摘 要：文章介绍了佛开高速公路收费系统的设计和实现技术，讲述了系统的计算机网络拓扑结构、广域网路由设计以及软件系统总体结构和主要功能，重点介绍了佛开收费系统的数据传输、图象抓拍、图片管理、收费站和收费中心前台管理软件、系统安全、外设控制以及统计图表等主要功能模块的实现技术，文章最后总结了佛开高速公路收费系统的几个特点。
关键词： 收费系统 设计 实现技术
1 引言
佛开高速公路起于广佛高速公路谢边跨线桥终点，终止于开平市水口镇，全长约80Km，设有张槎、南庄、新基田、沙头、龙山、大雁山、陈山、共和、司前和址山临时主线收费站等10个收费站以及一个收费中心。佛开高速公路采用全封闭半自动收费方式，以非接触IC卡为通行卷，人工判别车型，计算机辅助管理。本文将介绍佛开高速公路收费系统的设计和实现技术。
2 计算机网络设计
2.1网络拓扑结构
佛开高速公路收费系统计算机网络采用多局域网通过广域网互联结构，各收费车道、收费站和收费中心均采用10M/100M混合以太网结构，通过路由器构成广域网。整个广域网选用TCP/IP协议。
各收费站的收费数据都是将IP数据报封装成以太网帧的方式通过光同步传输网（即IP OVER SDH ， SDH为高速公路专用通信网）传输到收费中心。其网络拓扑结构如图1。
图1 收费系统网络拓扑结构图
2.2广域网络路由设计
广域网IP地址分配采用C类IP地址进行编址，可用“A.B.站号.×”表示。其中地址第三个字段为各站序号，收费中心为20，监控中心为30。第四个字段表示各站主机、客户机或车道控制机，车道控制机从50开始编号至254止，第四字段为1则表示为网关和路由器端口地址。这样局域网上计算机都处于各自的网段，便于管理和日后扩充。
2.3系统开发环境
如表1所示。
表1：系统开发环境
3 软件功能
3.1总体结构
佛开高速公路收费系统软件分为车道软件、收费站软件和收费中心软件三级业务处理系统，其软件总体结构如图2所示。
图2 软件总体结构图
3.2主要功能
3.2.1收费车道
• 收费运营：收费现场的收费操作。主要包括上班登录；发卡和收卡收费；交接班；费率生效；后台睡岗监控、设备测试和后台实时传输数据等功能。
• 安装设置：可以配置车道软件的运行参数。如设置本站代码、入口最近站、入口最远站和车道设备连接情况等。
3.2.2收费站
• 收费管理：处理收费员的交接班；各种报表的打印、处理各类非正常卡和卡分布查询。
• 收费监控：用数字化方式实时监控收费车道的操作情况，如可实时判断冲卡车、紧急车和其它车辆出入口放行情况是否正常等。
• 自动领卡：收费员投卡，领卡。
• 图象抓拍：浏览各车道、收费亭、广场的图象，并且对违章车辆、免费车辆抓成数字照片并存储在本地服务器上。
• 后台处理：处理各站从车道上传的原始数据，生成各种报表。
3.2.3收费中心
• 收费管理：收费系统数据表维护；各类收费参数和费率表的下发；卡分布查询等。
• 收费报表：对整个系统的报表进行打印。
• 制卡管理：制作各类IC卡。如通行卡、公务卡、身份卡和预付卡等。
• 图象浏览：浏览整个收费系统各站的图象和抓拍的图片。
• 后台处理：处理各站从车道上传的原始数据，生成各种报表。
4 实现技术
4.1数据传输技术
4.1.1数据分布设计
由于高速公路收费业务是每天二十四小时不间断收费，要求在车道与收费站、收费站与收费中心通讯中断情况下，车道和收费站计算机能够独立工作。因此，收费系统的数据分布在三级结构中，即车道计算机存放本车道的数据、收费站存放本收费站所有车道的数据、收费中心存放本收费中心所辖收费站的数据，数据在各级冗余存放。这样，在通讯中断时，先将数据存放在本地，待通讯恢复正常时，再将存放本地的数据上报收费站或收费中心。收费站和收费中心计算机网络构成一个标准的局域网，前台计算机与服务器构成客户机/服务器体系，便于收费站、收费中心处理数据。系统数据流如图3所示。
图3 系统数据流图
4.1.2实现原理
收费系统通讯平台应该具有灵活性，能够适应不同的网络结构，SQL SERVER7.0虽然支持数据库复制（Replication），但配置维护非常复杂，容易发生复制阻塞。出现此情况需专业人员才能调整。
另外复制速度也是个问题，并且无法知道对方是否已成功收到数据信息。为此，佛开高速公路收费系统采用了具备断点续传、支持TCP/IP协议、异步通讯和广播等多种功能的通讯软件包，并使其同数据库紧密集成，有效解决了车道、站和中心之间的数据实时传输。其编程模型如图4。
图4 数据传输编程模型
佛开收费车道、收费站和收费中心之间的数据传输使用无连接协议（系统采用UDP协议）SOCKET接口进行网络通信的。为了防止突然掉电而导致数据丢失，系统采用了具备特殊循环队列结构的文件缓冲池作为传输中介，该文件前1024个字节存储多项指针，上传一条原始明细数据，相关指针值自动加一，并将原始明细数据写入数据库，同时根据指针值的变化来判断上传数据是否已经写入数据库，经过这样处理后，系统不会丢数据且具备了断点续传功能。在用WINSOCK编制程序时，可按以下步骤处理：①客户机和服务器都需建立一个SOCKET；②客户机和服务器都需配置一个SOCKET，即需配置本地和远地主机的IP地址、本地和远地进程的协议端口、传输使用的协议；③客户机和服务器采用文件缓冲池作中介，使用SOCKET收发数据。
4.2图像抓拍和图片管理技术
佛开高速公路每个车道都装有摄像机，视频信号传递到收费站，当有免费车或特殊车辆通过车道时，车道计算机通过网络向收费站CCTV计算机发送抓拍信号，由收费站CCTV计算机将相应车道的视频信号切换（通过切换器或视频卡）进计算机，并冻结图像保存为JPG图片，同时将抓拍的车道号、收费员、时间、抓拍原因、费额存入数据库中便于图片检索。图片采用文件名循环使用的方法，新图片自动覆盖以前图片。即文件名从“PICT0001”至“PICT9999”循环使用，自动覆盖以前的抓拍图片，构成一个简易的FIFO队列。收费中心需要统一管理各站的多媒体图片，若采用通讯方式将各站的图片传输到收费中心则会给收费系统网络带来很大的通讯量。因此采用“分布式存储，集中式管理”，将各站图片只存放在本站服务器上，不向中心传输，使系统效率大大提高。同时各站存储图片的数据索引信息传输到收费中心，中心通过CCTV软件可以检索存放在数据库里的抓拍图片信息，并通过内置的非交互式FTP随时将收费站图片文件抓取到中心浏览打印。这一过程对用户来说是透明的，不会觉察到图片不在本地。
4.3收费站和收费中心前台管理软件的实现技术
收费站、收费中心管理软件是基于客户机/服务器的体系进行编制，使整个软件系统具有良好的可扩展性、可移植性和可开放性。其编程原理如图5. 
图5 编程原理图
客户端通过BDE引擎和服务器连接，从客户端发SQL命令请求给服务器,服务器响应客户端命令请求,进行数据库操作,并将结果返回给客户端。收费站财务交接班、站和中心打印的各类报表和收费情况查询都是通过这种方法实现的。
4.4系统安全技术
收费系统软件的安全体系是一个综合系统，它体现在数据的安全上。佛开收费系统安全体系由上到下可分为以下四层：
（1）网络层：局域网内的资源共享有级别之分，服务器资源不共享；局域网间的资源访问要求提供口令。
（2）操作系统层： NT SERVER4.0提供整体C2等级的安全防护措施和RAID LEVEL 5级的容错能力。
（3）数据库层：集成NT SERVER 和SQL SERVER 的安全连接机制；支持自动备份。
（4）应用软件层：进入各应用软件前必须使用身份编号和密码登录并有权限之分；所有操作记入日志传到中心，中心可浏览查询；另对重要表的触发器编程，使得如费率表（FEE）、人员表(TOLL）、系统参数表（SYSRARA）的增加、修改和删除操作内容都记入日志，以此追究恶意破坏者的责任。
4.5外设控制技术
车道控制机和许多收费现场设备（如读写器、费额显示器、字符叠加器等）相连并控制各设备。
车道软件主要是处理收费流程，同时也控制各相关设备的动作。系统通过控制车道控制机的I/O接口板上的A、B、C口寄存器及控制寄存器来控制电动栏杆、费额显示器等外部设备的动作，使其符合收费过程逻辑。
4.6统计图表实现技术
为了用各种图形分析收费额、车流量数据，系统运用了TDBchart ActiveX控件分别实现了车流量、收费额的曲线图、饼图和立方图。软件开发可按如下步骤进行：（1）设置TDBchart图形类型及外观属性；（2）设置TDBchart的数据源属性；（3）连接数据源，显示图形。
5 佛开收费系统的特点
5.1特殊情况处理选项化
考虑到营运管理的经常性变化，软件对各种特殊情况处理均采用选项化，提供多种功能选项，由用户自行选择设置，提高整个系统的灵活性和适应性。如对于出口车辆改型问题，系统提供三种选择：第三方确认、通讯申请收费站和不允许。
5.2拆分帐表格化
由于佛开高速公路与其他高速公路主线相连，并且之间不设置主线收费站，因此存在拆分帐问题。而拆分帐一般采用计算公式计算，带来拆分帐不灵活，更改公式不方便。在佛开收费系统中，拆分帐采用表格化方式，与费率表合二为一构成拆分帐费率表，计算机拆分采用查表得到，没有计算误差，可根据用户要求精确到0.01分。更改费率和拆分帐公式时不需要改程序，只需改拆分帐费率表即可。
5.3报表计算实时后台化
报表在后台实时计算，操作人员打印报表时，报表早已计算完毕，提高了报表速度，提高人的工作效率。
5.4数据维护可靠
提供安全备份（完全备份）、数据备份（增量备份）两种备份方式，备份介质采用光盘，备份操作实行系统自动定时备份。
6 结束语
目前，高速公路收费系统的开发只是满足单个营运收费公司的管理要求。随着高速公路的建设发展，全省乃至全国性的联网收费必然是大势所趋，软件功能也必须走标准化道路，届时，现行的客户机/服务器体系的软件开发将面临着挑战，而开发分布式应用程序是满足不同营运公司要求的一种有效途径。
(郭勇佳 都志文)
