AES数据加密算法在高速公路不停车收费系统中的应用研究

李秀丽

(河北省高速公路石安管理处邢台管理所)

不停车电子收费系统(ETC)是解决目前高速公路现有收费项目缺陷的一种最有效方式，它采用无线自动通信技术实现自动收费，利用无线射频技术等进行到来车辆感知，无需停车就能够进行信息交互传递，完成收费、登记、建档，放行等全部过程。此项技术节约了时间，将高速公路通行效率极大提升，减轻了能耗及磨损。在ETC 系统中应用AES 数据加密算法，能够对计算机里面的数据信息实施保护，确保计算机能够可靠、安全运行。

1 不停车收费系统的结构与工作原理

1.1 不停车收费系统的基本结构

不停车电子收费系统(ETC)包括ETC 管理中心、ETC收费车道、传输网络、专业银行、收费站管理系统等部分组成。依据系统功能的不同可以分为前台部分和后台部分两大块。前台的核心为车道控制子系统，主要进行车辆上安装的电子标签与外设设备的控制管理，将各种与车辆相关信息进行记录，实时向收费站管理系统传递信息;后台主要包括ETC 管理中心、银行以及收费站管理系统等。ETC 系统的最高管理层即为ETC 管理中心，它不但负责处理、交换数据和收费信息，还要进行管理。依据接受到的数据信息，后台进行用户、高速公路收费专营公司间的财务交易、结算，并对系统数据进行处理。

1.2 不停车收费系统的工作原理

ETC 系统采用的是微波自动识别技术，利用设备自动进行车辆收费，车辆上必须先安装有电子标签，这是汽车的电子标记，一般安装于挡风玻璃上，通过射频信号的空间耦合进行数据交互。当车辆驶入不停车收费车道，射频会将电子标签上的信息进行自动读取，并由车型识别设备自动检测车辆车型。读取的信息以及车型判别设备采集的数据会送至服务器进行比较，当电子卡(IC)里面的剩余金额≥应缴金额，记录车型和判别的车型无差别，则会认定此为有效卡;有一项不符则认为是无效卡。如果是有效卡，通行信号灯变绿，自动栏杆抬起放行;车辆驶离检测范围之后，信号灯变回红色，并关闭自动栏杆。

2 车道系统设计

车道系统主要包括后台管理、车道控制系统。后台管理系统包括三部分:ETC 系统和外部系统接口、监控以及管理系统等;车道控制系统包括:设备控制、车辆检测与识别、通信、计费等系统。应用模块化方法进行设计，利用软件配置运营参数。

3 自动识别车辆系统的设计

目前主要采用的车辆识别技术有三种:(1)射频和微波AVI 系统。这是现今自动车辆识别的主流方式，通过微波通信技术传送数据码，采用微波系统的优点为:使用高频载波比电感耦合AVI 系统数据传输速率更高。载波波长密切关系着天线大小，所以实现了收发设备较小体积，但性能可靠的目的。(2)光学和红外AVI 系统。车辆外面安装有和条形码类似的标签，系统对其进行读取，车辆的信息均由一系列线条进行表示，车辆在经过读取单元的时候，会将不同的光反射在读取单元，系统进行自动识别，辨认车辆身份及信息。(3)图像处理AVI 系统。此项系统由计算机处理系统、摄像机和图像卡组成。摄像机先摄取图像，转换后传送至计算机系统实施预处理、识别车牌号码、车型、颜色等。

4 ETC 基本组成部分和功能

不停车电子收费系统(ETC)关键技术有4 项:(1)车辆自动识别技术(AVI)。利用射频识别等信息传感设备连接互联网，进行智能化的管理、识别;(2)车型自动分类技术(AVC)。通过对车辆物理特点进行测量、感知，进而测算出车型;(3)短程通信技术(DSRC)。这是RFID 射频识别的一种较长距离分辨技术，是实现不停车自动收费专用技术;(4)逃费抓拍系统(VES)。此项功能的实现依据数字摄像、拍照、视频录像摄像、车牌识别技术实现。后台系统、RSU 和OBU 以及车道控制器组成了不停车电子收费系统。

不停车电子收费系统入口车道主要负责控制RSU 及其信区域OBU 链路层，同时实现缴费读卡设备、车载设备的双向认证;对车辆基本信息警醒自动检测记录;利用无线装置将信息传送至计算机管理中心存储;对外部设备进行控制，实现来往车辆拦截、放行;对系统设备进行检测，一旦出现故障及时报警提示;拦截会、黑名单车辆并报警;出口车道所实现的功能为:依据数据信息、交易结果拦截或放行车辆，并将相关信息及时记录，拍照存储;对RSU 和OBU 链路层进行控制，经过双向认证无误后实现钱包交易，将通行费用扣除;对数据进行双向传递;一旦发现异常情况即刻报警提示，并将信息存储。

5 ETC 系统的操作流程

不停车电子收费系统实现了车辆时速在几十至几百公里内进行瞬时通过、缴费的功能，其系统操作流程为:车辆驶入ETC 车道接收信号范围内，通过车辆感测器，检测并分析车身长度、车辆高度、车身轴距等基本信息，然后判断出通过车辆的收费标准、车型信息等，并显示在收费站显示屏上。期间收费站和车载设备的天线会相互通讯，无线系统对车载记录数据进行识别，对比ETC 车载单元记录信息，对比结果无误差，车辆信息正确便可放行，自动拦截杆抬起。下一辆车进入车道感应范围，系统会将显示器调整为待机状态。如果出现逃费车辆情况，系统会利用数字录像系统对比车辆本身信息，若是存在违章情况的车辆，自动拦截杆将不会放行。

6 分析AES 数据加密算法在ETC 中的应用

高速公路不停车收费系统是一种全天候进行计算机控制、处理高速公路不停车收费的系统，主要模块为自动摄像模块、收费模块、车型识别模块等，系统核心部分为自动收费。费用结算管理中心(C)、各收费站(F)等利用光纤进行连接，形成局域网。

车辆以时速为几十至几百公里的速度驶入自动收费车道检测范围内，自动收费单元和车型识别将会自动启动，将射频IC 卡里面的信息进行读取，对比车型并判定结果，结果无差异会在IC 卡上进行交易，结算费用，车辆便可顺利通过收费站;如果检测对比信息不一致或是卡内余额不足，将会启动自动摄像模块，拍摄车辆提取车牌照，并上传信息之存入系统，发出拦截信号，拦截该车辆。

F 进行违规车辆、费用收取情况的信息采集，并及时传递给管理中心(C)，费用结算管理中心就会实施协调管理，处理相关的违规车辆，并把通知信息发送给各收费站。这段期间他们相互传送的信息多为敏感信息，应考虑敏感信息的安全性，对敏感信息进行加密可以实现安全的信息交互传递。选用合理的加密算法对传递信息进行加密，可确保传输安全性更高，这是一项关键环节。

比较目前较为成熟的加密算法，AES 数据加密算法属于一种高级加密算法标准，具有安全性高，效率性好，性能健全稳定，应用方便灵活等优点，基于不同软件、硬件系统运行环境都具有良好的性能。采用AES 数据加密算法并不需要较大的内存需求，便于应用在大量使用内存空间环境中。AES数据加密算法可以有效抵御外来空间、时间攻击，因此选用AES 数据加密算法应用于高速公路不停车电子收费系统中。

F 与C 要进行数据信息传输时，会先调用AES 数据加密算法将传输内容进行加密，AES 数据加密是一种对称密钥加密，采用的是同一个密钥进行加解密，所以应考虑密钥管理问题。密钥属于AES 数据加密系统关机部分，也是一项可变部分，采用动态密钥可以确保通信内容更加安全，也就是说进行AES 数据加密算法时，每一次应用的密钥均不相同。不过信息接收方也要知道密钥才能进行解密，但一同将密钥进行通信传输，又会引发安全隐患，解决此项隐患可选用非对称密钥密码算法加密原有AES 数据加密算法的密钥，将其和加密信息传输给接收方，接收方利用私钥解密AES 数据加密算法的密钥，然后将原有加密信息解密即可。

7 总 结

ETC 是目前最有效的解决高速公路现有收费项目缺陷的方式，它采用无线自动通信技术实现自动收费，利用无线射频技术等进行到来车辆感知，无需停车就能够进行信息交互传递，完成收费、登记、建档，放行等全部过程。采用不停车电子收费系统，可以将高速公路通行效率极大提升，并减轻能耗及磨损状况。本文先分析了不停车收费系统的基本结构及工作原理，然后细致阐述了车道系统设计、自动识别车辆系统的设计以及不停车电子自动收费系统的基本组成部分、操作流程等。最后针对不停车电子自动收费系统进行敏感信息传递过程中，信息安全性保护提出了采用AES 数据加密算法确保其安全的措施，以便确保计算机能够可靠、安全运行。

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