基于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的快速發(fā)卡軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李想

（河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050051）

基于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的快速發(fā)卡軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(fā)放流程適應(yīng)日益增長(zhǎng)的車流量的需要，提升行業(yè)服務(wù)水平，消除“車等卡”的瓶頸，設(shè)計(jì)了一種VC++環(huán)境下基于高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的快速發(fā)卡軟件?；谠撥浖墓ぷ髟砗湍K構(gòu)成，對(duì)軟件使用的多線程技術(shù)應(yīng)用、互斥鎖機(jī)制、狀態(tài)轉(zhuǎn)換器、防砸車模塊關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述，同時(shí)對(duì)軟件界面的人性化操作、交易存儲(chǔ)隊(duì)列、特殊車輛處理等功能完善情況加以說(shuō)明。以青銀高速公路（河北段）為應(yīng)用案例進(jìn)行軟件功能性測(cè)試，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果。選取相對(duì)理想的道路條件、交通條件和環(huán)境條件，采用車輛通行時(shí)間、離開時(shí)間和時(shí)間調(diào)節(jié)系數(shù)對(duì)快速發(fā)卡車道通行能力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示：車道發(fā)卡速度較傳統(tǒng)模式明顯提升。該軟件現(xiàn)已在多條高速公路推廣使用。

聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)；快速發(fā)卡；多線程；互斥；狀態(tài)轉(zhuǎn)換

0 引言

高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)主要實(shí)施、運(yùn)行于路網(wǎng)內(nèi)的各條（段）高速公路上。我國(guó)某些省份由于高速公路的建設(shè)時(shí)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(duì)自已建管的路段進(jìn)行獨(dú)立管理，設(shè)置了封閉的收費(fèi)管理設(shè)施，即在路段兩端設(shè)置主線收費(fèi)站。而隨著高速公路路網(wǎng)的成型，“高接高”后造成原來(lái)一段路兩端的主線收費(fèi)站變成了路網(wǎng)內(nèi)部的主線收費(fèi)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(gè)主線站，通行車輛多次領(lǐng)卡交費(fèi)的矛盾日益嚴(yán)重。這種現(xiàn)象不僅給高速公路使用者帶來(lái)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(shí)行高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)以后，以片區(qū)為單位統(tǒng)一高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)軟件，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入路網(wǎng)車輛只需要領(lǐng)卡、繳費(fèi)一次，使得發(fā)卡收費(fèi)工作變得更加規(guī)范有序，從根本上提高了服務(wù)水平和通行能力。

近年來(lái)，隨著國(guó)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(fā)卡速度慢、車輛排隊(duì)等待時(shí)間長(zhǎng)的問題，經(jīng)常出現(xiàn)高速公路“不高速”的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)已不能適應(yīng)車流量增長(zhǎng)形勢(shì)的需要，嚴(yán)重制約著入口車道的通行能力，例如：操作時(shí)需車輛到達(dá)崗?fù)ご翱谔帲|發(fā)到達(dá)線圈后收費(fèi)員才可進(jìn)行發(fā)卡，即車輛從進(jìn)入車道至行駛到窗口前，收費(fèi)人員處于無(wú)法操作狀態(tài)，這不同程度地加大了后車等候時(shí)長(zhǎng)，增加了司乘人員的負(fù)面情緒，嚴(yán)重影響了高速公路的社會(huì)形象。因此，如何在不增加車道的情況下提高人工發(fā)卡速度以緩解站口積壓車流和提高運(yùn)營(yíng)水平已成為重要的研究課題。

截至目前，關(guān)于人工快速發(fā)卡的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有的研究主要著眼于發(fā)卡模式和快速發(fā)卡的影響因素分析，通過(guò)對(duì)比新舊兩種發(fā)卡模式建立新的發(fā)卡流程及車道設(shè)備布設(shè)模型等，多偏重于宏觀理論研究。例如：文獻(xiàn)[2]闡述的人工快速發(fā)卡模式，通過(guò)對(duì)原有硬件設(shè)備及軟件流程進(jìn)行部分修改后，以先輸入車型后進(jìn)行車牌抓拍的方式，極大地縮短了車輛等待發(fā)卡時(shí)間，同時(shí)指出收費(fèi)員在夜班期間疲勞狀態(tài)下或長(zhǎng)時(shí)間注視顯示器等情況下會(huì)出現(xiàn)精力不集中而影響發(fā)卡速度；文獻(xiàn)[3]、[4]提出通過(guò)增加抓拍線圈，將車牌識(shí)別攝像機(jī)前移，變?cè)瓉?lái)抓拍線圈為防砸線圈，對(duì)發(fā)卡流程進(jìn)行調(diào)整等，整體缺乏對(duì)軟件系統(tǒng)構(gòu)思、具體實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵性技術(shù)等的更深層次研究。

本文基于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種快速發(fā)卡軟件，重點(diǎn)從軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、軟件功能和車道通行能力測(cè)試三個(gè)角度，研究了如何保證軟件按需求高效運(yùn)行，更好地兼容硬件設(shè)備，提高車道通行能力，實(shí)現(xiàn)人工快速發(fā)卡，在理論與實(shí)踐方面均有所創(chuàng)新。該軟件達(dá)到了預(yù)期效果，現(xiàn)已在多條高速公路推廣使用。

1 快速發(fā)卡軟件總體設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)思想及工作流程

本文研發(fā)的快速發(fā)卡軟件是基于聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)，在Microsoft Visual C++環(huán)境下編譯實(shí)現(xiàn)的，很好地繼承了原系統(tǒng)的框架體系，方便了類和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理[5]。通過(guò)對(duì)SQL-Server[6]數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化，增加車牌抓拍隊(duì)列、快速發(fā)卡處理線程和防砸車模塊，使得車牌連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)量達(dá)三個(gè)以上，保證連續(xù)發(fā)卡時(shí)信息順次對(duì)應(yīng)。其中防砸車模塊設(shè)計(jì)是利用計(jì)數(shù)器與線圈狀態(tài)邏輯關(guān)系保證車輛“一車一落桿”，不出現(xiàn)砸車、漏車情況。與此同時(shí)，將多線程工作、互斥鎖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用其中，保證程序高效、有序地執(zhí)行，避免多線程對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作時(shí)引發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)快速發(fā)卡。軟件總體設(shè)計(jì)及流程如圖1所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)原則

由于車道收費(fèi)系統(tǒng)直接檢測(cè)和控制很多外圍設(shè)備，且外圍設(shè)備控制方式和協(xié)議等均可能改變，故本軟件定義了新的硬件驅(qū)動(dòng)層和硬件抽象層，削弱了硬件設(shè)備對(duì)軟件的影響。設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格遵循如下原則。

（1）嚴(yán)格禁止穿層調(diào)用和功能模塊間的相互調(diào)用。

（2）層間數(shù)據(jù)通信方式：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層與抽象層間采用參數(shù)傳遞方式；組件層與流程引擎間采用全局?jǐn)?shù)據(jù)傳遞方式；分發(fā)控制器與抽象層間采用消息和全局?jǐn)?shù)據(jù)傳遞方式；分發(fā)控制器與流程引擎間采用全局?jǐn)?shù)據(jù)傳遞方式，并用事件作為二者之間的同步。

（3）統(tǒng)一的錯(cuò)誤處理機(jī)制：對(duì)于過(guò)程性的調(diào)用，統(tǒng)一定義返回值的含義。

（4）對(duì)于程序中的常量，統(tǒng)一定義于一個(gè)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(fā)卡線程等的初始化工作集中在主線程中，使用時(shí)可通過(guò)獲取句柄直接使用各種對(duì)象實(shí)例。

（6）變量函數(shù)等的命名規(guī)則統(tǒng)一。

圖1 軟件總體設(shè)計(jì)及工作流程

2 快速發(fā)卡軟件關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 多線程技術(shù)應(yīng)用

采用多線程技術(shù)的應(yīng)用程序可以較好地利用系統(tǒng)資源，其優(yōu)勢(shì)在于充分利用CPU的空余時(shí)間片，用盡可能少的時(shí)間來(lái)對(duì)用戶的要求作出響應(yīng)，使得線程的整體效率得到提高，同時(shí)增強(qiáng)了應(yīng)用程序的靈活性[7]。傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)軟件發(fā)卡需經(jīng)過(guò)“車輛停穩(wěn)-車牌抓拍-收費(fèi)員輸入車型-出卡-車輛離開-落桿”的過(guò)程，此時(shí)未對(duì)后面車輛進(jìn)行任何信息處理，顯然降低了發(fā)卡效率和CPU利用率。在程序等候輸入期間，執(zhí)行單元利用率會(huì)明顯下降，程序中缺乏多線程并行計(jì)算處理[8]，這些都造成車道機(jī)CPU性能未能充分發(fā)揮。快速發(fā)卡軟件則在主線程中添加了多個(gè)功能子線程，線程間彼此獨(dú)立，靠消息進(jìn)行通信，這就使得不同任務(wù)間的協(xié)調(diào)操作與運(yùn)行、數(shù)據(jù)交互、資源分配等問題更加易于解決。該軟件可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)連續(xù)抓拍，收費(fèi)員預(yù)判車型并錄入系統(tǒng)，連續(xù)進(jìn)行多輛車的發(fā)卡操作，計(jì)算機(jī)調(diào)動(dòng)系統(tǒng)資源并行處置發(fā)卡過(guò)程中的各環(huán)節(jié)，極大地提高了處理效率。為了保證軟硬件聯(lián)動(dòng)時(shí)資源利用率達(dá)到最佳狀態(tài)，在軟件中加入緩沖機(jī)制，避免因系統(tǒng)資源過(guò)度使用導(dǎo)致死機(jī)。

車牌抓拍線程函數(shù)原型及其描述如下：

2.2 互斥鎖技術(shù)應(yīng)用

為了使多個(gè)進(jìn)程之間溝通順暢有序，系統(tǒng)必須提供一種同步機(jī)制保證線程之間的協(xié)同工作。在快速發(fā)卡軟件中，多個(gè)線程都要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫：當(dāng)一個(gè)線程在執(zhí)行寫操作的過(guò)程中如何不被其他的進(jìn)程打斷，以確保寫入數(shù)據(jù)完整；當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行讀操作的過(guò)程中，如何使內(nèi)存資源不被修改，保證讀取信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。以上這些都是需要考慮的問題。在軟件設(shè)計(jì)中，加入互斥鎖設(shè)計(jì)可以很好地解決上述問題?；コ怄i[9-10]是用來(lái)保證一段時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線程在執(zhí)行的一段代碼，快速發(fā)卡軟件的邏輯流程和變量調(diào)取較傳統(tǒng)發(fā)卡系統(tǒng)復(fù)雜很多，可能出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)調(diào)用。為保證數(shù)據(jù)操作安全，軟件對(duì)全局變量、公有對(duì)象添加“互斥鎖”標(biāo)識(shí)，通過(guò)加解鎖標(biāo)識(shí)來(lái)保證在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)線程訪問該對(duì)象。為保證不出現(xiàn)死鎖等情況，互斥鎖設(shè)計(jì)遵循如下原則：

（1）獲得鎖是對(duì)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(bào)錯(cuò)退出時(shí)應(yīng)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(tài)轉(zhuǎn)換器技術(shù)應(yīng)用

狀態(tài)轉(zhuǎn)換器通過(guò)16進(jìn)制字段來(lái)控制下一階段的狀態(tài)。配置文件中預(yù)先宏定義好各初始狀態(tài)、各步驟控制字段，通過(guò)主線程初始化到狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊中，然后由轉(zhuǎn)換器記錄各階段的當(dāng)前狀態(tài)，并在收到該狀態(tài)執(zhí)行結(jié)束響應(yīng)時(shí)，指示下一步操作。通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化器和配置文件更改狀態(tài)變量，可使程序轉(zhuǎn)換有條不紊地按規(guī)定邏輯執(zhí)行。后期流程發(fā)生變化或功能拓展時(shí)，只需調(diào)整配置文件中的宏即可。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的工作流程如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換工作流程

2.4 防砸車模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為更好地實(shí)現(xiàn)“一車一落桿”，保證車輛通過(guò)時(shí)不出現(xiàn)砸車、不領(lǐng)卡上道的情況，快速發(fā)卡軟件設(shè)計(jì)了防砸車模塊。該模塊主要包括發(fā)卡計(jì)數(shù)器、車輛離開計(jì)數(shù)器、線圈狀態(tài)判別器。軟件根據(jù)線圈狀態(tài)、計(jì)數(shù)值，判斷多輛車進(jìn)入車道后的位置分布，控制欄桿機(jī)智能起降。快速發(fā)卡車道線圈預(yù)置位置為：抓拍線圈距崗?fù)ぶ行木€7m；欄桿機(jī)距崗?fù)ぶ行木€8m；防砸線圈距崗?fù)ぶ行木€3m。軟件設(shè)計(jì)中，線圈狀態(tài)“1”表示感應(yīng)區(qū)有車存在，“0”表示感應(yīng)區(qū)無(wú)車存在。發(fā)卡計(jì)數(shù)器與車輛離開計(jì)數(shù)器之和為車道中現(xiàn)存車輛數(shù)。計(jì)數(shù)器、線圈狀態(tài)、欄桿機(jī)狀態(tài)之間的邏輯狀態(tài)變化如表1所示。

表1 邏輯狀態(tài)變化

2.5 其他技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

快速發(fā)卡軟件在傳統(tǒng)收費(fèi)軟件架構(gòu)上采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]，研發(fā)時(shí)預(yù)定義了各設(shè)計(jì)層面的接口，以便后期維護(hù)拓展。同時(shí)，軟件對(duì)原功能具有向前繼承性，對(duì)原有操作界面進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)發(fā)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(lái)完成用戶操作的直接界面，故將其視為單純的輸出設(shè)備，但由于其特殊性，系統(tǒng)將其單獨(dú)作為一個(gè)模塊?？焖侔l(fā)卡軟件配合新發(fā)卡操作流程，將界面調(diào)整為“車型和車牌同時(shí)輸入”，不再采用彈出對(duì)話框的方式，而是在界面上開辟不同的功能區(qū)加以代替，從而簡(jiǎn)化了消息的處理流程；當(dāng)車型和車牌出現(xiàn)不符時(shí)可以切換修改，使操作更加人性化?？焖侔l(fā)卡軟件的操作界面如圖3所示。

圖3 發(fā)卡操作界面

（2）增加車牌存儲(chǔ)隊(duì)列

抓拍攝像機(jī)前置后，車輛排隊(duì)通過(guò)時(shí)會(huì)連續(xù)抓拍多張車牌。為確保通行車輛與軟件發(fā)卡界面內(nèi)的車輛一一對(duì)應(yīng)，軟件中增加了車牌存儲(chǔ)隊(duì)列。該隊(duì)列設(shè)計(jì)使用在頭結(jié)點(diǎn)后插入新結(jié)點(diǎn)的操作受限線性表，采取“先入先出”的方式進(jìn)行車牌存取，其中結(jié)點(diǎn)數(shù)量（車牌存儲(chǔ)數(shù)量）可人工設(shè)置。

（3）ETC車輛發(fā)散卡計(jì)數(shù)修正

當(dāng)司機(jī)直接刷ETC卡時(shí)，發(fā)卡計(jì)數(shù)+1；當(dāng)發(fā)出普通通行卡在先，司機(jī)出示并刷ETC卡在后時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)比散卡與ETC卡中存儲(chǔ)的車牌，如果一致則發(fā)卡計(jì)數(shù)不增減，防止因二次刷卡導(dǎo)致的車道無(wú)車但欄桿機(jī)不落的情況。

（4）車牌一鍵取回

傳統(tǒng)發(fā)卡軟件中，當(dāng)散卡已經(jīng)發(fā)出時(shí)，該車車牌即消失，進(jìn)行二次操作時(shí)就需手工輸入車牌。相比而言，快速發(fā)卡軟件設(shè)計(jì)了“一鍵取回”功能，通過(guò)按鍵可取回上一輛車牌，操作方便快捷。

（5）交易緩沖設(shè)置

鑒于人工預(yù)判信息的不確定性，發(fā)出散卡的情況在所難免，為保證交易信息準(zhǔn)確上傳，便于日后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，軟件在處理當(dāng)前發(fā)卡操作時(shí)會(huì)對(duì)前三條發(fā)卡交易信息進(jìn)行緩沖，通過(guò)比對(duì)前后兩條交易的車牌、車型等細(xì)節(jié)判定是否為特殊交易，同時(shí)在其中加注特殊處理標(biāo)簽，當(dāng)?shù)谒妮v車發(fā)卡完畢后，傳輸?shù)谝粭l交易信息到站級(jí)收費(fèi)服務(wù)器中，發(fā)卡員執(zhí)行下班操作時(shí)，把內(nèi)存中的剩余交易信息全部上傳。

（6）優(yōu)化字符疊加功能

當(dāng)線圈檢測(cè)到車輛到達(dá)抓拍區(qū)域時(shí)，攝像機(jī)抓拍入口圖片并通知軟件提取系統(tǒng)時(shí)間、入口站等信息進(jìn)行疊加，將圖片預(yù)置路徑與通行卡綁定，確保日后調(diào)取的車輛信息準(zhǔn)確無(wú)誤。

（7）抓拍“無(wú)車牌”容錯(cuò)清除機(jī)制

抓拍中若出現(xiàn)“無(wú)車牌”，主要可分為兩種情況：一是車道在關(guān)閉過(guò)程中，金屬物體誤觸發(fā)到達(dá)線圈導(dǎo)致攝像機(jī)進(jìn)行抓拍；二是因?yàn)檐嚺莆蹞p、外界光線過(guò)明或過(guò)暗等因素導(dǎo)致攝像機(jī)識(shí)別率下降。鑒于此，快速發(fā)卡軟件中加入容錯(cuò)清除機(jī)制，定時(shí)輪詢車道狀態(tài)：當(dāng)接受輪詢的車道反饋為非開放狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將清空車牌存儲(chǔ)隊(duì)列；當(dāng)反饋為工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在“無(wú)車牌”后增加數(shù)字0～9進(jìn)行區(qū)分，如“無(wú)車牌6”，從而保證車輛入口圖片一一對(duì)應(yīng)。

3 試驗(yàn)測(cè)試與通行能力評(píng)估

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證快速發(fā)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(fèi)站為試驗(yàn)場(chǎng)，采用大、小型車混合通行模式進(jìn)行測(cè)試，其中車輛以10km/h的平均速度通過(guò)車道。硬件設(shè)備主要包括車道工控機(jī)、欄桿機(jī)、抓拍攝像機(jī)、線圈等，灌裝“快速發(fā)卡測(cè)試軟件QY—V1.0.0.0”。試驗(yàn)車道如示意圖4所示。

圖4 試驗(yàn)車道示意圖

3.2 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要關(guān)注的指標(biāo)有：多車牌抓拍存儲(chǔ)、欄桿機(jī)起落狀態(tài)、ETC[12-13]車輛處理功能、發(fā)卡速度、特殊情況處理、發(fā)卡軟件人性化操作等。通過(guò)測(cè)試用例對(duì)快速發(fā)卡軟件各功能項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)卡速度較傳統(tǒng)模式提高了1～2倍，欄桿機(jī)起降正常，車輛有序通過(guò)，未出現(xiàn)砸車和跟車闖口情況，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。測(cè)試用例及結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試用例及結(jié)果

表2 （續(xù)）

3.3 車道通行能力測(cè)試評(píng)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(fèi)手段下，車輛形成排隊(duì)而且收費(fèi)員始終處于繁忙狀況時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)收費(fèi)車道所能處理的最大車輛數(shù)。根據(jù)收費(fèi)站交通流情況，一般以小時(shí)當(dāng)量小汽車為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[14]。

在裝有快速發(fā)卡軟件的車道通行能力評(píng)估中，使用車輛通行時(shí)間和離開時(shí)間來(lái)計(jì)算車道通行能力。離開時(shí)間是指ETC車輛駛離線圈到下一輛車到達(dá)觸發(fā)線圈的時(shí)間間隔?？焖侔l(fā)卡車道車輛通過(guò)收費(fèi)站時(shí)，通行速度是一個(gè)呈下拋物線型的緩慢變化的過(guò)程，離開時(shí)間應(yīng)乘以一個(gè)0～1的調(diào)節(jié)系數(shù)，以便更準(zhǔn)確地計(jì)算快速發(fā)卡車道通行能力，其模型為：

式中：Ck為快速發(fā)卡車道的基本通行能力；Ts為標(biāo)準(zhǔn)車通行時(shí)間；Tg為標(biāo)準(zhǔn)車離開時(shí)間；k為標(biāo)準(zhǔn)車離開時(shí)間調(diào)節(jié)系數(shù)。

快速發(fā)卡車道的理想道路條件是：收費(fèi)車道的寬度不小于3m，收費(fèi)島的寬度不小于2.2m，收費(fèi)島的長(zhǎng)度不小于30m，收費(fèi)廣場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)車型，即小汽車，車輛之間保持適當(dāng)?shù)能囶^時(shí)距[15]；理想的環(huán)境條件是指快速發(fā)卡系統(tǒng)性能穩(wěn)定，檢測(cè)線圈觸發(fā)正常，車牌抓拍系統(tǒng)運(yùn)行正常，欄桿機(jī)等軟硬件環(huán)境正常，快速發(fā)卡系統(tǒng)沒有任何不可靠因素干擾，車輛交易成功率為100%。

在現(xiàn)有的技術(shù)水平和交通狀況下，因車牌抓拍攝像機(jī)等硬件設(shè)備運(yùn)行中，存在一定的故障率，因此實(shí)際觀測(cè)的快速發(fā)卡車道一般都不能滿足理想條件[16]。但是，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)車的通行時(shí)間和離開時(shí)間，可以計(jì)算出每條快速發(fā)卡車道的基本通行能力。在快速發(fā)卡軟件中，設(shè)計(jì)了車牌抓拍隊(duì)列，允許多輛車同時(shí)進(jìn)入車道，即在同一時(shí)刻，車道中可存在多輛車接受服務(wù)，這就會(huì)導(dǎo)致Tg出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)?shù)趇輛車正在領(lǐng)卡通過(guò)并離開線圈時(shí)，第i+1輛車甚至第i+2輛車已經(jīng)進(jìn)入收費(fèi)車道。根據(jù)式（1）進(jìn)行車道通行能力分析時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)車通行時(shí)間Ts與修正后的標(biāo)準(zhǔn)車離開時(shí)間kTg之和小于標(biāo)準(zhǔn)車通行時(shí)間Ts。

在青銀高速（河北段）寧晉收費(fèi)站相對(duì)比較理想的道路條件、交通條件和環(huán)境條件下，對(duì)快速發(fā)卡車道進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)車輛速度保持在10km/h時(shí)，車輛安全距離根據(jù)實(shí)際情況不得少于3m，小汽車車長(zhǎng)取4m，收費(fèi)車道抓拍線圈到離開線圈距離為20m，按照以上參考值進(jìn)行計(jì)算得知：每輛小汽車通過(guò)車道的時(shí)間約為10s。在這10s內(nèi)車道內(nèi)接受服務(wù)的車輛數(shù)不再限制為1輛，按照快速發(fā)卡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)際車道情況，每條車道內(nèi)至少可允許3輛車通過(guò)，在第一輛車通過(guò)并離開線圈時(shí)，實(shí)際車道內(nèi)仍有兩輛車同時(shí)接受服務(wù)，即在第一輛車通過(guò)的同時(shí)，第二輛車和第三輛車已經(jīng)在車道內(nèi)。因此在理想狀態(tài)下，即理想的道路條件、理想的交通條件和理想的環(huán)境條件下，理想快速發(fā)卡車道的理論通行能力可達(dá)到每小時(shí)1 200輛當(dāng)量小汽車。實(shí)際的道路條件、交通條件和環(huán)境條件并不能夠使車輛行駛在理想狀態(tài)下，因此對(duì)理論通行能力進(jìn)行折算，快速發(fā)卡車道的車道通行能力可達(dá)到每小時(shí)1 000輛以上當(dāng)量小汽車。安裝傳統(tǒng)發(fā)卡軟件的車道設(shè)計(jì)通行能力為每小時(shí)350輛當(dāng)量小汽車，可見應(yīng)用快速發(fā)卡軟件之后，通行能力得以大大提升。根據(jù)《公路運(yùn)行能力手冊(cè)》對(duì)一級(jí)服務(wù)的定義：對(duì)于入口領(lǐng)卡車輛，雖然進(jìn)入收費(fèi)站時(shí)前面可能已經(jīng)有很多車輛，但由于服務(wù)時(shí)間短、排隊(duì)消散很快，故服務(wù)水平隨之得以提升。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)快速發(fā)卡軟件的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，隨后對(duì)軟件應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、防砸車功能設(shè)計(jì)做了深入分析與研究，并對(duì)其他技術(shù)加以說(shuō)明，最后通過(guò)實(shí)地測(cè)試和試運(yùn)行驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。目前，快速發(fā)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(guān)注和報(bào)道。實(shí)例證明，該軟件的研發(fā)成功降低了車輛等候時(shí)長(zhǎng)，避免了車輛領(lǐng)卡時(shí)的停車、起步環(huán)節(jié)，降低了油耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，提高了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，可為高速公路發(fā)卡系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步研發(fā)、實(shí)施與運(yùn)營(yíng)提供參考。

不過(guò)，本文研發(fā)的軟件在真正實(shí)現(xiàn)不停車快速發(fā)卡，更進(jìn)一步提高發(fā)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(fā)卡軟件中對(duì)收費(fèi)鍵盤動(dòng)態(tài)庫(kù)，如：字母鍵、方向鍵的鍵值定義、功能函數(shù)鏈接等進(jìn)行補(bǔ)充完善。另外，河北省高速公路現(xiàn)有車道控制機(jī)安裝的Windows操作系統(tǒng)全天候連續(xù)工作，可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行變慢而影響發(fā)卡速度的情況。同時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全不受病毒侵害也是應(yīng)當(dāng)考慮的重要問題，采用系統(tǒng)占用資源少、內(nèi)核優(yōu)化、更加開源和安全的操作系統(tǒng)將是發(fā)展的主流趨勢(shì)。為更好地適應(yīng)未來(lái)需要，快速發(fā)卡軟件還將進(jìn)一步提高適應(yīng)性和跨平臺(tái)兼容能力，這會(huì)對(duì)保證軟件生命力和促進(jìn)軟件推廣起到至關(guān)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?yàn)榻煌娮有畔⒒?。E-mail：53782887@qq.com。