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广州邮电通信设备有限公司 广东广州 510663
摘要：随着科学技术的不断发展，信息技术应用普及到社会各个领域，人们为了高速公路出行更加便捷，对高速公路不停车收费系统ETC 提出了更智能化，近年来，中国政府也越来越重视这个领域的发展，让该技术给予高度的推广及应用。ETC 系统的应用，不但实现了车道收费的自动化，同时有效的提升了公路的通行能力和服务水平，有效降低了公路工作人员的劳动量。本文通过对广东高速公路ETC电子收费系统的设计和技术原理研究，综合该系统被广泛应用的巨大效益和广阔的发展前景。
关键词：高速公路；ETC电子收费系统；设计原理
前言：不停车电子自动收费系统是高速公路网射频技术与实际应用紧密结合的不停车电子收费系统。是电子技术、通信和计算机、自动控制、传感技术、交通工程和系统工程的综合产物。不停车收费系统的关键在于利用车载RFID电子标签与车辆自动识别系统（Automatic vehicle Identification，简称AVI）的无线电收发器，通过无线电波实现车辆自动识别和数据交换，获取通过车辆的类型和所属用户等相关数据，并由计算机系统控制指挥车辆通行，其过路过桥费通过计算机网络，从用户所在数据库中的专用账户或用户拥有的智能储值卡中自动交纳，从而实现不停车自动收费。
一、高速公路电子收费系统设计要求
1设计方法
面向对象的软件工程；统一建模语言-UML；Rational公司及其软件工程工具；Rational ROSE多平台与数据库支持；操作系统：Windows NT、SCO Open server、AIX；数据库：Oracle、SQL Server、Informix、Sybase。
2三级网络拓扑
系统完整性不依赖于网络，各级软件可独立运行，保证数据完整，不丢失，具备先进的通信平台。数据包通信，采用IBM MQ或其他中间件ZIP压缩，减少网络消耗远程控制通信TCP/IP协议超时控制 流量控制，稳定可靠，保证24小时联机作业，业务运行可靠稳定。后备电源，后备通信线路，后备数据交换手段（利用软磁盘进行数据交换），当系统崩溃时使用预编码卡，收费站软件、收费车道软件均可独立运行。
3严谨的卡及卡箱管理可跟踪到任一张卡的状态和位置，卡的调拨均通过卡箱调拨来实现，任何卡箱的调拨行为均有纪录，非正常的卡无法进入卡箱
安全性，数据包加密传输，采用DES 加密机制加密消息包，标准的ZIP 压缩（支持密码）
4可扩充性
系统扩充可动态增加收费站或车道或加入新道路，软件系统的版本升级控制，用户自定义消息类型，用户自定义报表统计；
5数据库接口
标准数据库查询接口，标准WEB 查询接口。
二、系统网络结构设计
2.1高速公路不停车收费系统的计算机网络应用模式
在高速公路不停车收费系统的计算机网络应用中，有2种基本模式：局域网络应用，网络或主机均工作在链路层及其以下，其采用的是051的7层模式。广域网络应用，其工作在网络层之上。由于在通过三层交换或路由设备时，经过了IP数据包的打包及解包，在此期间是工作于TCP/IP的交换传输模式之上。由于数据网络是建立在高速公路通信系统体系之上，其可供使用的传输带宽不是很充裕，所以其传输速率不是很高，并且高速公路呈现出的是单向放射型的路径。所以在联网的过程中出现了多级路由器级联复用的方式。数据在传输中，会出现多次的存储转发过程，将会导致数据传输效率下降。
2.2高速公路的局域网络拓扑结构
高速公路的局域网络拓扑形态，应当采用星型或树型拓扑结构，并与广域网络的路由器或交换机接驳。“星型结构”是指各工作站以星型方式连接成网。星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。星型拓扑结构便于集中控制。因为客户端用户之间的通信必须经过中心站。
2.3高速公路系统网络星型网结构
在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接，在两台设备通信过程中要维持这一通路。当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。由于中央节点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，目前多采用一种称为集线器（HUB）或交换设备的硬件作为中央节点。
三、电子标签管理设计
电子标签在收费系统中作为认证身份的标志，它将标签编号和出入口信息传给车道计算机，计算机不能立即从用户账户扣钱，记录传给结算中心后根据记录从用户的计算机账户扣款，若超支，则以黑名单形式发送给收费车道，禁止此类车辆通行。其ETC储值卡收费流程图如图1所示，其流程为ETC客户首先到银行办理开户手续，然后到ETC支付发行服务代理商处办理ETC用户开户手续，申请电子标签。ETC客服中心通知结算中心有效账户信息，并向专营公司发送用户信息；用户出行生成使用记录，车道向收费站和专营公司发送使用记录。专营公司向结算中心发送该记录，结算中心对其进行结算后向清算中心发送划账指令。银行把费用和账户信息划拨到对方机构或公司账户上，同时，银行对用户余额信息进行实时监控；结算中心生成无效账户以黑名单形式发至ETC专营公司，停止该用户使用ETC系统。
四、收费站及收费车道的设计
4.1收费站及收费车道系统组成
ETC电子收费系统主要由工控机、车道控制器（NSLC-0105）、电子标签读写天线、车辆检测器（抓拍线圈以及落杆线圈）、抓拍摄像机、费额显示器、通行信号灯、声光报警器、自动栏杆和字符叠加器组成。在各个设备中，电子标签读写天线通过RS232串行电缆线直接连接到工业控制计算机上，由应用程序直接控制；其他设备如自动栏杆、费额显示器、车辆检测器等都通过车道控制器与工业控制计算机连接，由应用程序控制。字符叠加器则将过车信息叠加在视频信号上后传至收费站监视器。 收费车道系统工作原理如图2所示。
ETC车道管理由车道计算机、收费计算机系统、车辆检测器、数据检测卡、摄像机、控制器、道闸等设备组成。ETC车道设备部署如图3所示。
图3ETC车道设备部署图
Figure 3the deployment diagram of ETC lane equipments
五、收费监控子系统设计
收费监控系统主要由收费计算机系统、CCTV监视系统、内部对讲系统和辅助系统等子系统组成。下面分别描述各个子系统的主要功能。
①闭路监视系统
闭路监视系统是相对独立的系统，只是和收费系统存在某些关联（如收费数据叠加、抓拍、硬盘录像等）。整个闭路监视系统可以划分收费亭监视、车道监视、广场监视等几个部分。
②辅助系统
辅助系统是确保收费系统正常运行的配套系统，包括内部对讲、电力供给、设备保护等多个方面。
③收费系统
收费系统基本上包括车道收费控制系统、收费站管理系统两大部分，收费站计算机与车道计算机组成局域网，采用客户机/服务器模式。根据车道到收费站的距离远近，车道和收费站之间采用光纤或双绞线连接。
六、专营公司中央管理系统的设计
专营公司中央管理中心是ETC系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换，又行使必要的管理职能。它包括专营公司、结算中心和顾客服务中心。专营公司建立中央管理子系统，负责采集所有收费站管理系统所汇集的车道收费数据信息。专营公司的中央管理系统将对ETC收费数据和人工收费数据进行整理和汇总。整理完毕的ETC收费数据清单将被转发给结算中心请求支付。专营公司中央管理系统功能为：
①办理ETC用户电子标签的手续、发放电子标签，对标签进行初始化操作、向ETC用户提供消费明细账查询、资金补充、打印、ETC用户挂失、注销等业务请求。
②分时采集收费站暂存收费数据。
③整理ETC收费数据，对车道控制系统无法处理的违章做出相应的处理。
④向结算中心上传ETC收费数据清单，请求支付。
⑤对收费数据进行各种方式的汇总、打印，统计出各种数据指示。
⑥接收结算中心下传的系统黑名单，并下传给收费站管理系统。
结束语：综上所述，对高速公路ETC电子收费系统的包括：结构设计，功能设计，数据库设计，本文也从这几个方面阐述了高速公路不停车收费系统的设计，对系统所涉及到的功能模块进行详细设计，根据系统的功能和需求对所采用的数据库设计也进行详细论述，为进一步的系统实现奠定了基础。
摘要：随着科学技术的不断发展，信息技术应用普及到社会各个领域，人们为了高速公路出行更加便捷，对高速公路不停车收费系统ETC 提出了更智能化，近年来，中国政府也越来越重视这个领域的发展，让该技术给予高度的推广及应用。ETC 系统的应用，不但实现了车道收费的自动化，同时有效的提升了公路的通行能力和服务水平，有效降低了公路工作人员的劳动量。本文通过对广东高速公路ETC电子收费系统的设计和技术原理研究，综合该系统被广泛应用的巨大效益和广阔的发展前景。
关键词：高速公路；ETC电子收费系统；设计原理
前言：不停车电子自动收费系统是高速公路网射频技术与实际应用紧密结合的不停车电子收费系统。是电子技术、通信和计算机、自动控制、传感技术、交通工程和系统工程的综合产物。不停车收费系统的关键在于利用车载RFID电子标签与车辆自动识别系统（Automatic vehicle Identification，简称AVI）的无线电收发器，通过无线电波实现车辆自动识别和数据交换，获取通过车辆的类型和所属用户等相关数据，并由计算机系统控制指挥车辆通行，其过路过桥费通过计算机网络，从用户所在数据库中的专用账户或用户拥有的智能储值卡中自动交纳，从而实现不停车自动收费。
一、高速公路电子收费系统设计要求
1设计方法
面向对象的软件工程；统一建模语言-UML；Rational公司及其软件工程工具；Rational ROSE多平台与数据库支持；操作系统：Windows NT、SCO Open server、AIX；数据库：Oracle、SQL Server、Informix、Sybase。
2三级网络拓扑
系统完整性不依赖于网络，各级软件可独立运行，保证数据完整，不丢失，具备先进的通信平台。数据包通信，采用IBM MQ或其他中间件ZIP压缩，减少网络消耗远程控制通信TCP/IP协议超时控制 流量控制，稳定可靠，保证24小时联机作业，业务运行可靠稳定。后备电源，后备通信线路，后备数据交换手段（利用软磁盘进行数据交换），当系统崩溃时使用预编码卡，收费站软件、收费车道软件均可独立运行。
3严谨的卡及卡箱管理可跟踪到任一张卡的状态和位置，卡的调拨均通过卡箱调拨来实现，任何卡箱的调拨行为均有纪录，非正常的卡无法进入卡箱
安全性，数据包加密传输，采用DES 加密机制加密消息包，标准的ZIP 压缩（支持密码）
4可扩充性
系统扩充可动态增加收费站或车道或加入新道路，软件系统的版本升级控制，用户自定义消息类型，用户自定义报表统计；
5数据库接口
标准数据库查询接口，标准WEB 查询接口。
二、系统网络结构设计
2.1高速公路不停车收费系统的计算机网络应用模式
在高速公路不停车收费系统的计算机网络应用中，有2种基本模式：局域网络应用，网络或主机均工作在链路层及其以下，其采用的是051的7层模式。广域网络应用，其工作在网络层之上。由于在通过三层交换或路由设备时，经过了IP数据包的打包及解包，在此期间是工作于TCP/IP的交换传输模式之上。由于数据网络是建立在高速公路通信系统体系之上，其可供使用的传输带宽不是很充裕，所以其传输速率不是很高，并且高速公路呈现出的是单向放射型的路径。所以在联网的过程中出现了多级路由器级联复用的方式。数据在传输中，会出现多次的存储转发过程，将会导致数据传输效率下降。
2.2高速公路的局域网络拓扑结构
高速公路的局域网络拓扑形态，应当采用星型或树型拓扑结构，并与广域网络的路由器或交换机接驳。“星型结构”是指各工作站以星型方式连接成网。星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。星型拓扑结构便于集中控制。因为客户端用户之间的通信必须经过中心站。
2.3高速公路系统网络星型网结构
在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接，在两台设备通信过程中要维持这一通路。当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。由于中央节点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，目前多采用一种称为集线器（HUB）或交换设备的硬件作为中央节点。
三、电子标签管理设计
电子标签在收费系统中作为认证身份的标志，它将标签编号和出入口信息传给车道计算机，计算机不能立即从用户账户扣钱，记录传给结算中心后根据记录从用户的计算机账户扣款，若超支，则以黑名单形式发送给收费车道，禁止此类车辆通行。其ETC储值卡收费流程图如图1所示，其流程为ETC客户首先到银行办理开户手续，然后到ETC支付发行服务代理商处办理ETC用户开户手续，申请电子标签。ETC客服中心通知结算中心有效账户信息，并向专营公司发送用户信息；用户出行生成使用记录，车道向收费站和专营公司发送使用记录。专营公司向结算中心发送该记录，结算中心对其进行结算后向清算中心发送划账指令。银行把费用和账户信息划拨到对方机构或公司账户上，同时，银行对用户余额信息进行实时监控；结算中心生成无效账户以黑名单形式发至ETC专营公司，停止该用户使用ETC系统。
四、收费站及收费车道的设计
4.1收费站及收费车道系统组成
ETC电子收费系统主要由工控机、车道控制器（NSLC-0105）、电子标签读写天线、车辆检测器（抓拍线圈以及落杆线圈）、抓拍摄像机、费额显示器、通行信号灯、声光报警器、自动栏杆和字符叠加器组成。在各个设备中，电子标签读写天线通过RS232串行电缆线直接连接到工业控制计算机上，由应用程序直接控制；其他设备如自动栏杆、费额显示器、车辆检测器等都通过车道控制器与工业控制计算机连接，由应用程序控制。字符叠加器则将过车信息叠加在视频信号上后传至收费站监视器。 收费车道系统工作原理如图2所示。
ETC车道管理由车道计算机、收费计算机系统、车辆检测器、数据检测卡、摄像机、控制器、道闸等设备组成。ETC车道设备部署如图3所示。
图3ETC车道设备部署图
Figure 3the deployment diagram of ETC lane equipments
五、收费监控子系统设计
收费监控系统主要由收费计算机系统、CCTV监视系统、内部对讲系统和辅助系统等子系统组成。下面分别描述各个子系统的主要功能。
①闭路监视系统
闭路监视系统是相对独立的系统，只是和收费系统存在某些关联（如收费数据叠加、抓拍、硬盘录像等）。整个闭路监视系统可以划分收费亭监视、车道监视、广场监视等几个部分。
②辅助系统
辅助系统是确保收费系统正常运行的配套系统，包括内部对讲、电力供给、设备保护等多个方面。
③收费系统
收费系统基本上包括车道收费控制系统、收费站管理系统两大部分，收费站计算机与车道计算机组成局域网，采用客户机/服务器模式。根据车道到收费站的距离远近，车道和收费站之间采用光纤或双绞线连接。
六、专营公司中央管理系统的设计
专营公司中央管理中心是ETC系统的最高管理层，既要进行收费信息与数据的处理和交换，又行使必要的管理职能。它包括专营公司、结算中心和顾客服务中心。专营公司建立中央管理子系统，负责采集所有收费站管理系统所汇集的车道收费数据信息。专营公司的中央管理系统将对ETC收费数据和人工收费数据进行整理和汇总。整理完毕的ETC收费数据清单将被转发给结算中心请求支付。专营公司中央管理系统功能为：
①办理ETC用户电子标签的手续、发放电子标签，对标签进行初始化操作、向ETC用户提供消费明细账查询、资金补充、打印、ETC用户挂失、注销等业务请求。
②分时采集收费站暂存收费数据。
③整理ETC收费数据，对车道控制系统无法处理的违章做出相应的处理。
④向结算中心上传ETC收费数据清单，请求支付。
⑤对收费数据进行各种方式的汇总、打印，统计出各种数据指示。
⑥接收结算中心下传的系统黑名单，并下传给收费站管理系统。
结束语：综上所述，对高速公路ETC电子收费系统的包括：结构设计，功能设计，数据库设计，本文也从这几个方面阐述了高速公路不停车收费系统的设计，对系统所涉及到的功能模块进行详细设计，根据系统的功能和需求对所采用的数据库设计也进行详细论述，为进一步的系统实现奠定了基础。