【正文】 sign and implementation, The achievement Has a very good reference value for ETC weight charge system. The system architecture and function of part is discussed in this dissertation, Main parts of which are critical technology in etc weight charge system: include Automatic Vehicle Identification technology, Vehicle separation technology, Vehicle dynamic weighing technology。 Design Mothed of the ETC SoftWare Ssytem。 Combined Pricing。 DSRC。 system Solution目 錄目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 IV第一章 緒論 6 研究背景 6 ETC收費(fèi)技術(shù)介紹 9 課題來源及主要研究內(nèi)容 12 本章小結(jié) 13第二章 ETC計(jì)重收費(fèi)中關(guān)鍵技術(shù) 14 DSRC自動(dòng)車輛識(shí)別技術(shù) 14 DSRC標(biāo)準(zhǔn) 14 18 19 20 車輛分離技術(shù) 21 22 彎板式稱重設(shè)備 23 共聚化合物式壓電傳感器 24 石英式稱重設(shè)備 25 小結(jié) 25第三章 ETC計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)總體規(guī)劃 26 ETC計(jì)重收費(fèi)設(shè)計(jì)原則 26 ETC計(jì)重收費(fèi)功能需求 27 ETC計(jì)重車道布局選擇 28 現(xiàn)有ETC車道布局 28 稱臺(tái)前置方案 29 雙天線稱臺(tái)后置方案 31 ETC計(jì)重選用的車道布局 33 ETC計(jì)重收費(fèi)硬件設(shè)備 33 車輛識(shí)別設(shè)備 37 車輛檢測設(shè)備 39 交通控制設(shè)備 40 41 42 本章小結(jié) 43第四章 ETC計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 44 主控模塊設(shè)計(jì) 46 過車邏輯設(shè)計(jì) 46 車輛查詢邏輯 52 54 設(shè)備模塊設(shè)計(jì) 56 車輛識(shí)別邏輯 56 車輛檢測邏輯 58 交通控制邏輯 61 貨車計(jì)重邏輯 63 圖像抓拍邏輯 65 65 交易模塊設(shè)計(jì) 66 66 68 71 記錄模塊設(shè)計(jì) 72 72 72 傳輸模塊設(shè)計(jì) 72 73 74 76 本章小結(jié) 77第五章 ETC計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)效果評估 78 78 79+貨車過車效率 81+小車情況分析 81 通過B區(qū)的速度分析 82 特定限制條件下過車成功率分析 84 85第六章 總結(jié)與展望 86 論文主要研究工作 86 展望 86參 考 文 獻(xiàn) 88致 謝 90第一章 緒論第一章 緒論我國高速公路近來取得了快速的發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到越來越重要的作用。另外，車輛通過收費(fèi)站的停車啟動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重的尾氣污染。ETC技術(shù)能夠保證車輛以30km/h的速度通過收費(fèi)站，是一種被證明能有效提高快速通行能力的收費(fèi)技術(shù)，正受到國內(nèi)外同行的普遍關(guān)注，也正在國內(nèi)部分省市得到大力推廣。國家和各省市都充分認(rèn)識(shí)到超載所帶來的嚴(yán)重后果，在國內(nèi)高速公路推行計(jì)重收費(fèi)已成為一種趨勢。廣東省作為ETC系統(tǒng)應(yīng)用最后廣泛的省份，在廣東全省推行計(jì)重收費(fèi)的情況下， 如何保證ETC車道實(shí)現(xiàn)計(jì)重收費(fèi)功能，成為一個(gè)迫切需要解決的課題。在計(jì)算機(jī)尚未普及的情況下，高速公路通常使用原始的紙質(zhì)憑證（紙券）作為車輛通行的憑據(jù)。第二個(gè)階段隨著磁卡的出現(xiàn)，和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，收費(fèi)模式發(fā)展到采用非接觸式IC卡、CPU卡、銀行卡等作為收費(fèi)介質(zhì)的半自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)（MTC）。 從收費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以看出，支付方式?jīng)Q定了收費(fèi)系統(tǒng)的技術(shù)和管理特性。正是由于支付方式的不斷發(fā)展，電子不停車收費(fèi)（簡稱ETC : electronic toll collection）的得以出現(xiàn)，并不斷得到應(yīng)用和推廣。 近來來，ETC系統(tǒng)得到了較大的發(fā)展，國內(nèi)的ETC系統(tǒng)均采用了雙界面CPU卡作為通行介質(zhì)，如廣東省在高速公路推廣使用的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)一卡通粵通卡，就是采用高安全性、可作為電子錢包使用的雙界面CPU卡。這種收費(fèi)模式正是國家推薦使用的應(yīng)用于公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的組合式收費(fèi)技術(shù)。未來趨勢隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，既能準(zhǔn)確收費(fèi)、又能提高通行速度的收費(fèi)系統(tǒng)將是未來的公路收費(fèi)技術(shù)的發(fā)展趨勢。未來的公路收費(fèi)技術(shù)的發(fā)展必然是將這兩方面的需求盡可能融合的收費(fèi)技術(shù)。另外隨著國家治理超載力度的不斷加大，在收費(fèi)系統(tǒng)中增加計(jì)重收費(fèi)功能，必將是人工收費(fèi)和自動(dòng)收費(fèi)需要迫切解決的問題。 ETC收費(fèi)技術(shù)介紹電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)，簡稱ETC（Electronic Toll Collection），在這種收費(fèi)系統(tǒng)中，車輛上安裝一個(gè)唯一識(shí)別的車載設(shè)備（OBU：車載電子標(biāo)簽），在收費(fèi)站車道上部署可讀寫該電子標(biāo)簽的讀寫器，采用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)完成通行費(fèi)的計(jì)算和扣除，并且通過車道計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對車道設(shè)備（欄桿機(jī)、交通燈等）進(jìn)行控制，車輛不需停車就可以直接通過收費(fèi)站。正因?yàn)镋TC技術(shù)存在的這些優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外的相關(guān)機(jī)構(gòu)一直致力于ETC技術(shù)的研發(fā)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，目前ETC技術(shù)在世界各地均得到了應(yīng)用，并取得了較好的社會(huì)效果。超載在造成嚴(yán)重安全隱患的同時(shí)，也加速了高速公路設(shè)施的損環(huán)，影響高速公路的使用壽命。在ETC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)計(jì)重收費(fèi)功能是成為一個(gè)迫切的需求。1994年11月，日本就開始進(jìn)行電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的試驗(yàn)，1996年8月發(fā)表了總結(jié)報(bào)告，就有關(guān)技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)描述。2001年起開始在全國范圍內(nèi)推廣、建設(shè)，目前已經(jīng)在全國范圍內(nèi)的所有高速公路收費(fèi)站開通了ETC車道，ETC車道超過1300個(gè)，ETC用戶將超過1000萬[1]。2）北美地區(qū)北美地區(qū)的加拿大和美國也廣泛應(yīng)用ETC收費(fèi)系統(tǒng)。3）歐洲國家歐洲國家在80年代中期就開始實(shí)施電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)，從90年開始，歐洲國家主要實(shí)施第二代電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)， DSRC頻率和可讀/寫車載應(yīng)答器。l ETC系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用 我國最早的ETC的應(yīng)用開始于1996年10月，廣東省路路通有限公司引進(jìn)美國TI公司的ETC收費(fèi)設(shè)備，開發(fā)了ETC收費(fèi)系統(tǒng)軟件，在佛山、南海、順德等地的地方收費(fèi)公路上建立了ETC車道并投入運(yùn)營，發(fā)行了一萬多張電子標(biāo)簽。1998年，北京首都機(jī)場高速公路采用美國MTECH公司的產(chǎn)品，也開通了兩條ETC車道，發(fā)行了500多張電子標(biāo)簽。但由于第二年廣州市實(shí)行了年票制，項(xiàng)目沒有得到真正推廣。該項(xiàng)目提出了具有創(chuàng)新意義和適合國情的組合式公路電子收費(fèi)的技術(shù)方案“兩片式電子標(biāo)簽+雙界面IC卡”的組合式收費(fèi)系統(tǒng)方案。2001年3月，作為組合式收費(fèi)技術(shù)推廣應(yīng)用的示范工程京珠南高速公路韶關(guān)組合式收費(fèi)系統(tǒng)項(xiàng)目正式啟動(dòng)。[1]在示范工程的基礎(chǔ)上，廣東省決定在全省推廣基于組合式收費(fèi)技術(shù)的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，成立了專門的聯(lián)合公司進(jìn)行推廣服務(wù)。高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)及ETC系統(tǒng)的建設(shè)真正在為根本上解決收費(fèi)站堵車等問題發(fā)揮了重要作用。 課題來源及主要研究內(nèi)容目前ETC系統(tǒng)已經(jīng)在廣東省和全國得到了廣泛的推廣。ETC收費(fèi)系統(tǒng)在廣東省的高速公路收費(fèi)中扮演著非常重要的角色。廣州新軟計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司作為廣東省內(nèi)ETC系統(tǒng)的主要供應(yīng)商，占有90%以上的市場份額，將承擔(dān)省交通集團(tuán)ETC計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施。課題主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行研究：（1）ETC中關(guān)鍵技術(shù)研究；（2）ETC系統(tǒng)體系架構(gòu)研究；（3）ETC中計(jì)重收費(fèi)車道布局研究。（5）ETC中計(jì)重收費(fèi)過車效率對比和分析。成果將應(yīng)用于廣東省的計(jì)重收費(fèi)項(xiàng)目之中。然后通過介紹國內(nèi)治理超載的現(xiàn)狀，并結(jié)合廣東省推廣計(jì)重收費(fèi)的實(shí)際情況，說明研發(fā)ETC計(jì)重收費(fèi)的重要性、緊急性和重要意義。第二章 ETC計(jì)重收費(fèi)中關(guān)鍵技術(shù)ETC計(jì)重收費(fèi)在在ETC自動(dòng)收費(fèi)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，ETC系統(tǒng)中涉及的許多關(guān)鍵技術(shù)也是ETC計(jì)重收費(fèi)中采用的關(guān)鍵技術(shù)。 DSRC自動(dòng)車輛識(shí)別技術(shù) DSRC標(biāo)準(zhǔn)ETC系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對車輛身份的識(shí)別，不需要收費(fèi)員的參與可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自主獲取車輛的唯一標(biāo)識(shí)，并從相應(yīng)的介質(zhì)中獲取到車型、入口等信息。我國的應(yīng)用在電子收費(fèi)的DSRC體系由交通部公路科學(xué)研究院牽頭起草，以2007年3月19日發(fā)布，該系列標(biāo)準(zhǔn)包括如下五部分：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、設(shè)備應(yīng)用、物理層主要參數(shù)測試方法。數(shù)據(jù)鏈路層主要規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵參數(shù)、通信幀、鏈路建立、MAC子層、LLC子層等內(nèi)容，內(nèi)容比較豐富。設(shè)備應(yīng)用部分規(guī)定DSRC在電子收費(fèi)的應(yīng)用總則、技術(shù)要求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用接口和應(yīng)用安全等內(nèi)容，開始針對ETC的應(yīng)用提出了基本業(yè)務(wù)流程要求。l 物理層國標(biāo)對物理層下行鏈路和上行鏈路進(jìn)行了定義[12]。所以。另外一個(gè)主要規(guī)定是約定采用被動(dòng)式還是主動(dòng)式通信，即上行鏈路的載波頻率究竟是由OBU產(chǎn)生，還是發(fā)射RSU的載波產(chǎn)生。我們知道歐洲是采用被動(dòng)式的，日本是采用主動(dòng)式的，他們是這兩種制式的代表。國標(biāo)物理層沒有明確規(guī)定采用被動(dòng)式還是主動(dòng)式，但是規(guī)定了采用兼容主動(dòng)式的各項(xiàng)指標(biāo)，這符合我國現(xiàn)有國情和今后的發(fā)展需要，因?yàn)?，我國已建和在建的超過200條ETC車道均采用被動(dòng)式，國標(biāo)不應(yīng)否定現(xiàn)有已成熟應(yīng)用的系統(tǒng)。但這種劃分更多是邏輯理論上的，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中經(jīng)常不會(huì)體現(xiàn)出兩層的劃分與接口。LLC子層則向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，負(fù)責(zé)控制信號的交換、命令解釋、生成適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)PDU，同時(shí)執(zhí)行差錯(cuò)和恢復(fù)功能。應(yīng)用層可以為用戶提供從簡單到復(fù)雜的多種類型的服務(wù)，可以通過選取不同的協(xié)議元素來支持多種不同的應(yīng)用。應(yīng)用層以服務(wù)原語的方式向用戶提供服務(wù)，這些服務(wù)通過協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。本層協(xié)議定義了可能訪問應(yīng)用層內(nèi)核元素所應(yīng)具備的要求，以允許用戶元素同時(shí)獨(dú)立對這些內(nèi)核進(jìn)行訪問。l 設(shè)備應(yīng)用本部分的標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)備在ETC的應(yīng)用上需要規(guī)定的主要應(yīng)用接口等的要求，首先明確ETC系統(tǒng)中使用的DSRC應(yīng)該是什么樣的架構(gòu)，然后對OBE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，最后對交易過程中涉及到的主要流程給出示例。這是DSRC在ETC中應(yīng)用的關(guān)鍵規(guī)定所在。對OBE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義涉及到密鑰文件、系統(tǒng)文件和車輛信息文件的定義，密鑰文件的定義決定了OBE本身的安全性，而車輛信息文件的定義記錄了車輛本身的主要屬性。從這個(gè)角度看，其五個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)中的前四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是互連互通所需要的。這些都是重要的，但并不是說其他就可以不需要，其實(shí)，不但上述四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是需要的，而且單純依靠上述四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并不能確保能夠互連互通，還需要涉及到IC卡應(yīng)用數(shù)據(jù)定義等問題。依據(jù)ETC系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)的ETC車道、在ETC系統(tǒng)中應(yīng)用依據(jù)DSRC系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的DSRC設(shè)備，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)互連互通，即可以真正聯(lián)網(wǎng)。在過車時(shí)DSRC設(shè)備與OBU進(jìn)行交互，獲取相關(guān)的車輛信息，并且通過OBU來讀取卡片信息和向卡片寫入扣款和過站信息。發(fā)行通常分為初始化發(fā)行和個(gè)性化發(fā)行兩個(gè)步驟。個(gè)性化發(fā)行則寫入電子標(biāo)答的發(fā)行日期、終止日期、防拆標(biāo)志、車牌號、車牌顏色、車型和車輛尺寸和軸型信息。CPU卡是真正意義上的智能化非接觸式卡，CPU卡內(nèi)具有中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（EEPROM）以及片內(nèi)操作系統(tǒng)（COS），CPU卡不僅僅是單一的非接觸卡，而是一個(gè)帶有卡片操作系統(tǒng)（COS）的應(yīng)用平臺(tái)，裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)具有命令處理、計(jì)算和數(shù)據(jù)加密等功能。 支付和結(jié)算工具卡片中有電子錢包文件，出站時(shí)由DSRC設(shè)備直接扣費(fèi)，提高通行效率l ETC系統(tǒng)中應(yīng)用的CPU卡主要有記賬卡和儲(chǔ)值卡兩種類型：其中記賬卡為“先使用，后付費(fèi)” 的貸記卡，容易產(chǎn)生壞賬，需要較高的用戶信息保障；而儲(chǔ)值卡則具有電子錢包功能，車主需要先進(jìn)行充值才能使用，不存在資金風(fēng)險(xiǎn)。目前廣東省ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)中，儲(chǔ)值卡主要發(fā)行給個(gè)人用戶，而記賬卡則發(fā)行給信譽(yù)較好的企事業(yè)單位，而福建則暫時(shí)只采用了記賬卡。當(dāng)車輛進(jìn)行收費(fèi)站DSRC的交易范圍時(shí)，車輛檢測器會(huì)自動(dòng)打開DSRC設(shè)備，DSRC設(shè)備通個(gè)微波信號自動(dòng)搜索區(qū)域內(nèi)的OBU，當(dāng)檢測到區(qū)域中的第一個(gè)OBU后，就會(huì)對該OBU進(jìn)行鎖定進(jìn)行易。當(dāng)車輛識(shí)別出OBU的唯一標(biāo)識(shí)號后，也就相應(yīng)地識(shí)別出了區(qū)域中的對應(yīng)車輛。車輛識(shí)別的具體過程描述如下：l 入口識(shí)別過程車輛進(jìn)入高速公路時(shí)，DSRC設(shè)備通過讀取OBU的唯一標(biāo)識(shí)號識(shí)別出車輛，并把OBU中存儲(chǔ)的車型、車牌信息寫入卡片之中；同時(shí)還寫入入口站編碼、入口時(shí)間等。驗(yàn)證和計(jì)費(fèi)通過后，如是記賬卡則直接放行，而儲(chǔ)值卡在扣費(fèi)后再放行。而高速公路過車的特點(diǎn)的車流量比較密集，如何確保車輛有序地經(jīng)過ETC收費(fèi)車道，是ETC系統(tǒng)得以正常運(yùn)營的前提。ETC計(jì)重收費(fèi)需要在兩個(gè)地方過行車輛分離：其一是稱重時(shí)如何進(jìn)行車輛分離；其二是在交易時(shí)如何進(jìn)行車輛分離。國內(nèi)車輛的稱量主要采用紅處線光柵連續(xù)掃描來進(jìn)行分離，目前計(jì)重時(shí)的分離都被計(jì)重設(shè)備生產(chǎn)廠商集成到稱重子系統(tǒng)中，ETC系統(tǒng)不需要單獨(dú)考慮。ETC計(jì)重收費(fèi)過程中，車輛需要在不停車的情況下，完成車輛重量的稱量，通行費(fèi)的計(jì)算自動(dòng)繳費(fèi)功能。稱重設(shè)備通常包含稱重傳感器、稱重控制器、紅外線車輛分離器、檢測線圈、電纜及附件等。另外控制儀表軟件會(huì)對車輛在秤臺(tái)上停留、來回倒車進(jìn)行了技術(shù)處理，使實(shí)際分車能力達(dá)到了最佳效果。l 輪胎識(shí)別子系統(tǒng) 輪胎的識(shí)別主要需要考慮輪胎識(shí)別傳感器在高度疲勞情況下易損的特點(diǎn)，技術(shù)上采用模擬量輸出（替代開關(guān)量）、全密封激光焊接、高強(qiáng)度不銹鋼結(jié)構(gòu)的傳感器，保證其使用壽命及可靠性。系統(tǒng)檢測原理是通過檢測脈沖量的變化來判斷輪胎的類型，準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上。 彎板式稱重設(shè)備彎板式傳感器是一種應(yīng)變式傳感器，利用受壓時(shí)內(nèi)部的應(yīng)變片網(wǎng)產(chǎn)生的變形的原理來測量。彎板是由在內(nèi)部集成了應(yīng)變片網(wǎng)的金屬板構(gòu)成，為防止長期潮濕滲透和腐蝕，傳感器表面覆蓋一層高溫硫化橡膠。通常