ترجمه مقاله سیستم الکترونیکی جمع‌آوری عوارض

طراحی و پیاده‌سازی سیستم الکترونیکی جمع‌آوری عوارض مبتنی بر تکنیک‌های سیستم موقعیت‌یاب خودرو

Design and implementation of electronic toll collection system based on vehicle positioning system techniques

 

چکیده

در حال حاضر، بیشتر سیستم‌های الکترونیکی جمع‌آوری عوارض (ETC) دنیا توسط فناوری DSRC (مخابرات اختصاصی محدوده کوتاه) پیاده‌سازی شده‌اند. با این حال، سیستم شارژ جاده‌ای جامع و یکپارچه MLFF (عبور آزاد چندبانده) اکنون در حال توسعه و جایگزینی سیستم‌های ETC مبتنی بر DSRC است. سیستم ETC مبتنی بر VPS (سیستم موقعیت‌یاب خودرو) دسته‌‌ای از خدمات محلی است که با تعیین ورود خودرو به ناحیه شارژ، عوارضی آنها را دریافت می‌کند. این یک فناوری تکاملی برای راهکار شارژ جاده‌ای یکپارچه و جامع است که با یک طرح مختلف در مقایسه با فناوری سنتی مبتنی بر DSRC، پرداخت الکترونیکی یا جمع‌آوری الکترونیکی عوارض را محقق می‌سازد. در این مقاله، طراحی و پیاده‌سازی سیستم ETC مبتنی بر VPS به صورت کاملا تشریحی بحث شده و سیستم تست معاملات مالی VPS در آزادراه تایوان عملی شده است.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی کامپیوتر

 

 

 

1. مقدمه

جمع‌آوری الکترونیکی عوارض (ETC)، همچنین معروف به سیستم پرداخت و قیمت‌گذاری الکترونیکی، یکی از موضوعات اصلی تحقیقات در زمینه سیستم انتقال هوشمند (ITS) است [1]. ETC یکی از راهکارهای قیمت‌گذاری جاده‌ای است که مزایایی چون افزایش ظرفیت باجه‌های عوارضی، کاهش زمان پرداخت عوارضی، افزایش راحتی و امنیت مسافران و کمینه کردن آلودگی هوا و مصرف سوخت را شامل می شود. این کار باعث می‌شود اپراتورهای باجه‌های عوارضی آزادراه‌ها، پل، تونل و اتوبان‌ها ضمن کاهش تاخیر در مسافران و بهبود عملیات ترافیکی، هزینه‌‌های پرسنلی کاهش یابد. سیستم ETC تعیین کننده آن است که آیا خودرهای عبوری در برنامه ثبت شده اند یا نه، به خودروهایی که عوارضی خود را پرداخت نکرده‌اند اخطار می‌دهد و بدون توقف خودروها بصورت الکترونیکی حساب‌ها را از کارت IC ماشین‌های ثبت شده دریافت می‌کند. فناوری‌های سنتی به کار رفته در سیستم ETC در دسته سیستم‌های DSRC (مخابرات اختصاصی محدوده کوتاه) جای می‌گیرند چون واحد نصب‌شده (OBU) در خودرو تنها می‌تواند با واحد سمت جاده  (RSU) و در یک ناحیه با محدوده کوتاه برای مثال 30 متر، ارتباط برقرار کند. فناوری‌های به کار رفته در سیستم ETC مبتنی بر DSRC در دو دسته قرار می‌گیرند: اینفرارد و میکروویو، که با واسط مخابراتی خود نامگذاری شده‌اند. تکامل فناوری ETC باعث شده است سیستم ETC مبتنی بر DSRC از حالت SLFF (جریان آزاد تک خط) به MLFF (جریان آزاد چندخط) تبدیل شود، که با این کار حرکت خودرو در مسیر تک خط حین گذر از ناحیه عوارض متوقف نمی‌شود. با این حال، سیستم ETC مبتنی بر DSRC دارای چندین عیب است: پیچیدگی، از لحاظ هزینه بی‌ثمر، دشواری در یکپارچگی سیستم و فقدان انعطاف در بازیابی محلی RSU.

سیستم شارژ جاده‌ای جامع و یکپارچه MLFF اکنون در حال توسعه و جایگزینی سیستم‌های ETC مبتنی بر DSRC است. فناوری سیستم موقعیت‌یاب خودرو (VPS) یگ گرایش نوین برای سیستم شارژ جاده‌ای است که سیستم ETC را بر اساس فناوری‌های محابرات سیار و موقعیت‌یاب محقق می‌سازد. دو تفاوت اساسی بین سیستم‌های ETC مبتنی بر VPS و مبتنی بر DSRC وجود دارد: سازوکار مخابراتی و واسط جمع‌آوری عوارض. سازوکار مخابراتی به کار رفته در VPS مخابرات سیاری مثل GPRS/UMTS/HSPA است که پروتکل‌های استاندارد مخابرات سیار هستند. با اینکه برای ETC مبتنی بر DSRC چندین استاندارد و پروتکل وجود دارد، بیشتر آنها با هم همکاری دارند. در مقایسه با سیستم ETC مبتنی بر DSRC، سیستم ETC مبتنی بر VPS دارای مزایای زیر است: از لحاظ هزینه کارا، ساده‌سازی RSU، ناحیه مخابراتی بدون محدودیت، توسعه‌پذیری خدمات، و سهولت در تبدیل از طرح جمع‌آوری عوارض مبتنی بر لاین به طرح مبتنی بر مسافت. سازوکار عوارضی در VPS به جای ارتباط با RSU در سیستم ETC مبتنی بر DSRC، بر فعل و انفعال بین OBU و سیستم پشتیبان[1] از طریق شبکه سیار مبتنی است. مزیت این سازوکار این است که نیازی به ساخت RSU پیچیده‌ که در سیستم ETC مبتنی بر DSRC کاربرد دارد نیست، که باعث انعطاف در جابجایی ناحیه دریافت عوارضی می‌شود. برای موضوع توسعه‌پذیری، از آنجا که در سیستم ETC مبتنی بر VPS سازوکارهای مخابرات سیار، موقعیت‌یابی و پرداخت الکترونیکی وجود دارد، این سیستم را می‌توان به سادگی بدون هیچ تسهیلات اضافی مثل تجهیز داخل خودور (OBU)، به خدمات پردازش راه دور اطلاعات و یا خدمات تجارت تلفنی همچون جمع‌آوری حق پارک، ردیابی خودرو و غیره توسعه داد. علاوه بر این‌ها، OBU موجود در سیستم مبتنی بر DSRC معمولا در تعلق اپراتور و یا سازنده آن است، در حالی که در سیستم ETC مبتنی بر VPS در اختیار کاربر است، مثل OBU اختصاصی، تلفن‌هوشمند/PDA/PND (دستگاه موقعیت‌یابی شخصی)/UMPC (رایانه فوق سیار)  فعال شده توسط VPS و غیره.

سیستم ETC با همکاری چندین زیرسیستم از جمله زیرسیستم معاملات مالی، سیستم اجرا، OBU، سیستم مخابرات سیار و سیستم پشتیبان، عمل می‌کند. زیرسیستم‌های اجرائی شامل AVI (تشخیص خودکار خودرو) و شناسائی شماره گواهی می‌باشند. در این مقاله، ما در مورد مسائل طراحی سیستم ETC مبتنی بر VPS بحث می‌کنیم و یک سیستم نمونه اولیه شامل سیستم پشتیبان (زیرسیستم معاملات مالی) و تجهیزات سرجلویی[2] جهت تست میدانی طراحی و پیاده‌سازی شد. این سیستم از شبکه سیار GPRS و سیستم موقعیت‌یاب GPS به عنوان پایه استفاده می‌کند. چند نوع OBU منجمله OBU اختصاصی، تلفن هوشمند، PDA پیاده‌سازی می‌شود. تست میدانی در آزادراه ملی شماره 1 و 3 در تایوان و به مدت چند ماه انجام می‌شود و یک مجموعه خودرو تست شامل 10 اتوبوس زمانبندی شده آزادراهی با همکاری شرکت اتوبوسرانی تشکیل می‌شود.

بخش‌های ذیل به این صورت تنظیم شده است. بخش 2 تاریخچه و کارهای مربوط به سیستم ETC مبتنی بر VPS را بیان کرده و چندین سیستم بحث می شود، بخش 3 معماری سیستم و فرایند دریافت عوارضی VPS را بحث می‌کند. طراحی و پیاده‌سازی تجهیزات VPS مثل OBU، پروتکل پیام‌ها، سیستم اجرایی و سیستم پشتیبان، در بخش 4 بحث می‌شود. در بخش 5، تست واحدها و تست میدانی بحث می‌شود. همچنین، یک سیستم معاملات مالی هم پیاده‌سازی شده است که در آن یک مجموعه تست شامل 10 خودرو به تست میدانی آزادراه‌های ملی در تایوان ملحق شدند. در نهایت هم در بخش 6 نتیجه‌گیری‌ها و کار تحقیقاتی آتی بیان شده است.

 

2. تاریخچه و کارهای مرتبط

تکنیک ETC مبتنی بر DSRC در راه توسعه خود به سمت صحت MLFF [2] و پیکربندی بهینه [3] است. در حال حاضر در سراسر جهان، بیشتر کشورها و شهرها از سیستم ETC مبتنی بر DSRC در سیاست قیمت‌گذاری جاده‌ای و جمع‌آوری هزینه‌ها استفاده می‌کنند و از طرح‌های مختلفی استفاده شده است: توقف و حرکت، SLFF و MLFF [4,5]. برای مثال، تایوان [6] و کره جنوبی [7] از سال 2006 از سرویس ETC ملی با استفاده از سیستم ETC مبتنی بر DSRC پرده‌برداری کردند. از طرف دیگر، تکنیک ANPR (شناسائی خودکار شماره پلاک) نیز برای قیمت‌گذاری جاده‌ای شهری داخل شهرها به کار رفته است که در برخی شهرها مثل لندن، رم، ادینبورگ و غیره استفاده شده است. با این حال، دقت شناسائی تکنیک ANPR که به خوبی تکنیک‌های DSRC و VPS نیست؛ ممکن است منجر به افزایش هزینه های عملکرد دستی هم شود. این تکنیک بیشتر برای سیستم اجرایی به عنوان پشتیبان سیستم جمع‌آوری عوارض به کار می‌رود.

تکنیک موقعیت‌یاب خودرو در حال حاضر در بیشتر کاربردهای معروفی همچون ردیابی خودرو، مکانیابی خودرو، مدیریت ناوگان، خدمات محلی و خدمات پردازش از راه دور به کار گرفته شده است. سیستم ETC مبتنی بر VPS دسته‌ای از خدمات مبتنی بر مکان است که با تعیین اینکه آیا خودرو وارد ناحیه عوارضی شده است ، عوارضی آنها را دریافت می‌کند و می‌توان از آن در جمع‌آوری عوارضی آزادراه و یا قیمت‌گذاری جاده‌ای در ناحیه داخل شهری استفاده کرد. مفهوم جمع‌آوری عوارضی توسط طرح VPS در [8] آغاز شد و اولین تست میدانی پروژه EPR (قیمت‌گذاری الکترونیکی جاده‌ای) در سال 1997 در هنگ‌کنگ به انجام رسید. مسائل مرور و طراحی سیستم ETC مبتنی بر VPS در [9] و [10] بیشتر بحث شد. در حال حاضر، چندین کشور وجود دارد که طرح جمع‌آوری عوارض مبتنی بر VPS را آغاز کرده‌اند و یا قرار است آغاز کنند. پروژه جمع‌آوری عوارض [11,12] برای کامیون‌های اتوبان‌های آلمان از سال 2005 شروع شده است که از طرح مسافت شمار محاسبه شده با OBU عوارض کامیون‌ها را دریافت می‌کند اما سیستم اجرائی هنوز مبتنی است بر تکنیک DSRC. پروژه HVF (بهای خودرو سنگین) [13,14] در سوئیس، برای جمع‌آوری عوارض خودروهای سنگین تکنیک‌های DSRC و VPS را با هم ترکیب می‌کند. در آمریکا، پروژه مطالعاتی راه‌کارهای ترافیکی دارای یک تست میدانی برای قیمت‌گذاری جاده‌ای توسط تکنیک VPS در پاجت ساوند [15] بود. هشت شهر در اروپا به پروژه PRoGRESS [16] برای قیمت‌گذاری مسیرهای شهری ملحق شدند که این پروژه هدف " اثبات و ارزیابی کارائی و پذیرش طرح های یکپارچه قیمت‌گذاری حمل و نقل شهری برای دستیابی به اهداف حمل و نقل و افزایش درآمدها" را دنبال می‌کند[16]. مقایسه فناوری و طرح‌های عوارضی اتخاذ شده توسط این شهرها در جدول 1 بیان شده است. در بین آنها، سه شهر از تکنیک VPS بهره برده‌اند، کپنهاگ، بریستول و گوتنبرگ، با طرح‌های عوارضی مختلف: مبتنی بر محدوده، مبتنی بر ناحیه و مبتنی بر مسافت.

 

3. معماری سیستم VPS

معماری سیستمی مربوط به سیستم ETC مبتنی بر VPS در شکل 1 تشریح شده است، که شامل چهار مولفه کلیدی است: OBU، سیستم اجرائی، سیستم مخابرات سیار و سیستم پشتیبان. این طرح چندین فناوری را با هم ترکیب می‌کند مثل موقعیت‌یاب خودرو، مخابرات سیار، تشخیص خودرو و دسته‌بندی و شناسائی خودکار پلاک خودرو، OBU و سیستم پشتیبان. OBU تجهیزی است که در خودرو نصب می‌شود و دارای ماژول‌های محاسبه، موقعیت‌یابی (GPS) و مخابره‌ای است. شبکه مخابرات سیار، مثل GPRS/UMTS/HSPA، یک رابط ارتباطی و مخابراتی را بین OBU و سیستم پشتیبان فراهم می‌کند. سیستم اجرا با دریافت تصویر خودرو، دسته‌بندی خودکار خودرو و شناسائی خودکار شماره پلاک آن، برای کاهش عوارض پرداخت نشده به کار می‌رود. سیستم پشتیبان مسئول همه اطلاعات پردازش شده است منجمله جمع‌آوری و پردازش آنلاین داده‌ها، معاملات مالی، مرکز خدمات مشتری، و اطلاعات ترافیکی، معاملات مالی و تطبیق داده‌های اجرائی و غیره. OBU و سیستم پشتیبان از طریق VPN (شبکه شخصی مجازی) خصوصی و براساس شبکه سیار GPRS/UMTS/HSPA فراهم شده توسط اپراتور مخابرات، با هم ارتباط دارند.

فرایند دریافت عوارض در نواحی عوارضی از پیش تعیین شده، موسوم به پست های مجازی عوارض، انجام می‌شود که در آن به محض اینکه خودروها وارد این نواحی عوارضی شوند، ورودیه آنها دریافت خواهد شد. همانند شکل 2، ناحیه عوارضی یک ناحیه مستطیلی شکل است که توسط یک جفت موله {(x₁,y₁), (x₂,y₂)} مشخص می‌شود، و کل ناحیه ممکن برای حرکت خودروها در یک مسیر حرکت یکسان را پوشش می‌دهد. در قسمت عوارض دو بخش وجود دارد: ناحیه ابلاغ و ناحیه عوارض. به خودرویی که در آن OBU نصب شده است به محض ورود به ناحیه ابلاغ، اطلاع‌رسانی خواهد شد که قرار است معامله عوارضی انجام شود و با گذر از ناحیه عوارض، معامله مالی[3] صورت خواهد گرفت. هر پست مجازی عوارض دارای دو ناحیه عوارضی است، هر کدام برای یک سمت از جاده. خط اجرا بین این دو ناحیه عوارض قرار گرفته است و دارای تجهیزات ثبت و اجرا مثل دوربین، حسگرهای دسته‌بندی کننده خودرو نصب شده در آن برای شناسائی نوع خودرو و دریافت شماره پلاک آنهاست. ماژول‌های دوربین در سیستم اجرا با ورود هر خودرو به ناحیه عوارض از آن عسکبرداری می‌کند و ماژول تشخیص شماره پلاک با استفاده از فناوری پردازش تصویر شماره پلاک را تشخیص می‌دهد تا با تطبیق این شماره پلاک‌ها با اطلاعات موجود در معاملات عوارضی، بین خودروهای ثبت‌شده و ثبت‌نشده تمییز قائل شود. نتایج تطبیق شده اطلاعات و شواهدی را برای پردازش بعدی و اجرائیات قانونی فراهم می‌کند. اگر خودروهای ثبت نشده وارد ناحیه عوارض شوند، تصاویر و شماره پلاک‌های دریافتی توسط سیستم اجرا قابل طابق با اطلاعات موجود نخواهد بود. این سیستم قادر است بر اساس شماره پلاک و از طریق پشتیبانی سیستم مدیریت دولتی، اطلاعات جزئیاتی بیشتری را در رابطه با خودروهای متخطی مثل نام و آدرس آنها برای فرایند تخطی فراهم سازد.

همه هماهنگی‌های انجام شده بین پست‌های مجازی عوارض بسته‌های امن بصورت جداول ناحیه عوارضی بوده و در OBU ذخیره می‌شوند. OBU به کمک موقعیت فعلی خودرو و هماهنگی با گیرنده GPS، تشخیص می‌دهد که آیا خودرو (OBU) وارد منطقه عوارض (ناحیه ابلاغ و ناحیه عوارض)  شده است یا نه و به محض مشخص شدن ورود خودرو به ناحیه عوارض، پیام درخواست معامله را توسط ماژول مخابراتی و از طریق شبکه سیار به سیستم پشتیبان ارسال می‌کند. وقتی سیستم پشتیبان درخواست معامله را دریافت کرد، اطلاعات شماره پلاک خودروی ثبت‌شده، جهت شناسائی شماره پلاک و تطبیق آن به سیستم اجرائی موجود در RSU ارسال می‌شود و با جستجو در جدول عوارض از حسال خودروی ثبت‌شده کسر می‌شود و معامله دریافت عوارضی توسط سیستم پشتیبان صورت می‌گیرد. سپس OBU نتیجه معامله را دریافت و نمایش می‌دهد و اطلاعات محلی ردوبدل شده که  توسط سیستم پشتیبان و پس از درخواست معامله پاسخ داده شده است، انجام می‌شود.  

 

4. طراحی اجزای VPS

سیستم و اجزای VPS و همچنین پروتکل مخابراتی بین مسائل طراحی OBU بطور تشریحی در این بخش بیان می‌شود. همان طور که در شکل 1 تشریح شده است، اجزای اصلی سیستم VPS شامل OBU، سیستم اجرائی، و سیستم پشتیبان است. به منظور برآورده کردن الزامات ETC محلی، در طراحی سیستم VPS چند مساله و قانون وجود دارد، منجمله: (1) پشتیبانی از هر دو ETC مبتنی بر گیشه عوارض و مبتنی بر مسافت، (2) اتخاذ مخابرات سیار استاندارد، مثل GPRS/UMTS/HSPA، جائی که کاربران مختار به انتخاب فراهم‌کنندگان خدمات شبکه سیار هستند، (3) پشتیبانی از مدیریت منعطف حق عوارضی برای نواخی مختلف و تقسیم زمانی‌های مختلف، (4) امنیت معاملات مالی باید تضمین شود، (5) خودروهای متخطی باید توسط سیستم اجرائی جریمه شوند و (6) وقتی سیگنال شبکه سیار موجود نباشد و یا ماژول مخابراتی بدرستی عمل نکند، معاملات مالی باید همچنان برقرار باشد. این اجزای کلیدی و نیز جزئیات طراحی و پیاده‌سازی پروتکل پیام VPS در زیربخش‌های ذیل بحث می‌شوند.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی کامپیوتر

 

1. 1. OBU

در OBU چندین ماژول موجود است: موقعیت‌یاب، مخابرات سیار، محاسبه و رابط انسانی. توانمنی محاسباتی برای اجرای برنامه مشتری VPS به کار می‌رود. در طراحی OBU چند قانون وجود دارد که باید به آنها توجه کرد: (1) توانمندی بروزرسانی نرم‌افزار OTA (روی هوا)، (2) موقعیت‌یابی دوحالته GPS و cell ID، و (3) توانائی ارسال مجدد درخواست پیام معامله. دو نوع OBU، OBU تلفن هوشمند و OBU اختصاصی ، همانند شکل 3، طراحی و اجرا می‌شود. OBU تلفن هوشمند که برای تستِ عملکرد و سازگاری با محصولات مصرف‌کننده مشتری مثل تلفن هوشمند، PDA و غیره طراحی شده است، به منظور کمینه‌کردن تلاش سخت‌افزاری در OBU به کار می‌رود. از طرف دیگر، OBU نوع اختصاصی، برای تستِ پایداری و استحکام طراحی شده است، و برای پروژه تست میدانی بیان شده در بخش بعدی به کار می‌رود.

نسخه تلفن هوشمند به عنوان نمونه برای سکوی باز OBU پیاده‌سازی شده است. سیستم عامل ویندوز موبایل[4] و شبکه مجتمع ویندوز دات نت[5] به عنوان محیط اجرائی مشتری VPS انتخاب شده است. همانطور که در شکل 4 بیان شده است، برای تشریح پنجره اصلی، چند نوع شاخص  رابط کاربری در جدول 2 لیست شده است. برای مثال، شمایل G نشان‌دهنده مانده حساب کاربر و شمایل I ناحیه پیام است که بیانگر وضعیت مشتری VPS یا پیام‌های اطلاعات ردوبدل شده است. پیاده‌سازی OBU نوع اختصاصی شامل طراحی سخت‌افزار و نرم‌افزار است. شکل 3(b) نشان‌دهنده طرح سخت‌افزاری OBU نوع اختصاصی است، که یک کامپیوتر تک‌تراشه‌ای است که چندین ماژول به آن اضافه شده است، مثل ماژول موقعیت‌یاب GPS، ماژول مخابراتی GPRS و غیره. در این نوع OBU، سه شاخص سیگنال LED وجود دارد که به ترتیب بیانگر وضعیت کاری، وضعیت GPS و وضعیت GPRS هستند.

 

1. 2. پروتکل‌های پیام VPS

پروتکل پیام یک نقش اساسی در سیستم VPS ایفا می‌کند. OBU و نیز سیستم پشتیبان باید از این پروتکل پیروی کنند تا با یکدیگر تبادل داشته باشند. چندین پیام تعریف شده برای سیستم ETC مبتنی بر VPS وجود دارد که در جدول 3 لیست شده است. هر تعریف پیام شامل یک جفت درخواست و پاسخ است. پیام‌های درخواستی ارسال شده از PBU به سمت پشتیبان دارای نامی هستند که به ‘S’ ختم می‌شودو پیام‌های پاسخ پشتیبان دارای دنباله ‘R’ هستند. برای مثال، پیام ‘BS’ بیانگر پیام ثبت OBU است و هر وقت که OBU کار خود را شروع کرد، به صورت خودکار برای بررسی ثبت مشتری و نسخه OBU ارسال می‌شود. پیام ‘BS’ حاوی اطلاعاتی مثل شناسنامه OBU، پروفایل، نسخه و پیام OTA است. سپس، سرور داده در قسمت پشتیبان پروفایل کاربر (مانده حساب، نوع خودرو و غیره) را تایید، اطلاعات نسخه را بررسی، و وضعیت را تغییر داده و آنگاه پیام ‘BR’ را به OBU بازگشت خواهد داد. اگر نسخه جدیدی برای برنامه مشتری VPS یا تعریف جدیدی از جداول قسمت عوارض موجود باشد، آنگاه رویه بروزرسانی نرم‌افزار OTA فعال می‌شود تا OBU را آپدیت کند. پس از اینکه فرایند بروزرسانی انجام شد و OBU شروع مجدد کرد، یک پیام ‘BS’ جدید به قسمت پشتیبان ارسال می‌شود. معامله مالی وسط پیام‌ ‘TS’ یا ‘RS’ انجام می‌شود، که ‘TS’ پیام آنلاین درخواست معامله است که توسط OBU و وقتی تشخیص داده شده که ورد قسمت عوارض شده است، به پشتیبان ارسال می‌شود. وقتی پشتیبان پیام ‘TS’ را دریافت کرد، معامله مالی آغاز می‌شود و پس از تایید معامله، پیام ‘TR’ به OBU باز می‌گردد. اطلاعات ردوبدل شده محلی زمان واقعی ضمیمه شده به پیام ‘TR’ به OBU برمی‌گردد تا وضعیت تحویل ترافیک محلی را اطلاع‌رسانی کند. اگر OBU پیام ‘TR’ را دریافت نکند، معامله مالی در محل ذخیره OBU نگهداری شده و پس از یک دوره زمانی وقفه، به عنوان پیام درخواست ‘RS’ (معامله گروهی[6]) ارسال مجدد می‌شود، جائی که پیان درخواست ‘RS’ ممکن است حاوی یک یا چند معامله مالی‌ای باشد که با معامله آنلاین ‘TR’ خاتمه نیافته‌اند. این سازوکارها اطمینان می‌دهند که معامله عوارضی در نهایت با ورود خودرو به ناحیه عوارض انجام خواهد شد، حتی وقتی مخابرات شبکه سیار در ناحیه عوارض بخوبی کار نکند.

 

1. 3. سیستم اجرائی

سیستم اجرائی جزء اصلی سیستم ETC مبتنی یر VPS است چون سازوکاری را برای دست و پنجه نرم کردن با تخلف فراهم می‌کند. هدف طراحی سیستم اجرائی این است که این سیستم باید جریان آزاد مبتنی بر لاین و نیز حالت اجرائی جریان آزاد چندلاین، دریافت تصاویر پلاک‌های خودروها و تشخیص شماره پلاک‌ها در حالت تقریبا زمان واقعی پشتیبانی کند. عملیات سیستم اجرائی شامل موارد ذیل است: (1) شناسائی خودرو: خودروهایی را که وارد خط اجرائی می‌شوند در حالت زمان واقعی تشخیص داده و دسته و نوع خودرو را مشخص می‌کند، (2) عکسبرداری: ماژول دوربین باید شماره پلاک هر خودرو را به درستی ثبت کند، (3) شناسائی شماره پلاک: ماژول شناسائی خودکار شماره پلاک باید شماره پلاک هر خودرو را توسط OCR شناسائی کند و (4) تطبیق پیش‌پردازش: داده‌های معامله مالی و اطلاعات اجرائی باید به درستی مطابقت داشته باشند.

از آنجا که همه ماموریت‌ها باید بصورت زمان واقعی (در 1 یا 2 ثانیه) انجام شود، این یک کار محاسباتی بحرانی برای سیستم اجرائی است، و ظرفیت محاسباتی باید بتواند با همه خودروهای گذرا از خط اجرائی سازگاری داشته باشد. به منظور کاهش ظرفیت محاسباتی در شناسائی پلاک و افزایش صحت پیش- تطبیق، در پیاده‌سازی‌ای که انجام داده‌ایم از یک مهارت خلاقانه استفاده کرده‌ایم. دقیقا پس از جستجوی مرکز داده کاربران ثبت شده در سیستم پشتیبان و وقتی پیام ‘TS’ از یک OBU دریافت شد، شماره پلاک به سیستم اجرائی ارسال می‌شود. لذا هر وقت OBU (خودرو) از خط اجرائی عبور می‌کند، سیستم اجرا دارای توانمندی پیش‌بینی شماره پلاک خودروی ثبت شده بعدی است. این عمل باعث بهبود کارائی و صحت تشخیص خودکار شماره پلاک و تطبیق پیش‌پردازش می‌شود. وقتی شماره پلاک دریافتی از پشتیبان با شناسائی شماره پلاک تطابق داشته باشد، پیش‌پردازش تطبیقی انجام می‌شود و همه تصاویر خودروی ثبت‌نشده جهت تطبیق آتی و پردازش تخلف، در پایگاه داده پشتیبان ذخیره می‌شود.

 

1. 4. سیستم پشتیبان

سیستم پشتیبان یک عبارت کلی و عمومی برای ETC است، که شامل چندین زیرسیستم مثل صدور صورتحساب، تسویه، خدمات مشتری، وبسیات، مدیریت OBU، پایش سیستم، فرایند تخلف، پشتیبانی از مدیریت ترافیک و غیره است. همانطور که در شکل 5 تشریح شده است، احزای اصلی سیستم پشتیبان شامل سرور داده، پایگاه داده، سرور کاربردی و سرور وب است. سرور داده مسئول ارسال و دریافت داده با OBU از طریق شبکه سیار بوده و از طریق شبکه خصوصی ETC به سیستم اجرائی متصل می‌شود. پایگاه داده پروفایل کاربر ثبت‌شده، گزارشات مخابراتی، رکوردهای معاملاتی و همه اطلاعات سیستم را نگهداری می‌کند. سرور وب نیز صفحات معرفی و خدمات مشتری را برای کاربران اینترنتی فراهم می‌کند، نمونه صفحات در شکل 7 مشاهده می‌شود. کاربران ثبت‌شده می‌توانند پروفایل شخصی خود اصلاح کرده و تاریخچه معاملات شخصی خود را با ورود به وبسایت ببینند. سرور کاربردی یک نقش حیاتی در سیستم پشتیبان VPS ایفا می‌کند. چندین کارکرد اصلی دیگر سیستم پشتیبان منجمله ماژول پاسخ مخزن، ماژول معاملات مالی، ماژول تطبیق آتی، ماژول فرایند تخلف و غیره، در سرور کاربردی پردازش می‌شوند، همانطور که در شکل 5 هم تشریح شده است.

پردازش معاملات مالی یکی از وظایف بسیار مهم سیستم پشتیبان است. ماژول معاملات مالی با OBU فعل و انفعالاتی را انجام می‌دهد تا وقتی OBU وارد قسمت عوارض می‌شود، اطلاعات مالی (بسته پیام ‘TS’ یا ‘RS’) را دریافت کند. همانطور که در شکل 6 تشریح شده استف سرور داده عملکرد do­_TS() را در ماژول معاملات مالی در سرور کاربردی فرا می‌خواند تا وقتی پیام درخواست معامله (TS) را از OBU دریافت کرد، فرایند معامله مالی را تکمیل کند. فرایندهای معاملات مالی شامل بررسی اکانت کاربر، انحام معامله مالی، جستجوی اطلاعات ترافیکی و بازگشت بسته پیام ‘TR’ می‌باشد که این پیام شامل نتیجه معاملات، توازن حساب کاربر و اطلاعات رافیکی زمان واقعی محلی به سرور داده است.

اطلاعات ترافیکی شامل تخمین زمان مسافرت برحسب دقیقه تا باجه عوارض بعدی و حوادث زمان واقعی قبل از توجه کاربر است، برای مثال، تصادف رانندگی در 2 کیلومتر دورتر. OBU به کمک ماژول next to speech پیام را بصورت صوتی قرائت خواهد کرد و نیز آن را در ناحیه پیام ترمینال نمایش خواهد داد (OBU نوع تلفن هوشمند).

سیستم پشتیبان شامل یک وبسیات برای خدمات مشتری کاربران ثبت شده میهمانان اینترنتی است. این سیستم خدماتی متنوعی را ارائه می‌دهد مثل جستجوی تاریخچه معاملات مالی، اظلاعات ترافیکی، و تخمین زمان مسافرت، همانطور که در شکل 7 هم تشریح شده است. دیگر وظایف سیستم پشتیبان، مثل تطبیق، صدور صورتحساب، تسویه؛ فرایند تخلف، بصورت خودکار همانند یک دسته وظایف گروهی در سیستم پشتیبان انجام خواهد شد.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی کامپیوتر

5. تست واحد و تست میدانی
   1. تست مخابرات سیار و واحد موقعیت‌یاب

ماژول‌های مخابرات سیار و موقعیت‌یاب نقش‌های اساسی در سیستم ETC مبتنی بر VPS ایفا می‌کنند. تست‌های واحدی این دو تجهیز به منظور شناخت ویژگی‌های آنها ضروری است. هدف از تست مخابرات سیار این است که زمان تاخیر متوسط بسته GPRS از OBU تا سرور داده را بتوان به صورت مختصر بیان کرد. این کار باعث می‌شود آستانه تاخیر زمانی بین درخواست پیام و پاسخ به آن در OBU درک شود. از طرف دیگر،تست واحد موقعیت‌یاب به شناخت تغییرات سیگنال GPS و انحراف میانگین در یک محل ثابت کمک می‌کند.

تست واحد ماژول‌های مخابراتی و موقعیت‌یاب با هم و در برخی مکان‌های ثابت انجام می‌شود و برنامه تست واحد برای یک دوره زمانی اجرا می‌شود. برای تست واحد مخابراتی، به منظور محاسبه lost rate بسته‌ها و متوسط تاخیر بسته اتخاذ شده توسط شبکه سیار GPRS، برنامه تست در OBU دو سرور داده موجود در پشتیبان را با ارسال سه بسته TCP/IP از طریق شبکه GPRS ارسال می‌کند، که هر بسته حاوی 16 بایت داده بوده و در هر تست 10 عملیات پینگ وجود دارد. تاخیر زمانی هر تست، برابر است با تاخیر متوسط همه 30 بسته            اختلاف زمانی موجود بین برچسب زمانی ماهواره های GPS و برچسب زمانی سیستم در سرور داده. برای صحت محاسبه تاخیر زمانی، سرور داده باید با زمان جهانی و از طریق پروتکل NTP متصل به سرور زمان، همزمان و سنکرون شود. نتیجه تست واحد GPRS در شکل 8 (a) نشان داده شده است، که مجموعه 12347 تست انجام شده است. آستانه زمان پاسخ برابر 5 ثانیه تنظیم شده است، و اگر زمان پاسخ بسته بیش از این مقدار آستانه باشد به عنوان بسته از دست رفته GPRS تلقی می‌شود چون بسته‌ها باید به ناحیه عوارضی برگردند تا انجام معامله مالی در این آستانه زمانی تایید شود. در تست واحد GPRS، زمان پاسخ فراتر از آستانه (lost rate) برابر 64/3% است و برای پاسخ بسته‌های داخل آستانه، زمان پاسخ متوسط برابر 9/3 ثانیه است.

تست واحد موقعیت‌یاب بصورت موازی با تست واحد مخابرات انجام می‌شود چون سیگنال موقعیت‌یاب GPS و اطلاعات برچسب زمانی ماهواره‌های GPS بصورت همزمان از ماژول GPS قرائت می‌شوند و توسط بسته یکسان GPRS به سرور داده ارسال می‌شوند. تست واحد موقعیت‌یاب به درک وضعیت سیگنال ماهواره GPS در یک مدت زمان طولانی در یک مکان ثابت و کسب اطلاعات از انحراف جابجایی میانگین مکان، کمک می‌کند. نتایج تست واحد موقعیت‌یاب در شکل 8 (b) تشریح شده است. برای تعداد ماهواره بیش از چهار عدد، OBU قادر است مختصات صحیح را از ماژول GPS قرائت کند. لذا اگر تعداد ماهواره‌ها کمتر از سه باشد، یک نوع شکست در موقعیت‌یابی محسوب می‌شود که برابر 68/3% است.

 

1. 2. تست میدانی آزادراه

به منظور تست عملکرد و پایداری سیستم VPS، تست میدانی بر روی 10 خودرو در آزاده راه ملی شماره 1 تایوان انجام شد، که این تست‌های میدانی در دو قسمت انجام شدند:

اولین تست (2006/12/09-2007/01/02) و دومین تست (2007/07/13-2007/07/19). در این تست‌های میدانی، تنها سیستم معاملات مالی (OBU و سیستم پشتیبان) تست می‌شود و از سیستم اجرائی به علت پیچیدگی تست و مسائل مربوط به هزینه بالا صرفنظر شده است. ده OBU نوع اختصاصی (همانطور که در شکل 3(b) دیده می‌شود) در یکی از گروه خودروهای شامل 10 اتوبوس آزادراهی نصب شده‌ است که این اتوبوس‌ها هر روز بین Taipei و Kaohsiung، دو شهر بزرگ واقع در به ترتیب شمال و جنوب جزیره، تردد می‌کنند. بین این دو شهر نُه باجه عوارض وجود دارد که همه آنها از سیستم ETC مبتنی بر DSRC [5] بهره می‌برند؛ و 10 خودروی تست مجهز به DSRC OBU باید در هر مسافرت زمانبندی شده خود از طریق لاین DSRC ETC رانندگی  کنند. در این تست میدانی آزادراه، سیستم ETC مبتنی بر DSRC مبنای این تست میدانی است. ما فرض می‌کنیم که داده بدست آمده از سیستم ETC مبتنی بر DSRC 100% صحیح باشد. نتایح این تست‌ها در جداول 4 و 5 بیان شده است.

حین عبور OBU از ناحیه مجازی عوارضی، سه مورد امکانپذیر است: (1) پیام درخواست معامله (TS) با موفقیت به سیستم پشتیبان ارسال شده است و اعلام وصول (پیام ‘TR’) توسط OBU دریافت شده است، (2) OBU درخواست معامله را مجدد ارسال می‌کند چون OBU قبل از مهلت داده شده پیام ‘TR’ را دریافت نکرده است، و (3) OBU درخواستی را ارسال نمی‌کند یا بسته درخواست در طی انتقال شبکه سیار از دست رفته است. اولین مورد که در ستون C جدول 4 و  5 لیست شده است یک مورد طبیعی است، که در آن سیستم پشتیبان درخواست معامله (TS) را دریافت کرده، معامله مالی را انجام داده و پیام ‘TR’ (تایید انجام معامله) را به OBU ارسال می‌کند. اما در مورد (2)، که در ستون D جداول 4 و 5 لیست شده است، درخواست‌های معامله‌ای که مجدد ارسال شده است و نیز درخواست‌های اصلی، توسط سیستم پشتیبان دریافت می‌شود. این ممکن است منجر به انجام دوباره معاملات مالی شود که موردقبول نیست. خوشبختانه، این مورد را می‌توان با افزودن یک قانون بررسی مکانی و زمانی در ماژول معامله مالی در سرور کاربردی حل کرد. به این ترتیب درخواست مجدد انجام معامله با بررسی درخواست‌های اخیر هر OBU فیلتر می‌شود. نتیجه مورد (3) در ستون E جداول 4 و 5 بیان شده است که در آن بسته گمشده توسط پتیبان جمع‌آوری نخواهد شد و لذا یک مورد غیرمالی اتفاق می‌افتد. صحت سیستم معامله مالی VPS توسط نسبت حساب مالی صحیح و ثبت‌های ETC مبتنی بر DSRC محاسبه می‌شود که در ستون‌های آخر جداول 4 و 5 لیست شده است. صحت متوسط دو تست میدانی به ترتیب برابر 87/86% و 96/84%  است. با این حال، صحت دو خودرو (شماره 1 و شماره 7) نسبت به بقیه بسیار بدتر است. پس از فراخوانی این دو خودرو و بررسی OBU آنها، متوجه شدیم که ماژول‌های موقعیت‌یاب GPS OBU نصب شده در این دو خودرو عملکرد نادرستی داشته‌اند. با تعویض ماژول موقعیت‌یاب می‌توان این مشکل را حل کرد. اگر نمونه تست‌های این دو خودرو را در نظر نگیریم، صحت سیستم معامله مالی VPS این دو تست میدانی را به ترتیب برابر 59/99% و 47/99% خواهد بود.

ممکن است وقتی تعریف ناحیه عوارض صحیح نباشد، OBU هیچ پیام درخواست معامله‌ای (‘TS’) را ارسال نکند. این به خاطر کاوش نادرست مختصات نواحی عوارضی است. در این مورد، برای هیچ کدام از خودروهای عبوری از ناحیه عوارض معامله‌ای صورت نمی‌گیرد. تحلیل تست بعد فضایی (از نقطه نظر باجه عوارضی) برای تست میدانی اول در جدول 6 نشان داده شده است. صحت همه نواحی عوارضی تقریبا یکسان بوده و ثبت‌های غیرمعامله‌ای تقریبا بطور یکنواخت به همه باجه‌ها پخش شده است. این نشان می‌دهد که موردی که در آن تعریف ناحیه عوارض نادرست باشد، در این تست میدانی وجود ندارد و ثبت‌های غیرمعامله‌ای عمدتا توسط عملکرد نادرست دو OBU ایجاد شده است.

از طرف دیگر، معامله آنلاین ممکن است در کوتاه مدت و وقتی خودرو از باجه عوارضی عبور می‌کند بنا به دلایل زیر ناموفق باشد: تاخیر شبکه سیار (ازدحام، تبادل کنترل، سیگنال رادیویی ضعیف و غیره)، سیگنال GPS ضعیف، یا تاخیر سیستم پشتیبان. پیام معامله گروهی (‘RS’) برای پشتیبانی پیام درهواست معامله آنلاین (‘TS’) طراحی شده است. اگر یک پیام ‘RS’ توسط سیستم پشتیبان دریافت شده باشد، این بدان معناست که در مدت زمان آستانه مهلت داده شده و وقتی خودرو از ناحیه عوارضی عبور می‌کند، درخواست معامله ‘TS’ تاییدیه ‘TR’ دریافت نمی‌کند. نسبت پیام ‘TS’ در مقایسه با کل معاملات ثبت‌شده دریافتی (‘TS’+’RS’) توسط سیستم پشتیبان نشان‌دهنده نرخ موفقیت‌آمیز درخواست معامله آنلاین است، که می‌توان آن را در دو بُعد تحلیل کرد: OBU و ناحیه عوارضی. از نقطه نظر OBU، اگر نرخ موفقیت‌آمیز یکی از OBU ها کمتر از میزان متوسط باشد، آنگاه ماژول مخابراتی آن OBU ممکن است دارای مشکلاتی باشد. همانطور که در جدول7 (a) نشان داده شده است، نرخ موفقیت معامله آنلاین حدود 65/97%  است. در کنار این، بین هر OBU و نرخ موفقیت معامله متوسط آنلاین تفاوت فاحشی وجود ندارد، که نشان‌ می‌دهد ماژول مخابراتی این OBUها در وضعیت کاری خوبی هستند. از نقطه نظر ناحیه عوارضی، نرخ پایین موفقیت در ناحیه عوارض نشان دهنده آن است که ناحیه عوارض ممکن است برای تکمیل معامله آنلاین خیلی کوچک باشد، که برای باز تعریفِ مختصات ناحیه، اطلاعات ارزشمندی به شمار می‌آید. جدول7 (b) نشان می‌دهد که آمار هر ناحیه عوارضی تقریبا حول و حوش مقدار متوسط است بجز باجه عوارضی با شماره 109(N)، که بیانگر آن است که ناحیه 109(N) باید برای افزایش نرخ موفقیت تجدیدنظر و مرور شود.

6. نتیجه‌گیری

VPS یک فناوری تکاملی برای شارژ جامع و یکپارچه جاده‌ای است که در مقایسه با فناوری ETC مبتنی بر DSRC سنتی، از یک طرح کاملا متفاوت اقدام به پرداخت الکترونیکی و جمع‌آوری الکترونیکی عوارض می‌کند. این کار هزینه داشته ولی در مقایسه با ETC مبتنی بر DSRC ساده‌تر و منعطف‌تر است، و نیز ناحیه باجه مجازی را می‌توان به سادگی با اصلاح جدول مختصات ناحیه عوارضی تغییر داد. این ویژگی باعث می‌شود بتوان از طرح جمع‌آوری عوارضی مبتنی بر لاین به طرح جامه یا مبتنی بر مسافت تغییر سیستم داد، که این موضوع با سیاست طرح جمع‌آوری عوارض در بیشتر کشورها سازگار است. علاوه بر این‌ها، OBU را می‌توان به راحتی با خدمات پردازش از راه دور ترکیب کرد چون دارای اجزای اصلی یکسانی هستند: موقعیت‌یاب، مخابرات سیار، محاسبه، و رابط انسانی. توانمندی معامله نیز باعث تجارت الکترونیکی سیار می‌شود. در این مقاله، ما جزئیات طراحی و پیاده‌سازی سیستم ETC مبتنی بر VPS را بحث کردیم و تست‌های واحد در کنار تست میدانی معامله مالی در آزادراه تایوان عملی و اجرا شد. نتایج نشان دهنده آن است که در صورتی که از عملکرد نادرست داده‌هایOBU  صرفنظر شود، معامله مالی به درستی انجام می‌شود. علاوه بر معامله مالی، سیستم اجرائی و سازوکار تطبیق برای اجرای عملیات و معامله مالی نیز نقش اساسی در سیستم VPS ایفا می‌کنند که در زمره مسائل اصلی برای کار آتی ما خواهند بود.

 

 

ترجمه زیرنویس شکل‌ها

 

شکل1. معماری سیستم ETC مبتنی بر VPS.

شکل2. پیکربندی باجه عوارض مجازی در یک سیستم .VPS

شکل3. (a) OBU نوع تلفن هوشمند، (b) OBU نوع اختصاصی.

شکل4. رابط کاربری OBU نوع تلفن هوشمند.

شکل5. سرورها و ماژول‌ها در سیستم پشتیبان.

شکل6. فرایند پردازش پیام مالی (TS) در سرور کاربردی.

شکل7. وبسایت برای سرویس مشتری در VPS.

شکل8. (a) پاسخ زمانی تست واحد GPRS. (b) سیگنال ماهواره تست واحد GPS.

 

جداول

 

جدول 1

مقایسه طرح و فناوری جمع‌آوری عوارض در PRoGRESS [16]

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی کامپیوتر

 

 

 

 

 

 

جدول 2

شاخص‌ها و توصیفات پنجره اصلی OBU

توصیف	اسم	آیتم
وضعیت مخابره بین OBU و سیستم پشتیبان را نشان می‌دهد	وضعیت	A
نوع خودروی ثبت‌شده و شماره گواهی آن را نشان می‌دهد	اطلاعات خودرو	B
جهت لحظه‌ای خودرو	جهت	C
سرعت لحظه‌ای خودرو	سرعت	D
برنامه VPS موجود است	Close	E
وضعیت GPS/* شماره سیگنال‌های دریافت شده ماهواره‌های GPS/*	GPS	F
حساب مانده فعلی دارایی ETC	حساب مانده	G
نام نزدیک‌ترین باجه عوارض بعدی	باجه	H
پیام‌های حاوی وضعیت VPS، اطلاعات ترافیکی و غیره.	ناحیه پیام	I
نقشه و گزینه مسیر نزدیک خودرو را نشان می‌دهد	ناحیه نقشه	J
نام کاربر ثبت‌شده برای OBU	نام	K
عملکردهای پیشرفته/* گزینه پروفایل ثبت‌شده، جزئیات اطلاعات ترافیکی، و تاریخچه معاملات مالی و غیره. */	منوی اصلی	L

 

جدول 3

تعریف پروتکل پیام‌ها بین OBU و سیستم پشتیبان در VPS

پیام از سمت پشتیبان به OBU	سرور داده	پیام از سمت OBU به پشتیبان	OBU
بررسی نسخه و تایید پروفایل کاربر	BR	توان OBU برای پیام، ثبت	BS
تایید پیام اصلاح	CR	پیام اصلاح پروفایل	CS
پیام تاییده مالی، بازگشت مانده حساب کاربر	TR	پیگیری‌ پیام‌های مالی آنلایت ارسالی در ناحیه عوارض	TS
تایید خاموشی	SR	پیام خاموشی	SS
پیام تایید مالی گروهی، بازگشت مانده حساب کاربر	RR	پیام مالی گروهی	RS
اطلاعات ترافیکی، پاسخ دادن	QR	اطلاعات ترافیکی، پیام درخواست	QS

 

 

 

 

---

[1] Back-end system

[2] Front-end system

[3] Debit transaction

[4] Windows Mobile®

[5] Windows Dot Net

[6] Batch transaction