1、LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕 业 设 计题 目 基 于 DSRC 技 术 的 高 速 公 路 ETC 系 统 设 计 与 实 现 学 生 姓 名 学 号 专 业 班 级 指 导 教 师 学 院 计 算 机 与 通 信 学 院 答 辩 日 期 2015 年 6 月 15 日 基于 DSRC 技术的高速公路 ETC 系统设计与实现Design and implementation of ETC system based on DSRC technology兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计摘要电子不停车收费系统（ETC）一直都是智能交通系统主要服务对象之一
2、，它是国际上正在努力推广、开发的一种用于大桥、隧道、道路的电子收费系统。本设计在对国内外的不停车收费系统及 DSRC 技术的研究和发展现状进行了分析的基础上，对DSRC 数据链路层中的媒介访问控制子层 (MAC)和逻辑链路控制子层(LLC)进行了设计。针对当前公路联网收费系统存在的二义性道路等问题，提出了基于 DSRC 技术的解决方案，并就方案所需要的 DSRC 设备的关键参数模拟实际路况进行验证。最终提出了基于 5.8GHz DSRC 技术的公路联网收费系统的整体解决方案，并验证了其可靠性。关键词：ETC系统；专用短程通信；路侧单元；车载单元；数据链路层兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计
3、AbstractElectronic Toll Collection System (ETC) has been the main target of the intelligent transportation system, which the international community is trying to promote the development of the electronic toll collection system for bridges, tunnels, roads. This design is based on the analysis of the
4、research and development status of the parking toll system and DSRC technology both at home and abroad, the media access control sub layer (MAC) and logical link control (LLC) of DSRC data link layer are designed.Highway Toll System for the current existence of roads ambiguity problem, a solution ba
5、sed on DSRC technology, and verified on the key parameters required for simulation program DSRC device actual road conditions. The overall solution of the toll system of highway network based on DSRC 5.8GHz technology is proposed, its reliability is verified too.Keywords：Electronic Toll Collection;
6、Dedicated Short Range Communication; Road-Side Units; On-Board Units; Data Link Layer兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计目录第 1 章 绪论 .11.1 ETC 系统的研究背景 .11.2 本次设计的目的和意义 .11.3 国内外 ETC 标准化进展 .21.3.1 美国的 ETC 标准化进展 .21.3.2 欧洲的 ETC 标准化进展 .31.3.3 日本的 ETC 标准化进展 .31.3.4 中国的 ETC 标准化进展 .3第 2 章 电子不停车收费系统（ETC） .52.1 ETC 系统的总体构成 .
7、52.2 ETC 系统的工作原理 .62.3 ETC 车道系统结构 .62.4 ETC 专用车道系统操作流程 .92.4.1 ETC 出口专用车道系统操作流程 .92.4.2 ETC 非合建入口专用车道系统操作流程 .92.5 ETC 系统的收费技术和收费方式 .102.6 ETC 系统的技术特点 .10第 3 章 DSRC 协议的基本理论 .123.1 DSRC 协议介绍 .123.2 DSRC 协议的功能 .133.3 DSRC 协议的结构模型 .143.4 我国的 DSRC 协议结构分析 .153.4.1 DSRC 协议的物理层 .163.4.2 DSRC 协议的数据链路层 .173.4
8、.3 DSRC 协议的应用层 .18第 4 章 DSRC 协议在数据链路层上的设计与封装 .194.1 DSRC 协议的串行通信方式 .194.1.1 串口通信数据帧格式 .194.1.2 特殊字节转义处理 .20兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计4.1.3 命令的应答要求 .204.1.4 串口通信流程 .204.2 PC 指令数据结构 .214.3 RSU 信息帧 .27第 5 章 DSRC 协议在 ETC 系统整体构架下的测试 .385.1 测试环境搭建和准备 .385.2 测试内容及结果 .395.2.1 功能性测试 .395.2.2 可靠性测试 .425.2.3 稳定性测试 .4
9、3总结 .44参考文献 .45附录 .46致谢 .77兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计1第 1 章 绪论1.1 ETC 系统的研究背景电子不停车收费系统一直都是智能交通系统主要服务对象中的一员，而且它也是国际上正在努力推广和开发的一种用于大桥、隧道、道路的电子收费系统。ETC 技术很早就已经在国外发展起来了，欧洲、美国等许多国家和地区已基本建成了四通八达的现代化国家道路网，我国采用以人工收费方式为主，以 IC 卡、磁卡为介质的高速公路联网收费方式也受到了影响。联网收费是指在全省高速公路实行“统一收费、系统分帐”的收费管理方式。目前大部分的高速公路收费系统仍采用是的传统的人工收费，当车流量
10、大幅度增加的时候，传统人工收费方式的效率和通行能力都比较低，这样造成的交通拥挤和堵塞现象越来越严重，由此带来的交通污染及交通事故也越来越多。经过长期广泛的研究以及经验教训表明：单纯依靠修筑更多的道路和扩大路网的规模来解决日益增长的交通需求很明显是不明智的。随着电子计算机技术和通信技术的快速发展，促使我国不断地引进 ETC 系统，利用现代化的各种有利高新技术来改造现有的道路运输系统及管理体系，来达到大幅度提高路网的通行能力和道路使用效率的目的 1。1.2 本次设计的目的和意义目前，国内的许多高速公路采用的是企业征收通行费还贷的方式建设，但每一路都需要设站的方式对高速公路的高效运转造成了严重的影响
11、，传统的收费方式已经适应不了高速公路收费管理的需要 2。 “收费站塞车”的现象已经是一个比较严重的社会现象，同时也给路、桥及隧道的使用带来了许多不好的影响，具体表现如下：（1）人工收费速度慢、效率低，大大降低了路网通行能力和服务水平，同时造成了交通拥堵，变成了目前高速公路发挥最大效率的严重阻碍；（2）车辆连续的启动刹车造成能源的浪费，污染了环境，加快车辆部件的磨损速度，带来了诸多交通隐患；（3）在收费现场进行现金交易，这导致贪污和舞弊现象时不时的发生，造成了资金的流失；（4）对收费的费率不好调整，对收费方式很难更改；（5）系统的外延性及兼容性比较差，没有办法为机动车辆的使用者提供方便、快捷的综
12、合收费服务。ETC 系统却能使车辆快速不停车的通过收费站，具有人工收费没法比的优越性：兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计2（1）很大程度的提高了公路的服务水平及通行能力，交通运行也更加地高效与畅通，收费管理更加方便、有效，同时解决了由人工收费引起的交通拥堵现象；（2） 高速公路联网收费变得电子化，降低了收费管理成本的同时提高了车辆的运营效益，也大大降低了收费口因拥堵造成的车辆耽误、工时损失、能源消耗及环境污染等问题；（3）提高了社会经济效益和管理水平；（4）由于其自动化程度高，这样减轻了工作人员的劳动强度，也改变了工作环境，节约了大量的人力以及物力，而且容易调整收费费率、能够很简单的更改收
13、费方式，适合于不同的收费方式；（5）系统外延性、兼容性强；（6）避免了在现场进行现金交易，也减少了驾驶员携带现金以及事后要进行财务报销带来的麻烦，从根本上杜绝票款流失的漏洞，防止舞弊现象的发生，解决了高速公路收费中出现的财务管理混乱问题，保证公路收费的可靠性以及可控性，提高通行费的征收率。1.3 国内外 ETC 标准化进展专用短程通信最初研究起源于 80 年代的“自动公路通信系统” ，希望利用这个无线通信系统可以完成一系列的智能交通系统应用。后来，对“车辆信息与通信系统”的研究、 开发以及产品化又进一步的推动了人类对于专用短程通信的研究。19951996 年，政府和私人公司分别加入了电子不停车
14、收费系统的研究，他们开发出来的产品对后来制定的针对 ETC应用的 DSRC 标准起了指导性的作用。目前，国外的 DSRC 标准主要有 3 类：日本的 ARIB STDT75，欧洲的 ENV 12834、 ENVl2253、ENVl2795，美国的基于 900MHz 的 DSRC 标准。其余国家的 DSRC 标准都是参照以上三类标准制定的。我国参照国外 DSRC 标准发展的趋势，结合目前国内的 ETC 现状以及对 ITS 应用的服务需求分析，积极进行 DSRC 标准化的深入研究，希望制定既符合我国的实际情况，又兼顾先进性的 DSRC 标准。我国在“十五”科技攻关的项目中，把发展 DSRC 列为重
15、大攻关项目 3。1.3.1 美国的 ETC 标准化进展1992 年，ASTM 对北美地区的不同 ETC 技术进行评价，休斯公司提出的 DSRC 标准被ASTM 以 ASTM V6 草案的形式提交给各部门进行讨论，它的主要内容是：915MHz、TDMA 通信协议以及主动应答器。但是很不幸，该方案遭到了 Amtech、TI、MFS等公司的一致反对，他们建议采用 CEN 标准作为允许使用 915 MHz 系统的补充。因为CEN/TC 278 是欧洲国家多年努力得来的结果，己经进行了很广泛的试验。至于频率资源的问题，1997 年 5 月 19 日，美国智能交通协会向联邦通信委员会(FCC)提出将5.8
16、50GHz5.925GHz 频段分配给智能运输服务领域并保留 915MHz 用于近期 ETC 系统的兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计3申请。1998 年 6 月 11 日，在美国联邦通信委员会（FCC）的公开会上，5 位委员一致投票建议将 5.850GHz5.925GHz(75MHz)频段分配给运输服务领域的短程通信 4。1.3.2 欧洲的 ETC 标准化进展1994 年，CEN/TC 278 第 9 工作组开始了对于 DSRC 标准的起草工作，于 1995 年 2 月完成 ENV l2253“5.8GHz DSRC 物理层”和 ENV l2795“DSRC 数据链路层”草案的编制工作，
17、该草案于 1997 年 7 月最终获得各成员国的通过。ENN l2834 “DSRC 应用层”标准也于1997 年 9 月获得投票通过。CEN/TC278 DSRC 标准的主要特点是： 5.8 GHz 被动式微波通信、中等通信速率(上行链路速率：500kbps，下行链路速率： 250kbps)，调制方式为 ASK 和 BPSK。另外，欧洲的 Bosch、CGE 和 Combitech 还联合制定了“Global Specification for DSRC”和“Global Tolling Systom”厂商的统一标准，为不同 电子不停车收费系统的通用性做好了技术上的准备 5。1.3.3 日本
18、的 ETC 标准化进展在日本，推进智能交通系统被政府和企业提高到了很高的程度，这其中就包括了电子不停车收费。由于技术上的难度和协调问题，一直等到 1999 年才真正开始实施全国性的 ETC网络建设，首先建成的是东京附近的首都圈 ETC 工程。在总结了有关的经验之后，从 2000年开始了大坂、名古屋等多条高速公路的 ETC 建设，共计约 100 多个收费站，400 多条ETC 车道。按计划应该于 2001 年初投入运行，但是由于存在联网调试上的难度，到目前为止仍在进行中。日本采用的是接触式 CPU 卡加两片式电子标签和双 ETC 天线的方案，车道设双向打开的高速栏杆，无人值守，具有很高的安全性和
19、车道通行能力，有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系，但车道系统投资和电子标签的成本都很高，与我国的公众消费水平有很大的差距，道路运营公司难以接受。1.3.4 中国的 ETC 标准化进展 1996 年 10 月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就 ETC 收费系统进行了中日技术交流和现场演示会，参加会议的各省交通厅及公路管理部门的领导和专家都对此项技术表示了很大兴趣。1996 年底，首都高速公路发展公司与美国 Amtech 公司在首都机场高速公路进行了不停车收费试验。到 1998 年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国 T1 公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南海等地建立了 2
20、0 多条不停车收费车道并且投入使用。但是该系统工作在 915MHz 频段，而该频段在我们国家已经分配给了移动通信使用，并且与我国即将采用的 5.8GHz 标准不符。综上所述，尽管国外的电子不停车收费系统运行很成功，而且也具有一定特色，但是有些技术特点和运营方法能否适合我国，需要结合我国道路使用者的行为特点进行深入评估分兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计4析。以车道部分为例：有专用车道和混合车道，有收费员值班管理和无人值班管理，有设高速栏杆和不设栏杆，有低速通行模式和高速通行模式。从违章逃费行为的处理看：有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。如果 ETC 运营模式不能够很好地提供不停车快速通行的服务，不能减少收费的值班人员，那么将没办法体现出其明显的吸引力，推广应用的前景也将无疑受到影响 7。
