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高速公路收费系统设计实现论文
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
高速公路收费系统设计与
实现
学生姓名：
学生学号：
专业班级：
指导老师：
系主任（院长）：
年5月25日
高速公路收费系统设计与实现
摘要
高速公路收费系统是高速公路管理的重要组成部分。
建立智能化的收费系统是加强高速公路管理的一个重要环节。
这个系统的建立将会较好地解决交通收费业务中手工撕票收费这一传统方式所出现的各种问题，提高收费效率，杜绝跑、冒和漏收，能提高高速公路的整体功能。
根据国内外高速公路收费系统的发展经验，结合当今的技术发展趋势，本文详尽地阐述了高速公路联网收费系统的设计、关键技术和部分技术实现。
本文首先介绍了当前国内外高速公路收费系统的发展状况，并讨论了其优缺点，从中选出适用于我国现状的设计方案。
然后对本收费系统进行系统总体分析，对本系统的需求进行了分析。
然后，对系统总体设计进行了阐述，先确定了系统结构，并对系统中用到的数据库进行了分析和选择，对系统进行了总体设计。
在后面的系统程序设计中对车道收费系统和收费站收费系统的设计进行了详细的论述，并对系统的安全性进行了设计。
最后，本文简述了主要研究结果和存在的不足，并对不足给出了进一步改进的建议，展望了我国高速公路收费系统发展的方向。
关键词:
智能交通，车道收费系统,高速公路,费用计算
DesignandImplementationofExpresswayFeesCollectionSystem
Abstract
Theexpresswayfeescollectionsystemisthemainpartoftheexpresswaymanagement.Theestablishmentofanintelligentfeescollectionsystemisanimportantsegmentduringstrengtheningtheexpresswaymanagement.Allkindsofshortadvantagesledbyhandworkingintheformerpracticeoftransportationfeescollectioncanbeavoidedbyusingthesystem.Andalsothefunctionoftheexpresswaycanbepromotedasawhole.
Accordingtothedevelopmentoftheexpresswayfeescollectionsystemandthetrendoftoday'stechnology,anelaborateintroductionisgiveninthisthesis,whichisaboutthedesign,keytechnologyandsometechnicalrealizationoftheexpresswayfeescollection.
First,thecurrentdomesticandinternationaldevelopingconditionoftheexpresswayfeescollectionsystemisintroduced.Afterdiscussingitsadvantageanddisadvantage,adesignprojectischosen,whichisprofitableforthepresentconditiontoourcountry.Thentheanalysistothefeescollectionsystemiscarriedon,includingthetotalanalysisofthesystem,theanalysistotheneedofthissystem.
Next,thetotaldesignofsystemisdescribed,thestructureofthissystemisselected,theanalysisandchoiceofdatabaseisdonetoo,andtotaldesignofthesystemiscarriedon.Andthen,theentrancedrivewaysystemisdescribedindetail.Andthetollstationsystemisintroduced.Thedesignforthesafetyofsystemisdone.
Intheend,theresultsandtheshortagesaregiven.Furthermore,thesuggestionforthefurtherimprovementoftheexpresswayfeescollectionsystemisgiven.
Keywords:
Expressway,FeescollectionDriveway,Tollstation,Safety
1绪论
随着我国经济的迅猛发展，高速公路交通作为经济发展的主要基础设施之一，越来越受到重视。
在高速公路的建设上，我国普遍采用了“贷款建设，收费偿付”的金融和投资体系，即通过贷款来建设高速公路，在高速公路建成投入使用后通过对通行于高速公路上的车辆收取通行费用的方式来偿还贷款。
高速公路收费制度的建立不仅可以为高速公路建设开辟资金来源，而且可以吸引私人企业和个人参与高速公路建设投资，解决高速公路建设长期依靠政府财政，发展缓慢的弊端。
另外，高速公路的养护与管理资金可以直接从征收的车辆通行费中提取，减少了许多中间环节，克服了多年来道路养护管理中的不记成本、不讲经济核算的种种弊端。
此外，高速公路具有比一般公路高的效益，决定了高速公路可以依据市场法则，通过收取车辆通行费对其价值进行补偿。
从另外一个角度上看，高速公路收费不只是从经济上考虑用于还贷或开辟新的高速公路建设的资金来源，还可实现高速公路交通需求控制。
从而解决高速公路拥挤、安全和污染等问题。
所以，建设先进、完善、有效的高速公路收费系统是整个高速公路系统建设和管理中不可或缺的一部份。
它所要实现的主要功能有:
1.对使用高速公路的车辆按车型、行驶里程进行合理、正确的收费；
2.规范收费、现金入账等财物统计工作，防止舞弊、堵塞财物漏洞；
3.结合交通管理，限制高峰期交通流量以保障高速公路的安全、畅通；
4.提供交通流量数据，作为交通监控系统和管理部门的决策依据；
5.改善道路通行费的支付和结算方法、从而减少车辆缴费滞留时间，提高收费车道的车辆通行速度，提高道路通行能力。
1.1课题背景及来源
在长潭西线通车之前，由北到南三市之间只有京珠高速长潭段将其连接。
东西向，株潭之间则只有莲易高速连接。
三市之间的内部城际高速公路网络并未形成。
同时，将三市串联起来的只有京珠高速公路长潭段。
但所谓的“串联”，却并非在一条直线上。
三市中，除长沙外，株洲和湘潭上京珠高速公路都还需要一段连接线要走。
长潭西线未通车之前，长沙至湘潭所需时间至少要40分钟，“短短的40公里路程，最快都需要40分钟，这肯定无法适应三市一体化发展的需要，所以要提速三市一体化进程，必须得构建适应一体化发展的快速交通网络。
”省交通厅相关专家表示，而长潭西线的通车将改写现状，使长沙至湘潭的行车距离缩短20公里。
此外，长潭西线的建成通车，也将缩短长沙至邵阳的时间。
长湘西线湘潭起点即与潭邵高速公路对接，出了湘潭收费站一公里，即可上潭邵高速公路。
在昨日的体验中，本报车务部司机欧阳宏介绍，长潭西线通车后，至少可以使长沙至邵阳的时间节约20分钟以上。
1.2课题研究的意义
高速公路收费系统是长潭西线高速公路的重要组成部分，是高速公路业主收回投资的渠道。
收费系统应用软件根据功能及分布主要分为以下几个既相互独立又彼此联系的功能单元，由它们一起构成了IC卡收费管理信息系统：
1.车道级模块，包括入口车道发卡软件和出口车道收费软件；
2.站级模块，包括站级财务软件、站级监控软件和站级网络管理软件；
3.中心级模块，包括中心财务软件、中心监控软件、中心网络管理软件、中心POS机管理软件及中心IC卡管理软件；
4.通信模块件，包括车道通信软件、站级通信软件和中心通信软件；
本课题主要对整个系统架构进行设计，并实现车道级模块功能。
1.3论文结构
绪论部分概要介绍了本毕业设计课题的背景来源以及研究的意义。
第二部分是论文的重点之一，通过对系统进行详细分析，着重介绍了系统的设计方案实现内容。
第三部分介绍开发本系统所涉及到的基本理论知识以及选用方法的依据。
第四部分是论文的另一重点所在，从第二部分的系统分析和解决方案出发，以第三部分涉及到的基本知识为基础，重点介绍系统的设计思路和实现方法，并阐述课题的难点、问题所在以及创新思想在本设计中的体现。
第五部分对研究工作进行归纳和总结。
2系统分析与设计
3.1系统分析
车道收费系统的需求分析主要以新的收费模式下高速公路的实际情况和运营管理方面的要求为基础。
3.1.1车道收费系统功能规定
车道收费软件按功能分为入口和出口两种类型入口车道收费系统通过所配车道设备及收费员对进入高速公路的车辆进行抓拍图像、识别车牌、车型、车情输入。
对黑名单、白名单车辆进行相应的处理。
将车道信息、收费员工号、车情、车型、车牌号、卡盒号、日期时间、抓拍图像等其他信息写入数据库表中，形成一条流水记录;并将相应的入口描述信息写入通行IC卡，发给通行车辆司机，抬起电动栏杆机。
车辆驶出车道，完成入口操作。
出口车道收费系统通过所配车道设备及收费员对驶出高速公路的车辆进行抓拍图像、识别车牌、读出通行IC卡中存储的信息。
对读出的信息进行自动及人工核对，计算出通行费，并用费额显示器显示收费金额，并用语音设备发出礼貌用语;回收通行IC卡、收取通行费。
当出现免费、丢卡、坏卡、违章、黑名单、白名单车辆时，按相应规定进行处理;将出口的路段、站点、车道标识信息、收费标识信息、车型、车种、车牌号、IC卡及卡盒号信息、日期时间等其他信息在车道数据库表中写入一条流水记录，并在该卡中写入使用完毕注销信息;打开电动栏杆机，车辆驶出车道，完成出口操作[2]。
此外，车道收费软件系统还应具有下述功能:
1.对收费人员上下班身份验证的功能；
2.自动检测并记录车道设备的运行状态功能；
3.能够提供一定的安全机制，防止随意删改数据，同时提供数据备份和在网络中断情况导出数据的服务；
4.通过车牌自动识别，系统实现防换卡功能；
5.在非主要设各出现故障的情况下，系统亦能够完成收费处理；
6.尽量减少设备各故障对车道收费的影响。
3.1.2车道收费处理主要流程分析
车道处理流程分析以车道收费业务为中心，分为两部分;入口车道流程分析和出口车道流程分析[3]，主要以流程图的形式来体现。
因为涉及的分析流程较多，所以以下画出的是入口、出口主要收费业务分析流程图[4]。
1.车道处理主控流程分析
图2.1车道处理主控流程分析
2.上班校验流程分析
图2.1上班校验流程分析
3.入口发卡处理流程分析
图2.2入口发卡处理流程分析
4.入口车情流程分析
图2.3入口车情流程分析
5.出口车情处理流程
图2.4出口车情处理流程
3.2解决方案设计
3.2.1总体设计
1.基本设计概念和处理流
在收费系统中，存在着各种数据，其中有些是与收费相关的，如收费流水数据、运营参数数据、各类相关的查询数据等[5]。
其他是配合收费工作的，例如短消息、时钟同步等[6]。
根据有关标准和需求分析，整个系统的数据流向如下图所示[7]：
图2.6基本设计概念和处理流程
2.程序组成与结构
根据数据的流向以及需要做的处理工作，系统被设计成许多个子系统和子程序构成。
根据数据的处理需要和程序的部署位置，整个系统的程序组成如下表所示：
表2.1程序组成与结构
位置
程序名称
说明
车道
车道入口程序
－
车道
时钟同步客户端服务程序
－
车道
短消息接受服务程序
－
站级
站级报表管理子系统
－
站级
站级参数浏览子系统
－
站级
站级交班管理子系统
－
站级
站级数据备份与恢复子系统
－
站级
站级IC卡管理子系统
－
站级
人工录入流水程序
－
站级
报警信息转发服务程序
－
站级
监控图象查询代理服务程序
－
站级
时钟同步客户端服务程序
－
站级
时钟同步服务端服务程序
－
站级
车道数据长传服务程序
－
站级
站级参数下发子系统程序
－
路段中心
路段报表管理子系统程序
－
路段中心
路段参数管理子系统程序
－
路段中心
路段票据管理子系统程序
－
路段中心
路段数据备份与恢复系统程序
－
路段中心
路段图象稽查子系统程序
－
路段中心
路段IC卡管理子系统程序
－
路段中心
路段收费监控子系统程序
－
路段中心
报警信息转发服务程序
－
路段中心
收费站数据上传服务程序
－
路段中心
路段参数下发子系统程序
－
路段中心
联网通信客户端程序
－
路段中心
时钟同步客户端服务程序
－
路段中心
时钟同步服务端服务程序
－
区域中心
联网通信服务端程序
－
各个程序与数据之间的关系见下图所示：
图2.7各程与数据之间的关系
3.系统维护设计
针对维护方面的工作，主要采取日志的方式来记录系统的运行情况。
通常，可采用文本文件、数据库等各种形式。
为了便于事后的查看，本系统采用纯文本格式的日志方式。
日志文件的主要用途包括：
（1）在系统调试、试运行以及正式使用等期间记录系统的使用情况；
（2）记录系统运行过程中发生的故障和异常情况；
（3）记录系统运行时产生的调试信息。
使用日志文件，有利于系统的调试和维护工作的开展，便于即使发现并诊断系统运行过程中出现的故障。
根据本系统中各个组成部分的规模和特点，各程序可以选用以下各种日志处理方式：
（1）单文件集中型日志：
程序的所有日志放在一个文本文件中；
（2）多文件分散型日志：
根据日期，将日志分别放在对应于日期的日志文件中。
其中，第二种方式，针对产生的多个文件，可以采取集中存放或者按照年月分目录存放的形式。
可以采取其他措施，限制日志数据的数量，例如：
（1）限制日志文件的数量；
（2）限制日志文件的大小；
（3）采用分级控制措施，定制那些类型的信息需要保存到日志中。
3.2.2车道系统程序设计
1.车道系统概述
为了实现区域联网收费，车道需要进行国王车辆情况的原始数据采集。
根据湖南省有关联网收费标准和接口规范，通过安装在车道工控机上的收费系统和相应的场外设备来有效完成数据采集工作。
入口流程包括入口发IC卡或粤通卡操作流程、入口倒车操作流程、入口修改操作流程、入口挂车操作流程、入口车队操作流程、入口免费车操作流程、入口发纸卷等。
出口流程包括出口通行卡收费流程、出口公务车收费流程、出口修改收费流程、出口坏卡收费流程、出口丢卡收费流程、出口回头车收费流程、出口车型不符收费流程、出口车型不符操作流程、出口车种不符收费流程、出口车牌收费流程、出口未付车收费流程、出口车队收费流程、出口粤通卡收费流程、出口免费车收费流程、出口挂车收费流程、出口手工收费流程等。
车道收费系统可以有效的控制所有场外设备，以及对各种特殊情况进行处理的功能。
同时车道收费系统的工作方式是完全独立的，当收费站计算机不工作或者网络出现问题时，不影响车道系统的正常工作，系统参数，数据记录均存储在本地。
在通讯中断的情况下，收费车道系统维持正常收费作业，通讯恢复后，积压数据可自动上传。
当车道长期独立工作时，可以通过人工的方式用其他存储介质将数据上传到收费站[9]。
车道收费系统将实时获取系统运营参数，能有效避免各个路段参数使用不统一的问题。
车道收费系统有无人职守功能，当车道上无人上班时，以“无名氏”身份监视车道运行[10]。
出口车道能查询车辆在区域内的入口信息和入口图像。
车道收费系统原始数据存储在本地数据库LaneDB相应的数据流水表中，原始流水数据在车道保留40天。
过期数据将不做保留[7]。
2.车道系统设计[8]
图2.8车道系统设计
在车道收费系统中，车道入口和出口的全部流程在业务逻辑单元u_BizLogic中处理，u_BizLogic中还包括向场外设备发控制命令和获取部分场外设备的状态，通过事件通知机制出发界面显示模块u_Main单元做相应的更新。
数据处理模块专门用来处理入口流水表、出口流水表、工班日志表、工班合计数表、设备装备表等插入、更新操作。
场外设备接口处理模块类THardwareManager，管理所有场外设备，所有场外设备的接口单元单独组成一个类，这些类作为场外设备管理类THardwareManager的public成员存在。
通过生成类THardwareManager的对象，即可控制所有的场外设备以及获得场外设备的状态。
除了打印采用并口连接外，其他场外设备全部采用RS—232串口连接。
界面显示处理模块显示内容有：
站、车信息、收费员信息、发卡、发卡数量、车流量、收费员按键、车道视频字符叠加信息、部分提示信息、当前车辆收费金额、车型、车种、发卡编号、当前车辆入口站等。
3.2.3数据上传通信
1.车道数据上传收费站
程序说明：
车道数据上传收费站服务程序负责轮询本站的各车道数据库，将未上传的车道流水记录以及抓拍图像上传到收费站保存。
2.收费站数据上传路段中心
程序说明：
收费站数据上传路段中心服务程序负责轮询本路段的各个收费站数据库，将未上传的车道流水记录、抓拍图像以及有关汇总数据上传到路段中心。
3.2.4通信系统设计
1.通信系统概述
通信系统负责在车道、收费站、路段中心以及区域管理点之间传递数据。
根据被传递数据的类型以及特点，通信系统被划分成多个子系统（子程序），部署在不同的计算机上，整体配合完成整个收费系统的数据传递任务[11]。
在各级系统中，数据流向如下入所示：
图2.9联网收费路段系统数据流向图
关于数据流图说明：
在站级系统中，有相当部分的数据实际上只是转发，例如报警信息、短消息等。
由于整个路段的网络是局域网，因此在实际部署中，也可以采取直接将消息发送到中心的机制，以便减少中间环节，使系统得以简化。
这主要取决于系统部署以及维护的情况[12]。
对于IC卡和图像信息的查询也可以采用直接从车道发送到路段中心的方式。
上图就采用了这种方式。
通信系统中，需要处理的数据类型和实时性要求如下表所示：
表2.2需要处理的数据类型和时时性要求
信息类型
实时要求
传输方向
备注
系统运营参数
手工/定时
路段中心到车道
费率表、黑名单等
收费流水数据
实时
车道到区域中心
出口入流水表、工班表等
报警信息
实时
车道到路段中心
—
IC卡入口查询
实时
车道到路段中心再回车道
—
图像信息查询
实时
车道到路段中心再回车道
—
短消息
实时
路段中心或站到车道
—
时钟同步
实时
区域中心到站和车道
—
2.通信系统设计
通信系统实际上由若干个运行于不同地方的程序组成，包括车道、收费站
路段中心等，涉及的数据种类多，传输的要求也不一样，并且与各级系统中的其它程序关系密切，需要整体考虑。
如果设计的不合适，对系统的整体运行效果和性能有较大影响[13]。
在设计过程中，主要采取适当分解通讯系统的思路，将各种功能独立到各个独立的程序中。
对通信系统的分解，可以简化程序的复杂度，提高可维护性，避免局部的改动对整体造成较大影响。
分解的原则包括：
（1）数据类型：
例如传送系统运营参数和收费数据；
（2）传输方向：
例如对于收费数据，收费站存在着接收和上传的要求；
（3）时间要求：
例如实时数据和定时数据的传输；
（4）功能要求：
例如实时数据中包括的报警信息和IC卡查询等。
根据通信系统的特点，绝大多数通信系统的程序都被编写为Windows系统的服务程序没有图形界面。
这些服务程序被默认配置为在系统启动时自动执行，而已通过Windows的服务管理器来启动或停止这些服务程序的运行。
根据前述分析机思路。
在路段内的车道、收费站、路段中心分别有以下程序用于处理数据通讯和交换功能：
3.车道级：
（1）时钟同步客户端服务程序[14]：
功能：
定期从指定的服务器（通过IP设定，收费站）获取时钟同步信息并更新本地车道计算机的时钟。
（2）短消息接受服务程序：
功能：
接收上层（收费站或路段中心）发来的短消息，并显示给收费员。
4.收费站：
（1）车道收费数据上传服务程序：
功能：
定时从本站各个车道的数据库中获取需要上传的数据，并存储到站级的数据库服务器中。
（2）监控图像代理服务程序：
功能：
根据路段中心收费监控的图像查询要求，获取并指定车道的图像数据，并返回给收费监控系统。
（3）报警信息转发服务程序：
功能：
接收车道上传的报警信息并实时转发到路段中心。
（4）时钟同步服务端程序：
功能：
为本站车道计算机提出的时钟同步请求应答时钟同步信息。
（5）时钟同步客户端服务程序：
功能：
定期从指定的服务器（通过IP，路段中心）获取时钟同步信息并更新站级计算机系统的时钟。
5.路段中心：
（1）站级收费数据上传服务程序：
功能：
定时从本路段各站的数据库中获取需要上传的数据，并且存储到路段中心的数据库服务器中。
（2）报警信息转发服务程序：
功能：
接受下级上传的报警信息并实时转发到收费监控程序。
（3）时钟同步服务器端服务程序：
功能：
为本路段下级系统计算机提出的时钟同步请求应答时钟同步信息。
（4）与联网收费相关的通信服务：
功能：
接收来自车道的入口信息查询以及图像查询等请求，并通过与区域中心的通信，返回查询结果。
以上各个部分归纳入下表所示：
表2.3车道级模块归纳
部署位置
程序名称
备注
车道
时钟同步客户端
—
车道
短消息接收
—
收费站
时钟同步客户端
—
收费站
时钟同步服务端
—
收费站
报警信息转发
—
收费站
车道数据上传收费站
—
收费站
车道图像查询代理
—
路段中心
时钟同步服务端
—
路段中心
报警信息转发
—
路段中心
联网通信客户端
含上传数据、查询等
6.数据上传通信
（1）车道数据上传收费站
程序说明：
车道数据上传收费站服务程序负责轮询本站的各车道数据库，将未上传的车道流水记录以及抓拍图象上传到收费站保存。
（2）收费站数据上传路段中心
程序说明：
收费站数据上传路段中心服务程序负责轮询本路段的各收费站数据库，将未上传的车道流水记录、抓拍图像以及有关汇总数据上传到路段中心。
（3）时钟同步通信
程序说明：
时钟
升级会员 