基于DSRC技术的高速公路ETC系统的计与实现.docx
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基于DSRC技术的高速公路ETC系统的计与实现
LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
毕业设计
题目基于DSRC技术的高速公路ETC系统设计与实现
学生姓名王海霞
学号11250231
专业班级通信工程2班
指导教师张辉/陈海燕
学院计算机与通信学院
答辩日期2015年6月15日
基于DSRC技术的高速公路ETC系统设计与实现
DesignandimplementationofETCsystembasedonDSRCtechnology
王海霞
WangHaixia
11250231
摘要
电子不停车收费系统（ETC）一直都是智能交通系统主要服务对象之一，它是国际上正在努力推广、开发的一种用于大桥、隧道、道路的电子收费系统。
本设计在对国内外的不停车收费系统及DSRC技术的研究和发展现状进行了分析的基础上，对DSRC数据链路层中的媒介访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）进行了设计。
针对当前公路联网收费系统存在的二义性道路等问题，提出了基于DSRC技术的解决方案，并就方案所需要的DSRC设备的关键参数模拟实际路况进行验证。
最终提出了基于5.8GHzDSRC技术的公路联网收费系统的整体解决方案，并验证了其可靠性。
关键词：
ETC系统；专用短程通信；路侧单元；车载单元；数据链路层
Abstract
ElectronicTollCollectionSystem（ETC）hasbeenthemaintargetoftheintelligenttransportationsystem,whichtheinternationalcommunityistryingtopromotethedevelopmentoftheelectronictollcollectionsystemforbridges,tunnels,roads.ThisdesignisbasedontheanalysisoftheresearchanddevelopmentstatusoftheparkingtollsystemandDSRCtechnologybothathomeandabroad,themediaaccesscontrolsublayer（MAC）andlogicallinkcontrol（LLC）ofDSRCdatalinklayeraredesigned.HighwayTollSystemforthecurrentexistenceofroadsambiguityproblem,asolutionbasedonDSRCtechnology,andverifiedonthekeyparametersrequiredforsimulationprogramDSRCdeviceactualroadconditions.TheoverallsolutionofthetollsystemofhighwaynetworkbasedonDSRC5.8GHztechnologyisproposed,itsreliabilityisverifiedtoo.
Keywords：
ElectronicTollCollection;DedicatedShortRangeCommunication;Road-SideUnits;On-BoardUnits;DataLinkLayer
目录
第1章绪论1
1.1ETC系统的研究背景1
1.2本次设计的目的和意义1
1.3国内外ETC标准化进展2
1.3.1美国的ETC标准化进展2
1.3.2欧洲的ETC标准化进展3
1.3.3日本的ETC标准化进展3
1..3.4中国的ETC标准化进展3
第2章电子不停车收费系统（ETC）5
2.1ETC系统的总体构成5
2.2ETC系统的工作原理6
2.3ETC车道系统结构6
2.4ETC专用车道系统操作流程9
2.4.1ETC出口专用车道系统操作流程9
2.4.2ETC非合建入口专用车道系统操作流程9
2.5ETC系统的收费技术和收费方式10
2.6ETC系统的技术特点10
第3章DSRC协议的基本理论12
3.1DSRC协议介绍12
3.2DSRC协议的功能13
3.3DSRC协议的结构模型14
3.4我国的DSRC协议结构分析15
3.4.1DSRC协议的物理层16
3.4.2DSRC协议的数据链路层17
3.4.3DSRC协议的应用层18
第4章DSRC协议在数据链路层上的设计与封装19
4.1DSRC协议的串行通信方式19
4.1.1串口通信数据帧格式19
4.1.2特殊字节转义处理20
4.1.3命令的应答要求20
4.1.4串口通信流程20
4.2PC指令数据结构21
4.3RSU信息帧27
第5章DSRC协议在ETC系统整体构架下的测试38
5.1测试环境搭建和准备38
5.2测试内容及结果39
5.2.1功能性测试39
5.2.2可靠性测试42
5.2.3稳定性测试43
总结44
参考文献45
附录46
致谢77
第1章绪论
1.1ETC系统的研究背景
电子不停车收费系统一直都是智能交通系统主要服务对象中的一员，而且它也是国际上正在努力推广和开发的一种用于大桥、隧道、道路的电子收费系统。
ETC技术很早就已经在国外发展起来了，欧洲、美国等许多国家和地区已基本建成了四通八达的现代化国家道路网，我国采用以人工收费方式为主，以IC卡、磁卡为介质的高速公路联网收费方式也受到了影响。
联网收费是指在全省高速公路实行“统一收费、系统分帐”的收费管理方式。
目前大部分的高速公路收费系统仍采用是的传统的人工收费，当车流量大幅度增加的时候，传统人工收费方式的效率和通行能力都比较低，这样造成的交通拥挤和堵塞现象越来越严重，由此带来的交通污染及交通事故也越来越多。
经过长期广泛的研究以及经验教训表明：
单纯依靠修筑更多的道路和扩大路网的规模来解决日益增长的交通需求很明显是不明智的。
随着电子计算机技术和通信技术的快速发展，促使我国不断地引进ETC系统，利用现代化的各种有利高新技术来改造现有的道路运输系统及管理体系，来达到大幅度提高路网的通行能力和道路使用效率的目的[1]。
1.2本次设计的目的和意义
目前，国内的许多高速公路采用的是企业征收通行费还贷的方式建设，但每一路都需要设站的方式对高速公路的高效运转造成了严重的影响，传统的收费方式已经适应不了高速公路收费管理的需要[2]。
“收费站塞车”的现象已经是一个比较严重的社会现象，同时也给路、桥及隧道的使用带来了许多不好的影响，具体表现如下：
（1）人工收费速度慢、效率低，大大降低了路网通行能力和服务水平，同时造成了交通拥堵，变成了目前高速公路发挥最大效率的严重阻碍；
（2）车辆连续的启动刹车造成能源的浪费，污染了环境，加快车辆部件的磨损速度，带来了诸多交通隐患；
（3）在收费现场进行现金交易，这导致贪污和舞弊现象时不时的发生，造成了资金的流失；
（4）对收费的费率不好调整，对收费方式很难更改；
（5）系统的外延性及兼容性比较差，没有办法为机动车辆的使用者提供方便、快捷的综合收费服务。
ETC系统却能使车辆快速不停车的通过收费站，具有人工收费没法比的优越性：
（1）很大程度的提高了公路的服务水平及通行能力，交通运行也更加地高效与畅通，收费管理更加方便、有效，同时解决了由人工收费引起的交通拥堵现象；
（2）高速公路联网收费变得电子化，降低了收费管理成本的同时提高了车辆的运营效益，也大大降低了收费口因拥堵造成的车辆耽误、工时损失、能源消耗及环境污染等问题；
（3）提高了社会经济效益和管理水平；
（4）由于其自动化程度高，这样减轻了工作人员的劳动强度，也改变了工作环境，节约了大量的人力以及物力，而且容易调整收费费率、能够很简单的更改收费方式，适合于不同的收费方式；
（5）系统外延性、兼容性强；
（6）避免了在现场进行现金交易，也减少了驾驶员携带现金以及事后要进行财务报销带来的麻烦，从根本上杜绝票款流失的漏洞，防止舞弊现象的发生，解决了高速公路收费中出现的财务管理混乱问题，保证公路收费的可靠性以及可控性，提高通行费的征收率。
1.3国内外ETC标准化进展
专用短程通信最初研究起源于80年代的“自动公路通信系统”，希望利用这个无线通信系统可以完成一系列的智能交通系统应用。
后来，对“车辆信息与通信系统”的研究、开发以及产品化又进一步的推动了人类对于专用短程通信的研究。
1995～1996年，政府和私人公司分别加入了电子不停车收费系统的研究，他们开发出来的产品对后来制定的针对ETC应用的DSRC标准起了指导性的作用。
目前，国外的DSRC标准主要有3类：
日本的ARIBSTD—T75，欧洲的ENV12834、ENVl2253、ENVl2795，美国的基于900MHz的DSRC标准。
其余国家的DSRC标准都是参照以上三类标准制定的。
我国参照国外DSRC标准发展的趋势，结合目前国内的ETC现状以及对ITS应用的服务需求分析，积极进行DSRC标准化的深入研究，希望制定既符合我国的实际情况，又兼顾先进性的DSRC标准。
我国在“十五”科技攻关的项目中，把发展DSRC列为重大攻关项目[3]。
1.3.1美国的ETC标准化进展
1992年，ASTM对北美地区的不同ETC技术进行评价，休斯公司提出的DSRC标准被ASTM以ASTMV6草案的形式提交给各部门进行讨论，它的主要内容是：
915MHz、TDMA通信协议以及主动应答器。
但是很不幸，该方案遭到了Amtech、TI、MFS等公司的一致反对，他们建议采用CEN标准作为允许使用915MHz系统的补充。
因为CEN/TC278是欧洲国家多年努力得来的结果，己经进行了很广泛的试验。
至于频率资源的问题，1997年5月19日，美国智能交通协会向联邦通信委员会（FCC）提出将5.850GHz～5.925GHz频段分配给智能运输服务领域并保留915MHz用于近期ETC系统的申请。
1998年6月11日，在美国联邦通信委员会（FCC）的公开会上，5位委员一致投票建议将5.850GHz～5.925GHz（75MHz）频段分配给运输服务领域的短程通信[4]。
1.3.2欧洲的ETC标准化进展
1994年，CEN/TC278第9工作组开始了对于DSRC标准的起草工作，于1995年2月完成ENVl2253“5.8GHzDSRC物理层”和ENVl2795“DSRC数据链路层”草案的编制工作，该草案于1997年7月最终获得各成员国的通过。
ENNl2834“DSRC应用层”标准也于1997年9月获得投票通过。
CEN/TC278DSRC标准的主要特点是：
5.8GHz被动式微波通信、中等通信速率（上行链路速率：
500kbps，下行链路速率：
250kbps），调制方式为ASK和BPSK。
另外，欧洲的Bosch、CGE和Combitech还联合制定了“GlobalSpecificationforDSRC”和“GlobalTollingSystom”厂商的统一标准，为不同电子不停车收费系统的通用性做好了技术上的准备[5]。
1.3.3日本的ETC标准化进展
在日本，推进智能交通系统被政府和企业提高到了很高的程度，这其中就包括了电子不停车收费。
由于技术上的难度和协调问题，一直等到1999年才真正开始实施全国性的ETC网络建设，首先建成的是东京附近的首都圈ETC工程。
在总结了有关的经验之后，从2000年开始了大坂、名古屋等多条高速公路的ETC建设，共计约100多个收费站，400多条ETC车道。
按计划应该于2001年初投入运行，但是由于存在联网调试上的难度，到目前为止仍在进行中。
日本采用的是接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案，车道设双向打开的高速栏杆，无人值守，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的成本都很高，与我国的公众消费水平有很大的差距，道路运营公司难以接受。
1..3.4中国的ETC标准化进展
1996年10月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就ETC收费系统进行了中日技术交流和现场演示会，参加会议的各省交通厅及公路管理部门的领导和专家都对此项技术表示了很大兴趣。
1996年底，首都高速公路发展公司与美国Amtech公司在首都机场高速公路进行了不停车收费试验。
到1998年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国T1公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南海等地建立了20多条不停车收费车道并且投入使用。
但是该系统工作在915MHz频段，而该频段在我们国家已经分配给了移动通信使用，并且与我国即将采用的5.8GHz标准不符。
综上所述，尽管国外的电子不停车收费系统运行很成功，而且也具有一定特色，但是有些技术特点和运营方法能否适合我国，需要结合我国道路使用者的行为特点进行深入评估分析。
以车道部分为例：
有专用车道和混合车道，有收费员值班管理和无人值班管理，有设高速栏杆和不设栏杆，有低速通行模式和高速通行模式。
从违章逃费行为的处理看：
有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。
如果ETC运营模式不能够很好地提供不停车快速通行的服务，不能减少收费的值班人员，那么将没办法体现出其明显的吸引力，推广应用的前景也将无疑受到影响[7]。
第2章电子不停车收费系统（ETC）
2.1ETC系统的总体构成
一个完整的电子不停车收费系统一定是由联网收费中心、ETC收费站系统、ETC收费车道系统及电子标签销售充值点（POS）组成的。
电子不停车系统是由微波（或红外或射频）技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息技术、传感技术以及图象识别技术等高新技术的设备和软件（包括管理）所组成的先进系统，实现车辆不需要停车就能够自动收取此车本次道路通行费用。
目前，大多数ETC系统都是采用微波技术。
ETC系统的总体结构如图2.1所示[8]：
图2.1ETC系统总体构成图
各个组成部分的具体功能如下：
联网收费中心：
负责数据的收集、发送及审核、通行费拆帐、专用车道状态查询、报表查询与打印、数据库检索、图像查询、数据备份与恢复、网管等。
ETC收费站系统：
负责非现金收费车道和收费结算中心的数据交换，对非现金收费车道的收费情况进行实时监视、对收费数据进行审核、对收费情况进行的事后图像审核和稽查等。
收费站内非现金收费数据的维护、统计、检索和打印，它是收费站ETC和MTC数据的融合，提供收费站内各类参数的查询。
ETC收费车道系统：
收费车道有ETC专用车道和MTC车道，MTC车道系统是建立在原来的收费车道基础上，因此具有非现金和现金收费的双重功能。
ETC车道系统是ETC系统的基本工作单元，ETC收费车道系统具有独立工作的能力，是其重要的组成部分，它负责完成与车载电子标签OBU的数据交换、费用扣除、统一控制车道外围设备、使合法用户不停车通过。
电子标签销售充值点（POS）：
负责完成电子标签的发行、用户信息初始化、充值、挂失等业务，给客户提供完整的服务。
2.2ETC系统的工作原理
ETC系统是通过安装在车辆挡风玻璃上的车载单元（OBU）和安装在收费站车道上路侧单元（RSU）通过天线进行无线通信和信息交换的。
主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他的一些辅助设施等组成。
其中，车辆自动识别系统由车载单元、路侧单元、环路感应器等组成。
OBU中存有每个车辆的识别信息，一般都是安装在车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装在收费站的旁边，环路感应器安装在车道的地面下面。
中心管理系统中有大型的数据库，存储着大量的注册车辆和每个用户的信息。
当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，由RSU发出询问信号，OBU做出响应，并进行双向通信和数据交换；中心管理系统获取车辆识别信息，如车辆的ID号、车型等信息，然后和数据库中相应的信息进行比较判断，根据不同的情况控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从此车的预付款项账户中扣除此次应该交的过路费，或者发送出指令给其它的辅助设施（如：
违章车辆摄像系统、自动控制栏杆或其它障碍、交通显示设备（红、黄、绿灯等设备）指示车辆行驶）工作。
2.3ETC车道系统结构
根据电子不停车收费车道系统的功能，ETC车道系统分为以下两部分：
ETC入口车道收费、ETC出口车道收费。
入口和出口车道收费在结构上是一模一样的，在这里我们将一起介绍：
电子不停车收费车道系统主要由以下这些设备组成：
车道控制机、路侧单元、RSU控制器、雨棚信号灯、车辆检测器、黄闪报警器、费额显示器、车道通行信号灯、车道摄像机、自动栏杆机、VDM字符叠加器、车牌识别器等。
DSRC协议在路侧单元RSU与车载单元OUB之间工作，为整个电子不停车收费系统的运行提供最基本的技术支持。
ETC车道系统的结构如图2.2所示：
图2.2ETC车道系统结构
ETC车道系统利用安装在收费亭龙门架上的路侧单元（Road-SideUnits，简称RSU）与车载单元（On-BoardUnits，简称OBU），通过专用短程通信协议（DedicatedShortRangeCommunication，简称DSRC）相互进行信息交换，而路侧单元RSU与车道控制机间则通过RSU控制器实现信息的交换。
RSU控制器、费额显示器及字符叠加器都是通过RS232串行电缆线直接连接到车道控制机上，由车道计算机对其直接控制；其它亭外的设备如自动栏杆机、车道通行信号灯、雨棚信号灯、摄像机以及车辆检测器等都通过是PCL-725卡与车道控制机进行连接，这些设备的变化有两种状态，采用开关量进行状态变化的控制。
下面介绍各硬件设备[7]：
（1）车道控制机
在ETC系统中，车道控制机作为路边设备（RSU）的组成部分，其作用至关重要。
车辆进入到感应区之后，车道控制机的硬件系统需要对车辆进行车号抓拍并且激活车载设备（OBU）与之通信。
当RSU端的天线控制器接收到来自OBU发送的VST数据时，将其转发给车道控制机的软件中心，车道控制机的软件中心通过对VST数据包的解析，才能正确执行对车辆的合法判断、金额扣款以及放行或者人工处理等智能管理。
（2）PCL-725I/O控制卡
PCL-725是一种带隔离的数字量输入/输出卡。
本卡提供8个机电式SPDT继电器输入以及8路带光电隔离的数字量输出。
每个继电器都是带有一个红色的LED指示灯来显示继电器的开/关状态以便检测它的输入通道带有光电隔离，它拥有抗噪声能力和在有漂移电压的情况下正常工作的功能。
（3）车辆检测线圈
车辆检测线圈总共有如下三个：
触发线圈、抓拍线圈以及过车线圈。
车辆检测线圈连接到车辆检测器上，当有车辆通过的时候，检测线圈的周围有电感变化，车辆检测器发送电平信号使安装在车道控制机内的PCL-725卡中的某一个输入通道电路的信号发生变化，表明有车辆经过。
当车辆通过以后，PCL-725卡的这一通道的电路信号恢复到之前状态，表示没有车辆。
通过这一特性能帮助车道控制机打开路侧单元RSU、统计车辆交易数量、车辆图像抓拍触发以及电动栏杆机的联动等。
（4）费额显示器
显示消费金额及车号等信息。
（5）电动栏杆机
电动栏杆机安装于每个收费车道的在收费亭的通行入口和出口处，通行入口处栏杆的作用是让车辆能够有秩序地进入到收费区，当收费工作完成之后，由车道计算机发出信号给电动栏杆机，此时抬起通行出口的栏杆机，对车辆放行。
（6）字符叠加器（VDM）
字符叠加器的主要作用是把相关收费信息同步叠加之车道视频的某一指定位置。
以便于日后对车道的过车记录图片进行核查。
使用视频采集卡的目的是对采集到的视频图像进行压缩处理，并能够以文件的形式把图片保存到车道控制机中。
（8）抓拍摄像机及车牌识别器（VPR）
抓拍摄像机及车牌识别器的主要作用是随时抓拍停车缴费车辆的图像且识别、提取此车的车牌号。
抓拍摄像机也拥有实时监控的作用。
抓拍摄像机和车牌识别器的工作由车辆检测线圈来触发。
车牌识别单元通过串口来传递以经识别了的结果。
（9）通行灯及雨棚灯
通行灯在车道通行出口的旁边，仅有红色和绿色这两种颜色，它的作用是指示车辆驾驶员此刻能否驶离收费作业区。
雨棚灯安装在每一个车道上方的雨棚上面，在正对车流行驶方向的雨棚上有红、绿色信号灯一组来表示当前车道是否可以进行通行以及收费。
（10）黄闪报警器
黄闪报警器位于ETC收费显示器的上端，由车道控制机通过外设控制器来控制，它的作用是提醒收费站注意有违章情况的发生。
外围设备的控制应用均由车道控制机完成。
2.4ETC专用车道系统操作流程
2.4.1ETC出口专用车道系统操作流程
（1）车道系统通过检测车辆的到来和离开对车辆进行计数。
系统结合车检线圈信号与天线信号，判断来车是否有电子标签；
（2）车道系统根据天线返回的电子标签信息，判断车辆的电子标签是有效的还是无效的，如果是无效的，则报警并在ETC收费显示器显示如下提示信息：
“无效电子标签，请转右边人工车道”，自动栏杆此时处于关闭的状态，声光报警器报警直至车辆离开检测线圈；
（3）如果车辆的电子标签是有效的，那么将继续判别电子标签内的车牌号和发行商与CPU卡内已存的车牌号和发行商是否是一致的；如果车牌不一致或发行商不一致，费额显示器都报警，并且显示提示信息“电子标签与卡绑定失败请转其他车道”，自动栏杆处于关闭的状态，声光报警器报警直至车辆离开检查线圈；
（4）如果车辆电子标签有效，且电子标签内的车牌和发行商与CPU卡内的车牌和发行商都一致，则读取电子标签中的入口信息、车型信息、标识站，通过查费率表，计算本次通行费金额，从ETC专用卡的电子钱包进行扣款。
电子标签蜂鸣器提示本次交易成功，车道系统控制自动栏杆抬起，费额显示器显示“车牌XXXXX费额XXXX余额XXXX元”；
（5）如果是省界出口计算机系统将相邻省份的入口信息写入ETC专用卡中，并将相关信息通过串口发送给相邻省份的车道计算机；
（6）如果车道系统判断ETC专用卡在灰名单中，则车道读取CPU卡上最新10条历史数据，保存在车道数据库中，并上传到收费站服务器；
（7）车辆通过落杆线圈之后，自动栏杆落下回到之前状态；
（8）车道识别设备自动对车辆进行抓拍并保存图片，将识别结果发送给车道系统。
车道系统将识别结果与车辆匹配，并将匹配结果保存到ETC记录中；
（9）计算机系统保存本次的ETC出口记录，将其上传到收费站的服务器中，等待下一车辆的进入。
2.4.2ETC非合建入口专用车道系统操作流程
（1）车道系统通过检测车辆的到来和离开对车辆进行计数。
系统结合车检线圈信号与天线信号，判断来车是否有电子标签；
（2）车道系统根据天线返回的电子标签信息，判别车辆的电子标签是有效的还是无效的，如果是无效的，则报警并在ETC收费显示器显示提示信息“无效电子标签，请转右边人工车道”，自动栏杆此时处于关闭的状态，声光报警器报警直到车辆离开检测线圈；
（3）如果车辆的电子标签是有效的，那么将继续判别电子标签内的车牌号和发行商与CPU卡内已存的车牌号和发行商是否是一致的；如果车牌不一致或发行商不
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