基于信創(chuàng)平臺(tái)的智慧收費(fèi)系統(tǒng)在云茂高速的應(yīng)用實(shí)踐

陳學(xué)文，王育忠

（廣東云茂高速公路有限公司，廣東 茂名 510600）

0 引言

隨著我國各行業(yè)科技能力和信息化水平飛速發(fā)展，國家信息安全受到高度關(guān)注。我國需要應(yīng)用真正自主開發(fā)、安全可控的信息化技術(shù)，方能保障國家信息安全[1-2]。

為有效保障收費(fèi)信息安全，推動(dòng)高速公路機(jī)電系統(tǒng)核心技術(shù)自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)系統(tǒng)國產(chǎn)化，云茂高速水口收費(fèi)站采用收費(fèi)系統(tǒng)一體化思路，通過部署ETC 智慧收費(fèi)柜、分布式集群架構(gòu)車道收費(fèi)系統(tǒng)、站級(jí)收費(fèi)效能監(jiān)測系統(tǒng)和評(píng)價(jià)體系，與車道系統(tǒng)前端各關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行“遙信、遙感、遙測”，構(gòu)建自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于信創(chuàng)平臺(tái)的智慧綜合站，降低收費(fèi)站建設(shè)和運(yùn)營成本，同時(shí)為無人化站點(diǎn)運(yùn)營、提高收費(fèi)站服務(wù)水平做出積極探索。

水口收費(fèi)站（如圖1）包含4 條以ETC 智慧收費(fèi)柜為核心的ETC 車道（出入口各2 條）、2 條帶自助發(fā)卡服務(wù)的入口混合車道（帶稱重）、2 條帶自助繳費(fèi)服務(wù)的出口混合車道（帶稱重），所有車道收費(fèi)系統(tǒng)均基于信創(chuàng)平臺(tái)開發(fā)，ETC 車道具有“信創(chuàng)+數(shù)字化+智慧運(yùn)維”的特點(diǎn)。

圖1 云茂高速水口收費(fèi)站

1 主要技術(shù)

1.1 基于信創(chuàng)平臺(tái)的ETC 智慧收費(fèi)柜

基于信創(chuàng)平臺(tái)開發(fā)的ETC 智慧收費(fèi)柜（如圖2）將收費(fèi)車道計(jì)算機(jī)、車道控制器、收費(fèi)員終端、高清車牌識(shí)別儀控制器等主要設(shè)備，與網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、防火墻等集成放置機(jī)柜中，主要采用超融合結(jié)構(gòu)技術(shù)、容災(zāi)技術(shù)、健康洞察技術(shù)、智能防盜聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)、多能源輸入和多制式輸出技術(shù)等。

圖2 ETC 智慧收費(fèi)柜

1.2 分布式微服務(wù)架構(gòu)在車道收費(fèi)系統(tǒng)上的應(yīng)用

微服務(wù)架構(gòu)具有降低系統(tǒng)維護(hù)難度、提高模塊獨(dú)立性、技術(shù)性靈活等特點(diǎn)[3]，收費(fèi)系統(tǒng)將該技術(shù)基于信創(chuàng)平臺(tái)開發(fā)，支持主流的軟硬件支撐平臺(tái)。將收費(fèi)業(yè)務(wù)處理功能拆分成微服務(wù)，部署于集群中，采用輕量高性能通信機(jī)制互相調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)模塊間徹底解耦，微服務(wù)模塊可以單獨(dú)更新或增加，降低模塊更新成本、提高問題快速排查能力。

1.3 自助繳費(fèi)終端和入口自助發(fā)卡應(yīng)用

在車道上設(shè)置無人值守自助繳費(fèi)終端，用于檢測車輛到達(dá)和類別，提供相應(yīng)交易處理服務(wù)；當(dāng)車輛產(chǎn)生特情交易時(shí)，可發(fā)揮自助繳費(fèi)終端的AI 能力，識(shí)別特情類別，獲取車輛信息，計(jì)算路徑和費(fèi)額，并用友好方式與用戶進(jìn)行確認(rèn)，或接受用戶進(jìn)一步交互請(qǐng)求，最終通過層層場景嵌套和引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)車輛在無人介入情況下完成計(jì)費(fèi)和放行處理。

自助發(fā)卡機(jī)支持5.8G 通行卡，與ETC 天線結(jié)合，支持全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)模式的自助發(fā)卡服務(wù)。技術(shù)上采用步進(jìn)電機(jī)+開放式卡槽結(jié)構(gòu)，通過無卡夾的開放式卡槽結(jié)構(gòu)兼容多種規(guī)格通行卡，方便傳統(tǒng)通行卡和5.8G 復(fù)合卡裝載，降低故障率，靈活設(shè)置上、下工位裝卡量；根據(jù)卡類型靈活調(diào)整推卡力度，排除通行卡厚度不標(biāo)準(zhǔn)、擺放不整齊等影響。

集成ETC 天線和發(fā)卡系統(tǒng)，將ETC 入口交易與CPC 卡發(fā)放進(jìn)行集成，對(duì)進(jìn)入車道的車輛先進(jìn)行ETC 交易；在發(fā)卡前判斷車輛是否已經(jīng)ETC 交易成功，避免通行卡流失。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)

2.1 基于信創(chuàng)技術(shù)開發(fā)，構(gòu)筑收費(fèi)數(shù)據(jù)安全屏障

水口收費(fèi)站車道工控機(jī)采用國產(chǎn)龍芯3A5000 芯片，能很好地保護(hù)收費(fèi)數(shù)據(jù)安全。尤其在全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)背景下，避免了國家高速公路收費(fèi)信息外泄，保護(hù)了高速公路數(shù)據(jù)和客戶信息安全，解決了中國芯片“卡脖子”問題，突破了國外芯片技術(shù)壟斷高速公路收費(fèi)業(yè)務(wù)的圍堵局面，形成收費(fèi)系統(tǒng)硬件的核心技術(shù)的自主品牌。

水口收費(fèi)站車道收費(fèi)系統(tǒng)搭載國產(chǎn)loongnix server 操作系統(tǒng)，支持國產(chǎn)的芯片、數(shù)據(jù)庫、外設(shè)硬件設(shè)備、收費(fèi)軟件兼容互認(rèn)，能更好地適應(yīng)國內(nèi)硬件和軟件環(huán)境和需求，在收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用中能夠更快獲得技術(shù)支持和更高效地解決問題，同時(shí)也能支持國產(chǎn)麒麟、統(tǒng)信UOS 等主流操作系統(tǒng)?；陂_源代碼開發(fā)的loongnix server 操作系統(tǒng)，對(duì)比Windows 系統(tǒng)，無需加載殺毒軟件，對(duì)病毒木馬實(shí)現(xiàn)自我免疫，避免了收費(fèi)數(shù)據(jù)遭受遠(yuǎn)程攻擊的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，無需病毒查殺和掃描，釋放了工控機(jī)的物理內(nèi)存，提高了工控機(jī)運(yùn)行效能，為收費(fèi)軟件高效、安全和穩(wěn)定運(yùn)行提供了條件。

2.2 分布式集群收費(fèi)系統(tǒng)提升收費(fèi)站效能和智慧化水平

水口收費(fèi)站收費(fèi)系統(tǒng)采用基于信創(chuàng)平臺(tái)的分布式集群收費(fèi)系統(tǒng)，支持ETC 車道、混合車道、入口自助發(fā)卡車道和出口自助繳費(fèi)車道等多種收費(fèi)終端的應(yīng)用，由點(diǎn)到面，內(nèi)外兼修，構(gòu)建了一套全新的、有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)軟硬件收費(fèi)體系，滿足車輛個(gè)性化收費(fèi)需求。

基于信創(chuàng)平臺(tái)的分布式集群收費(fèi)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的收費(fèi)軟件，采用基于開發(fā)運(yùn)維一體化的DevOps 容器編排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)軟件部署、功能新增和刪減、配置更新等功能在云端一鍵完成，降低了程序故障發(fā)生概率，減少了車道程序的維護(hù)成本，提高了維護(hù)效率。

相對(duì)于Windows 操作系統(tǒng)在部分系統(tǒng)文件丟失或者損壞后，收費(fèi)軟件將無法運(yùn)行的情況，基于信創(chuàng)平臺(tái)的分布式集群收費(fèi)系統(tǒng)采用了容器環(huán)境隔離技術(shù)，在操作系統(tǒng)存在部分文件損壞的情況下，依然不影響系統(tǒng)和收費(fèi)軟件的正常運(yùn)作。

基于信創(chuàng)平臺(tái)的分布式集群收費(fèi)系統(tǒng)，采用了分布式微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)，通過系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)打造信創(chuàng)收費(fèi)平臺(tái)，前端車道系統(tǒng)以虛擬化的形式部署，后端以分布式集群化的形式部署，將收費(fèi)業(yè)務(wù)處理功能拆分成多個(gè)微服務(wù)，微服務(wù)和后端分布式集群采用輕量高性能通信機(jī)制互相調(diào)用，節(jié)約收費(fèi)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，微服務(wù)技術(shù)有效增強(qiáng)了收費(fèi)車道系統(tǒng)效能，提高單位時(shí)間內(nèi)處理車輛的效率。

基于信創(chuàng)平臺(tái)的后臺(tái)收費(fèi)服務(wù)器能實(shí)現(xiàn)收費(fèi)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳和參數(shù)自動(dòng)下發(fā)，可減少人為干預(yù)。

2.3 可實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站全天候無人值守

智慧收費(fèi)柜包括工控機(jī)和車道收費(fèi)軟件等軟硬件產(chǎn)品，均基于龍芯CPU+Loongnix 操作系統(tǒng)等信創(chuàng)平臺(tái)研發(fā)，通過將ETC 交易與入口自助發(fā)卡、出口自助繳費(fèi)服務(wù)相結(jié)合，輔以移動(dòng)車道終端和云上收費(fèi)廳等支持平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場車流量和路段營運(yùn)管理需求，可以將收費(fèi)站場切換為無人值守模式（如圖3）。

圖3 無人值守自助繳費(fèi)終端設(shè)備

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)車型識(shí)別、車牌識(shí)別、自助收費(fèi)，具有操作簡單、兼容現(xiàn)階段各種收費(fèi)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。能通過加載AI識(shí)別獲取交易異常事件的信息，以高度“仿人”智能化引導(dǎo)處理特情，實(shí)現(xiàn)智能語音客服和視頻對(duì)講交互，為司乘尋求遠(yuǎn)端云控客服平臺(tái)協(xié)助，有針對(duì)性地解決特殊情況，減少現(xiàn)場站場人工介入，實(shí)現(xiàn)智能化處理收費(fèi)特情。

2.4 站級(jí)收費(fèi)效能監(jiān)測和評(píng)價(jià)

2.4.1 收費(fèi)效能監(jiān)測

對(duì)車道收費(fèi)設(shè)備兼容接入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)車道設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，通過收費(fèi)站綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車道軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)效能監(jiān)測功能（如圖4）。

圖4 收費(fèi)站效能監(jiān)測界面

(1)收費(fèi)系統(tǒng)監(jiān)測：車道流水、車道系統(tǒng)軟件版本和費(fèi)率版本、對(duì)應(yīng)門架費(fèi)率版本等。

(2)收費(fèi)設(shè)備監(jiān)控：對(duì)收費(fèi)車道和門架的主要設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題可以遠(yuǎn)程重啟控制。及時(shí)解決大部分問題，降低運(yùn)維成本，提高主要設(shè)備正常運(yùn)行效率。

(3)監(jiān)控設(shè)備控制：對(duì)廣場的監(jiān)控?cái)z像頭、情報(bào)板等路側(cè)單元設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)置設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行參數(shù)，確認(rèn)情報(bào)板顯示信息，查看收費(fèi)廣場監(jiān)控視頻。

(4)數(shù)據(jù)指標(biāo)分析：對(duì)流水、車道日志等原始資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)形成各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)（例如ETC 通行成功率、旁道干擾率、車輛處理平均時(shí)間等），在指標(biāo)異常時(shí)提出預(yù)警，并為營運(yùn)單位優(yōu)化車道系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4.2 收費(fèi)效能評(píng)價(jià)

目前，全國各省均在無人化收費(fèi)系統(tǒng)和車道自助繳費(fèi)機(jī)器人的研發(fā)上進(jìn)行了諸多嘗試[4-7]，使高速公路通行的信息化、數(shù)據(jù)化有了明顯提升，但對(duì)于收費(fèi)站收費(fèi)效能評(píng)價(jià)的研究與應(yīng)用較少，往往片面地通過擁堵率高低來評(píng)價(jià)收費(fèi)站效能，尚無將收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與收費(fèi)效能相聯(lián)系的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致無法對(duì)車道級(jí)和站級(jí)收費(fèi)系統(tǒng)提升提出有針對(duì)性的改進(jìn)建議。

對(duì)此，針對(duì)目前國內(nèi)在收費(fèi)系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)機(jī)制上的缺失，基于現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)理論和方法，從收費(fèi)系統(tǒng)繁忙指數(shù)、收費(fèi)效率指數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行指數(shù)、特情響應(yīng)因子等指數(shù)著手，創(chuàng)新性地提出收費(fèi)站站級(jí)數(shù)字化收費(fèi)效能評(píng)價(jià)體系，將對(duì)收費(fèi)站的擁堵程度和服務(wù)效率提供客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

該體系依托車道監(jiān)控設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備的車輛感知能力，基于影響通行效率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)建模和數(shù)字孿生技術(shù)，建立收費(fèi)站通行指數(shù)，構(gòu)建收費(fèi)站可視化仿真模型，實(shí)時(shí)“投影”車道通行狀況，方便現(xiàn)場管理人員根據(jù)車流量變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整車道管理策略，為收費(fèi)站運(yùn)營管理工作提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

3 項(xiàng)目效益

云茂高速基于信創(chuàng)技術(shù)的智慧收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）減少收費(fèi)站建設(shè)用地，節(jié)省建設(shè)成本

采用智慧收費(fèi)柜和自助交易設(shè)備的智慧綜合站方案可以快速建道，每條車道的收費(fèi)島基礎(chǔ)澆筑、線纜管道鋪設(shè)工作量大大減少；收費(fèi)島寬度可以由當(dāng)前2.2 米減少為0.5 米，收費(fèi)島占地面積減少70%以上，收費(fèi)站整體占地面積大幅減少，降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期。

（2）減少營運(yùn)管理成本

水口收費(fèi)站共4 條混合車道，按照配備20 名收費(fèi)員（4 個(gè)工班，每個(gè)工班4 名收費(fèi)員+1 名值班長）測算，在切換為無人值守模式時(shí)，收費(fèi)站場每個(gè)工班只需配備2～3 名值班人員處理異常情況（夜班車流量少，可配備1 名值班人員），人力成本至少降低50%。無人值守自助收費(fèi)系統(tǒng)的引入，減少了收費(fèi)站管理人力成本，提高了管理效率和服務(wù)質(zhì)量。

3.2 社會(huì)效益

（1）為智慧綜合站技術(shù)驗(yàn)證與推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，形成標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

水口智慧收費(fèi)站建設(shè)將成為高速公路收費(fèi)廣場建設(shè)樣板，對(duì)收費(fèi)站標(biāo)準(zhǔn)化裝備關(guān)鍵技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)效能監(jiān)測示范工程的驗(yàn)證及全面推廣起到推動(dòng)作用，為廣東省智慧公路推廣以及全國智慧公路建設(shè)提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。通過項(xiàng)目示范驗(yàn)證，將項(xiàng)目的創(chuàng)新成果—智慧收費(fèi)站效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、智慧收費(fèi)站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要求納入標(biāo)準(zhǔn)體系，為智慧交通背景下的公路收費(fèi)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

（2）推進(jìn)高速公路智慧建設(shè)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加快“新基建”建設(shè)。

本項(xiàng)目采用新的分布式微服務(wù)集群技術(shù)對(duì)車道收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，適配龍芯CPU、統(tǒng)信UOS 等操作系統(tǒng)，基于信創(chuàng)平臺(tái)開發(fā)的智慧收費(fèi)柜和自助交易設(shè)備收費(fèi)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)快速建道部署，具有可推廣、可復(fù)制的特點(diǎn)，有望大大加快高速公路“新基建”建設(shè)，推進(jìn)高速公路智慧建設(shè)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)和發(fā)展。

4 結(jié)語

當(dāng)前，智慧高速公路建設(shè)方興未艾。云茂高速水口收費(fèi)站基于信創(chuàng)平臺(tái)的高效能綜合收費(fèi)站關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)系統(tǒng)快速建造和部署、遠(yuǎn)程安全防范、智慧運(yùn)維，降低了收費(fèi)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營成本，提升高速公路收費(fèi)系統(tǒng)核心軟硬件的自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)系統(tǒng)安全自主可控，是高速公路收費(fèi)系統(tǒng)國產(chǎn)化和收費(fèi)站無人化運(yùn)營的積極探索，為智慧公路建設(shè)提供了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。