不停车收费系统集成专项方案第二组.doc

交通安全和智能控制专业
《收费系统集成和维护》

不停车收费系统设计方案

组长：刘君

组员：张丽娜，方赞，谢重望

引 言
       高速公路因其“高速、高效、安全、舒适”等优点，已成为连接各关键城市和关键港口交通枢纽。然而，伴随中国经济和社会发展，公路运输能力已经不能满足日益增加交通运输需求。二十一世纪交通发展趋势必将是由粗放型向集约型转变，即从单纯依靠政府投资新建公路向建设公路运输配套设施及其软件转变，以提升公路利用效率。
       在高速公路收费方面，效率低下传统收费方法(找零、回票、投币)在车流量较大时往往使车辆在收费站区域滞留，限制了高速公路快捷方便服务优点。电子不停车收费系统就是在这一矛盾中应运而生。现在国外和中国试点ETC系统普遍采取单片式ETC技术。不过，因为和中国主流IC卡收费方法完全独立，而建立ETC系统必需本身组成一个完整封闭式系统，即在路网内全部入口和出口，即使是大多数交通量小、车道数量少收费站，全部必需设置一条以上专用ETC收费车道，这必将造成资源极大浪费。
所以要在中国联网收费大背景下成功推行ETC收费，必需考虑ETC收费系统和已经建立IC卡收费系统之间整合问题，选择一个兼容ETC收费和IC卡收费组合式收费技术，这就是基于ETC和MTC，人工半自动收费车道相结合高速公路组合式联网收费系统。
组合式收费系统总体结构设计
       组合式收费站设计图图1所表示。图中收费站采取了ETC车道和MTC车道相结合方法。对于采取刷卡付费或现金付费方法车辆，由MTC车道经过。刷卡付费有接触式刷卡和非接触式刷卡两种模式，当车辆进入MTC车道时，驾驶员停车刷卡或缴纳现金，交易完成后，开启栏杆放行；对于采取电子标签或两片式电子标签付费方法车辆，则由ETC车道直接经过。当车辆进入ETC车道时，电子不停车收费系统对安装在车上电子标签进行付费操作，付费交易自动完成，实现车辆不停车付费。

       ETC车道和MTC车道分别交易，互不干扰，两种付费方法最终由软件系统负责整合。

ETC车道设计
        ETC是利用专用短程微波通讯技术，经过路侧单元(RSU)和车载单元(OBU)信息交换，自动识别车辆，采取电子支付方法，自动完成车辆通行费扣除全自动收费方法。当ETC系统检测到车辆进人ETC车道时候，安装在龙门架上微波天线和安装在汽车挡风玻璃上电子标签自动进行信息交换，和微波天线相连接ETC车道计算机依据电子标签中存放信息识别出车辆信息，并依据车主使用情况从其账号中扣除通行费。假如其银行账号中余额不足，则由显示设备提醒驾驶员进入MTC车道。
整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速经过ETC收费车道，原理图2所表示。

ETC车道通信子系统设计
       (1) 短程通信标准选择
      《高速公路联网收费暂行技术要求》中第十三条明确指出：“电子不停车收费技术中车辆自动识别系统所采取专用短程通信频率推荐5.8 GHz电子标签宜采取可读写‘单片式’(可读写智能电子标签)或‘两片式’(带IC卡接口电子签)。‘两片式’电子不停车收费系统应和人工半自动收费系统兼容。”所以依据该文件，选择5.8 GHz短程通信标准为专用短程通讯(Dedicated ShortRange communication，DSRC)标准。中国DSRC通信技术指标以下：
         频段：5 795～5 815 GHz；输出功率：300 mW；调制方法：ASK，BPSK；通信距离：10 m。
         选择5.8 GHz作为微波短程通信中心频段有3个优点：
      ①5.8 GHz频段背景噪声小，抗干扰性很好。
      ②5.8 GHz频段设备供给商较多，有利于中国ETC系统设备引进，有利于降低系统成本。
      ③有利于未来在此频段内开展智能运输系统其它各项服务。
     (2) 路侧设备(RSU)技术
      路侧设备指安装在路侧ETC设备及其辅助设备，其功效是和车载单元通信完成ETC收费交易、检测车辆和抓拍违章车辆图像等。RSU通常由以下部分组成：
     ① 路边设备控制器：是一台计算机设备，通常和天线及其控制器、抓拍系统、车辆检测器互联，对于含有收费岛单车道ETC系统，和之互联还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备多种控制功效、通信功效和处理功效。
     ② 天线及其控制器：实现和车载OBU之间通信。
     ③ 抓拍系统：抓拍系统是针对违章车辆和无电子标签车辆电子统计系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。
     ④ 车辆检测器：对车辆到来进行检测，和对来车车型进行分类。
     ⑤ 其它辅助设备，如电源、照明等。
     车道天线接收从天线控制器传来数据信号，信号经调制和功率放大后经天线口面辐射出去。当ETC用户驾车经过ETC车道时，电子标签被车道天线信号激活，进人工作状态，依据接收到命令向车道天线回送对应响应数据。
     车道天线通常由电源单元、RS 485／422通信接口、振荡器、发射单元、接收单元、数据处理单元、外部信号指示器、喇叭天线或微带天线组成，图3所表示。

      天线控制器从车道控制计算机系统接收通信请求，形成符合DSRC标准通信协议数据帧，经过车道天线将数据帧发给车道上电子标签，并接收和解析从电子标签返回数据，再上传给车道控制计算机系统。
     天线控制器通常内置多块控制模块，每个控制模块能够控制一个车道天线。
     天线控制模块通常由PC通信接口单元、双端口存贮器(DPRAM)、通信协议处理单元、RS 485／RS 422天线接口单元组成。PC通信接口单元负责天线控制模块和车道控制计算机数据通信，她能够是PC总线接口，也能够是RS 232接口。
     (3) 电子标签选择
     针对中国具体国情，兼顾到大部分收费站采取IC卡交易方法，系统采取组合式电子标签。组合式电子收费是一个基于两片式电子标签组合式收费技术。组合式电子标签是一个两片式电子标签，其带有标准IC卡接口(通常为ISO7816规格接触式IC卡接口或ISO14443规格非接触IC卡接口)，和IC卡共同组成一套完整两片式ETC车载设备。采取该技术有两大优点：
     ① 系统是基于IC卡作为收费介质收费系统，含有兼容人工半自动收费(MTC)和电子不停车收费(ETC)能力。
     ② 适合中国基础国情，组合式电子标签适合于已经建立起ETC收费系统和MTC收费系统，为设计组合式收费系统发明了条件。
车辆自动分类子系统设计(AVC)
     为了对不一样车型根据不一样费率实施收费，必需对车辆进行分类。分类系统设计为前分类系统和后分类系统。前分类系统能够使收费系统计算经过车辆正确费率；后分类系统用于核实所经过车辆是否根据车型实施了正确收费。
     经过传感器对车辆高度、轴数、是否装备双胎和车重等要素进行检测，检测结果经过数据采集卡送入软件系统进行判定比较，从而确定收费金额。该项技术已经广泛应用于各收费站，传感器和数据采集卡选择也很广泛。
视频监控系统(VES)
     VES不依靠于ETC电子标签，而是以摄取车牌图像来获取车牌号码、车籍资料等信息，并将缴费通知寄给车主。用于事后追踪逃费者，追回漏征费用并实施罚款依据，以降低漏征费用损失并起到威慑作用，该系统已经广泛应用于实际。
MTC车道设计
     MTC车道是由汽车自动分类系统(AVC)、读卡装置、显示设备、视频临控、自动栏杆和计算机软件系统组成，读卡器能够采取接触式或非接触式。当汽车进入MTC车道时，汽车自动分类系统(AVC)将车辆信息自动分类，然后告诉软件系统该车属于哪一类型车辆，软件系统依据此信息告诉读卡器应该收取多少数额通行费，当交易完成后，软件系统向自动栏杆发出命令，让车辆经过，完成收费。因为MTC收费系统已经大规模地应用于实际，而且技术也已经相当成熟，在这里不做太多叙述。
软件系统设计
      合式收费系统不仅要使ETC和MTC两种收费方法分别进行互不干扰，还要使两种收费方法相互统一相互协调，这在硬件上是无法统一，所以软件系统就担负了这个任务。
组合式收费软件系统包含：ETC车道收费子系统、MTC车道收费子系统、收费站服务器系统、中心服务器系统和用户服务子系统
ETC车道收费子系统设计
     ETC车道收费子系统包含：认证交易模块、车型分类库模块、账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等。设计要求以下：
      认证交易模块 对于进入ETC车道通信区车辆，交易认证模块负责向硬件没备发出通信命令，对安装在车辆上电子标签进行读写操作以取得车辆账户信息和余额查询，假如账户无效或余额不足，则向显示设备发出命令，经过显示设备告诉驾驶员由MTC车道经过。假如账户和余额全部没有问题，则依据车型分类库模块提供收费标准对车辆实施收费，并确定交易是否成功。假如交易不成功，则通知硬件设备再次进行收费操作，当车辆已经经过通讯区仍然没有完成交易，则将收费不成功信息发送给中心服务器将在下一个收费站或出口收费。假如交易成功，则汇报给账户管理模块，由账户管理模块向中心服务器汇报此次收费操作细节。
      车型分类库模块：负责接收由AVC提供车辆信息，再和车型分类库中车辆参数相比较，确定收费标准。并通知交易认证模块，准备收取多少数额通行费。
      账户管理模块：负责对新卡初始化、黑名单管理、向中心服务器查对车辆信息及汇报收费细节，包含收费用户账号、收费金额、收费时间、收费地点等信息。
     数据管理模块：负责本车道车辆收费数据管理、数据备份和恢复。
     账务管理模块：负责统计本车道财务管理和向收费站服务器汇报财务信息。
     系统管理模块：负责系统维护、参数设置、密码管理、断点保护等。
     统计查询和报表打印模块：负责本车道数据统计、查询及报表打印。
MTC车道收费子系统
      MTC车道子系统软件设计和ETC基础一样，也是由车型分类库模块、交易认证模块、账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等组成。
      在设计要求上，MTC车道收费子系统除认证交易模块以外，账户管理模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块设计要求和ETC车道收费子系统一样。
      在MTC车道收费子系统中认证交易模块功效是：对于进入MTC车道车辆，交易认证模块负责向读卡器发出命令，依据车型分类库模块提供收费参数对车辆实施收费，并确定交易是否成功。假如交易不成功，则提醒工作人员改用现金交易，交易完成后，开启自动栏杆，让车辆通行。同时汇报给账户管理模块，由账户管理模块向中心服务器汇报此次收费操作细节。
收费站服务器系统
       收费站服务器系统和收费站内各车道收费子系统互联，实现ETC收费方法和MTC收费方法相融合。关键由监控模块、数据管理模块、账务管理模块、系统管理模块、统计查询和报表打印模块等。设计要求以下：
       监控模块：负责监控各车道向中心服务器发出账户信息和交易细节，假如中心服务器没有响应，则该模块统计这些信息，并不停查询中心服务器状态，当中心服务器不忙时，再重新发送，并对发出信息进行统计。同时实现车道收费子系统故障和异常数据报警、断点保护等。
       数据管理模块：负责整个收费站数据统计，实现对ETC收费方法和MTC收费方法融合、数据备份和恢复。
       账务管理模块：负责整个收费站财务管理。
      系统管理模块：负责整个收费站系统维护和参数设置。
中心服务器系统
      中心服务器是连接各收费站，对各收费站信息实施统一管理。中心服务器系统包含认证交易模块、账户管理模块、数据管理模块、财务管理模块、系统管理模块、查询统计和报表打印模块。
设计要求以下：
      认证交易模块 负责验证来自各收费站发送过来账户信息，并对账户信息进行确定，把是否同意交易信息返回给各个收费车道，同时通知账户管理模块准备接收数据。认证交易模块还负责和外部银行认证交易。
      账户管理模块 负责整个区域账户信息统一管理，包含卡号、密码、余额、收费时间、收费地点、收费金额，以避免反复收费。同时完成对于外来车辆或新车信息初始化、注销账户，还负责自动生成新卡号和密码，送至用户服务子系统。
      数据管理模块 负责中心服务器数据管理、数据备份和恢复。
      财务管理模块 负责整个地域收费站财务管理，包含现金交易量、电子交易量(包含ETC和IC卡收费方法交易量)、和银行交易量、各收费站交易量、各业主交易量等。
      系统管理模块 负责维护系统安全、设置系统参数。
      统计查询和报表打印模块 负责数据统计和查询、报表打印等业务。
建设目标
1、ETC车道系统按需设置，降低电子收费系统建设投资，有力保护道路运行者和用户利益；
2、提升收费管理效率和公路通行服务水平
3、杜绝少收、漏收和营私舞弊行为，确保公路营运者运取得最大经济效益和社会效益；
4、降低出入口收费手续，提升收费工作效率，最大程度地降低因为收费过程引发交通延误；

结 语
      本文对高速公路组合式联网收费系统作了初步轮廓性设计。我认为，在提倡可连续发展今天，高速公路组合式联网收费系统对于提升高速公路利用效率、节省社会资源是有实际意义。不过，高速公路组合式联网收费还只是停留在理论阶段，和实际应用还有一定距离。