劉雁斌

(1.福建省高速公路有限公司寧德管理分公司，福建 寧德 352200;2.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

0 引言

高速公路收費(fèi)站是高速公路正常運(yùn)營的重要附屬設(shè)施之一，起著回收建設(shè)資金、輔助交通管理等重要作用，但收費(fèi)站自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)的防盜設(shè)施不齊全等因素導(dǎo)致高速收費(fèi)卡被盜事件頻頻發(fā)生，造成高速公路資金回收的漏洞。針對(duì)這一現(xiàn)象，收費(fèi)站一般采取加大工作人員巡查力度或者設(shè)置較為完善的有線和無線視頻監(jiān)控等安防措施［1-3］，但這對(duì)于數(shù)量眾多的無人值守自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)來說將耗費(fèi)大量的人力和物力。針對(duì)我國目前高速公路收費(fèi)站自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)的管理現(xiàn)狀，進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，改造降低高速收費(fèi)卡被盜的概率，使收費(fèi)方式和設(shè)備更符合現(xiàn)階段高速公路站管理的水平，提高高速公路收費(fèi)的安全性，是一個(gè)值得研究的問題。

1 問題的提出

如圖1所示是高速公路收費(fèi)站自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)示意圖，高速公路公司對(duì)行駛在高速公路上的汽車發(fā)卡收費(fèi)過程［4］是:當(dāng)汽車行駛到收費(fèi)站入口的自動(dòng)發(fā)卡機(jī)位置時(shí)，自動(dòng)發(fā)卡機(jī)旁邊的車輛檢測(cè)器檢測(cè)到汽車并產(chǎn)生信號(hào)給自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，自動(dòng)發(fā)卡機(jī)收到信號(hào)后允許司機(jī)取一張收費(fèi)卡，然后收費(fèi)站的欄桿就會(huì)抬起并禁止自動(dòng)發(fā)卡機(jī)取卡，讓汽車進(jìn)入高速公路上行駛。當(dāng)汽車行駛到欄桿位置時(shí)，欄桿下面的車輛檢測(cè)器檢測(cè)到汽車并產(chǎn)生信號(hào)給收費(fèi)站的控制系統(tǒng)，等汽車離開欄桿位置后，車輛檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)消失，控制系統(tǒng)判斷汽車已離開欄桿位置，然后控制欄桿落下并控制自動(dòng)發(fā)卡機(jī)允許下一輛汽車取卡。當(dāng)汽車行駛到目的地的收費(fèi)站的出口時(shí)，司機(jī)將所取的收費(fèi)卡交給收費(fèi)員，收費(fèi)員根據(jù)卡上信息獲得該汽車的始發(fā)站、行駛里程數(shù)等信息對(duì)該車進(jìn)行收費(fèi)［4-7］。

圖1 高速公路收費(fèi)站自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)示意圖

假設(shè)在高速公路上分別有A、B和C三個(gè)收費(fèi)站，收費(fèi)站B在收費(fèi)站A和收費(fèi)站C之間。司機(jī)1在收費(fèi)站B的入口取完收費(fèi)卡后行駛到欄桿下面的位置時(shí)，車輛檢測(cè)器檢測(cè)到汽車，如果汽車沒往前開離開收費(fèi)站，而是往后退離開欄桿的位置，車輛檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)跟汽車往前開離開收費(fèi)站一樣消失，控制系統(tǒng)根據(jù)車輛感應(yīng)器產(chǎn)生的信號(hào)，認(rèn)為汽車已經(jīng)離開收費(fèi)站，因此控制欄桿落下并允許下一輛車取卡。當(dāng)司機(jī)1把車后退到自動(dòng)發(fā)卡機(jī)位置時(shí)，自動(dòng)發(fā)卡機(jī)允許取卡，這時(shí)司機(jī)1就可以再取一張收費(fèi)卡，然后行駛離開收費(fèi)站，這時(shí)司機(jī)1手上就有2張從收費(fèi)站B取走的收費(fèi)卡。另一方面，司機(jī)2按照正常規(guī)則從收費(fèi)站A取一張收費(fèi)卡進(jìn)入高速公路前往收費(fèi)站C，當(dāng)司機(jī)2和司機(jī)1在收費(fèi)站B和收費(fèi)站C之間的高速公路上相遇時(shí)，司機(jī)1將剛才在收費(fèi)站B多取的一張卡以一定的價(jià)錢賣給司機(jī)2。當(dāng)司機(jī)2到達(dá)收費(fèi)站C的出口時(shí)，司機(jī)2將剛才從司機(jī)1那里拿的收費(fèi)卡交給收費(fèi)員，收費(fèi)員以為司機(jī)2是從收費(fèi)站B過來的，因此所收取的費(fèi)用就是從收費(fèi)站B到收費(fèi)站C之間的路程的費(fèi)用。而司機(jī)2實(shí)際上是從收費(fèi)站A過來的，因此司機(jī)2就沒繳納從收費(fèi)站A到收費(fèi)站B之間這段路程的費(fèi)用。這樣司機(jī)1和司機(jī)2就從中謀取利益，而給高速公路公司造成了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。如果司機(jī)1在收費(fèi)站的自動(dòng)發(fā)卡機(jī)位置和欄桿位置不斷如此往返重復(fù)幾次就可以再多取一些收費(fèi)卡，然后在高速公路上以一定價(jià)錢賣給從較遠(yuǎn)收費(fèi)站過來的司機(jī)，司機(jī)之間就可以從中共同謀取利益，而高速公路公司將遭到更大的經(jīng)濟(jì)損失［8-12］。

2 防盜卡硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前一般收費(fèi)站系統(tǒng)無法控制進(jìn)入高速公路的每輛車輛只取一張收費(fèi)卡而是可以取走多張卡的不足之處，本文提出解決此問題的方法，讓進(jìn)入高速公路的每一輛車只允許取一張卡而不能盜取多張卡，杜絕部分司機(jī)多取卡轉(zhuǎn)交給其他從較遠(yuǎn)收費(fèi)站過來的司機(jī)，從而避免給高速公路公司帶來經(jīng)濟(jì)損失。

本系統(tǒng)由車輛檢測(cè)單元、控制單元、電子開關(guān)單元、語音提示單元、語音報(bào)警單元、欄桿機(jī)和自動(dòng)發(fā)卡機(jī)組成。車輛檢測(cè)單元檢測(cè)欄桿下面車輛的狀態(tài)，利用對(duì)2個(gè)線圈信號(hào)出現(xiàn)的先后順序的判斷就可以判定車輛是前進(jìn)還是后退，并把檢測(cè)車輛的狀態(tài)信號(hào)傳給控制單元，控制單元根據(jù)車輛的狀態(tài)產(chǎn)生控制信號(hào)給電子開關(guān)單元，電子開關(guān)單元對(duì)控制信號(hào)做出反應(yīng)，控制單元中繼電器的斷開與閉合，決定語音提示單元、報(bào)警單元、欄桿機(jī)和自動(dòng)發(fā)卡機(jī)的狀態(tài)及動(dòng)作情況。其中語音提示單元、報(bào)警單元、欄桿機(jī)和自動(dòng)發(fā)卡機(jī)是相互隔離且相互獨(dú)立的單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防盜卡系統(tǒng)組成框圖

車輛檢測(cè)單元包括2個(gè)線圈和2個(gè)車輛檢測(cè)器，如圖3所示。每個(gè)線圈與一個(gè)車輛檢測(cè)器相連接，線圈與車輛檢測(cè)器相匹配，第一個(gè)線圈埋在欄桿正下方的地面上，第二個(gè)線圈距離第一個(gè)線圈一米的距離且第二個(gè)線圈靠近自動(dòng)發(fā)卡機(jī)的方向，如圖7所示。車輛檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間小于50毫秒，信號(hào)頻率范圍為20kHz到200kHz，車輛檢測(cè)輸出為繼電器信號(hào)，當(dāng)有車輛在相應(yīng)的線圈下面時(shí)，車輛檢測(cè)器的輸出繼電器閉合;當(dāng)沒有車輛在相應(yīng)線圈下面時(shí)，車輛檢測(cè)器的輸出繼電器斷開。

車輛檢測(cè)單元檢測(cè)到車輛的狀態(tài)總共有4種狀態(tài)［13-15］。線圈1和線圈2上都沒車輛為狀態(tài)1，此時(shí)車輛檢測(cè)器1和2都沒有信號(hào)輸出。線圈1上面有車輛，線圈2上面沒車輛為狀態(tài)2，此時(shí)車輛檢測(cè)器1有信號(hào)，車輛檢測(cè)器2沒信號(hào)。線圈1和2上面都有車輛為狀態(tài)3，此時(shí)車輛檢測(cè)器1和2都有信號(hào)輸出。線圈1上面沒車輛，線圈2上面有車輛為狀態(tài)4，此時(shí)車輛檢測(cè)器1沒信號(hào)輸出，車輛檢測(cè)器2有信號(hào)輸出。

圖3 車輛檢測(cè)控制單元

圖4 單片機(jī)控制框圖

控制單元包括按鍵恢復(fù)開關(guān)、看門狗電路和單片機(jī)，單片機(jī)可選用ATMEGA8的AVR單片機(jī)，單片機(jī)控制框圖如圖4所示。單片機(jī)不斷從車輛檢測(cè)單元得到車輛在欄桿位置的各種狀態(tài)，判斷車輛是正常往前行駛離開收費(fèi)站還是后退意圖再次取卡，單片機(jī)根據(jù)輸入的車輛狀態(tài)信息產(chǎn)生控制信號(hào)給電子控制單元。當(dāng)單片機(jī)出現(xiàn)不正常運(yùn)行之后，看門狗電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)對(duì)單片機(jī)復(fù)位，使單片機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)有司機(jī)進(jìn)行后退意圖再次取卡時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生聲響報(bào)警信號(hào)并通知工作人員處理，處理結(jié)束后，工作人員手動(dòng)按壓按鍵復(fù)位開關(guān)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

圖5 電子開關(guān)控制單元

電子開關(guān)單元包含驅(qū)動(dòng)芯片和5個(gè)繼電器，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)芯片接收控制單元中的單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片后分別傳給5個(gè)繼電器，繼電器按照控制信號(hào)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)芯片是至少5個(gè)通道的達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片，選用ULN2803。繼電器采用開關(guān)觸點(diǎn)及耐壓至少30V的繼電器。繼電器1閉合時(shí)，即控制欄桿抬起;繼電器2閉合時(shí)，即控制欄桿落下;繼電器3閉合時(shí)，即禁止從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)取卡;繼電器4閉合時(shí)，即產(chǎn)生語音提示;繼電器5閉合時(shí)，即產(chǎn)生警報(bào)，反之亦然。繼電器對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行隔離。繼電器選用輸入控制電壓為5V，輸出開關(guān)觸點(diǎn)耐壓30V的繼電器。5個(gè)繼電器全部采用常開的工作方式，保證當(dāng)本系統(tǒng)斷電時(shí)，整個(gè)收費(fèi)站仍能正常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

語音提示單元包含語音解碼播放芯片、語音存儲(chǔ)卡、功率放大電路和揚(yáng)聲器，如圖6所示。語音存儲(chǔ)卡用于存放需要播放的語音文件;解碼播放芯片從語音存儲(chǔ)卡讀取要播放的語音文件數(shù)據(jù)，進(jìn)行播放;功率放大電路對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放聲音。功率放大電路和揚(yáng)聲器的功率為10W以上。語音解碼芯片可選用WTV020的解碼芯片，存儲(chǔ)器選用1G容量的SD卡，功率放大電路可采用以TDA2030集成功率放大器為核心的電路。

圖6 語音報(bào)警單元框圖

警報(bào)單元是功率20W以上的警報(bào)器。當(dāng)有司機(jī)意圖取多張收費(fèi)卡時(shí)，警報(bào)器發(fā)出聲音報(bào)警，通知工作人員對(duì)該司機(jī)進(jìn)行處理。

自動(dòng)發(fā)卡機(jī)能夠接收繼電器發(fā)出的開關(guān)信號(hào)，從而判斷是否能夠取卡。當(dāng)開關(guān)信號(hào)閉合時(shí)，自動(dòng)發(fā)卡機(jī)被禁止取卡，反之亦然。

本系統(tǒng)能夠判斷車輛在欄桿下面是往前行駛離開收費(fèi)站還是往后退意圖再次取卡，對(duì)意圖再次取卡的司機(jī)進(jìn)行語音提示，發(fā)出警報(bào)通知工作人員處理，同時(shí)禁止從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)取卡，讓司機(jī)不能取多張卡。

3 防盜卡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示為車輛檢測(cè)線圈在通道中的位置。如圖8所示是檢測(cè)車輛是否后退檢測(cè)流程圖。車輛正常行駛離開收費(fèi)站時(shí)，剛開始沒接觸到線圈，接著接觸到線圈1，接著線圈1和線圈2都接觸到，接著只接觸線圈2，最后2個(gè)線圈都沒接觸到，因此車輛檢測(cè)單元的輸出狀態(tài)依次為狀態(tài)1、2、3、4和1。由于車輛必須接觸到線圈2然后離開線圈2系統(tǒng)才會(huì)認(rèn)為車輛已經(jīng)離開收費(fèi)站，然后控制欄桿落下并允許下一輛車過來時(shí)取卡。當(dāng)車輛接觸線圈1再往后退離開線圈1時(shí)，不能從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)上取卡，所以暫時(shí)不判定為后退。當(dāng)車輛在線圈1和線圈2都接觸后，再離開線圈2時(shí)，只接觸到線圈1，此時(shí)欄桿落下同時(shí)自動(dòng)發(fā)卡機(jī)允許取卡，所以應(yīng)該判斷為車輛后退，對(duì)應(yīng)的車輛檢測(cè)單元的狀態(tài)是從狀態(tài)3到狀態(tài)2變化。而車輛若是往前開再后退時(shí)，也必須經(jīng)過從狀態(tài)3到狀態(tài)2的變化過程。因此，可以認(rèn)為車輛檢測(cè)單元的狀態(tài)從狀態(tài)3到狀態(tài)2的變化過程就判斷為車輛后退欲再次取卡。

圖7 車輛檢測(cè)線圈放置位置示意圖

圖8 車輛行駛方向檢測(cè)流程圖

圖9 防盜卡系統(tǒng)程序控制流程圖

防盜卡系統(tǒng)程序控制流程如圖9所示，控制單元的工作過程是:控制單元的單片機(jī)不斷查詢車輛檢測(cè)單元所輸出車輛的狀態(tài)，如果車輛檢測(cè)單元輸出的狀態(tài)信號(hào)依次為1、2、3、4和1時(shí)，表明車輛正常行駛離開收費(fèi)站，控制單元控制欄桿落下并允許下一輛車到來時(shí)從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)取卡。當(dāng)車輛出現(xiàn)第一次后退，控制單元通過電子開關(guān)單元禁止從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)上取卡，延時(shí)3秒后，控制單元輸出控制信號(hào)通過控制單元控制語音提示單元播放，提醒司機(jī)已經(jīng)取卡要往前行駛離開收費(fèi)站，并抬起欄桿讓車輛離開。如果車輛正常行駛離開收費(fèi)站，則這輛車測(cè)量檢測(cè)完成，準(zhǔn)備檢測(cè)下一輛車。如果車輛不是正常行駛離開收費(fèi)站而是再次后退準(zhǔn)備再次取卡，或者，3分鐘內(nèi)沒有往前行駛離開收費(fèi)站而是從別的車道離開收費(fèi)站，則控制單元控制欄桿落下，禁止車輛離開，同時(shí)控制單元控制報(bào)警器發(fā)出警報(bào)通知工作人員過來處理。當(dāng)工作人員處理完畢后可按控制單元中的按鍵復(fù)位開關(guān)復(fù)位系統(tǒng)，使系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)允許有一次的后退機(jī)會(huì)能夠有效減少系統(tǒng)誤報(bào)，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)由附加的車輛行駛方向檢測(cè)判別裝置與原有的自動(dòng)發(fā)卡機(jī)配合，組成了一套具備阻止司機(jī)惡意盜竊高速路收費(fèi)卡的防盜卡系統(tǒng)，有效杜絕盜卡不法行為的發(fā)生，減少高速公路公司的經(jīng)濟(jì)損失。本防盜卡系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠，已經(jīng)有數(shù)十套防盜卡系統(tǒng)在福建省福寧高速公路段收費(fèi)站使用。實(shí)踐應(yīng)用表明，對(duì)于意圖通過倒車來盜取多張卡的司機(jī)能夠有效攔截并阻止其再次取卡，而對(duì)于正常行駛的司機(jī)不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警現(xiàn)象。本防盜卡系統(tǒng)是一個(gè)附加裝置，只要對(duì)原有的自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造就可以實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

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