基于計算機(jī)仿真的高速公路不停車收費系統(tǒng)研究

李勇華

【摘 要】隨著高速公路交通需求的迅速增長，收費站已成為公路交通的瓶頸地段，不停車收費系統(tǒng)的應(yīng)用是交通技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。基于計算機(jī)術(shù)進(jìn)行不停車收費系統(tǒng)仿真設(shè)計，克服了無法進(jìn)行物理實驗的不足，確保了系統(tǒng)搭建的可靠性。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)技術(shù)；高速公路；不停車收費系統(tǒng)；仿真分析

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通需求迅速增長，高速公路收費站可能成為交通的瓶頸，所以收費站的容量設(shè)計及作業(yè)方式對高速公路系統(tǒng)的運作顯得尤為重要，而采用電子不停車收費系統(tǒng)（ETC）則能有效地解決這一問題。目前，我國已有部分地區(qū)開設(shè)了ETC車道（如四川等省份），大部分是由現(xiàn)有人工收費車道而成，通過合理改建，收費站的通行能力得到了明顯的提高。計算機(jī)仿真技術(shù)為我們進(jìn)行ETC系統(tǒng)設(shè)計提供了有效的驗證手段，克服了難以進(jìn)行物理實驗的不足，能夠為ETC技術(shù)的成功應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

二、不停車收費系統(tǒng)特性分析

不停車收費系統(tǒng)，通過采用先進(jìn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高性能的車道設(shè)備，對收費過程進(jìn)行科學(xué)管理，能夠為車輛通行提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

（一）收費系統(tǒng)目標(biāo)概述

由于人工收費方式存在少收、漏收及闖關(guān)等現(xiàn)象，不利于對高速公路營運進(jìn)行科學(xué)管理，因此，現(xiàn)代化的高速公路收費系統(tǒng)已逐步使用高性能的計算機(jī)收費系統(tǒng)。通常情況下，高速公路收費系統(tǒng)的主要目標(biāo)包括：確保收費的合理性、避免少收及漏收等不良行為、縮短因收費導(dǎo)致的交通延誤、實現(xiàn)財務(wù)等信息的智能化管理、確保與監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)的一致性等。

（二）收費系統(tǒng)功能分析

基于計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行管理，減少人為因素的干擾，確保收費額度計算的準(zhǔn)確性；車輛檢測器與出入口車道欄桿靈活配合，對通過車輛的數(shù)目進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計；對收費過程進(jìn)行實時監(jiān)控；能實現(xiàn)各種原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集、備份及上傳；對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，且準(zhǔn)確、及時的報出故障信息；對異常情況等做出應(yīng)急反應(yīng)及準(zhǔn)確處理。

（三）收費系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則

收費系統(tǒng)使用分級管理結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過高質(zhì)量硬件及軟件確保車道機(jī)能的準(zhǔn)確選擇，且當(dāng)上位機(jī)通訊發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠在一定時間內(nèi)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自儲存。除此之外，還應(yīng)考慮收費站及分中心的系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化配置，及系統(tǒng)間通訊的安全性、實時性及可靠性。

三、PLC選型設(shè)計及通信實現(xiàn)

（一）PLC選型

PLC作為不停車收費仿真模擬系統(tǒng)的主要組成部分，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，首先需進(jìn)行PLC的選型設(shè)計。根據(jù)工藝流程特點及應(yīng)用要求，進(jìn)行PLC的選型設(shè)計。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)的、集成的，一般應(yīng)基于易于與工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一整體、易于對其功能進(jìn)行擴(kuò)充的原則進(jìn)行選型。所以，在進(jìn)行PLC設(shè)計選型及估算時：1、應(yīng)詳細(xì)調(diào)查系統(tǒng)控制過程特點及其控制要求等，明確具體的控制任務(wù)需求及范圍；2、確定其所需完成的操作或動作；3、最后根據(jù)系統(tǒng)控制要求，進(jìn)行輸入輸、出點數(shù)的估算；4、根據(jù)系統(tǒng)所需的存儲器容量、PLC具體功能及外部設(shè)備的功能特性等，選擇能滿足預(yù)期功能的PLC。

（二）PLC程序設(shè)計

PLC主要由中央處理單元、輸入/輸出部件、存儲器、編程器及電源等幾部分組成。與計算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC不能通過按規(guī)定順序執(zhí)行程序即可完成控制任務(wù)，而是需要采用循環(huán)掃描的工作方式。通常情況下，PLC的工作過程可以分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新等三個階段。本系統(tǒng)設(shè)計時，建議使用歐姆龍公司的客戶端軟件CX-Programmer，它能夠方便快捷的基于RS232端口，實現(xiàn)PLC與個人PC間的通信及編程控制。

（三）串口通信設(shè)計

組態(tài)軟件系統(tǒng)一般被劃分為控制、監(jiān)控及管理等三個層次結(jié)構(gòu)。在組態(tài)軟件設(shè)計的仿真收費系統(tǒng)中，存在一種邏輯關(guān)系，即監(jiān)控層對上連接管理層，對下連接控制層。組態(tài)軟件不僅能實現(xiàn)收費系統(tǒng)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測及控制，而且在收費監(jiān)控系統(tǒng)中起著組態(tài)開發(fā)及信息上傳下達(dá)的重要作用。組態(tài)軟件中最常重要的一個模塊便是通信模塊，串行通信接口是進(jìn)行測控設(shè)備設(shè)計時，最常采用的一種通信接口。組態(tài)軟件基于I/O驅(qū)動程序，從控制現(xiàn)場的測控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時獲取，在完成對數(shù)據(jù)的加工處理后，一方面將數(shù)據(jù)以圖形格式在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示，以對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行顯示；另一方面需根據(jù)組態(tài)控制的要求及操作人員發(fā)出的指令，將相關(guān)控制數(shù)據(jù)傳送至I/O設(shè)備，以實現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實時控制或進(jìn)行相關(guān)控制參數(shù)的調(diào)整。

四、仿真程序框架搭建

對高速公路ETC收費系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，就是基于一定的模型使得計算機(jī)能自動產(chǎn)生符合收費站交通流特性的車輛、模擬車輛過站時的自動收費過程，并對能夠反映收費站服務(wù)能力等級的評價指標(biāo)進(jìn)行計算分析，以供實際系統(tǒng)設(shè)計參考。進(jìn)行高速公路ETC收費系統(tǒng)仿真研究是實際程序設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)。仿真模型包含：收費站描述、交通需求、車輛行駛和輸出指標(biāo)。一般是基于VisualC++編程語言進(jìn)行仿真程序設(shè)計。仿真程序的整體框架一般可分成以下三個部分：1、輸入模塊；2、仿真模塊；3、輸出模塊；

五、結(jié)論與展望

在分析不停車收費系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，基于PLC及Visual C++編程語言進(jìn)行通用ETC收費系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)分析，并將工業(yè)控制中組態(tài)仿真軟件模擬運用到收費系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，利用組態(tài)軟件中的報表功能生成實時數(shù)據(jù)報表，并為以后的二次開發(fā)留出了一定的接口，為系統(tǒng)的日后擴(kuò)展提供的方便。

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