ETC不停车收费系统解决方案.docx
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ETC不停车收费系统解决方案
ETC不停车收费系统
解决方案
第1章ETC不停车收费系统总述
1.1需求概述
1.1.1应用场景描述
随着国民经济快速发展，我国综合国力不断增强，交通基础建设大为改善，尤其以高速公路为主骨架的覆盖全国范围的高等级公路网络正在逐步形成。
截至到2005年底，我国高速公路里程己达4.1万公里，为交通事业跨越式发展奠定了坚实的基础，在某种程度上缓解了交通在经济建设中的瓶颈制约作用。
但是，随着经济的持续快速增长，路网通过能力日益满足不了交通量增长的需要，交通拥挤，阻塞现象日趋严重，交通污染和事故越来越引起社会普遍的关注，交通问题仍十分突出。
如广佛高速路，自建成通车后的6年间，交通量增加了5倍，原来的四车道己经饱和、正准备扩展为六车道。
然而，持续不断的交通增长需求显然不能由无止境的车道扩展来满足。
国内外实践经验证明，一个国家当交通发展到一定程度，再单纯依靠修建道路设施来解决交通拥挤问题，不仅受投资等诸多条件的制约，而且效果也是有限的。
如何实现各类车辆的有效指挥、协调控制和管理已经成为交通运输和安全管理部门面临的一个重要问题。
经过长期和广泛的研究，各发达国家已从主要依靠修建更多的公路，扩大路网规模来解决不断增长的交通需求，转移到用高技术来改造现有公路运输系统及管理体系，从而达到大幅度提高路网通行能力和服务质量的目的。
日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同所面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模进行公路交通运输智能化的研究实验。
起初，称为智能车辆公路系统（IntelligentVehicle-HighwaySystemsIVHS），进行公路功能和车辆智能化的研究。
随着研究的不断深入，系统功能扩展到公路交通运输的全过程及其有关服务部门，发展成为带动整个公路交通运输现代化的智能交通系统（IntelligentTransportationSystemITS）。
ETC特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。
实施不停车收费，一方面，可以允许车辆高速通过（几十公里以至一百多公里），与传统的人工收费8秒出票相比较，不停车收费大大加快了高速公路收费道口的通行能力，据测算，较人工收费道口，ETC车道通行能力将提高4~6倍，可减少车辆在收费口因交费、找零等动作而引起的排队等候。
另一方面，也使公路收费走向电子化，可降低车辆管理的成本，有利于提高车辆的营运效益，同时也大幅度降低收费口的噪声水平和废气排放，并可以杜绝少数不法的收费员贪污路费、减少国家损失，与原来的人工收费和人工电脑收费方式相比，实行不停车收费后具有明显优势，不仅极大的改善了路上密集车辆所造成的环境污染，减少车辆阻塞现象，行车更加安全，更为主要的是将大大提高过路桥收费效率。
1.1.2ETC系统建设的优势
ETC技术特别适用于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用，传统的采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统：
在无车道隔离的分车道交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。
实施不停车收费将彻底改变目前半自动收费过程中的弊端。
由于不需要停车交费，当交通量较大时，不会产生收费站前车辆排队等候的现象，减少了车辆延误；由于无需人工参与和无现金交易，可完全避免收费过程中的舞弊和贪污现象；同时也能解决由于交通堵塞而引起的能源消耗和环境污染等问题。
电子收费系统在国外被广泛地应用于开放式的收费站，国内目前部分省市的高速公路已有所实施。
电子收费系统代表当今最先进的收费技术，也是未来发展的方向，有着广阔的发展前景。
（1）实施ETC系统可以提升高速形象
ETC系统实现了不停车收费，解决了因人工停车收费造成的排队塞车现象；用户得到更快的通关速度和全新的收费体验，恢复了高速公路本应具有的高速、快捷形象，降低了政府和公路部门的压力。
（2）ETC不停车收费相较于MTC收费系统使得交通更加安全
收费站的设置在相当程度上影响了交通安全，在收费区常出现交通事故主要有追尾、侧撞、撞物等类型。
引起追尾事故的主要原因是车辆行驶速度过快，驾驶判断失误至使预留的刹车距离不足撞收费站前的排队车辆；驾驶员为寻求空闲的收费车道、最小的排队长度或选择一个特定的收费方式而变换车道是侧撞事故的起因；收费站的设置给驾驶操作增加了难度，因为操作不当撞上收费亭等固定物。
影响收费区交通安全的主要因素有：
收费车道收费型式配置、车辆加速度、通过速度、车道数及跨车道车流量。
ETC系统的实施使得这些因素发生变化，收费区的交通安全状况也将随之变化，ETC系统对交通安全的影响主要体现在如下几个方面：
①ETC车辆加速度及通过速度的发生变化，追尾事故数相应减少；
②在ETC专用车道上驾驶员操作相对简化，使撞物的可能性减小。
（3）ETC可以节省投资运营成本
在收费运营方面人工收费系统存在如下弊端：
①收费营运效率低：
据交通部及一些公路主管部门的有关资料统计，目前公路收费的总额只占应收总额的70%左右，有相当一部分流失，给国家和公路经营管理单位造成了极大损失；
②人工收费需要更多的人力付出及运营管理费用。
③为了提高收费站的通行能力，使其能承受路段的车流量，收费车道往往多于路段的车道数，不仅要投入更多的成本，还要占用更多的土地资源。
实施了ETC系统后，投资成本及运营费用将发生相应变化，运营效率也将得到提高，主要表现为：
①收费效率的提高：
现代化的技术使收费运营管理进一步规范化，可以允许车辆高速通过（几十公里以至100多公里），与传统的人工收费8秒出票相比较，不停车收费大大加快了高速公路收费道口的通行能力，据测算，较人工收费车道，ETC车道通行能力将提高4~6倍，可减少车辆在收费口因交费、找零等动作而引起的排队等候，减少了收费金额的流失，由于无需人工参与和无现金交易，杜绝了收费人员错收、漏收、收取假币现象，同时解决了个别收费人员的营私舞弊行为。
②运营费用的变化：
ETC系统实施后，减少了人工车收费车道数目，减少了人力投入，相应地减少了人员的工资，行政办公的结构将相应发生变化，以计算机网络为主的信息化管理提高了效率；ETC系统可以自动判断车型完成收费，收费无需人工干预，实现了收费站的无人值守，降低政府和公路部门的管理成本；但也可能引起费用的增加：
ETC设施的价格相对昂贵，其维护及维修费用相应会较高，但是设施质量提高有可能会减少维修的次数。
③投资成本的变化：
相对人工收费言ETC系统需要相对昂贵的投资，但系统实施后，收费站的通行能力增加（一般ETC车道的通行能力是MTC车道的3~5倍），相应地可减少部分收费车道，从而减少了新建设施的成本，同时也节约了土地资源。
（4）ETC系统更加环保节能
机动车是大气污染的移动发生源，其排放的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物、铅化物和颗粒物质是造成大气污染的主要原因之一。
此外，机动车的运行需要消耗燃料，又造成大量的能源消耗。
车辆的油耗与排放与车辆的运行状态密切相关，由于停车收费使得收费站处的车辆处于加减速或怠速状态，车辆发动机处于慢速或空转状态，根据车辆的燃油消耗特性，在此状态下发动机的燃油耗量增加，废气排放量也就相应增加，由此加剧了大气污染。
ETC系统的实施，使得交通流运行状况得到改善，车辆在收费物的停车次数减少，排队等待的时间就明显缩短，无疑减少了车辆的油耗与排放，解决了收费站附近由于交通堵塞而引起的能源消耗和环境污染等问题。
1.2系统总体建设目标和系统指标
1.2.1系统总体建设目标
●支持ETC/MTC一键切换
本系统兼容ETC与MTC系统，为车道子系统提供支持，轻松实现两种收费方式间的一键切换，在识读设备出现故障、MTC车道拥堵以致阻塞ETC车道或者客户有其它需求的时候，可以实现ETC与MTC收费方式间的实时切换，保证系统的安全稳定运行，最大限度地提高车道的利用率。
●支持ETC/MTC组合式收费模式
本系统兼容为车道子系统提供组合式收费的支持，支持ETC双界面卡用户的ETC入MTC出、MTC入ETC出、MTC入MTC出等通行方式，最大限度的满足不同用户的要求。
电子标签采用双片式（电子标签+双界面卡）。
将双界面卡插入ETC电子标签中可以实现不停车通过ETC专用车道，使用双界面卡采用普通刷卡方式可以通过人工收费车道。
组合收费模式可以很好的适应国内路网复杂、多数入口和出口收费站车流量小、车道少的现状。
●具备完备的安全体系
安全体系包括交易安全和数据安全。
ETC系统具备严密的密钥体系，密钥由上级管理部门分发，分多个等级，高一等级的密钥只用于保护下一等级的密钥，最低等级的密钥应用在IC卡、ESAM卡和PSAM卡等终端应用介质中。
采用3DES加密技术，密钥验证符合金融交易安全的要求，一般包括内部认证、外部认证等认证过程。
数据安全包括数据存储的安全和数据传输的安全，通过采用访问控制、认证、机密控制、数据完整性控制等措施来保证数据存储和传输的安全。
MTC系统除了技术上的保障之外，还有严格的管理制度，有效的保障了系统的安全。
●网络化系统
网络化系统保证了信息的及时传递和更新，在网络正常的情况下，路段控制中心能够将系统定义的黑灰名单及时传递到各个收费站出入口，实施对欠费车辆的告警提示，对不法车辆进行拦截或报警等操作。
能够将各种费率表及时下发至各个收费站点，能够及时了解整个路网的动态信息，及时发现路网的拥塞或其他异常情况，进行动态路由。
1.2.21.2.2系统综合指标
1.2.2.1系统指标
1.数据传输性能：
在网络正常的情况下，收费站实时（至多为0.5s）收集所辖车道产生的收费数据；
2.运营参数下发性能：
在网络正常的情况下，收费站下发系统参数至车道平均等待时间至多为60s；
3.收费监控性能：
在网络正常的情况下，车道操作信息实时（至多为1s）上传至收费站；
4.通行券不可读（坏卡）/超时/车牌查询性能：
在网络正常的情况下，收费站对通行券不可读（坏卡）/超时/车牌查询平均等待时间至多为1s；
5.数据库备份性能：
在正常情况下，应支持在线数据备份与离线数据备份，备份一个2G的数据库，时间至多为60min；
6.灵活性：
通过对参数的设置，使收费站系统能够适应不同的业务管理需求；
7.安全性：
具备完备的分布式多层安全保障体系，有严格的用户权限管理、安全认证机制确保数据不被非法访问；
1.2.2.2可靠性指标
1、MTBF：
100,000小时
在网络故障时（超过24h），有完备的备用数据传输方案，保证数据及时上传至收费站，同时保证数据的完整性、一致性、真实性、不可抵赖性和安全性不受破坏；
1.2.2.3系统应用范围
特别适用于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。
第2章ETC不停车收费系统整体框架
2.1ETC不停车收费总体说明
图21收费站子系统在收费系统中的位置
高速公路收费系统组成最基础的是单业主的运营模式。
从结构上划分，主要由车道子系统、收费站子系统、路段收费分中心子系统和发卡子系统组成。
高速公路收费系统主要由车道子系统、收费站子系统、路段收费分中心子系统（管理中心子系统）和发卡子系统组成。
收费站子系统是联网收费的重要部分，是联网收费最基础的管理单元。
该子系统向上的接口是路段收费分中心子系统，向下的接口是车道子系统。
收费站子系统要求能够对本站的收费车道实时监控，对所有车道收费数据进行汇总和统计，并整理上传到路段收费分中心；接收路段收费分中心下发的费率表等系统参数，并下发至车道；提供报表服务，及时享用数据结果。
2.2车道子系统
在ETC系统中，从功能上来说，各车道是完成车辆通关的基本配置，所有车道子系统通过收费站连接到路段收费分中心中心组成一个大的网络，车道子系统还可以分解成多个单元，但因为多个单元配合才能完成相应功能，故这里抽象到车道为止，抽象如图22所示：
图22车道子系统
车道子系统主要包括底层应用单元（车道计算机）、车道控制单元（控制器（广义的控制机包括工控机）、车辆检测器、道闸）、图像采集单元（摄像机、视频采集卡）、显示告警单元（车道通行灯、声光报警装置、车道显示屏）、射频识别单元（RSE和OBE）
车道子系统主要实现的功能如下：
Ø车辆自动识别
Ø车辆自动收费
Ø控制道闸、通行灯以示通行或放行
Ø对当前车辆进行抓拍
Ø对非正常车辆进行告警
2.3收费站子系统
图23收费站子系统
收费站子系统主要包括工控机、报警装置和服务器硬件。
收费站子系统主要实现的功能如下：
Ø接收各车道上传的交易数据
Ø将数据上传至路段收费分中心
Ø实时监控车道状况
Ø对车道及收费站的系统参数进行配置
Ø提供查询及报表等服务
2.4路段收费分中心子系统
图24路段收费分中心子系统
路段收费分中心子系统主要包括工控机和服务器硬件，实现的主要功能如下：
Ø接收来自各收费站的数据信息，维护总的数据库
Ø提供查询及报表、打印等多种服务
Ø管理代码、费率、密钥等信息
通过internet/专线连接到各服务网点，维护发卡数据（单业主）。
第3章ETC不停车收费系统详述
3.1收费站子系统
3.1.1应用场景描述
在整个高速公路联网收费系统中，收费站系统位于ETC车道系统和路段收费分中心系统之间。
●收费站系统可以对下属的各条ETC车道的设备进行实时监控，当设备发生异常情况时，及时报警，使得故障得到及时的处理。
●收费站系统可以对下属的各条ETC车道的收费交易情况进行实时监控，当发现交易异常时，及时进行处理。
●收费站系统可以对下属的各条ETC车道的收费交易数据、抓拍图像进行审核稽查，可以提高收费管理的力度。
●报表定义灵活、快捷，既能满足标准中规定的报表格式，又允许用户自定义格式。
●收费站系统可以将上层管理中心的参数（费率表、灰/黑名单等）及时转发到下属的车道系统。
●收费站系统中的通信子系统既可以和ETC车道系统通信，又可以和MTC车道系统通信，可以屏蔽ETC车道系统和MTC车道系统的差异，起到数据融合的作用。
●收费站系统具有完备的权限管理功能，能够严格控制操作人员的操作权限。
●软件接口具有开放性，软件通信接口采用通用的接口协议（例如Socket、SOAP协议等等），很容易和其他的同构或者异构系统进行数据通信，具有兼容性和开放性的特点。
3.1.2收费站网络结构图
图3.5收费站网络结构图
收费站的网络设备包括：
收费站服务器（安装收费站服务器软件）、ETC收费管理计算机（安装收费站客户端软件）、交换机、激光打印机（打印报表）。
3.1.3软件结构
图3.6软件结构
从软件结构角度讲，收费站系统分为6个子系统，分别是ETC车道管理子系统、ETC车道监控子系统、告警子系统、系统管理子系统、查询统计子系统、数据通信管理子系统。
3.1.4功能描述
3.1.4.1ETC车道管理子系统
（1）添加车道
向收费站系统注册ETC车道。
注册的ETC车道信息包括：
车道ID、车道IP地址、车道类型（入口/出口）等信息。
（2）删除车道
将一个停止使用的车道进行删除操作。
（3）查看车道
查看已经添加到收费站系统的所有车道信息。
3.1.4.2ETC车道监控子系统
（1）监控ETC车道交易情况
收费站系统可以实时显示站内各ETC车道的车辆收费情况。
具体监控信息包括：
车道号、当前车辆的抓拍图像、车型、车牌号、收费金额、电子标签类型、电子标签号等信息。
收费站系统可以对车道系统的工作流程进度的实时、动态监控。
（2）监控ETC车道的设备状况
收费站系统可以实时显示站内各车道的设备状态情况。
车道设备包括：
RSU、栏杆、通行灯、雨棚灯、雾灯、费额显示器、车道摄像机、视频采集卡、车辆检测器（连接触发线圈、抓拍线圈和落杆线圈）。
设备状态情况能够用模拟图显示出来。
RSU、费额显示器、视频采集卡、车辆检测器和车道摄像机的状态有正常和异常两种状态；栏杆有打开和关闭两种状态；通行灯（还有雨棚灯、雾灯）有允许通行、禁止通行和关闭三种状态。
（3）监控ETC车道的状态
收费站系统可以实时显示车道的状态。
具体监视信息包括：
车道ID、车道名称、IP地址、类型（入口/出口）、状态（开启/关闭）、链路状态（连接/断开）。
（4）收费审核/稽查
1）稽核操作员通过收费站的审核/稽查系统，可以对收费车道产生的原始过车记录、系统抓拍车辆图片以及车道监控员登记的特殊事件进行稽核。
稽核功能具体包括：
入/出口车道收费交易的稽核、车辆入口图像查询、冲岗车黑名单录入。
3.1.4.3告警子系统
告警子系统针对的是ETC车道监控子系统，是对ETC车道监控子系统出现的异常情况进行告警。
而对于系统操作异常产生的告警，比如操作人员误操作、非法操作等，是在日志管理功能中实现的。
（1）告警级别
告警级别有4种：
紧急、主要、次要、提示。
（2）告警类型
ETC车道交易告警类型有6种：
系统信息验证失败、车辆信息验证失败、ICC信息验证失败、黑名单告警信息、RSU/OBU操作告警、车道计算机反应超时。
ETC车道设备告警类型有5种：
I/O卡操作告警、车道设备（包括栏杆、通行灯、雨棚灯、雾灯）操作告警、图像采集告警、费额显示器告警、字符叠加器告警。
（3）告警查询
交易告警的查询内容包括：
告警类型、告警级别、告警描述、告警时间、告警位置（指车道ID）、备注。
（4）告警监控
监控子系统监控到的异常情况，会在告警监控窗口中实时显示出来，以提醒相关人员进行处理。
告警形式：
在监控窗口显示告警的文字或者图像信息，同时根据告警级别的不同，会有不同的声音提示。
3.1.4.4系统管理子系统
（1）人员管理
人员管理指对收费站的操作人员和车道的操作人员的管理。
具体包括人员的增加、删除、修改、查询功能，能根据需要进行操作人员的密码修改和设置功能。
（2）数据库管理
系统提供强大的数据库管理功能，包括数据库的参数配置、备份、灾难恢复等。
具体如下：
●数据库参数配置：
系统支持对数据库参数进行配置，如数据库名称、路径等。
●数据库备份：
系统能按照设定的周期进行备份，并支持手动备份，包括备份周期、备份路径的设定以及磁盘空间不足时的处理策略设置，并支持数据恢复。
备份策略支持全备份和差分备份。
●数据库灾难恢复：
数据库发生灾难性错误时，可将数据库恢复到某个时间点备份的数据库。
（3）权限管理
收费站系统通过“操作人员—角色—操作权限”的对应关系，提供了完备的权限管理机制。
管理员可以对收费站系统的操作人员、下属车道系统的操作人员进行权限分配操作。
操作权限包含只读和读写两种属性，具有读写权限的操作人员可以进行权限范围内的系统参数的设置和更改。
所有操作人员都可以更改自己账号的登录密码。
（4）日志管理
日志管理功能可对收费站系统的日志进行记录和查询。
日志记录：
收费站系统自动记录操作人员操作日志，日志内容包括操作人员的个人信息、操作时间、地点、所进行的合法操作、所进行的非法操作、操作中产生的异常。
日志查询：
操作人员可以对日志进行查询。
3.1.4.5查询统计子系统
以下的查询统计都支持对结果的打印功能。
（1）查询
●灰/黑名单车辆查询
查询的内容包括：
CPU卡内部编号、车牌号、卡片路网编号、灰/黑名单生成时间、类型（黑名单和灰名单两种类型）、灰/黑名单生成原因。
●费率表查询
查询的内容包括：
费率表版本号、入口收费站、出口收费站、车型、收费里程（km）、收费金额（元）。
●车型分类编号查询
查询车型分类编号和车型分类名称。
●车种分类编号查询
查询车种分类编号和车种分类名称。
车种包括普通车、公务车、军警车、紧急车、免费车、车队。
●业务数据查看
可以查看的业务数据包括：
卡片类型、协约类型、合同版本表、服务提供商、路段编码、收费站编码。
入/出口车道交易记录查询
对于入口车道，“出口信息、交易金额”等信息都显示“无”。
（2）统计报表
报表格式和交通部制定的《收费公路联网收费技术要求》的附录五中的附件A“均一制、开放式、混合式收费系统报表格式”一致。
报表的内容包括：
●收费情况统计：
按车型、车种分类，按小时段、日、月、年分类；
●车流量统计：
按车型、车种分类，按小时、日、月、年分类；
●特殊车辆统计：
包含在“按车种分类的车流量统计”之中。
报表格式支持用户自定义设计，既可以满足标准，又可以满足客户的个性化需要。
●数据通信管理子系统
数据通信管理子系统向上负责和路段收费分中心的数据同步通信，向下负责和车道系统的数据同步通信。
软件通信接口支持各种通用的接口协议（如Socket、SOAP协议等等），很容易和其他的同构/异构系统进行数据通信。
3.1.4.6与车道系统同步数据
（1）向车道系统下发数据
如果车道系统设置的时间服务器是收费站服务器，则车道系统定期从收费站系统接收同步时钟。
（2）从车道系统接收数据
从车道接收的数据包括：
入/出口车道收费交易记录、车辆交易告警信息、设备告警信息、设备状态信息、车辆交易处理过程信息、上下班登记表。
其中，入/出口车道收费交易记录包括：
车道ID、卡号、卡类型、入口收费站名称、入口日期时间、出口收费站名出、出口（交易）日期时间、出口车道类型（封闭式/开放式）、交易金额、卡余额、车型、车牌、脱机交易序号、交易状态（成功/失败）、终端机编号、终端机交易序号、交易验证码。
3.1.4.7数据融合
数据融合是指收费站系统将ETC车道上传的数据和MTC车道上传的数据融合在一起，屏蔽掉车道收费类型的差异。
收费站系统的数据通信管理子系统将ETC车道系统上报的收费数据和MTC车道系统上报的收费数据的字段合并在一起，取其并集，从而达到数据融合的目的。
（1）与路段收费分中心同步数据
收费站从路段收费分中心接收的数据包括：
灰/黑名单车辆表、费率表、车辆类别表、车辆用户类别、服务提供商信息表、协议类型表、合同版本号表、卡片类型表、车道参数表、操作人员信息表、路段编码、站编码。
3.1.4工作流程
收费站系统的工作流程大部分是软件操作流程，这里仅对一些主要流程作简要描述。
3.1.4.1车道参数下发流程
收费站系统中的参数一般为自动下发到车道系统，但对于一些特殊情况，如重新安装了车道系统等情况，需要从收费站手工将参数下发到车道。
手工下发参数流程：
1）选择菜单“参数管理->车道参数下发”，弹出车道参数下发界面；
2）选择要下发的参数、车道；
3）确认关闭，返回成功信息。
3.1.4.2查询统计流程
1）选择查询/统计功能菜单；
2）输入相应查询/统计条件；
3）返回查询/统计结果；
4）查看结果或者打印结果；
5）确认关闭。
3.1.4.3收费稽核流程
收费稽核流程描述如下：
1）查询稽核内容；
2）进行稽核操作；
3）保存稽核结果。
3.1.4.4监控流程
图3.4监控流程
1）车道计算机将交易信息、车道设备状态上报给收费站监控服务器；
2）收费站监控服务器实时显示车道计算机上报的信息，提供友好的用户界面给收费站管理者，如果有异常情况，则收费站监控客户端会发出告警信息。
3.2收费车道子系统
3.2.1车道子系统特点
1、支持ETC/MTC一键切换
本系统兼容ETC与MTC系统，轻松实现两种收费方式间的一键切换，在识读设备出现故障、MTC车道拥堵以致阻塞ETC车道或者客户有其它需求的时候，可以实现ETC与MTC收费方式间的实时切换，保证系统的安全稳定运行，最大限度地提高车道的利用率。
2、支持ETC/MTC组合式收费模式
本系统兼容ETC系统的双界面卡，可以支持组合收费。
支持ETC双界面卡用户的ETC入MTC出、MTC入ETC出、MTC入MTC出等通行方式，最大限度的满足不同用户的要求。
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