一种适于智能交通系统的交通信息采集及监控系统

    摘要：给出了交通信息采集及监控系统的总体结构设计，着重讨论了路边单元、车载单元、车道控制系统及确保系统信息安全的措施。本系统通过微波标识卡和IC卡分别对机动车辆和人员进行效标识，并能实时记录和监控机动车辆和人员有关的消费和控制信息，满足了多种应用功能的需求。

    关键词：智能交通系统（ITS）信息采集 监控

现有交通系统存在的问题主要表现在功能单一、缺乏交互能力、这时性不够、价格较高等方面[1][3]。因此，需要有一个准确、可靠的信息采集和监控系统，它将来自底层的实时数据收集起来，准确、迅速地通过高速信息传输网送交台后进行分析和处理，并及时执行后台下达的处理结构及监控指令。智能交通系统（ITS，Intelligent Transportation Systems）[1～2]是现代高新技术在交通系统综合与集成的道路交通系统，它强调智能化的道路、车辆与人的协调统一，以求营建安全、快速、舒适、高效、重视环境保护的道路交通系统。ITS服务的对象是流动的车辆及驾驶人员，其数据大多为动态、实时、分布的数据。

1 系统的总体结构

根据应用需求，在主要的交通路口（包括交通路口、桥梁、重要路段）设置微波收发天线及路边控制器。在不影响车辆行驶速度的情况下，实时采集各种经过车辆上的微波标识卡上的车辆运行及消费、控制信息。上述数据由运行在数据汇集点服务器上的数据收集和发送系统上传给系统后台管理中心。其总体结构如图1所示。

2 路边单元

路边单元包括微波收发天线及路边控制器两个主要部分。路边控制器采用工业控制计算机，通过固化的系统软件、库软件和应用软件控制各天线收发器的数据采集和发送，并完成与上位机的通信。通信处理接口控制器与控制计算机之前采用串行通记，它可以插接多块通信处理接口板，因此一台路边控制器可以同时对多台天线收发器进行控制。其组成结构如图2所示。

    2.1 微波收发天线

收发天线作为路边单元不可缺少的重要部分，其基本功能是射和接收天线电波。发射时，把高频电流转换为电源波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线种类很多，为了提高通信的质量，减少误码率（在Ber<10 -6），本系统采用了定向天线。设备安装示意图如图3所示。

通信区域：当天线距地面5.2m、电子标签距地面1m、位误码率满足Ber<10 -6时，有效通信区域为3.5m×3m的区域。

2.2 通信处理

通信处理在通信处理接口板中完成，主要实现DSR通信协议的功能，即将高级语言编码的用户程序转换成欧洲CEN标准的“原语”。

    通信时间 当车辆时速V=160km/h时，车辆经过有效通信区域的时间T为：

T=[(3.5×3600×10 3)/(160×10 3)](ms)=78.7ms

由于允许路边单元从车载单元（微波标识卡）内完成读取/写入数据的时间较短，要求读/写的数据尽可能精简。

2.3 控制机

控制机负责收集并转换收发天线和POS机（安装于停车场、加油站等的IC卡消费终端设备）等消费控制终端设备采集的数据，并将转换后的数据通过本地的局域网传给本地数据汇集点服务器；同时也可根据集成管理子系统下发的命令对数据做出及时的处理（如黑名单的告警等）。

3 车载单元

本系统的车载单元采用微波标识卡（OBE）。为了对系统中的流动实体对象（车辆和消费者）进行有效的控制，采用IC卡标识消费者，OBE标识机动车辆。IC卡和OBE耦合标识一次驾驶活动。

3.1 IC卡和OBE之间的通信

在信息采集过程中，通常需要IC卡与OBE协作共同完成一次完整的信息采集。为了保证整个交易过程的可靠性和数据完整性，需要在OBE和IC卡之间进行有效认证，并需要在汽车高速行驶的过程中，在极短时钟内完成对IC卡的数据读写。为了解决认证和读写效率之间的矛盾，对OBE卡进行针对性设计，利用OBE中的存储区域作为交易的高速缓冲，事前由OBE完成对IC卡的认证，事后由OBE完成对IC卡的数据更新操作。

OBE结构及其与IC卡的耦合示意图如图4所示。

    3.2 交易过程

在OBE的MEMORY中存在有车辆ID，并且是唯一的。在IC卡中存放的是IC卡拥有者的个ID信息，当IC卡插入OBE后，IC卡的个人ID就下载到OBE中的MEMORY，当OBE经过天线接收器时，这些信息（包括个人ID和车辆ID）发送给RSE，其交易过程如图5所示。

4 车道控制系统

车道控制系统兼有信息采集和监控功能，其结构如图6所示。车道控制完成最前端设备的控制和数据采集，主要由自动车辆识别装置（AVI）完成车辆自动参数的快速自动识别。该装置通过无线电波与车载识别卡OBE实现高速数据交换，使系统可在极短时间内作出反应，因而车辆通过收费口时，可以不停车快速通过。

当有车辆进入工作区时，由电磁车辆检测器完成对车辆的检测和分隔处理，向系统发出有车通过的信号；由天线自动识别并读取通行车辆车载卡中的卡号、车类等车辆身份参数信息，自动反馈给车辆控制机形成过车记录；车道控制机根据系统黑名单检查卡的状态，控制车辆交通信号灯、显示牌以及电动标杆等作出相应反应，控制、指挥通行；当系统检测到有非正常状态的车辆（如止付卡、无卡、非结卡等）通告时报警，提醒稽查人员进行处理，并由抓拍摄像机抓拍，记录在案。

5 安全措施

*所有进入系统的终端交易设备必须遵循中国人民银行颁布的有关IC卡交易的标准。

*IC卡的安全性：每张IC卡都有一个唯一的交易密钥。

*终端的安全性：终端在每次上电时均执行相应的安全检查，包括终端合法性的检查，终端同PSAM卡（IC卡管理系统终端部分的安全模块）的双向认证。在交易过程中每次均包含电子签名，防止篡改。

*交易的安全性：每笔交易均由IC卡同交易终端的安全模组（PSAM）之间进行双向认证来完成。交易终端的安全模组采用PSAM卡（密钥卡），由密钥卡与IC卡之间实现双向认证。

*通讯的安全性：每笔交易上送时均采用ISO8583格式进行加密传输，防止非法修改。

本信息采集和监控系统的主要特点是：通过IC卡和微波标识卡对消费者和机动车辆进行有效标识，并能实时、准确记录和监控消费者和机动车辆有关的消费和控制数据，实现了IC卡、微波标识卡与监控系统之间信息的动态交互，满足了多种不同应用功能的需要。此外，由于采用微波收发天线及其路边控制设备，实时采集经过车辆上的微波标识卡的信息，系统还具有准确、及时、可靠及不影响车辆正常行驶的优点。