基于移动数据通信的广域智能交通收费系统

基于移动数据通信的广域智能交通收费系统蔺荻北京邮电大学电子工程学院，北京（100876）E-mail：[e-mail]摘要：本文以国家电子信息产业发展基金项目研究开发为基础，介绍了一种新型的基于移动数据通信的广域智能交通收费系统，并详细阐述整个系统工作原理和流程，实验结果证明，该系统能够极大地提高高速公路以及停车场收费口的通行能力，实现智能交通系统的广域网络运营，可减少运营和维护成本，并通过可升级的网络传输平台和交通信息平台的交叉可以加速智能交通系统的广域化网络应用，更好地推进交通领域的信息化建设，并为相关企业带来新的经济增长点。关键词：移动数据通信，智能交通系统，广域网络分布，不停车收费系统，射频识别技术1.引言智能交通系统(ITS,即IntelligentTransportSystem）是指将先进的通信技术、自动控制技术、计算机技术等高新技术综合地运用于整个交通管理体系、从而建立起一种全方位发挥作用的交通综合管理和控制系统。上世纪60年代末，美国开始ITS方面的研究之后，欧洲、日本等也相继加入这一行列。经过30多年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。事实证明，ITS可以大幅度提高交通网络的运行效率。它蕴涵着巨大的社会需求和经济效益，是目前世界各国竞相研究和开发的热点[1]。电子不停车收费系统(ETC，即ElectronicTollCollectionSystem)作为ITS的重要组成部分是智能交通实现的基础，它的技术水平的高低直接体现了ITS的智能化程度。不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的停车场及桥隧环境下采用。实施不停车收费，可以允许车辆高速通过，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。目前的国内外ETC系统大部分都采用如下图1所示的一种模式[2]。图1当前ETC系统构成此类系统主要存在如下的问题：¾前台终端复杂现有的ETC系统在收费站端不仅要具备阅读天线系统、工控系统、摄像系统等，更为重要的是要在每个收费站端建立服务器系统，来进行资费的核算以及帐单的生成，这对于建设一个收费站来讲成本无疑过于昂贵，不利于不停车收费系统的广域化、网络化拓展。¾昂贵的网络成本传统的不停车收费系统集成商的数据传输平台多建立或租用现有的高速公路联网体系，网络成本高昂、维护费用巨大且不便于系统集成商维护及管理，尤其是涉及多路段、多产权使管理成本及运营成本急剧上升。¾区域性束缚难以解决目前我国各高速公路的区域性特征明显，各条高速公路归属体系复杂。传统的不停车收费供应商一般只为某一路段单独提供不停车收费系统。对于用户来说，用户又不得不面对以不停车方式缴纳前一路网通行费之后，又不得不停下车来领取下一路网通行卡的尴尬局面。即便是相邻多个路网都已着手准备电子不停车收费系统的实施，它们之间仍然存在着电子收费系统设备标准的选择、设备的兼容互换、收费车道管理模式的统一、电子标签的统一发行管理（包括安全认证系统的建立）、通行费用的跨区域清算与结算等诸多问题需要解决。综上所述，传统的不停车收费供应商基本上不可能搭建全程全网的数据传输平台、全程全网的通行卡介质、全程全网的后台数据处理平台。一路段一系统集成商的局面与高速公路所要求提供的“快速、便捷、通畅”的要求构成难以克服的矛盾。针对传统ETC的不足，提出了基于移动数据通信的广域智能交通收费系统。该系统将移动通信的传输优势引入了电子不停车收费系统中，克服了目前不停车收费系统的诸多限制，下面进行详细论述。2.广域智能交通收费系统本文所提出的广域智能交通收费系统是电子不停车收费系统与智能信息平台的结合，并在系统中将先进的移动数据通信技术、RFID无线射频识别技术以及Internet技术等进行有机结合。智能信息平台作为信息的获取、存储、处理、转发、展示平台，在智能交通系统中起着重要的作用，其可将城市中静态交通与动态交通因素全部包含在内，并进行定性和定量的分析，找出种种因素之间的现状关系和协调发展规律，同时也可预测出今后交通系统发展的方向。静态交通指车辆的停放，包括因乘客上下或货物装卸的短时间停放，以及在停车场的长时间停放。如停车场、停车面积、停车泊位，城市机动车保有量，道路情况，另外加油站、加气站都属于在静态交通问题。而动态交通则主要是指车的移动。智能信息平台可以提高交通的安全水平；减少堵塞，增加交通的机动性；降低汽车运输对环境的影响；提高道路网的通行能力以及提高汽车运输生产率和经济效益。系统整体的框架示意图如下图2所示[3]：基于移动数据通信的广域智能交通收费系统构成系统主要分为三个部分，前台信息采集系统、网络传输系统以及后台业务综合管理系统。在装有RFID标签的车辆驶入ETC车道时，位于车道中央上方的阅读器天线会激活此唯一标志车辆的标签，与其进行数据交换，从而读取标签中包含的编码信息，通过收费站点控制模块的数据处理，并添加必要的业务信息，包括当前时刻、收费站点编号、出入口标志等，从而形成一条完整的入站或出站信息，经过前台短消息模块将其通过无线移动网络发送至后台。后台系统在接收到同一业务的入站以及出站信息后，根据数据库中的车辆信息，进行资费核算，形成完整的收费记录信息，将账单发送至移动BOSS系统，同时回传给短消息中心，通过移动通信网络发送到客户终端，通知客户收费的具体时间和收费的金额等信息，从而完成整个业务缴费过程。下面分别介绍各个子系统的详细情况。2.1前台信息采集系统前台系统的主要任务为识别车辆在不停车收费通道的通行凭证，即读取位于车辆上面的RFID标签内的信息，从而确定车辆进出口地址和时间、判别车辆类型、对通过车辆控制管理、编制数据信息、最终通过短信息模块将采集到的信息发送给传输网络。前台系统主要包括三个组成模块：2.1.1标签信息读取模块系统中，每个通过不停车收费站口的车辆上面都装备有一个RFID标签，此标签中存储了用来唯一标识车辆信息的一系列编码，它满足国际标准的EPC编码标准。当车辆通过收费站口时，安装在车道中央上方的阅读器就会激活此标签，从而开始阅读器天线和标签之间的通信，读取标签中的编码信息。阅读器和标签系统采用完全符合当前国际标准，采用频率为915MHz的RFID标签系统，读取距离可以达到近10m的距离，完全满足读取距离和读取时间等的相关要求。从而保证了信息读取的及时性和准确性。这里采用RFID技术的最大优点在于非接触（因此完成识别工作时无须人工干预，适用于自动化，且不易损坏），此外，还可以识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。同时电子标签不怕油渍、灰尘，污染，能忍受恶劣的工作环境，使用方便、成本低廉，因此非常适合装配在车辆之上，直接粘贴在车辆挡风玻璃的左上角即可[4]。控制和处理模块控制和处理模块主要完成对前台相关模块间工作的协调控制和对采集到的编码信息的进一步处理，即对采集到的信息进行“信息内容编码”，并按照CMPP（ChinaMobilePertoPer）协议格式进行打包，最终送至短消息发送模块进行发送。同时此控制模块具备一定的本地数据备份功能，备份数据存储的周期可以定制。同时要具备数据保护功能，在出现网络故障或服务器出现故障时，控制计算机将数据写入本地存储设备中，等待网络恢复正常后，将备份的数据重新发送至后台系统。这里的控制计算机采用基于嵌入式系统开发，开发的成本很低，同时可靠性也比较高。2.1.3信息发送模块信息发送模块采用简单的短消息发送模块，即设备上采用短信猫的方式，直接发送至周围最近距离范围内的移动GSM网络通信基站，进而发送给特定的SP代码。采用短信猫可以与移动运营商的短信中心建立无线连接，完全实现跨网信息处理。同时通过标准的AT指令，对内可以与企业各种短信应用软件或无线增值应用系统实现无缝结合，为企业的无线增值应用提供最佳的无线短信接入手段。同时投入较低，维护方便，安全可靠，支持系统容量扩展等特点都非常适合高速公路收费系统通信的特殊应用。2.2中间网络传输系统电子收费系统采用当前的移动GSM网络通信系统作为传输网络，不仅无需专门构建传输网，大大降低了成本，而且系统扩容方便，覆盖范围也非常广。由于本系统中采用出、入站信息结合的方式进行收费，即只有当后台业务系统中心收到某辆车的出、入站两条信息完整的情况下，才完成对此车辆的一次收费操作。所以信息的传输允许一定的时延，因此初期采用GSM网络系统下的短消息传输方式。当GSM网络系统的基站收到某高速公路口的短信系统发送来的信息时，在基站控制中心的作用（BaseStationController，简称BSC）下，经过一步步的路由转发最终到达移动通信网络的短消息中心（ShortMessageCenter，简称SMC），短消息中心收到此信息后，根据SP的特服号码，再将此信息发送给特定的SP因特网短消息网关（InternetShortMessageGate，简称ISMG），当网关识别出此消息为高速公路的收费信息后，发送给相应的存储转发服务器。此时后台的业务处理中心就会通过一定的程序不断扫描此服务器，将其上面的数据包抓取下来，进行进一步的后台业务处理。2.3后台业务处理中心这是整个智能收费系统的后台数据处理的核心系统，所有相关数据信息的处理和操作都要通过此综合业务管理系统来进行处理、调节和支持，因此其处理流程尤为重要。下面详细介绍其数据信息的处理流程：1)抓取收费信息——即后台系统通过专用网络从短消息网关将特定的信息抓取下来，此过程要求按照尽可能短的周期（间隔0.1秒）不断的进行，这样才能保证前台传递来的信息最快速的进入后台进行相应的处理；2)解密信息包——当信息包被抓取下来之后，后台中心首先要对此信息按照一定的包格式进行解密，即将其中的有用信息提取出来，其中包括了收费车辆的标签号码、收费的站点编码、收费时间、出入口标识等等信息，之后将此信息存入相应的数据库系统；3)计算收费费用——一此电子收费系统中要求车辆进、出高速公路路口时进行两次标签信息的读取，只有当某车辆的出站信息也进入数据库系统之后，才看作形成了一条完整的收费信息。此时系统就会按照应一定的车型、收费站费率、里程等条件计算出某车辆的实际费用；4)发送收费成功的信息——当后台计算出某车辆的实际费用之后，就将此信息再传递回SP的因特网短消息网关，然后再通过移动通信网络将此收费成功信息传递给用户登记的手机终端。至此用户就能够非常清楚的看到自己的车辆于何时通过何高速公路收取费用多少等信息；5)扣除缴费费用——由于系统中采用标签与客户移动号码绑定的方式，即客户在办理使用电子收费系统时，就要提供一个移动号码，此号码用于用户的缴费，它与用户的车辆标签相对应。当用户经过高速公路使用电子收费系统之后，后台系统就会生成一条完整地缴费账单，之后将次账单通过一定的方式传递给移动的BOSS系统，通过BOSS系统来完成实际的费用扣除。所以即使用户将来的车辆进行跨省行驶，也同样能非常方便地通过移动的BOSS系统来完成相关的缴费操作。除此上述后台收费信息计算处理流程之外，后台综合业务管理系统还包括了客服管理系统，用来完成客户及卡相关的业务办理和处理功能；交通地理信息系统（GeographyInformationSystems，简称GIS），用电子地图的方式直观的显示当前各个交通路口的车辆流量信息；决策支持系统，用来预测高速公路路口未来一定时间内或某个时段内的流量情况，从而为交通管理部门提前采取一定的措施提供帮助等等[5]。3.系统特点通过上述介绍，不难看出此不停车电子收费系统存在如下的一些优势：