基于GPRS的高速公路智能收费系统设计.docx
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基于GPRS的高速公路智能收费系统设计
高速公路监控系统设计与应用
专业软件工程
研究生任真
指导教师
所在学院天津大学软件学院
2011年11月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：
任真签字日期：
2011年11月13日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：
任真导师签名：
签字日期：
2011年月日签字日期：
2011年月日
中文摘要：
以AT89S8252为核心，结合nRF2401和GR47设计一套高速公路智能收费系统。
采用无线通信方式，实现车辆与收费站之间收费的无人化操作；收费信息借助GPRS网络传输到网络银行，再进行相应的代收费。
GPRS模块和GPRS网络的应用，增强系统的可靠性、收费的便捷性，降低成本。
系统给智能收费系统的实现提供新方案，具有良好的市场前景。
英文摘要：
ItdesignsasetofintelligenttollingsystemforexpresswaywhichusesAT89S8252ascorecombiningnRF2401andGR47.Unmannedoperationisrealizedbetweenautomobileandtollingstationbywirelesscommunication.ThetolliscompletedaccordingtollinginformationwhichwastransmittedtoNetBankbytheexistingGPRSnetwork.Itenhancesreliabilityandconvenienceofsystem,bytheapplicationofGPRSmoduleandGPRSnetwork.Atthesametime,thecostofsystemisreduced.Systemprovidesanewschemeforth...
目录：
第一章绪论
1.1高速公路发展现状
1.2高速公路收费系统发展现状
1.3高速公路收费系统的发展前景
1.4课题的提出背景
1.5论文的组织结构
第二章系统设计
2.1系统框图和原理
2.2系统硬件
2.2．1微处理器模块
2.2．2无线模块
2.2．3液晶显示模块
2.2．4GPRS模块
2.3系统软件
第三章结束语
参考文献
致谢
第一章高速公路发展现状
1.1我国高速公路发展现状
1988年我国第一条高速公路上海至嘉定高速公路的建成通车，实现了我国大陆高速公路零的突破之后，我国的高速公路建设步入了加速发展的快车道。
2008年，总规模3.5万公里的“五纵七横”国道主干线系统全面建成，标志着我国高速公路网骨架的基本形成。
到2010年底，全国高速公路由“十五”期末的4.1万公里发展到7.4万公里，新增3.3万公里。
整个“十一五”阶段，全社会高速公路建设累计投资达2万亿元，是我国公路交通发展速度最快、发展质量最好、服务水平提升最为显著的时期。
从总量上看，我国高速公路已经得到了飞跃式发展，基本能够满足经济和生活的需求；从面积密度来看，东部等发达地区并不亚于美国等发达国家，甚至还超过了发达国家水平。
目前我国各地区高速公路建设情况同其经济发达情况大体保持一致。
经济发达的地区，高速公路面积密度比较大；经济较落后的地区，高速公路面积密度也相对滞后。
这一局面的形成主要同我国之前推行的优先发展发达地区交通基础建设的战略规划有很大关系。
从我国高速公路规划布局情况来看，高速公路发展将参考经济发展状况的同时，兼顾区域间的均衡化发展。
这将有助于减小和改善东西部地区高速公路建设的巨大差距和区域协调发展。
“十二五”期间我国交通运输仍处于大建设、大发展的关键时期。
2011年5月26日，交通运输部正式发布了《交通运输“十二五”发展规划》。
到“十二五”末，我国国家高速公路网将基本建成，高速公路总里程达到10.8万公里，届时将覆盖90%以上的20万以上城镇人口城市。
1.2陕西高速公路发展现状
“十一五”以来，陕西省交通运输系统以建设西部强省、富裕三秦百姓为目标，实现了全行业超常规、跨越式、大规模发展。
截止2010年底，全省公路总里程达到14.7万公里，路网密度71.7公里/百平方公里。
特别是建成秦岭终南山公路特长隧道、西汉高速公路、机场专用高速公路等一批在国内外具有重大影响力的项目，充分展现了陕西交通发展新形象。
同时，陕西省还在全国率先签订部省共建协议，制定“群众打底子、政府铺面子”等系列惠民政策，掀起交通运输行业建设的新高潮。
“十二五”陕西将建立更加全面、高效的交通运输运行监测网络，进一步提升交通运输信息资源的深度开发与综合利用水平，通运输系统全网联动、协同应用程度进一步提高，在保障畅通运行方面取得显著实效，在提升运行效率、服务公众出行方面取得明显突破，在规范市场秩序、强化安全应急、服务决策支持方面全面提升，在推进综合运输体系建设、发展现代物流、实现低碳绿色交通方面取得重大进展，为现代交通运输业发展提供坚强支撑与保障，是“十二五”公路水路交通运输信息化发展总体目标。
陕西省位于中国的空间地理中心，周边与七省相接，是我国连通东西、贯穿南北的重要交通枢纽，目前拥有高速公路3400公里，已经形成了省域范围的高速公路网。
“十二五”时期，陕西省交通运输系统将紧扣“科学发展、富民强省”主题，以打造全国交通枢纽和西部交通强省为目标，以“构建大交通、完善大路网、强化大枢纽、发展大物流”为方向，继续加快公路建设，大力加强道路运输，主要实施高速公路网化、干线公路升等、农村公路惠民、运输服务强化、应急保障提升等五项工程，力争到2015年基本实现县县通高速公路，全面实现县县通二级以上公路，路网总规模提高到16万公里，路网密度增加78公里/百平方公里。
第二章高速公路监控系统
高速公路监控内容主要包括高速公路、收费站两个部分。
监控系统的应用部门包括高速公路管理处、分公司、省交通厅等各个领域。
2.1高速公路路远地偏，如何组建安全可靠的监控系统？
高速公路都修建在城市与城市之间，空间跨度大，室外环境恶劣，维护成本高。
在设计监控系统的时候应该选用技术成熟，工作稳定的设备。
应采用光端机加硬盘录像机的实现模式。
在高速公路的延长线上，铺设光纤，传输视频和反向控制信号。
光纤的传输距离远，信号衰减小，价格又便宜，适合于远距离传输。
一旦铺设完成，可常年使用，可有效降低维护成本。
在前端采用高速球云台对来往车辆进行监控，球云台内置温控调节系统，可以在更大的温度范围内正常工作。
而在监控中心可以通过接收光端机将视频信号还原出来输入给硬盘录像机，这套系统均采用成熟可靠的设备实现。
2.2收费站位置分散，如何实现集中的监控管理？
作为高速公路的末端收费站的监控，在设计上和高速公路则截然不同。
它的位置相当分散，如何将这么多分散在各地区的收费站集中起来监控是个难题。
高速公路专用监控系统设计利用各个收费站的网络资源实现分布式的网络监控。
目前每个收费站都有2M的专线接入，用于公路计费信息管理等。
系统设计在每个收费站安装一台网络或网络视频服务器，直接将网络信号接入即可。
在监控中心安装一台综合业务管理系统实现收费站的统一集中式监控。
2.3如何解决众多用户对大量设备的管理问题？
在这样一个大型的监控系统中，管理机构和管理人员众多，同时监控资源也非常丰富，如何让每一个用户都可以恰当的管理每一个监控设备，对于一套系统的正常运行至关重要。
天地伟业高速公路专用监控系统采用了分组的概念，将众多用户分成了用户组，将众多设备分成了设备组。
这样一个大的系统就被分解成了若干个小的系统。
同时对用户组和设备组之间作权限的映射管理。
包括视频浏览的权限、控制的权限、管理的权限等等。
在设置权限的时候采取谁管理谁负责的原则，并对同样具有管理的人设置权限的级别，这样就可以保证不会出现没人管理或交叉管理的问题。
2.4如何快速定位事故，做到快速出警？
高速公路系统中地理位置分布广泛，事故发生具有不确定性。
收费站地处城市郊区，抢劫、冲关事件也时有发生，如何快速定位事故，快速出警。
系统中应设计电子地图双屏显示功能，同时显示现场实时的视频和电子地图画面，并可以在地图上用不同的颜色区分出当前的设备状态。
当有报警的时候，可以自动地将报警点所在的视频切换到主显示区。
主机收到报警信号后，可以用不同语音提示当前的报警状态，也可以自动地给责任人发送报警短信。
2.5系统如何按照多级结构进行设计？
省、市、地区多级，适合于组建大型监控网络。
同时各个子系统又可以独立运行，不依赖于其他部分。
在高速公路部分采用数字化监控模式，通过光纤将视频信号汇集到高速公路监控系统主机。
在收费站部分采用网络化传输模式，通过原有的网络资源，汇集到综合业务管理系统主机，实现统一管理。
同时上级机构也可以利用交通专网实现远程监控，组建多级监控系统。
第三章陕西高速公路监控系统
省内交通运输行业的蓬勃发展以及高速路网的建设不断加快，行业面临的监管局面也更加复杂和艰巨，需要借助信息化手段加以推进。
为提高高速公路的服务与管理水平，服务于社会经济发展，陕西省交通厅启动了“陕西高速公路网综合监控系统（一期工程）”项目，该项目于2010年7月建成并投入试运营，覆盖了以西安为中心共878公里的高速公路，在2011年春运和第41届世界园艺博览会期间发挥了重要的交通保畅作用，取得了良好的管理效果。
系统采用SuperMapGIS平台作为业务应用的基本支撑，具有五个主要特点：
3.1设备驱动库，支持各类设备、各型设备的动态扩充
系统兼容十余个主流厂家的H.264编解码器设备（如北京蛙视、海康威视、数码视讯、亚邦伟业、中兴智能、AB、武汉微创、金三立、浙江大华、华三等），兼容主流的光平台及视频矩阵控制功能（如杭州中威、北京蛙视、英飞拓、AB等），兼容主流云台控制协议（Pelco-D/Pelco-P/YAAN/SAMSUNG等）。
系统兼容同鑫、同洲、优创、三思、元亨等多个厂家的情报板，兼容Advantech、中控、SmartSensor等主流车辆检测器设备。
如下为在地图上显示所有路段上车检器、情报板和摄像机等设备的界面，点击摄像机图标可以直接查看视频图像：
3.2兼顾具体与抽象、局部与整体、微观与宏观的大跨度信息汇集
系统将全省所有路段的设备配置信息以及设备采集到信息汇集到一起，可以展示原始采集数据以及经过加工后得到的数据，为管理人员提供从局部到全局的决策信息。
如下为交通状态显示界面，将车检器采集到的交通状态转换为在地图中以图形表达的形式，不同颜色代表不同的状态：
3.3形成采集、处理、分析、控制的完全闭环控制系统
省监控中心系统不但能采集到各路段监控中心的监控数据，而且也可以在所得数据基础上根据管理需要下发各种交通控制信息，如向情报板发布信息。
如下为情报板信息发布后的监视界面：
3.4路段中心、路网中心应急处置的协调联动
路段上发生紧急事件后，通过系统可以立即将事件信息上报至省中心，便于省中心在路网中做好应急救援的协调调度工作并进行适当的诱导，防止车辆继续进入事发路段。
3.5交通参数的专题分析工具以及决策支持
系统在运行过程中积累了大量的交通监控的历史数据，在这些历史数据的基础上，采用智能算法实现了交通预测、时间最短路径查询以及事件影响分析等高级功能。
下面为交通预测、时间最短路径查询和事件影响分析三个功能与历史数据库之间的结构示意图：
时间最短路径查询功能主要为12122高速公路报警救援呼叫热线坐席员所使用，供其在路网中查询从出发地点到目的地点用时最短的一条路线，为司乘人员提供路径咨询服务，有效提高了服务水平。
如下为系统截图：
路网事件影响分析功能主要为路政管理人员和路网管理人员所使用，便于分析事件对路网所产生的影响，可分析出随着时间的推移受到事件影响的路段范围，为交通控制管理、事件处理以及指挥调度起到有效的决策支持作用。
如下为系统截图：
第四章监控系统设计存在的主要问题
4.1设计市场与队伍
设计单位的扩展与整个行业人员培养的不同步，导致一些单位虽取得了设计资质，可设计力量差别非常大，有些刚组建的单位仅有个别人员参加过设计，有的设计单位甚至都没有人员做过具体的设计，仅靠聘用退休的或具有丰富设计经验的专家来指导，以求达到提高设计水平，作好设计文件。
笔者去年曾经与某设计单位人员交流，得知其在完全不懂的情况下，居然照猫画虎的把设计搞完，这样的设计质量可想而知。
4.2设计水平与审查
监控系统设计是一个比较复杂、涉及内容比较多的专业，要设计好一个项目的监控系统必须详细分析其主体线型、构造物、自然地理条件、人文、气候特点、交通量发展、路网状况等等。
而目前设计照搬照抄现象还是比较严重，甚至出现只要知道项目长度、互通位置，不需要任何主体资料，就可以完成一个项目的设计，完全没有针对性；另外，监控系统应用软件的功能设计也是目前普遍存在的问题。
设计审查对提高设计质量有非常重要的作用，一般分为内部审查和外部审查。
内部审查由设计单位内部人员审核完成，外部审查由业主组织专家或委托咨询单位进行。
但目前各级审查情况也不容乐观。
一些设计单位由于设计任务比较饱满，无暇顾及，审查也只是签字画押而已；某些业主组织的专家审查由于专家成员的构成、审查时间等问题，审查质量和效果也不是非常好，甚至有的成为走过场。
目前很多省份的主管领导已意识到审查的重要性，正积极采取措施解决。
4.3系统施工与验收
设计完成后，项目实施的好坏与施工单位的选择非常重要，目前国内的机电施工单位大都经验比较丰富，对于设备安装、综合布线、土建施工等都没有什么问题，但目前主要问题集中在监控软件的编制以及数据通信方面。
根据笔者了解的情况，很多项目的现场采集设备能准确采集到信息，但通过协议转换、通信传输以及数据统计后，数据失真非常严重；另外，监控系统应用软件处理深度非常欠缺，即使外场数据能准确采集到数据库中，但应用软件只能完成基本的数据统计，还无法完成自动处理、自动控制等最急需的功能。
自2005年1月1日开始，交通部发布了机电工程质量检验评定标准，使得项目验收有章可寻，弥补以前机电工程验收有问题相互推卸责任，甚至走形式的做法。
但是目前的验收标准针对应用软件的验收仍然不十分完善。
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4.4运营管理与维护
一个项目的监控系统设计和施工得再好，如果运营管理不佳，监控系统也起不到大多作用，很可能成了摆设，可见运营管理对监控系统非常重要，设计和施工也是围绕运营管理服务。
一些交通量不大、事故较少的路段，对运营管理的要求可能还不很突出，但是对于交通非常大、事故频发的路段，如广深、沪杭涌、沪宁等高速公路对运营管理的要求就非常高。
目前，我国高速公路监控系统的运营管理水平除个别建设较早或重视高的项目外，普遍水平不高，其原因除缺乏专业人才外，不重视也是一个方面。
系统维护的问题目前也比较突出，除维护人才缺乏外，维护成本也是一个主要原因。
据调查，一些项目由于交通量小，甚至出现除个别外场摄像机可使用外，其它基本都瘫痪的情况。
4.5应急救援与诱导
事故固然可怕，但在事故发生后，如果没有相应合理的应急救援预案以及诱导方案实施，那后果更可怕。
众所周知的原因，国内正在积极投入高速公路的建设当中，各科研设计单位对设计、施工当中的课题投入的精力本来就有限，而对于后期运营应急救援关心就更少了，即使一些管理单位在实际运营管理中形成了一些应急救援方案，但是否合理、是否可推广使用并没有机构在做调查、分析、确认、推广应用的工作。
第五章监控系统发展趋势
5.1联网监控、大势所趋
目前，我国绝大部分省份高速公路已形成路网，单独路段的异常事件影响的范围越来越广，必然要求相临路段之间能互通协调，这就带来了联网的需求，联网主要包括数据和视频两部分。
到现在为止，全国约13个省建立了联网监控中心，基本实现了监控系统联网。
在未来2-3年的时间里，全国大部分省都将实现省内监控系统联网，全国监控系统联网目前也在进行当中。
技术上要实现联网监控，已没有难点，很多已实现的省份积累了丰富的经验，但目前主要问题还是集中在管理体制上。
5.2信息化建设、迫在眉睫
“十一五”期间，国家印发了《2006-2020年国家信息化发展战略》，对交通信息化建设提出了更高的要求，交通部根据发展战略确定了交通信息化发展方向，并开展实施示范工程，为信息化建设积累了丰富经验。
在“十一五”期间，交通信息化建设是整个交通行业的工作重点，而监控系统的信息化建设正是高速公路信息化建设的一部分，主要包括完善信息采集、整合数据资源、实现公众出行信息服务系统、办公自动化系统、地理信息系统、综合应急指挥调度平台、呼叫中心、网络安全等等。
5.3运营管理及应急救援预案
根据国家宏观政策，今后几年高速公路建设将急剧减少，2007年预计只有20个新项目、2008年及以后每年可能只有几个新项目。
高速公路以后的工作重点将由建设转入运营管理，特别是交通量增长迅速，交通异常事件常发或影响到车辆通行、收费的道路，提高运营管理水平是主要的解决办法。
第六章电力监控系统的设计
高速公路电力系统运行的稳定是高速公路通信系统、收费系统、监控系统正常运行的重要因素，为了解决收费站配电房采用电工值守维护管理模式效率低、成本高的问题，通过论证和比较，电力监控模块和应用软件，组成了电力遥测、遥信、遥控的自动监控系统。
6.1系统的体系结构
高速公路电力监控系统采用分层分布式系统结构，整个监控系统按照功能划分为站控层网络和间隔层网络，采用10/100BASE-T以太网组成骨干网，以充分保证系统通信时的实时性和抗干扰性。
其结构示意图如下图所示。
高速公路电力监控系统体系结构示意图
其中RTU为远程智能通信控制器，RTU各单元之间采用现场总线组成底层通信网络。
由于采用了现场总线组网，使得网络具备了数据传输效率高、传输速率快。
即使某个智能测控节点出现故障也不会影响整个网络的正常运行。
现场数据采集和控制设备为ICU，电流变送器、电压变送器等传感器信号送至ICU。
由于ICU单元自带CPU，信号采集周期短、实时性强、系统冗余度高，通信时为短祯传送，减少了通信时的误码率。
ICU通过智能通信控制器RTU相连，实现数据的双向传送。
站控层网络主要通过通信管理主机与远程监控中心相连，实现数据的远程交换。
6.2系统主要硬件设备及其功能
按照硬件设备成熟可靠,软件技术先进的原则,在实际运用中采用GED25多功能智能装置作为监控系统通信管理机，GEMIF微机保护测控装置作为10kV间隔保护装置，GEPLC实现低压系统三遥功能，提供一整套高速公路变电站监控系统解决方案。
6.2.1监控系统通信管理机
监控系统中通信管理机的是采用GE公司的生产的D25多功能智能设备。
D25采用了高速、低功耗、低噪音、高可靠性、超大规模CMOS控制器件和可编程阵列技术，具有更高的灵活性，并减少了逻辑线路。
D25采用了标准的开放式的软件平台。
从整个系统性能和功能来看，配置D25是优于使用工控机作为通信管理机的系统方案。
D25还具有GE公司最新研制开发出来的智能交流I/O单元，它综合了全世界不同厂家I/O单元的特点，以及GE公司生产的设备自身设备的优点。
在与保护设备通讯，就地操作闭锁，数据采集控制上都有独特之处，其中CPU采用32位Motorola68360，而且还有专门的数字信号处理器DSP芯片，交流信号每个周波采样为64次，精度为0.2%，并可测量最高21次的谐波。
D25另外还有两个IED通信口，可直接同其他IED设备接口，完成对其他IED设备I/O数据采集和控制功能。
D25具有测量、状态监视、控制和通讯等功能集于一身的装置。
D25作为一个智能测控装置已被用作开关站、发电厂站间隔层测控及配电网的通信管理测控单元。
D25能适用各种分离的输入点，如状态/数字量输入，SOE，脉冲累加器，AC或DC模拟量输入以及控制/数字量输出，通讯灵活，具有两个RS232串行口，和两个以太网LAN（DNP/UDP/IP）通讯接口，两个同其他IED的通信接口。
D25装置可支持直接上网功能，这样就很好地解决了变电站监控系统前端数据采集量大，当通过串行口与后台机通讯时，因数据量大，通信任务重，实时性差等缺点。
D25直接上网的传送速率已达到了10MB/s，从而可靠地保证本系统实时性能。
6.2.210kV间隔层保护测控装置
10kV间隔层进线、变压器配置的GEMIF数字型间隔管理装置，提供10kV各间隔所需的保护、测控及通信功能。
在与监控系统通信方面，采用现场总线网络方式，通过网络适配器经光纤接入站控层网络。
MIF是M系列的一种基于微处理器的保护继电器。
用于任何电压等级配电网络馈电线路的主保护，也可以作为变压器、发电机和电动机的后备或辅助保护。
基本保护功能包括三相延时过流，相瞬时过流，接地延时过流，接地瞬时过流和模拟发热保护。
每个保护元件可以通过面板或通讯选择为enabled（可用）。
灵活的整定，可选的ANSI或IEC曲线，再加上用户可配置的过流曲线，保证了与其他智能设备的精确配合。
6.2.3低压部分测控系统配置
在低压配电系统中，我们采用美国GEFanucPLC集成的LCU自动化系统，实现低压系统遥控、遥信和遥测功能。
根据低压测控系统三遥功能要求，配电柜的每个回路要进行测控的情况如下：
每个回路的单相或三相电流，每个回路的4个遥信、2个遥控。
这样，GEPLC相应灵活地可以配置模拟量输入模块、开关量输入模块及开关量输出模块，实现高速公路配电站的具体要求。
6.3系统设计的功能模块的划分
在电力系统中，控制系统有如下功能：
数据的采集、信息显示、监控、报警处理、信息数据报表和数据的处理计算。
通过将系统功能模块进行划分，使得各个模块之间相互独立，以提高系统的可靠性。
6.3.1数据采集
数据采集过程其实是一些专用及高度相关子过程的过程集。
这些子过程为:
（1）对RTU内部数据库的查询及快速修改;
（2）通信管理主机周期性地对RTU进行查询;
（3）把控制中心所需的RTU数据传送给控制中心;
（4）校核因传送所引起的数据错误;
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