浅谈高速公路收费系统的设计与实现

浅谈高速公路收费系统的设计与实现
汪先德
摘要：高速公路收费系统是智能交通系统的一个重要的研究课题，是实现高速公路收费从人工到半自动再到全自动过程的发展方向。一个收费系统通常由收费车道、收费站、收费管理中心三部分组成。本文主要讨论高速公路收费系统的设计与实现。
关键词：高速公路收费系统总体设计系统硬件设计
引言
智能交通系统（Intelligent Transportation System），就是集信息处理、通讯、控制、以及高科技的电子技术等最新的科研成果，应用于交通运输网络中。它与传统的交通管理系统一个最显著的区别是，将服务对象的重点由以往的管理者转向道路使用者，即用先进的科技手段向道路用户提供必要的信息和便捷的服务，以减少交通堵塞，从而提高道路通过能力的目的。
1 收费监控室的远程主机组成
远程监控中心管理机构可以通过网络对一线收费工作进行了解，在远程监控中心可以完成对以建立了计算机收费监控的收费站实施远程图像监控、远程数据传输、远程报表打印、远程软件设计修改等工作任务。高速公路运营普遍存在的路费漏收和流失的问题也通过系统对出入口车辆的车牌进行识别、匹配，判断是否为同一车牌等方式解决了。同时，系统还可以通过对高速公路的车辆进行监控来协助公安、公路稽查部门发现可疑、黑名单车辆等。
2高速公路收费系统总体设计
2.1设计思想
高速公路收费系统的总体设计要充分利用现有条件，考虑未来发展的原则，提高收费的自动化程度。将电视机监控及计算机网络逐步扩充到整个地区，以满足现代化城市在高新技术条件下的交通管理的需要。
2.2系统目标
为使系统满足要求，提出以下指标：
（1）实时性：系统具有快的时钟频率，计算机收费的票据数能立刻完整不漏的送往收费站保存。
（2）准确性：系统的自动化程度高，减少人为操作过程来避免人为错误的发生。同时，提高系统的精度。
（3）可靠性：系统要能在较恶劣的环境下24小时连续工作，提高系统容错能力。
（4）安全性：系统要有较强的安全措施，针对可能存在的漏洞进行相应的处理，并设立严格的权限管理，防止人为的破坏。
（5）可扩展性：留有充足的界面来扩展外围设备，应对不时之需。
2.3 系统构成
高速公路收费系统主要由收费系统、监控系统和通信系统三部分组成。
（1）收费系统
收费系统是高速公路机电工程中效益发挥最大、最为成熟的系统。目前高速公路信息化建设的程度不一。根据交通部近期对7个省市高速公路的调查表明，目前约有30%的高速公路是人工收费，其余基本上实现了半自动收费；部分高速公路建立了监控中心和通信中心；高速公路收费系统的使用周期不一，目前一般为4-5年。
（2）监控系统
计算机收费机自动根据输入的车型信息往数据库里添加收费额等信息，然后通过计算机网络传输至监控室。如果上级主管部门需要对收费站实施统一管理和实时监控，还设计了远程监控系统，系统有远程监控中心和各收费监控室的远程主机组成。有效的将计算机网络的智能化控制管理与闭路电视监控理论有机的结合起来，在该领域是一项最有效的管理手段。
（3）通信系统
通信系统是高速公路信息化建设的传输载体，目前全国高速公路通信线路已达6700多公里。高速公路通信系统的传输媒介经历了从电缆到光缆的发展过程，目前主干均采用了光纤通信。
3高速公路收费系统的系统硬件设计
3.1 收费车道系统结构
由于入口车道与出口车道所完成的功能差别很大，这样所配备的车道设备也有差异，下面从入口车道和出口车道两个方面介绍收费车道系统结构
3.1.1入口车道系统
入口车道由车道控制器、收费员终端、车辆检测器、手动栏杆、自动栏杆、雨棚信号灯、黄色闪光报警装置及多路数字控制单元和车道CCTV系统等设备构成，还包括相应的电力电缆和信号电缆。
由计算机局域网络建立收费车道与收费站之间的通讯，将收费车道状态、设备运行状态、车辆信息等传到收费站。收费车道与收费站还有独立的对讲电话网络和CCTV系统(详见CCTV系统描述)，可由收费站值班员直接命令或指导收费员的操作。入口车道各设备的联动使得当车辆驶入高速公路时，入口站、车道、车型、收费员及日期、时间等信息传输到收费站服务器计算机。入口车道设备如图1：
图1 入口车道设备构成图
（1）车道控制机
车道每天采集的原始数据所需存储空间较大，特别是收费站网络通信故障时，车道计算机还应该能存储一段时间的原始数据，并保证此期间车道仍能独立工作。所以车道控制机应是具有较大容量的存储设备。同时，硬件应能适应大量重复性操作，具有稳定、持久工作的能力。因此车道控制机一般采用工业控制机。
车道控制机配置有信号采集卡、以太网网卡、视频捕捉卡、字符迭加器、外设控制器等，主要完成入口收费信息的迭加；通行车辆的图像抓拍；入口信息和图像数据的存储和传送；接收处理数据监控系统下传的收费员工号、姓名、班次安排、口令等资料；控制车道各外部设备的运行。
车道控制系统具有收费车道关键设备的自诊断功能，可采集网络通讯卡、多串口通讯卡、数据采集卡等相关设备的状态信息，负责将故障信息显示在收费车道显示屏,并通过网络上传监控室。另外，显示屏上实时显示收费车道外围设备的状态和收费情况等资料。
（2）外设控制器
取代原有的车道控制接口板，外设控制器内含多路光电隔离输入(8-16路)、8路继电器输出、通讯接口板、散热风扇、开关电源、电源开关及终端接口航空插头。
外设控制器通过50芯扁平电缆及双绞线与车道控制机内的输入输出控制板及通讯板相连。外设控制器安装在收费员操作台下面。
（3）车辆检测线圈
此线圈埋设在车道的水泥路面下，位于自动栏杆之后。当有车辆通过时，线圈的电感变化，使车道控制机内的I/O卡中的某一位信号变为高，直至车辆通过以后，I/O卡中的那一位信号变低。这一特性可帮助车道控制机进行车辆计数和违章车辆图像抓拍及自动栏杆的联动。
（4）字符迭加器
在有CCTV监控要求的情况下，需要把有关的收费信息同步迭加到屏幕上一定位置，便于现场监控及事后的查核，字符迭加器就是为了实现这个目的而设计的。
（5）顶棚灯
顶棚灯安装在每一车道上方的雨棚上，在车道迎车流行驶方向的雨棚上安装红色和绿色的一组信号灯，用来表示当前车道是否开放。
（6）自动栏杆
安装在每个收费车道的收费亭的出口，当发卡操作完成后，车道软件控制车道控制机内的I/O卡，由车道控制机控制外设控制器打开栏杆，放行车辆，车辆通过后自动放下。
（7）黄色闪光报警器
处于车道自动栏杆的旁边，由车道控制机通过外设控制器控制，用于提醒收费站注意，有违章情况发生。
（8）图像捕捉器
图像捕捉器的功能是将某一路视频信号的最近一帧固定，转换成数字信息，迭加上车辆信息和收费员信息，经过压缩后，作为文件保存到计算机硬盘上。
（9）车型显示器
车型显示器位于收费亭的顶端，用于及时显示车道收费员所判断的来车车型，以利于收费站监控，防止收费员作弊。
（10）车道UPS
高速公路覆盖的范围比较大，一旦供电出故障，将导致车道工作瘫痪。所以车道收费系统应具有稳定的电力供应设施，同时为保证系统的可靠性，收费系统的各个重要的有源设备都应配备独立的不间断电源(UPS)。若经过一段时间，UPS也不能支持车道的工作，车道系统应能及时报警，使操作员有足够时间保存数据并关机。
（11）交通指示灯
交通指示灯位于车道出口旁边，有红、绿两色灯，用以指示车辆驾驶员是否可以通行。
3.1.2 出口车道系统
出口车道具有入口车道的所有设备，并增加了票据打印机、费额显示器等设备。

图2 出口车道设备构成图
车辆驶出高速公路时，收费员复核车型，收缴费额，打印票据并放行。所有的操作信息传输到收费站计算机。
接下来只介绍入口车道没有的票据打印机、费额显示器设备。
(1) 票据打印机
票据打印机是用来打印收费专用发票的，由于打印的速度问题，极大的影响了过车速度。通过多串口卡，采用异步通信的方式与车道控制机通信。
(2) 费额显示器
安装在收费亭的窗口下，以LED数组的形式向车辆行驶员显示收费额、余额和币种等信息。费额显示器通过RS232接口与车道控制机连接。
4 结语
高速公路收费系统是整个高速公路系统中不可或缺的一部分。车辆通行费的征收及收费制的逐步完善，给高速公路发展注入了生机和活力，具有十分重要的意义。
参考文献
[1]韩优良.高速公路收费系统设计方案探讨[J].山西建筑,33(25).
[2]黄文杰.高速公路收费方式的比较.中国科技信息,2009(14)
[3]郭敏高速路收费系统，人民交通出版社， 2002

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