基于聯網收費系統的快速發卡軟件設計與實現

李想

（河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050051）

基于聯網收費系統的快速發卡軟件設計與實現

李想

（河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050051）

為使高速公路通行卡發放流程適應日益增長的車流量的需要，提升行業服務水平，消除“車等卡”的瓶頸，設計了一種VC++環境下基于高速公路聯網收費系統的快速發卡軟件。基于該軟件的工作原理和模塊構成，對軟件使用的多線程技術應用、互斥鎖機制、狀態轉換器、防砸車模塊關鍵技術進行了詳細描述，同時對軟件界面的人性化操作、交易存儲隊列、特殊車輛處理等功能完善情況加以說明。以青銀高速公路（河北段）為應用案例進行軟件功能性測試，結果顯示各項指標均達到預期效果。選取相對理想的道路條件、交通條件和環境條件，采用車輛通行時間、離開時間和時間調節系數對快速發卡車道通行能力進行評估，結果顯示：車道發卡速度較傳統模式明顯提升。該軟件現已在多條高速公路推廣使用。

聯網收費系統；快速發卡；多線程；互斥；狀態轉換

0 引言

高速公路聯網收費系統主要實施、運行于路網內的各條（段）高速公路上。我國某些省份由于高速公路的建設時間、周期和建管單位不同，造成高速公路建成通車后，各條（段）高速公路管理處（公司）對自已建管的路段進行獨立管理，設置了封閉的收費管理設施，即在路段兩端設置主線收費站。而隨著高速公路路網的成型，“高接高”后造成原來一段路兩端的主線收費站變成了路網內部的主線收費站，且越是高速公路集中交匯地附近，主線站越多，如石家莊附近就有四個主線站，通行車輛多次領卡交費的矛盾日益嚴重。這種現象不僅給高速公路使用者帶來了諸多不便，而且與高速公路暢通、快捷的定位很不相稱[1]，極大地影響了車輛的通行效率。河北省正式實行高速公路聯網收費以后，以片區為單位統一高速公路聯網收費軟件，實現進入路網車輛只需要領卡、繳費一次，使得發卡收費工作變得更加規范有序，從根本上提高了服務水平和通行能力。

近年來，隨著國民生活水平的大幅提高，高速公路已逐漸成為大眾出行的重要方式，但整體存在入口發卡速度慢、車輛排隊等待時間長的問題，經常出現高速公路“不高速”的現象。研究發現，傳統聯網收費系統已不能適應車流量增長形勢的需要，嚴重制約著入口車道的通行能力，例如：操作時需車輛到達崗亭窗口處，觸發到達線圈后收費員才可進行發卡，即車輛從進入車道至行駛到窗口前，收費人員處于無法操作狀態，這不同程度地加大了后車等候時長，增加了司乘人員的負面情緒，嚴重影響了高速公路的社會形象。因此，如何在不增加車道的情況下提高人工發卡速度以緩解站口積壓車流和提高運營水平已成為重要的研究課題。

截至目前，關于人工快速發卡的研究相對較少，現有的研究主要著眼于發卡模式和快速發卡的影響因素分析，通過對比新舊兩種發卡模式建立新的發卡流程及車道設備布設模型等，多偏重于宏觀理論研究。例如：文獻[2]闡述的人工快速發卡模式，通過對原有硬件設備及軟件流程進行部分修改后，以先輸入車型后進行車牌抓拍的方式，極大地縮短了車輛等待發卡時間，同時指出收費員在夜班期間疲勞狀態下或長時間注視顯示器等情況下會出現精力不集中而影響發卡速度；文獻[3]、[4]提出通過增加抓拍線圈，將車牌識別攝像機前移，變原來抓拍線圈為防砸線圈，對發卡流程進行調整等，整體缺乏對軟件系統構思、具體實現方法和關鍵性技術等的更深層次研究。

本文基于聯網收費系統，設計了一種快速發卡軟件，重點從軟件總體架構設計、數據和應用層關鍵技術設計與實現、軟件功能和車道通行能力測試三個角度，研究了如何保證軟件按需求高效運行，更好地兼容硬件設備，提高車道通行能力，實現人工快速發卡，在理論與實踐方面均有所創新。該軟件達到了預期效果，現已在多條高速公路推廣使用。

1 快速發卡軟件總體設計

1.1 軟件設計思想及工作流程

本文研發的快速發卡軟件是基于聯網收費系統架構，在Microsoft Visual C++環境下編譯實現的，很好地繼承了原系統的框架體系，方便了類和數據庫的管理[5]。通過對SQL-Server[6]數據庫進行優化，增加車牌抓拍隊列、快速發卡處理線程和防砸車模塊，使得車牌連續存儲數量達三個以上，保證連續發卡時信息順次對應。其中防砸車模塊設計是利用計數器與線圈狀態邏輯關系保證車輛“一車一落桿”，不出現砸車、漏車情況。與此同時，將多線程工作、互斥鎖、狀態轉換器等關鍵技術應用其中，保證程序高效、有序地執行，避免多線程對共享內存進行讀寫操作時引發競爭，從而實現了系統快速發卡。軟件總體設計及流程如圖1所示。

1.2 軟件設計原則

由于車道收費系統直接檢測和控制很多外圍設備，且外圍設備控制方式和協議等均可能改變，故本軟件定義了新的硬件驅動層和硬件抽象層，削弱了硬件設備對軟件的影響。設計中，嚴格遵循如下原則。

（1）嚴格禁止穿層調用和功能模塊間的相互調用。

（2）層間數據通信方式：設備驅動層與抽象層間采用參數傳遞方式；組件層與流程引擎間采用全局數據傳遞方式；分發控制器與抽象層間采用消息和全局數據傳遞方式；分發控制器與流程引擎間采用全局數據傳遞方式，并用事件作為二者之間的同步。

（3）統一的錯誤處理機制：對于過程性的調用，統一定義返回值的含義。

（4）對于程序中的常量，統一定義于一個名為constudef.h的文件中，而不直接在程序中使用常量值。

（5）將配置文件、快速發卡線程等的初始化工作集中在主線程中，使用時可通過獲取句柄直接使用各種對象實例。

（6）變量函數等的命名規則統一。

圖1 軟件總體設計及工作流程

2 快速發卡軟件關鍵技術設計與應用

2.1 多線程技術應用

采用多線程技術的應用程序可以較好地利用系統資源，其優勢在于充分利用CPU的空余時間片，用盡可能少的時間來對用戶的要求作出響應，使得線程的整體效率得到提高，同時增強了應用程序的靈活性[7]。傳統聯網收費軟件發卡需經過“車輛停穩-車牌抓拍-收費員輸入車型-出卡-車輛離開-落桿”的過程，此時未對后面車輛進行任何信息處理，顯然降低了發卡效率和CPU利用率。在程序等候輸入期間，執行單元利用率會明顯下降，程序中缺乏多線程并行計算處理[8]，這些都造成車道機CPU性能未能充分發揮。快速發卡軟件則在主線程中添加了多個功能子線程，線程間彼此獨立，靠消息進行通信，這就使得不同任務間的協調操作與運行、數據交互、資源分配等問題更加易于解決。該軟件可實現攝像機連續抓拍，收費員預判車型并錄入系統，連續進行多輛車的發卡操作，計算機調動系統資源并行處置發卡過程中的各環節，極大地提高了處理效率。為了保證軟硬件聯動時資源利用率達到最佳狀態，在軟件中加入緩沖機制，避免因系統資源過度使用導致死機。

車牌抓拍線程函數原型及其描述如下：

2.2 互斥鎖技術應用

為了使多個進程之間溝通順暢有序，系統必須提供一種同步機制保證線程之間的協同工作。在快速發卡軟件中，多個線程都要對內存進行數據讀寫：當一個線程在執行寫操作的過程中如何不被其他的進程打斷，以確保寫入數據完整；當一個線程執行讀操作的過程中，如何使內存資源不被修改，保證讀取信息實時準確。以上這些都是需要考慮的問題。在軟件設計中，加入互斥鎖設計可以很好地解決上述問題。互斥鎖[9-10]是用來保證一段時間內只有一個線程在執行的一段代碼，快速發卡軟件的邏輯流程和變量調取較傳統發卡系統復雜很多，可能出現資源競爭調用。為保證數據操作安全，軟件對全局變量、公有對象添加“互斥鎖”標識，通過加解鎖標識來保證在任一時刻，只能有一個線程訪問該對象。為保證不出現死鎖等情況，互斥鎖設計遵循如下原則：

（1）獲得鎖是對共享資源操作的前提；

（2）完成操作以后立即釋放鎖；

（3）線程報錯退出時應該釋放它所占用的鎖。

使用的互斥鎖基類定義如下：

2.3 狀態轉換器技術應用

狀態轉換器通過16進制字段來控制下一階段的狀態。配置文件中預先宏定義好各初始狀態、各步驟控制字段，通過主線程初始化到狀態轉換模塊中，然后由轉換器記錄各階段的當前狀態，并在收到該狀態執行結束響應時，指示下一步操作。通過設計狀態轉化器和配置文件更改狀態變量，可使程序轉換有條不紊地按規定邏輯執行。后期流程發生變化或功能拓展時，只需調整配置文件中的宏即可。狀態轉換的工作流程如圖2所示。

圖2 狀態轉換工作流程

2.4 防砸車模塊設計與應用

為更好地實現“一車一落桿”，保證車輛通過時不出現砸車、不領卡上道的情況，快速發卡軟件設計了防砸車模塊。該模塊主要包括發卡計數器、車輛離開計數器、線圈狀態判別器。軟件根據線圈狀態、計數值，判斷多輛車進入車道后的位置分布，控制欄桿機智能起降。快速發卡車道線圈預置位置為：抓拍線圈距崗亭中心線7m；欄桿機距崗亭中心線8m；防砸線圈距崗亭中心線3m。軟件設計中，線圈狀態“1”表示感應區有車存在，“0”表示感應區無車存在。發卡計數器與車輛離開計數器之和為車道中現存車輛數。計數器、線圈狀態、欄桿機狀態之間的邏輯狀態變化如表1所示。

表1 邏輯狀態變化

2.5 其他技術設計與應用

快速發卡軟件在傳統收費軟件架構上采用分層式結構設計[11]，研發時預定義了各設計層面的接口，以便后期維護拓展。同時，軟件對原功能具有向前繼承性，對原有操作界面進行了優化，實現了功能智能化和操作人性化。

（1）人工操作車輛信息審核模塊功能完善

傳統發卡軟件是“先抓拍車牌后輸入車型”，車牌和車型錄入界面是用來完成用戶操作的直接界面，故將其視為單純的輸出設備，但由于其特殊性，系統將其單獨作為一個模塊。快速發卡軟件配合新發卡操作流程，將界面調整為“車型和車牌同時輸入”，不再采用彈出對話框的方式，而是在界面上開辟不同的功能區加以代替，從而簡化了消息的處理流程；當車型和車牌出現不符時可以切換修改，使操作更加人性化。快速發卡軟件的操作界面如圖3所示。

圖3 發卡操作界面

（2）增加車牌存儲隊列

抓拍攝像機前置后，車輛排隊通過時會連續抓拍多張車牌。為確保通行車輛與軟件發卡界面內的車輛一一對應，軟件中增加了車牌存儲隊列。該隊列設計使用在頭結點后插入新結點的操作受限線性表，采取“先入先出”的方式進行車牌存取，其中結點數量（車牌存儲數量）可人工設置。

（3）ETC車輛發散卡計數修正

當司機直接刷ETC卡時，發卡計數+1；當發出普通通行卡在先，司機出示并刷ETC卡在后時，系統將自動對比散卡與ETC卡中存儲的車牌，如果一致則發卡計數不增減，防止因二次刷卡導致的車道無車但欄桿機不落的情況。

（4）車牌一鍵取回

傳統發卡軟件中，當散卡已經發出時，該車車牌即消失，進行二次操作時就需手工輸入車牌。相比而言，快速發卡軟件設計了“一鍵取回”功能，通過按鍵可取回上一輛車牌，操作方便快捷。

（5）交易緩沖設置

鑒于人工預判信息的不確定性，發出散卡的情況在所難免，為保證交易信息準確上傳，便于日后進行數據分析，軟件在處理當前發卡操作時會對前三條發卡交易信息進行緩沖，通過比對前后兩條交易的車牌、車型等細節判定是否為特殊交易，同時在其中加注特殊處理標簽，當第四輛車發卡完畢后，傳輸第一條交易信息到站級收費服務器中，發卡員執行下班操作時，把內存中的剩余交易信息全部上傳。

（6）優化字符疊加功能

當線圈檢測到車輛到達抓拍區域時，攝像機抓拍入口圖片并通知軟件提取系統時間、入口站等信息進行疊加，將圖片預置路徑與通行卡綁定，確保日后調取的車輛信息準確無誤。

（7）抓拍“無車牌”容錯清除機制

抓拍中若出現“無車牌”，主要可分為兩種情況：一是車道在關閉過程中，金屬物體誤觸發到達線圈導致攝像機進行抓拍；二是因為車牌污損、外界光線過明或過暗等因素導致攝像機識別率下降。鑒于此，快速發卡軟件中加入容錯清除機制，定時輪詢車道狀態：當接受輪詢的車道反饋為非開放狀態時，系統將清空車牌存儲隊列；當反饋為工作狀態時，系統會在“無車牌”后增加數字0～9進行區分，如“無車牌6”，從而保證車輛入口圖片一一對應。

3 試驗測試與通行能力評估

3.1 試驗設計

為驗證快速發卡軟件的使用流程及效果，選取河北省高速公路青銀管理處寧晉收費站為試驗場，采用大、小型車混合通行模式進行測試，其中車輛以10km/h的平均速度通過車道。硬件設備主要包括車道工控機、欄桿機、抓拍攝像機、線圈等，灌裝“快速發卡測試軟件QY—V1.0.0.0”。試驗車道如示意圖4所示。

圖4 試驗車道示意圖

3.2 功能測試

功能測試主要關注的指標有：多車牌抓拍存儲、欄桿機起落狀態、ETC[12-13]車輛處理功能、發卡速度、特殊情況處理、發卡軟件人性化操作等。通過測試用例對快速發卡軟件各功能項進行測試，發現發卡速度較傳統模式提高了1～2倍，欄桿機起降正常，車輛有序通過，未出現砸車和跟車闖口情況，試驗達到了預期效果。測試用例及結果如表2所示。

表2 測試用例及結果

表2 （續）

3.3 車道通行能力測試評估

車道通行能力是指在良好的天氣條件，通常的道路條件、交通條件和收費手段下，車輛形成排隊而且收費員始終處于繁忙狀況時，單位時間內收費車道所能處理的最大車輛數。根據收費站交通流情況，一般以小時當量小汽車為單位進行統計[14]。

在裝有快速發卡軟件的車道通行能力評估中，使用車輛通行時間和離開時間來計算車道通行能力。離開時間是指ETC車輛駛離線圈到下一輛車到達觸發線圈的時間間隔。快速發卡車道車輛通過收費站時，通行速度是一個呈下拋物線型的緩慢變化的過程，離開時間應乘以一個0～1的調節系數，以便更準確地計算快速發卡車道通行能力，其模型為：

式中：Ck為快速發卡車道的基本通行能力；Ts為標準車通行時間；Tg為標準車離開時間；k為標準車離開時間調節系數。

快速發卡車道的理想道路條件是：收費車道的寬度不小于3m，收費島的寬度不小于2.2m，收費島的長度不小于30m，收費廣場具有開闊的視野、良好的平面線形和路面情況；理想的交通條件是指車輛組成為單一的標準車型，即小汽車，車輛之間保持適當的車頭時距[15]；理想的環境條件是指快速發卡系統性能穩定，檢測線圈觸發正常，車牌抓拍系統運行正常，欄桿機等軟硬件環境正常，快速發卡系統沒有任何不可靠因素干擾，車輛交易成功率為100%。

在現有的技術水平和交通狀況下，因車牌抓拍攝像機等硬件設備運行中，存在一定的故障率，因此實際觀測的快速發卡車道一般都不能滿足理想條件[16]。但是，根據標準車的通行時間和離開時間，可以計算出每條快速發卡車道的基本通行能力。在快速發卡軟件中，設計了車牌抓拍隊列，允許多輛車同時進入車道，即在同一時刻，車道中可存在多輛車接受服務，這就會導致Tg出現負值。當第i輛車正在領卡通過并離開線圈時，第i+1輛車甚至第i+2輛車已經進入收費車道。根據式（1）進行車道通行能力分析時，標準車通行時間Ts與修正后的標準車離開時間kTg之和小于標準車通行時間Ts。

在青銀高速（河北段）寧晉收費站相對比較理想的道路條件、交通條件和環境條件下，對快速發卡車道進行測試，當車輛速度保持在10km/h時，車輛安全距離根據實際情況不得少于3m，小汽車車長取4m，收費車道抓拍線圈到離開線圈距離為20m，按照以上參考值進行計算得知：每輛小汽車通過車道的時間約為10s。在這10s內車道內接受服務的車輛數不再限制為1輛，按照快速發卡系統軟件設計以及實際車道情況，每條車道內至少可允許3輛車通過，在第一輛車通過并離開線圈時，實際車道內仍有兩輛車同時接受服務，即在第一輛車通過的同時，第二輛車和第三輛車已經在車道內。因此在理想狀態下，即理想的道路條件、理想的交通條件和理想的環境條件下，理想快速發卡車道的理論通行能力可達到每小時1 200輛當量小汽車。實際的道路條件、交通條件和環境條件并不能夠使車輛行駛在理想狀態下，因此對理論通行能力進行折算，快速發卡車道的車道通行能力可達到每小時1 000輛以上當量小汽車。安裝傳統發卡軟件的車道設計通行能力為每小時350輛當量小汽車，可見應用快速發卡軟件之后，通行能力得以大大提升。根據《公路運行能力手冊》對一級服務的定義：對于入口領卡車輛，雖然進入收費站時前面可能已經有很多車輛，但由于服務時間短、排隊消散很快，故服務水平隨之得以提升。

4 結語

本文首先對快速發卡軟件的總體設計進行了較為詳細的描述，隨后對軟件應用的關鍵技術、防砸車功能設計做了深入分析與研究，并對其他技術加以說明，最后通過實地測試和試運行驗證了設計的可行性。目前，快速發卡軟件已在青銀高速（河北段）全線、河北省多條高速公路推廣使用，其效果受到了各界媒體的廣泛關注和報道。實例證明，該軟件的研發成功降低了車輛等候時長，避免了車輛領卡時的停車、起步環節，降低了油耗，實現了節能減排，提高了運營服務水平，可為高速公路發卡系統軟件的進一步研發、實施與運營提供參考。

不過，本文研發的軟件在真正實現不停車快速發卡，更進一步提高發卡速度和正確率方面，還存在不足。在下一步工作中，還需在快速發卡軟件中對收費鍵盤動態庫，如：字母鍵、方向鍵的鍵值定義、功能函數鏈接等進行補充完善。另外，河北省高速公路現有車道控制機安裝的Windows操作系統全天候連續工作，可能會出現系統運行變慢而影響發卡速度的情況。同時，保護系統網絡安全不受病毒侵害也是應當考慮的重要問題，采用系統占用資源少、內核優化、更加開源和安全的操作系統將是發展的主流趨勢。為更好地適應未來需要，快速發卡軟件還將進一步提高適應性和跨平臺兼容能力，這會對保證軟件生命力和促進軟件推廣起到至關重要的作用。

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Design and Realization of Quick Issuing Toll Card Software Based on Networked Toll Collection System

LI Xiang
(Hebei Expressway Qingyin Administration Office,Shijiazhuang 050051,China)

In order to improve the quality of service and eliminate the‘Car Waits Card’bottleneck,a quick issuing toll cards software based on expressway networked toll collection system was designed in Microsoft Visual C++environment to make the issuing procedure suit the rapid growing traffic flow. Based on the working principles and module structures of the software,some key technologies such as the application of multithreading technology,mutex lock mechanism,anti smashing module were pro?posed,and the humanized operations of software interfaces,transactional storage queue and special vehi?cles processing were introduced.The functions of the software were tested to achieve the expected goal by the case of Qingdao-Yinchuan Expressway(Hebei section).In relatively good road conditions,traffic condition and environmental condition,the traffic capacity of each lane where cards were quickly issued was evaluated in terms of vehicle's transit time,departure time and time adjustment coefficient.The re?sult shows that the speed of issuing cards using the software is improved greatly compared with the tradi?tional way.The software has been applied in several expressways until now.

networked toll collection system;quick issuing toll card;multithreading;mutex;state transition

U495

：B

：2095-9931（2015）04-0081-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.04.012

2015-05-04

李想（1984—），男，河北容城人，工程師，碩士，研究方向為交通電子信息化。E-mail：53782887@qq.com。