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学校编码：

10384分类号密级

学号：

UDC

工程硕士学位论文

高速公路ETC车道收费软件的

设计与实现

DesignandImplementationofHighwayETCLanes

TollSoftware

杨洋

指导教师：

李文军副教授

专业名称：

软件工程

论文提交日期：

2013年10月

论文答辩日期：

2013年11月

学位授予日期：

年月

指导教师：

答辩委员会主席：

2013年月

厦门大学学位论文原创性声明

本人呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规范（试行）》。

另外，该学位论文为（）课题（组）的研究成果，获得（）课题（组）经费或实验室的资助，在（）实验室完成。

（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。

）

声明人（签名）：

年月日

厦门大学学位论文著作权使用声明

本人同意厦门大学根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文（包括纸质版和电子版），允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。

本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。

本学位论文属于：

（）1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于　　年　月　日解密，解密后适用上述授权。

（）2.不保密，适用上述授权。

（请在以上相应括号内打“√”或填上相应内容。

保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。

此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。

）

声明人（签名）：

年月日

摘要

高速公路发展至今天，日益增长的车流量和交通拥堵问题成为了当前公路管理的难题和挑战。

随着人们生活水平的提高和社会经济的发展，原有的人工收费车道已经不能满足公路的需要。

不停车电子收费系统（ETC）是一种有效的解决公路拥堵问题的方法。

本文在对ETC系统进行总体分析的基础上，以ETC车道收费软件为对象进行研究，设计车道收费软件的内部结构并实现了具体功能。

本文首先介绍了ETC系统和软件在国内外的研究，分析了ETC软件的总体结构、具体功能和相关技术。

其次对车道收费软件进行了需求性分析，对软件进行了总体结构的设计。

再次详细设计了软件的各个功能模块。

本文基于C++语言开发，采用Linux平台和相关的工具盒软件库设计实现了该收费软件。

并给出了部分测试实例和结果。

通过该软件的实现，可以在车辆通过ETC车道时，使用ETC软件进行车辆信息记录、通行费自动扣款、联动相关机电设备等多项功能，满足了ETC车道日常工作的需求。

关键词：

ETC；收费软件；车道软件

Abstract

Withthedevelopmentofhighwayconstruction,growingtrafficandcongestionproblemshavebecomethebigchallengesofthecurrenthighwaymanagement.Withtheimprovementofpeople'slivingstandardsandsocio-economicdevelopment,existingmanualtolllanecouldnolongermeettheneedsofhighway.ETC（ElectronicTollCollection）systemisaneffectivemethodforsolvingtheproblemofhighwaycongestion.Inthispaper,wefocusonthestructureandfunctionofETCtollsystembasedontheanalysisofthestructureoftheETCtollsystem.AndthendesigntheETCLanesTollSoftware.

ThisarticlefirstdescribesthestatusofETCsystemandsoftwareresearchathomeandabroad,analysisETCsoftwarearchitecture,specificfeaturesandrelatedtechnologies.SecondETCsoftwareundertookaneedsanalysis,ETCsoftwaremodularseparationofresearchasawhole,andalogicalstructureofsoftwaredesign.Againaccordingtothesoftwarepartsofthedetaileddesignofthemainfeaturesofeachmodule.Thisarticleisbasedonc++languagedevelopment,USEStheLinuxplatformandrelatedtoolsboxoflibrarydesignsoftwarehasbeenimplemented.Thepartofthetestcasesandresultsarepresented.

Throughtheimplementationofthesoftware,canbeinthevehiclethroughtheETClanes,usingETCsoftwareforvehicleinformationrecordlinkagerelatedmechanicalandelectricalequipment,automatictollsdeductions,suchasmultiplefunctions,meettheneedsofdailyworkoftheETClanes.

Keywords:

ElectronicTollCollection（ETC）;Tollsystem;Lanesoftware

目录

第一章绪论1

1.1ETC车道系统简介1

1.2国内外研究现状2

1.2.1国外现状2

1.2.2国内现状5

1.3本文主要内容6

1.4全文组织结构6

第二章ETC车道收费系统及其技术8

2.1ETC车道收费系统主要结构8

2.2ETC车道收费系统相关技术9

2.3本章小结11

第三章ETC车道收费软件需求分析12

3.1ETC车道收费软件的需求分析目标12

3.2功能需求分析12

3.3非功能需求分析16

3.4本章小结17

第四章ETC车道收费管理软件的总体设计18

4.1ETC车道软件总体架构18

4.1.1ETC车道软件功能划分18

4.1.2ETC车道软件数据流程19

4.2ETC软件逻辑设计21

4.2.1类的设计21

4.2.2数据库的设计23

4.3本章小结26

第五章ETC车道收费软件的详细设计27

5.1系统初始化模块27

5.1.1初始化流程设计27

5.1.2模块内容和应用设计28

5.2工作管理模块30

5.2.1上班流程的设计30

5.2.2入口车道交易流程设计32

5.2.3出口车道交易流程设计35

5.3数据管理模块37

5.4串口通信模块38

5.4.1天线控制器（RSU）串口通信设计38

5.4.2费显串口通信设计42

5.4.3字符叠加器串口通信设计43

5.5I/O控制模块44

5.6数据库访问模块45

5.7本章小结47

第六章系统实现48

6.1软件系统主界面设计48

6.2工作管理模块50

6.3数据管理模块55

6.4串口通信模块60

6.5I/O控制模块62

6.6数据库访问模块63

6.7本章小结64

第七章系统测试65

7.1测试方案与环境准备65

7.2测试实施过程66

7.3结果分析71

7.4本章小结72

第八章总结与展望73

8.1论文总结73

8.2展望73

参考文献75

致谢78

附录部分数据库参数表79

CONTENTS

Chapter1Introduction1

1.1IntroductionoftheETClanessystem1

1.2Researchstatusathomeandabroad2

1.2.1Abroadcondition2

1.2.2Thedomesticstatusquo5

1.3Maincontent6

1.4Organizationalstructure6

Chapter2TheETClaneschargesystemandtechnical8

2.1MainstructureoftheETClaneschargesystem8

2.2TheETClaneschargesystemrelatedtechnology9

2.3ChapterSummary11

Chapter3Systemneedsanalysis12

3.1TheETClaneschargesoftwarerequirementsanalysistarget………….12

3.2Systemneedsanalysis12

3.3Systemnon-functionalrequirements16

3.4ChapterSummary17

Chapter4TheETClanesmanagementsoftwareoveralldesign18

4.1TheETClanessoftwareoverallarchitecture18

4.4.1TheETClanessoftwarefunctionaldivision18

4.1.2TheETClanessoftwaredataflow19

4.2SoftwarelogicdesignETC21

4.2.1Classdesign21

4.2.2Thedesignofthedatabase23

4.3ChapterSummary…………………………………………..……………..26

Chapter5TheETClanesforsoftwaredetaileddesign27

5.1Systeminitializationmodule27

5.1.1Initializationprocessdesign27

5.1.2Themodulecontentandapplicationdesign28

5.2Workmanagementmodule30

5.2.1Workprocesssequencediagram30

5.2.2Entrancelanetransactionprocessdesign32

5.2.3Requiresexportlanetransactionprocessdesign35

5.3Datamanagementmodule37

5.4Serialinterfacecommunicationmodule38

5.4.1RSUserialportcommunicationdesign38

5.4.2Moneymonitorserialcommunicationdesign42

5.4.3Characteradderserialcommunicationdesign43

5.5I/Ocontrolmodule44

5.6Thedatabaseaccessmodule45

5.7ChapterSummary47

Chapter6Systemimplementation…………………...........................48

6.1Softwaresystemmaininterfacedesign48

6.2Workmanagementmodule50

6.3Datamanagementmodule55

6.4Serialinterfacecommunicationmodule60

6.5I/Ocontrolmodule62

6.6Thedatabaseaccessmodule63

6.7ChapterSummary64

Chapter7Systemtest65

7.1Testplanandenvironmentreadyto65

7.2Testimplementation65

7.3Theresultanalysis71

7.4ChapterSummary71

Chapter8Conclusions73

8.1Thesissummedup73

8.2Lookingforward73

Refrences75

Acknowledgements75

Appendix................................................79

第一章绪论

1.1ETC车道系统简介

随着我国经济的腾飞，国家高速公路得到了迅猛发展。

截至2011年底，我国高速公路总里程达8.5万公里。

根据我国交通运输“十二五”规划，到2015年，国家高速公路通车里程将达到10.8万公里。

贵州省省长陈敏尔在省第十二届人民代表大会第一次会议上作《政府工作报告》时指出：

今后五年，要达到“高速公路通车里程6000公里。

”虽然我国高速公路发展势头一片良好，但随之而来的，是庞大交通网络带来的交通压力和技术挑战。

在全国范围内，高速公路采用的收费方式大多为人工收费，即在收费站入口车道发放通行卡记录车辆信息，在出口车道收回通行卡并收缴过路费用。

传统收费模式使得车辆通过收费站时必须停车进行相关业务办理，收费员的工作效率直接决定了收费系统是否运行良好、车道是否通行畅通。

一个操作失误就能造成收费站拥堵，因车道堵塞原因导致驾驶员与收费站的争执经常发生。

为了充分发挥高速公路高效、畅通、快速的特点，高速公路ETC车道系统应运而生。

高速公路ETC车道系统，即英文“ElectronicTollCollection”的缩写，意为电子不停车收费系统。

电子不停车收费系统，是指车辆在通过收费站车道时，通过车载设备实现识别车辆、写入车辆相关信息（入口车道）并自动从预先捆绑的IC卡或资金帐户上扣除相应费用（出口车道）的电子化收费系统。

在通过ETC车道时，驾驶员只需在车内安装通讯感应设备（即电子标签OBU）并在相应银行卡中预存费用，通过收费站时便无须停车通过人工缴费，过路费从卡中自动扣除。

安装有ETC系统的车道每车通过耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道无法比拟的。

过往车辆通过道口时无须停车，即能够实现自动收费。

图1.1ETC车道电子感应示意图

ETC车道收费系统是目前国际上最先进的收费系统，是智能交通系统的重要功能体现。

科学技术发展到今天，给社会带来的最直观的改变即为：

自动代替手动。

高速公路也是如此。

随着ETC技术的发展和普及，在公路收费技术层面，人工收费模式被电子自动化收费模式取代是必然趋势。

ETC技术节约了高速公路系统的人工资源，提高了公路系统运作效率，简化了机电系统维修流程。

宏观来说，还能促进相关科学技术的研发和创新，丰富相关产品的多样性发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外现状

ETC从上世纪80年代开始研究，到90年代在西方国家兴起，再到今天国际范围的推广应用，已经有近30年的历史。

1.ETC系统的发展

ETC收费系统在国外开始应用从上世纪90年代初兴起，国外的ETC技术主要有三个技术标准。

一是以挪威瑞典厂商Qfree和康比特为代表的欧洲技术标准。

二是以日本丰田电装、三菱为代表的日本技术标准。

三是以无线局域网技术为基础的美国技术标准。

比较而言，欧洲和日本的技术较为成熟，已得到了大规模的应用。

下面以美国和日本为例，介绍ETC的发展现状。

（1）美国

在美国，最著名的ETC系统是E-Zpass系统。

该系统是主要应用于美国东北部收费高速公路、桥梁和隧道。

目前，14个州的25个代理处构成了E-ZPass代理集团（IAG）。

所有的代理处都使用统一技术，允许车辆在IAG网络中使用统一的E-ZPass电子标签。

在其网络中，E-Zpass系统整合了各种采用统一技术的不同系统，包括马萨诸塞的FastLane、伊利诺伊的I-Pass、印第安纳的i-Zoom，以及停用的马里兰M-Tag等系统。

这样E-Zpass系统在这一区域形成了一个联网的“一卡通”系统，车辆可以跨州市而不受到系统限制。

美国高速公路总里程近9万公里，收费高速公路的里程约有8000公里，所占比例不大。

与我国相比，E-ZPass的运营模式更为复杂。

图1.2有E-Zpass车道的美国公路收费站

（2）日本

与美国有着明显区别的是日本。

根据日本政府统计，日本高速公路塞車的原因有30％是来自于收费站的人工收费速度太慢所致；因此，ETC系统被日本政府视为解决塞车的法宝。

2001年3月，日本ETC系统正式投入营运。

在2003年年末，日本已拥有超过1000条的ETC收费车道，几乎遍及日本所有的高速公路。

目前，日本全国l300多个收费站全部都安装了ETC系统。

伴随着系统的开通，ETC用户数也不断增加。

2003年初用户数不足1O0万，至2006年10月用户数量已达到1514万户，占全国车辆的20％，ETC的通车量占全国收费公路交通量的65．5％，占到东京周边收费公路圈交通量的72．8％。

绝大部分的商业运营车辆都装备了ETC车载设备，即使是普通司机也使用ETC收费卡。

有专家指出，日本的ETC系统是目前世界上规模最大的、应用效果最突出、产业化规模最大的智能交通项目。

图1.3日本ETC专用收费卡

2.ETC软件的发展

国外ETC行业发展速度迅猛，其ETC软件的更新换代也是日新月异。

综合了国外ETC软件的发展情况，主要有以下特点：

（1）车道设备IP化管理

指的是将车道设备如天线控制器、车牌识别、车道摄像机、字符叠加等设备全部由脚本程序对其进行IP化控制。

车道设备的IP化，使一些冗余的设备的自动切换和自动恢复都变得非常容易。

设备一旦出现了故障，就可以通过脚本程序切换到备用设备，然后通过IP化的I/O模块，使故障的设备通过电源复位而重启。

（2）监控系统自动化管理

指的是不需要人工在后台监视车道监控图像，可以通过自动监控系统来实现全自动化监控。

自动监控系统只需要在被监控的设备上安装插件，就可以对设备进行监控和报警。

同时这些信息还能通过邮件或手机短信的形式发送给管理人员，从而实现全天候不用人工的实时监控。

（3）远程维护

由于高速公路里程长范围广，如果ETC软件系统出现故障要派遣维护人员到现场维修，往往在时间和空间上都比较困难。

远程维护可以通过全球互联网实现不限时间地点地登陆软件系统进行维护。

远程维护通常是通过虚拟网先接入公路单位的网络，然后通过单位网络连接维护系统。

包括人工/自动收费切换、软件升级、参数修改、系统重启、故障检测等都可以通过远程维护来实现。

（4）前端后台一体化

指的是通过IP化技术将尽可能多的车道前端设备与后台管理设备集中在一起，便于管理和维护。

通过IP转换可以改写ETC车道系统三级或四级繁复的结构，将ETC系统简化为一到二级；这样使得软件的安装和维护轻松简便，十分有利于软件的管理。

除了上述特点外，ETC机电设备的发展也直接决定了ETC软件的发展。

例如国外车牌识别数字化技术的进步，可以直接将车牌识别下来转换为数字进行传输和保存，跳过了以往对车辆图像抓拍的步骤。

这样就简化了ETC软件的工作流程，减少了ETC软件故障的可能性。

1.2.2国内现状

国内最早的ETC应用于1996年lO月开展。

广东省路路通有限公司从美国TI公司引进ETC收费设备，根据我国路桥的实际情况自行开发了ETC系统收费软件，在佛山等地的地方收费公路上建立了ETC车道并投入运营。

同样在10月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司进行了有关ETC系统的技术交流和现场演示。

同年底，首都高速公路发展公司与美国Amtech公司在北京首都机场高速路段进行了不停车收费试验。

1998年1月，交通部下达了“网络环境下ETC收费系统研究与推广应用”的联合攻关项目，全面系统地开展ETC收费系统的技术构成、接口规范、电磁兼容性、网络结算等技术细节的研究，促使了ETC收费系统市场健康、快速地发展。

 2000年6月，国家经贸委和交通部联合主持启动了“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化”项目。

该项目提出了适合我国国情的组合式公路电子收费的技术方案：

“两片式电子标签+双界面IC卡的组合式电子收费系统”。

2007年5月1日，我国正式发布实施智能运输系统（ITS）电子收费系列国家标准。

该系列国家标准是我国智能运输电子收费系统建设中必需参照的技术规范和要求，同时也是交通部制定的《公路联网收费技术要求》技术参数指标的依据和配套资料。

该标准的出台，标志着我国智能运输电子不停车收费系统进入实质性建设阶段，同时也为正在进行的ETC收费试点工程建设奠定了技术基础。

目前，全国已有十几个省市开通了多条ETC车道。

截止2013年1月，贵州全省高速公路有52个收费站的104条ETC车道运行使用。

根据贵州省交通运输厅制定的《贵州省高速公路ETC建设规划（2011-2015年）》，到2015年，贵州全省设置ETC车道的收费站要达到205个，ETC车道达到410条，覆盖率达60%。

目前我国已有地区采用了计重ETC收费系统，其ETC收费软件能够连接计重设备对大型货车进行计重ETC收费。

但此项技术仍存在研究和进步的空间，因而还没有大范围地得到推广。

在软件集成模式上，国内的电子收费系统采用三级甚至四级的拓扑结构：

第一级为车道设备级，包括车道读写天线、车辆检测线圈、车道栏杆机、车道摄像机及通行灯等。

第二级为收费亭设备级，包括车道控制计算机、车辆检测器等。

第三级为收费站级，包括收费及图像监控终端、收费站服务器和报表系统等。

第四