数据处理单元三个主要组件组成。（1）车载单元。车载单元（On-BoardUnit，OBU）附属在车辆上，它提供一种可供识别的唯一信号，可以当做车辆的“身份证”。（2）路侧单元。路侧单元（Road-SideUnit，RSU）主要负责辨别和转换频射卡发射的信号。（3）数据处理单元。数据处理单元（DateProcessingUnit，DPU）把路侧单元发送来的文字或数字资料与数据库中存储的账户资料通过对比进行身份验证，并进行通行费的计算、交易时间、地点、流水号等资料数据处理。由以上分析可得，车辆自动识别系统的基本运作流程为：接收到来自车辆的电磁波信号；将电磁波信号转换成为数据信息；将数据信息进行处理工作。2、车辆自动识别系统（AVI）的分类按AVI系统使用的工作频率分类，可分为三种，即917MHz、2.45GHz和5.8GHz，在实际应用中，5.8GHz已成为国际电信联盟（ITU）划分给专用短程通信（DSRC）的频段。按AVI系统的通信方式分类，可分为主动式和被动式。主动式射频标签一定含有电源，当检测到读写器向射频标签发送询问信号后，射频标签利用自身的电池能量发射载波和数据给车到读写器，其工作距离较远。在被动式系统中，由读写器发射无线波信号后，射频标签被激活进入通信状态。被动式射频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。按目前的技术水平，主动式和被动式的性能比较如下表3所示。表3主动式与被动式通行方式性能对比类别主动式被动式通信距离/m约30约8可同时通信车辆数最多8辆原则上1辆信息量/kbit53946按AVI读写方式分类，可分为只读型和读写型。只读型系统采用只读型射频标签，只读型射频标签的内容只能被读出，而不能被修改或写入，其内容存储器是只读型存储器。读写型AVI系统采用读写型射频标签，其内容既可被车道读写器读出，也可由车道读写器写入或修改，内容存储器是RAM或EEPROM。读写型射频标签内部通常还带有ROM存储区，供存放固定信息和初始化信息。按有无使用射频标签分类，不带射频标签接口的一般称为单片式AVI，带射频标签接口并在使用时需插入射频标签的称为两片式AVI。单片式AVI比较简单，价格低；两片式AVI价格较高，具有较多优点，系统功能极易扩展，是今后各个领域使用的主要形式，但两片式AVI设计需要遵循的技术规范较多，设计过程较单片式更为复杂。可如果系统方案设计的好，设计标准遵从有关技术标准，单片式AVI系统也可以过渡到两片式AVI系统。3.1.2车型自动分类系统关于车辆的类别，通常我们认为可以通过识别射频标签信息获取，射频标签上储存有车号和车型类别代码，射频标签储存的车型代码无法随意修改，也无须运用新系统既可通过通信得到准确度较高的车辆类型，可是，如果用户将卡从原有车辆上拆卸下来，安装到与车辆类型不同的另一类车辆上，那么单凭通信而获取的车类信息就无法分辨其真伪。所以，这种情况下，就需要通过特定的检测设备对车辆进行判别，通过对各种车辆特征进行综合分析从而确定车型类别。这种方法需要安装多种检测设备用以检测车辆外部几何尺寸、轴数和轮数等特征参数，还需要配以专门的软件进行综合判别，但是这样又提高了系统投资，同时也增加了管理维修费用。综上所述，结合两种判别方法的优缺点的综合考虑，我们宜采用双管齐下，主次相辅的操作方法。以通过卡上获取信息为主，然后再通过检测进行校核，这种作法既考虑了投资设备的资金问题，同时对车辆有更准确的信息，大大降低了差错率。3.1.3视频稽查系统在整个ETC不停车收费系统中，视频稽查系统（VideoEnforcementSystem，VES）作为对违规行为的依据，运用摄影机采集图像并处理，作为未按规定付费的违法行为的证据。VES不依赖于ETC系统的频射卡，而是通过摄取车牌图像来获得车号、车主及车籍资料等信息，并将缴费通知邮寄或以短信方式发送给车主，对此项业务大部分的电子收费系统均会征收费用，且收费标准不低，其主要目的在于防止车主对于缴费的习惯性违规。VES涉及的相关技术包括照相取像、录像取像、数字取像和车牌识别等。1、照相取像初期的VES使用照相机取像的方式，通过相片来获取车牌的相关信息，这种方法效率低、耗费人力资源多、失误率大。因此这种方法已经不被采用。2、录像取像许多地方已采用以录像形式进行分析，拍摄图像后重新播放，检测图像并摄取车辆的相关信息，但此方式无论从图像的获得定位或者对违规的处理哪一方面，都依然需要耗费大量的人力物力。3、数字取像数字取像是近年来采用的更普遍的方式，是应用摄影机摄取数字影像并加以存储，然后系统再将影像数字化、自动储存或可将其通过网络传送至其他服务器。同时，车牌识别提升了系统数字化效率，使VES达到自动化的作业目标，降低了对人工操作的需求，也降低了ETC系统的运作成本，但由于本身的若干限制因素，使得其尚未普遍地应用于VES系统。4、光学字符识别近年来，光学字符识别技术已相当成熟，有些厂商已经将车牌自动识别与光学字符识别(OpticalCharacterRecognition，OCR)结合起来，通过光学扫描图像信息获取车牌号码信息，这样所取得的图像更具有足够的品质。VES的运作流程为：（1）摄影激活。埋设于车道的传感器测得车辆到达时，即通知VES激活摄影开关拍摄车辆。（2）图像获取。主要使用摄影机获取车辆图像或车辆影像。（3）图像确认。摄影机摄取车辆照片后传输给车道管理系统，由车道管理系统对车辆进行判定，若车辆为违规车辆，系统将自动存储图像资料以及车牌号码、收费站编号、通行日期、通行时间、违规情形及摄影机的编号等信息。（4）图像存储。车道控制器将存储的图像资料传送至收费站上的处理系统，系统再将存储的图像档案传送至管理中心服务器。（5）图像处理。图像资料由管理中心监控系统进行处理。（6）图像删除。当车辆对违规行为进行纠正后，处理器将即刻删除车辆的违章图像资料，若违规者对违规行为不纠正，图像资料将会一直被存储于收费站的档案处理器，并在固定时间传送到高速公路客户服务中心及高速公路管理中心，当下次违规者进入高速公路时，将予以限制通行等处理。违规资料将被一直保存，直到违规者对违规行为进行纠正以后再删除。3.2高速公路不停车收费系统的实现本文所设计的基于射频技术的高速公路不停车收费系统，主要是通过无线射频的方式进行数据交换，其中在车辆自动识别技术下所应用的工作频率我们采用抗干扰能力更强、安全性更高的5.8GHz电磁波频率；射频标签作为数据载体，要求辨识迅速、安全性高、可读写、可拓展的信息存储空间大、系统升级兼容性好，故采用主动可读写两片式；不停车收费系统中的读写器主要采用非接触式读写器，实现计算机与射频标签之间的远程数据存取功能；在自动车辆分型技术中所应用的轴数与轴距检测器，其具体检测过程为：在机动车沿行车方向驶入收费站时，由车辆分离器向检测器发出驶入一辆车的信息，然后车辆通过轴距检测区域时，激光传感器就会感应到轮胎压力，通过计算得出车辆的轴距范围，再根据轴距范围和轴数以及车身高度等参数，从而可以确定车辆的类型。轴距与轴数检测原理如图2所示：图2轴距与轴数检测原理图在视频稽查系统为了提高图像采集的清晰度，采集图像系统采用可对图像进行自动调焦，补光，去杂功能