基于CPK技术的高速公路收费系统设计与实现

论文摘要

本文分析了国内外高速公路收费系统的发展历史和现状,以及收费系统技术从人工收费、半自动收费到电子收费的发展历史和未来敞开式电子不停车收费的发展趋势。根据当前国内收费方式和收费技术实际情况本文提出了一种基于组合公钥技术的混合式高速公路收费系统。系统所采用的主要技术有密码技术、智能密码卡技术、车辆自动识别技术、自动载重测量技术,以及系统实现的编程技术。密码技术是系统在网络环境下信息安全的核心保障,对称密码技术用于保证系统通信过程中的收费信息和用户敏感信息的机密性,非对称密码技术用于确保非实时收费的认证性和不可抵赖性,即解决收费凭证问题;为了规避CA分发用户非对称密码体制密钥带来的海量密钥管理问题,系统具体采用了基于素数域上离散对数的组合公钥密码技术。智能密码卡是系统实现收费功能和安全支付的重要组成部分,用于充当车辆通行卡的角色,该技术满足了密钥安全储存和加解密快捷计算的应用要求。车辆自动识别技术和自动载重测量技术是当前流行的车辆参数自动检测的先进技术,用于自动采集通行车辆的有关收费内容的信息,如车牌、车型和载重量等,并由此确定具体的收费金额。在系统软件的实现方面,系统采用了J2EE技术和Oracle数据库技术,其中J2EE架构的平台灵活性、可扩展性、可配置性和安全性等特点很好地适应了本文系统的分布式、安全强度和未来异种系统联网等需求。通过对高速公路收费及其应用系统环境的功能、内容、网络安全等各方面的需求分析,本文认为系统方案应能融合多种收费制式、收费方式和收费标准,并实现离线式的非实时安全支付,并提出了系统设计原则和相应的方案。该方案参考了当前实际收费系统的功能实现,利用J2EE技术的可配置性实现了这种融合模式,基于组合公钥的密码体系来保障系统的信息安全,采用智能密码卡、车辆自动识别技术、自动载重测量技术尽可能减少了人工参与,避免了收费系统成为高速公路高速快捷目标的最后一块短板,从而本方案切实可行。具体而言,该方案将整个系统合理分为密钥管理中心、收费管理中心和收费站系统三个主要组成部分,密钥管理中心采用C/S结构,收费管理中心与收费终端、管理终端之间通信采用B/S结构,与密钥管理中心服务器和银行服务器之间通信采用C/S结构;整个系统运行在公共网(或高速公路专用网络)上,通信各方之间数据安全性可通过SSL协议或架设VPN来保证。密钥管理中心由密钥管理服务器,名字管理服务器,发布服务器,管理终端,发卡终端五部分组成,是整个系统信息安全和网络信任的基础,该系统终端实体为写有用户私钥的智能密码卡(分为身份卡和通行卡两种)。收费管理中心主要包括结算中心、IC卡管理中心和数据管理中心三个职能管理机构,是整个系统的核心部分,结算中心从数据管理中心获取相应的各种收费数据,并与银行系统对接进行内部结算和外部相关联网点的拆算。收费站系统分成后台管理系统和车道收费系统两部分。后台管理系统负责管理收费标准以及与收费管理中心的通信。车道收费系统分为ETC车道收费系统和IC卡车道收费系统两种,其中ETC车道收费系统在车辆到达时由车牌识别器、车型识别器和动态称重仪完成车牌车型和载重的检测,收费终端计算出收费额,通过无线收发器将相关数据发给车载智能密码卡,并接收回该卡用卡内私钥对这些数据的数字签名,将签名发送给收费终端验证处理,验证完成后传至后台管理系统;整个过程无需任何人工参与,实现了敞开式电子不停车收费。方案给出了系统的12个主要功能模块和主要流程(发卡、充值、过路收费和结算),以及主要模块的数据流转,重点突出了收费功能部分,对于专业的财务功能部分只简要涉及,另外初步完成了系统的编程设计,包括主要数据结构和数据库表。本文系统在实现收费基本目标的情况下极大地减少了人工收费参与,防作弊功能强,且易于全面升级到将来的电子不停车收费系统,系统性能、安全性能和可用性较好,理论上系统先进实用,比较安全稳定,具有较好的推广价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 立题的意义及现状
• 1.1.1 高速公路收费系统发展现状
• 1.1.2 高速公路收费系统的发展前景
• 1.2 课题的提出背景
• 1.3 论文的组织结构
• 第二章 系统需求及分析
• 2.1 系统需求
• 2.1.1 收费功能需求
• 2.1.2 收费内容需求
• 2.1.3 结算功能需求
• 2.1.4 监控功能需求
• 2.1.5 网络和平台需求
• 2.1.6 防作弊需求
• 2.1.7 网络安全需求
• 2.1.8 其他需求
• 2.2 需求分析
• 2.2.1 系统需求对系统组成与结构的影响
• 2.2.2 关于应用服务器和数据库的分析与选择
• 2.2.3 关于系统安全性的需求分析
• 第三章 系统相关实现技术
• 3.1 密码技术
• 3.1.1 数据加密技术
• 3.1.2 数字签名技术
• 3.1.3 组合公钥技术
• 3.2 非接触式智能密码卡技术
• 3.3 自动车辆识别技术
• 3.3.1 车牌自动识别技术
• 3.3.2 车型自动识别技术
• 3.3.3 识别技术在系统中的作用
• 3.4 自动载重测量技术
• 3.4.1 计重系统
• 3.4.2 计重技术在系统中的作用
• 3.5 软件实现技术
• 3.5.1 J2EE 技术
• 3.5.2 中间件技术
• 第四章 系统设计与实现
• 4.1 系统总体结构设计
• 4.1.1 设计原则
• 4.1.2 总体结构
• 4.2 子系统设计
• 4.2.1 密钥管理中心
• 4.2.2 收费管理中心
• 4.2.3 收费站系统
• 4.2.4 辅助系统
• 4.3 系统模块及其功能
• 4.3.1 系统主要模块
• 4.3.2 主要流程
• 4.4 主要模块的实现
• 4.4.1 运行和开发环境
• 4.4.2 主要数据结构
• 4.4.3 主要数据库表
• 4.4.4 主要模块功能实现和数据流转
• 4.4.5 界面示例
• 4.5 系统功能与性能分析
• 4.5.1 系统功能
• 4.5.2 系统性能
• 第五章 结束语
• 5.1 论文工作小结
• 5.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢