城市非机动车辆管理系统关键技术的研发

前言

自行车、电动车、三轮车(以下简称非机动车辆)因缺乏有效管理而频繁被盗已成为不少城市的一个顽疾。因案值低警方一般不予立案，一些市民因车辆频繁被盗不买新车而从一些非正规渠道买车又间接促使被盗案的高发，从而形成一个恶性循环。课题组和所在城市非机动车辆管理部门一起，就建立城市非机动车辆管理系统、实现非机动车辆科学有效管理的可行性进行了广泛的调研，学习借鉴了部分城市的管理办法 ^[1]，设计并实现了基于网络环境的，综合各类技术，并辅之必要管理制度的城市非机动车辆管理系统(以下简称NVMS)。

1 系统设计

1．1 NVMS设计原则
1．1．1 先进性和可靠性原则
由于NVMS生命期长，覆盖范围广，运行环境多样复杂，因此NVMS采用的各项技术应适度先进、可靠。
1．1．2 经济性原则
物价部门对非机动车辆的牌照收费有严格规定，不得突破。因此NVMS方案必须尽可能降低系统研发和运行成本。
1．1．3 通用性和扩展性原则
随着系统的成熟运行，NVMS可以应用于其它城市，其它交通工具。因此在系统设计中应当考虑系统的通用性和扩展性。
1．2 NVMS设计目标
广泛调研后建立的NVMS综合各类技术，辅之必要管理制度，建立一个覆盖全市范围，对3类非机动车辆实现从购车到报废全过程管理的管理系统。
(1)车辆牌照电子化。采用无线射频识别技术(RFID)制作射频标签嵌入车牌内，提高系统信息化程度。
(2)车辆管理网络化。借助现有的公安网络建立覆盖整个城市的非机动车辆管理系统。
(3)降低被盗率，提高破案率。这是建立NVMS最终目标。
1．3 系统运行模式和设计方案
NVMS运行模式如下。
(1)非机动车辆购置后在车辆管理部门办理手续领取车辆牌照，管理系统录入相应数据。
(2)数据管理系统通过车辆管理制度及时反映车辆的当前状态。
(3)对行驶的可疑车辆检查人员使用阅读器读取车牌中车牌号信息，与数据库数据比对，确定被检车辆的当前状态。
(4)对NVMS网络暂时无法到达的检查点，使用手持式无线阅读器进行检查。
NVMS的运行模式确定了系统由两大子系统组成：基于射频识别技术的车辆牌照子系统和基于网络的数据管理子系统。
1．3．1 基于射频识别技术的车辆牌照子系统设计
RFID射频识别是已广泛应用的一种非接触式的自动识别技术^[2]。由射频标签(Tag)、阅读器(Reader)以及天线(Antenna)三部分组成。工作原理见图1

车辆牌照的结构设计为母子卡抽插式，母卡安装在车辆的规定位置。子卡可插入母卡内，亦可抽出。NVMS管理办法要求车主离开车辆时抽出子卡，使母卡上的车牌号形成不完整的数字，且很难从母卡剩余的部分数字猜出车牌号码(见图2)。这样即使车辆被盗，偷窃者也很难复制出正确车牌号的子卡，从而提高车辆的防盗性能。

1．3．2 NVMS网络平台设计
目前非机动车辆由公安部门管理。为降低NVMS建立和运行成本，提高系统的安全性以及和公安其它管理系统的集成性，NVMS建立在公安原有专用网络平台上。服务器设立在车辆管理部门。各派出所、联网的治安卡口沿用原有终端、配置固定式阅读器与系统相连。
1．3．3 NVMS数据管理子系统设计
NVMS系统以Windows2000 Server+IIS5．0+．NET为平台，以SQL Server 2000为后台数据库，采用ASP．NET和VC．NET构造程序框架。NVMS采用了传统的3层体系架构：表示层、业务逻辑层和数据层。这种体系结构可以方便地实现对系统数据的管理、应用和发布。
1．3．4 数据库设计
依据数据库理论^[3]，关系高范式能避免数据冗余，消除了各种写操作异常。但考虑到本系统在应用过程中90％以上的操作是多字段的查询操作，即读操作。高范式使得查询将进行大量的连接操作，占用大量CPU和I/0时间，影响系统响应时间。因此，在权衡了规范化和系统运行效率得失后，本系统中关系均符合2NF。同时，为了缩小数据表的体积，提高数据库系统查询效率，3类非机动车辆分别存放在3个数据表中。
1．3．5 数据管理系统设计
经过对NVMS运行模式、需求分析后确定整个系统由8个子功能组成(见图3)。

其中，有2个最关键的功能。
(1)车辆查验模块。通过RFID阅读器读入车辆牌照中车牌号，通过RS232接口送入网络终端，产生通信中断。车辆查验模块中断处理函数接收车牌号，根据车牌号查询相应数据表，确定被检车辆的当前状态(正常、丢失、被盗等)。检查人员可以根据车辆当前状态确定处理方式(放行，扣留)。流程图见图4。

(2)失窃车辆信息下载模块。通过该模块定期向手持式无线阅读器下载丢失和被盗车辆信息。

2 系统设计中采用的关键技术

2．1 基于射频识别技术的车辆牌照子系统设计
NVMS中车辆牌照采用了射频识别技术。
2．1．1 射频标签设计
NVMS中射频标签基于IS0／IEC15693协议，工作频率为13．56MHz(中频)只读(RO)被动式型无源标签。设计成圆形钮扣状，直径13mm，厚0．5mm。主要由感应线圈、只读存储器以及射频收发及相关电路组成，存储器芯片内只存有经加密算法加密后的车牌号。射频标签永久性嵌入在牌照母卡中。
2．1．2 阅读器设计
阅读器的主芯片为$6700。主要由89S52单片机、电平转换电路、电源电路、MAX232与PC接口电路、外围其它控制电路(蜂呜器，复位键)等组成(见图5)。

为了保证车牌照子系统的可靠性，在阅读器软硬件设计中采取了以下措施：
(1)为了保证阅读器谐振在13．56MHz，提高阅读器的可靠性，经过试验和查阅国外有关文献^[4]，在应用中没有按照常规做法采用5012同轴电缆的方式将$6700与外部天线模块相连，而是采用与天线直接相连的方式。
(2)阅读器的单片机内编写了数据校验程序。阅读器对读人数据采用CRC16多项式进行CRC校验，提高数据读人的准确率。
2．2 采用面向对象的软件工程方法进行软件和数据库设计
在软件系统设计过程中采用了面向对象的方法。对所处理对象进行抽象，形成了三个实体—— 车辆、人员、车辆处理。所有实体设计为基类，经派生产出相应子类。例如设计车辆基类，经派生产生3个非机动车子类。基类中的行为大都设计成虚函数形式，派生类给出虚函数实现。车辆类及其派生类的UML示意图见图6。

在数据库设计中，除采用建立索引，存储过程等减少数据的连接操作等常规方法外，还采取了以下2项主要技术。
2．2．1 数据库联接池
为了减少数据库的连接和关闭产生的系统开销，在NVMS中解决的方法是建立一个可重用的数据库联接池^[5]。应用系统一启动就在内存中建立一些数据库联接，存储到数据库联接池。当应用程序需要建立数据库联接时，只需从内存中取一个来用而不用新建。经测试，采用数据库联接池大大提升了系统效率。
2．2．2 高速缓存
在NVMS中为了减少数据访问次数、增加数据的共享性从而提高访问效率，采用设置缓存来达到数据共享的目的。根据需要定义各块缓存的大小及其所存放的内容。第一次访问数据时，数据从数据库读出并存于缓存。当客户端网页需要数据时，先到缓存读取信息，缓存根据客户端提供的条件来对应缓存的索引，查找相关信息。
2．3 串口数据读取及检索
射频标签阅读器将解密后的车牌号以ASCII形式经RS 232串口送人NVMS数据处理系统。在系统中采用MSComm通用串口通信控件读取车牌号数据。并根据车牌号首字符确定机动车类型，检索相应的数据表。
2．4 安全机制设计
2．4．1 射频标签安全性设计
射频标签中的车辆号经加密后写入射频标签。阅读器读出标签信息经阅读器解码程序解码后送人数据管理子系统。这样即使车辆被盗，偷窃者通过其它非法手段获得射频标签信息也无法获取车牌号信息。
2．4．2 数据管理子系统安全性设计
数据管理子系统安全性包括两个方面。
(1)系统内部对系统的操作要在自己的权限下进行。在系统管理子系统内为不同的用户(包括系统管理员)分配了不同的角色，每个角色有不同的操作权限。登录系统时不同的用户进入的界面也不同。
(2)服务器应用程序要采取措施防止对其恶意的攻击。对于一般用户，除了用防火墙等网络安全产品外还在应用程序中采用了身份验证机制和加密技术。

3 结论
由于NVMS系统在实施前经过了广泛的调研和科学论证，系统所采用的关键技术相对先进和可靠。该系统在网络系统上进行了模拟试验，试验数据表明系统运行结果初步达到方案设计目标。

参考文献：
[1]杨勇华．非机动车管理信息系统的设计与实现[J]．工业控制计算机，2004，17(4)：47—48
[2]乔强．RFID应用[J]．现代情报，2005，25(4)：150—151．
[3]萨师煊，王珊．数据库系统概论[M]_3版．北京：高等教育出版社，2000：169—176．
[4]陈钢．非接触式车辆信息管理系统的设计与实现[J]．无线电工程，2004，34(7)：62—64．
[5]田翔刚．JSP数据库连接池的设计[J]．计算机应用研究，2004，21(1)：173—175．

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