AES數(shù)據(jù)加密算法在高速公路不停車收費系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李秀麗

(河北省高速公路石安管理處邢臺管理所)

不停車電子收費系統(tǒng)(ETC)是解決目前高速公路現(xiàn)有收費項目缺陷的一種最有效方式，它采用無線自動通信技術(shù)實現(xiàn)自動收費，利用無線射頻技術(shù)等進行到來車輛感知，無需停車就能夠進行信息交互傳遞，完成收費、登記、建檔，放行等全部過程。此項技術(shù)節(jié)約了時間，將高速公路通行效率極大提升，減輕了能耗及磨損。在ETC 系統(tǒng)中應(yīng)用AES 數(shù)據(jù)加密算法，能夠?qū)τ嬎銠C里面的數(shù)據(jù)信息實施保護，確保計算機能夠可靠、安全運行。

1 不停車收費系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 不停車收費系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

不停車電子收費系統(tǒng)(ETC)包括ETC 管理中心、ETC收費車道、傳輸網(wǎng)絡(luò)、專業(yè)銀行、收費站管理系統(tǒng)等部分組成。依據(jù)系統(tǒng)功能的不同可以分為前臺部分和后臺部分兩大塊。前臺的核心為車道控制子系統(tǒng)，主要進行車輛上安裝的電子標簽與外設(shè)設(shè)備的控制管理，將各種與車輛相關(guān)信息進行記錄，實時向收費站管理系統(tǒng)傳遞信息;后臺主要包括ETC 管理中心、銀行以及收費站管理系統(tǒng)等。ETC 系統(tǒng)的最高管理層即為ETC 管理中心，它不但負責(zé)處理、交換數(shù)據(jù)和收費信息，還要進行管理。依據(jù)接受到的數(shù)據(jù)信息，后臺進行用戶、高速公路收費專營公司間的財務(wù)交易、結(jié)算，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行處理。

1.2 不停車收費系統(tǒng)的工作原理

ETC 系統(tǒng)采用的是微波自動識別技術(shù)，利用設(shè)備自動進行車輛收費，車輛上必須先安裝有電子標簽，這是汽車的電子標記，一般安裝于擋風(fēng)玻璃上，通過射頻信號的空間耦合進行數(shù)據(jù)交互。當車輛駛?cè)氩煌＼囀召M車道，射頻會將電子標簽上的信息進行自動讀取，并由車型識別設(shè)備自動檢測車輛車型。讀取的信息以及車型判別設(shè)備采集的數(shù)據(jù)會送至服務(wù)器進行比較，當電子卡(IC)里面的剩余金額≥應(yīng)繳金額，記錄車型和判別的車型無差別，則會認定此為有效卡;有一項不符則認為是無效卡。如果是有效卡，通行信號燈變綠，自動欄桿抬起放行;車輛駛離檢測范圍之后，信號燈變回紅色，并關(guān)閉自動欄桿。

2 車道系統(tǒng)設(shè)計

車道系統(tǒng)主要包括后臺管理、車道控制系統(tǒng)。后臺管理系統(tǒng)包括三部分:ETC 系統(tǒng)和外部系統(tǒng)接口、監(jiān)控以及管理系統(tǒng)等;車道控制系統(tǒng)包括:設(shè)備控制、車輛檢測與識別、通信、計費等系統(tǒng)。應(yīng)用模塊化方法進行設(shè)計，利用軟件配置運營參數(shù)。

3 自動識別車輛系統(tǒng)的設(shè)計

目前主要采用的車輛識別技術(shù)有三種:(1)射頻和微波AVI 系統(tǒng)。這是現(xiàn)今自動車輛識別的主流方式，通過微波通信技術(shù)傳送數(shù)據(jù)碼，采用微波系統(tǒng)的優(yōu)點為:使用高頻載波比電感耦合AVI 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率更高。載波波長密切關(guān)系著天線大小，所以實現(xiàn)了收發(fā)設(shè)備較小體積，但性能可靠的目的。(2)光學(xué)和紅外AVI 系統(tǒng)。車輛外面安裝有和條形碼類似的標簽，系統(tǒng)對其進行讀取，車輛的信息均由一系列線條進行表示，車輛在經(jīng)過讀取單元的時候，會將不同的光反射在讀取單元，系統(tǒng)進行自動識別，辨認車輛身份及信息。(3)圖像處理AVI 系統(tǒng)。此項系統(tǒng)由計算機處理系統(tǒng)、攝像機和圖像卡組成。攝像機先攝取圖像，轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng)實施預(yù)處理、識別車牌號碼、車型、顏色等。

4 ETC 基本組成部分和功能

不停車電子收費系統(tǒng)(ETC)關(guān)鍵技術(shù)有4 項:(1)車輛自動識別技術(shù)(AVI)。利用射頻識別等信息傳感設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)，進行智能化的管理、識別;(2)車型自動分類技術(shù)(AVC)。通過對車輛物理特點進行測量、感知，進而測算出車型;(3)短程通信技術(shù)(DSRC)。這是RFID 射頻識別的一種較長距離分辨技術(shù)，是實現(xiàn)不停車自動收費專用技術(shù);(4)逃費抓拍系統(tǒng)(VES)。此項功能的實現(xiàn)依據(jù)數(shù)字攝像、拍照、視頻錄像攝像、車牌識別技術(shù)實現(xiàn)。后臺系統(tǒng)、RSU 和OBU 以及車道控制器組成了不停車電子收費系統(tǒng)。

不停車電子收費系統(tǒng)入口車道主要負責(zé)控制RSU 及其信區(qū)域OBU 鏈路層，同時實現(xiàn)繳費讀卡設(shè)備、車載設(shè)備的雙向認證;對車輛基本信息警醒自動檢測記錄;利用無線裝置將信息傳送至計算機管理中心存儲;對外部設(shè)備進行控制，實現(xiàn)來往車輛攔截、放行;對系統(tǒng)設(shè)備進行檢測，一旦出現(xiàn)故障及時報警提示;攔截會、黑名單車輛并報警;出口車道所實現(xiàn)的功能為:依據(jù)數(shù)據(jù)信息、交易結(jié)果攔截或放行車輛，并將相關(guān)信息及時記錄，拍照存儲;對RSU 和OBU 鏈路層進行控制，經(jīng)過雙向認證無誤后實現(xiàn)錢包交易，將通行費用扣除;對數(shù)據(jù)進行雙向傳遞;一旦發(fā)現(xiàn)異常情況即刻報警提示，并將信息存儲。

5 ETC 系統(tǒng)的操作流程

不停車電子收費系統(tǒng)實現(xiàn)了車輛時速在幾十至幾百公里內(nèi)進行瞬時通過、繳費的功能，其系統(tǒng)操作流程為:車輛駛?cè)隕TC 車道接收信號范圍內(nèi)，通過車輛感測器，檢測并分析車身長度、車輛高度、車身軸距等基本信息，然后判斷出通過車輛的收費標準、車型信息等，并顯示在收費站顯示屏上。期間收費站和車載設(shè)備的天線會相互通訊，無線系統(tǒng)對車載記錄數(shù)據(jù)進行識別，對比ETC 車載單元記錄信息，對比結(jié)果無誤差，車輛信息正確便可放行，自動攔截桿抬起。下一輛車進入車道感應(yīng)范圍，系統(tǒng)會將顯示器調(diào)整為待機狀態(tài)。如果出現(xiàn)逃費車輛情況，系統(tǒng)會利用數(shù)字錄像系統(tǒng)對比車輛本身信息，若是存在違章情況的車輛，自動攔截桿將不會放行。

6 分析AES 數(shù)據(jù)加密算法在ETC 中的應(yīng)用

高速公路不停車收費系統(tǒng)是一種全天候進行計算機控制、處理高速公路不停車收費的系統(tǒng)，主要模塊為自動攝像模塊、收費模塊、車型識別模塊等，系統(tǒng)核心部分為自動收費。費用結(jié)算管理中心(C)、各收費站(F)等利用光纖進行連接，形成局域網(wǎng)。

車輛以時速為幾十至幾百公里的速度駛?cè)胱詣邮召M車道檢測范圍內(nèi)，自動收費單元和車型識別將會自動啟動，將射頻IC 卡里面的信息進行讀取，對比車型并判定結(jié)果，結(jié)果無差異會在IC 卡上進行交易，結(jié)算費用，車輛便可順利通過收費站;如果檢測對比信息不一致或是卡內(nèi)余額不足，將會啟動自動攝像模塊，拍攝車輛提取車牌照，并上傳信息之存入系統(tǒng)，發(fā)出攔截信號，攔截該車輛。

F 進行違規(guī)車輛、費用收取情況的信息采集，并及時傳遞給管理中心(C)，費用結(jié)算管理中心就會實施協(xié)調(diào)管理，處理相關(guān)的違規(guī)車輛，并把通知信息發(fā)送給各收費站。這段期間他們相互傳送的信息多為敏感信息，應(yīng)考慮敏感信息的安全性，對敏感信息進行加密可以實現(xiàn)安全的信息交互傳遞。選用合理的加密算法對傳遞信息進行加密，可確保傳輸安全性更高，這是一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

比較目前較為成熟的加密算法，AES 數(shù)據(jù)加密算法屬于一種高級加密算法標準，具有安全性高，效率性好，性能健全穩(wěn)定，應(yīng)用方便靈活等優(yōu)點，基于不同軟件、硬件系統(tǒng)運行環(huán)境都具有良好的性能。采用AES 數(shù)據(jù)加密算法并不需要較大的內(nèi)存需求，便于應(yīng)用在大量使用內(nèi)存空間環(huán)境中。AES數(shù)據(jù)加密算法可以有效抵御外來空間、時間攻擊，因此選用AES 數(shù)據(jù)加密算法應(yīng)用于高速公路不停車電子收費系統(tǒng)中。

F 與C 要進行數(shù)據(jù)信息傳輸時，會先調(diào)用AES 數(shù)據(jù)加密算法將傳輸內(nèi)容進行加密，AES 數(shù)據(jù)加密是一種對稱密鑰加密，采用的是同一個密鑰進行加解密，所以應(yīng)考慮密鑰管理問題。密鑰屬于AES 數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)關(guān)機部分，也是一項可變部分，采用動態(tài)密鑰可以確保通信內(nèi)容更加安全，也就是說進行AES 數(shù)據(jù)加密算法時，每一次應(yīng)用的密鑰均不相同。不過信息接收方也要知道密鑰才能進行解密，但一同將密鑰進行通信傳輸，又會引發(fā)安全隱患，解決此項隱患可選用非對稱密鑰密碼算法加密原有AES 數(shù)據(jù)加密算法的密鑰，將其和加密信息傳輸給接收方，接收方利用私鑰解密AES 數(shù)據(jù)加密算法的密鑰，然后將原有加密信息解密即可。

7 總 結(jié)

ETC 是目前最有效的解決高速公路現(xiàn)有收費項目缺陷的方式，它采用無線自動通信技術(shù)實現(xiàn)自動收費，利用無線射頻技術(shù)等進行到來車輛感知，無需停車就能夠進行信息交互傳遞，完成收費、登記、建檔，放行等全部過程。采用不停車電子收費系統(tǒng)，可以將高速公路通行效率極大提升，并減輕能耗及磨損狀況。本文先分析了不停車收費系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，然后細致闡述了車道系統(tǒng)設(shè)計、自動識別車輛系統(tǒng)的設(shè)計以及不停車電子自動收費系統(tǒng)的基本組成部分、操作流程等。最后針對不停車電子自動收費系統(tǒng)進行敏感信息傳遞過程中，信息安全性保護提出了采用AES 數(shù)據(jù)加密算法確保其安全的措施，以便確保計算機能夠可靠、安全運行。

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