湖南省高速公路路徑識別軟件關鍵技術研究

盧楨

摘 要：詳細分析了我省高速公路收費中路徑識別普遍存在的“路徑二義性”問題和其帶來的運營難題。結合我省路徑識別的實際情況，開發了基于實際路徑識別收費的核心軟件。該軟件較好地解決了拆分不準確、響應速度、峰值處理能力和數據傳輸完整性等問題。

關鍵詞：路徑識別；建模；架構；軟件

中圖分類號：U491.1+23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0015-02

截至2013-12，我省高速公路通車總里程達5 084 km，全省14個市、州與省會長沙均有高速公路直連，形成了以長沙為中心的4 h高速經濟圈，長沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。

對聯網的高速公路網來說，不可避免地存在高速公路環網情況，出現車輛從A點到B點存在兩條或兩條以上可選擇路徑通行的情況，即路徑二義性問題。由于經營性高速公路越來越多，業主更關注通行費征收、拆賬準確性等關乎自身利益的問題。因此，如何解決二義性路徑問題和路徑識別軟件精確識別等關鍵技術的實施是越來越突出的技術難題。

1 軟件整體設計

在應用軟件方面，需要考慮200個左右識別點的數據采集和處理，及在此基礎上進行路徑構建，并基于路徑構建信息進行實時計費、實時拆賬和結算，以滿足我省高速按路徑實時收費的需求，打造依據管理需要可以實時進行拆賬和結算的能力。

2 系統軟件架構

負載均衡技術和MQ消息中間件技術以及數據庫的讀寫分離等。具體情況如圖1所示。

3 路徑識別關鍵核心技術

3.1 帶權有向圖路網模型

模型基于實際路網的最小路網元素進行帶權有向圖建模（精細化原則），具有很強的適應性。它能很好地應對比如路段費率變化、路段歸屬變化、站名稱變化、站拆除、站增加、橋隧收費策略變化等情況。

采用多維權策略。多維權帶權有向圖能夠很方便地計算和生成各種車型的最低費額分段路由表和最短距離分段路由表等。

通過帶權有向圖路網模型能夠快速生成高速公路聯網收費基礎數據（分段路由表、費率表、行程時間表等）和用于按實際路徑收費的關鍵支撐數據（分組優先分發表）。

帶權有向圖路網模型可快速計算車輛的實際路徑，為按實際路徑收費提供收費依據，從而滿足按照實際路徑收費的要求。

3.2 基于路網模型的實際路徑計算

3.3 路徑信息分發技術

在按實際路徑進行計費的過程中，為了確保車輛在出收費站時可以快速獲取車輛行駛的實際路徑，就需要預先將車輛行駛的動態路徑在車輛出站之前發送到收費站系統。由于動態路徑信息量巨大，如果每條動態路徑數據都向聯網中的所有收費站發送，勢必會造成網絡擁堵和數據發送延遲的情況。為了有效減少網絡發送的數據量，提出了分組優先發送的解決方案。

當車輛經過識別點后，對即將到達的收費站按需要時間（以高速公路最高限速計算時間）進行分組排序，時間短的優先發送。當車輛到站后，還沒有發送的就不需要再發送，從而有效減少發送的數據量。

4 實時計費核心技術

4.1 路徑預測及計算

為了滿足車輛在出收費站時能夠快速確定車輛的行駛路徑并且不受網絡的影響，系統要能夠預先將車輛行駛的動態路徑推送到車輛將要到達的收費站，具體處理路徑如圖3所示。

4.2 分發調度管理

為了滿足調度任務實時性的要求，對路徑分發調度任務要在進入內存后按隊列進行緩存，緩存的調度任務信息包括任務編號、動態路徑信息、任務執行時間和需要分發路徑的收費站列表等。

分發異常處理主要有以下幾方面的作用：①能夠監控路徑分發任務的執行，并能重新調度執行失敗的任務；②能夠對多次執行失敗的任務進行警告、提示或制訂其他的異常處理機制。

4.2.1 車輛從a收費站入站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端先在數據庫中保存當前采集的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖4.

4.2.2 車輛經過b識別點時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖5.

4.2.3 d收費站所保存的車輛行駛路徑信息上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存

當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖6.

4.2.4 車輛從d收費站出站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖7.

4.2.5 沒有查詢到車輛動態路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點、c識別點后從d收費站出站，計費時，沒有查詢到分發下來的車輛動態路徑。

解決此問題的思路是：①在收費站沒有查詢到分發下來的動態路徑時，向省中心請求補發；②如果在省中心也沒有查詢到相應信息，則采用a收費站到d收費站的最短路徑計費。見圖8.

4.2.6 計費路徑多于實際路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點，從e收費站出站。此時，出站信息由于上報失敗，又從e收費站入站，此時，入站信息也上報失敗，后途經c識別點，從d收費站出站。由于缺少e收費站的出入站信息，當從d收費站出站時，獲取的動態路徑為“a收費站，b識別點，c識別點，d收費站”，這就導致計費路徑比實際路徑多。見圖9.

解決此問題的思路是：①不處理采集上報失敗的識別點序列；②計費時，使用“a收費站，c識別點，d收費站”此動態路徑進行計費。

4.2.7 重復c識別點數據

解決此問題的思路是：①對收費卡中記錄的進站編號進行比對；②如果比對結果顯示動態路徑中的收費站入站編號與收費卡中入站編號不一致，則以收費卡中入站編號為起始點開始計算有效路徑。

5 結束語

我省路徑識別系統關鍵技術的研究開創了國內高速公路按實際路徑收費技術的先河。在我省高速公路路徑識別工程項目中，首次將基于路網模型和路徑預測技術應用到實際工程項目中，為我國高速公路路徑識別收費系統的建設作出了一次具有前瞻性的嘗試。

〔編輯：白潔〕

摘 要：詳細分析了我省高速公路收費中路徑識別普遍存在的“路徑二義性”問題和其帶來的運營難題。結合我省路徑識別的實際情況，開發了基于實際路徑識別收費的核心軟件。該軟件較好地解決了拆分不準確、響應速度、峰值處理能力和數據傳輸完整性等問題。

關鍵詞：路徑識別；建模；架構；軟件

中圖分類號：U491.1+23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0015-02

截至2013-12，我省高速公路通車總里程達5 084 km，全省14個市、州與省會長沙均有高速公路直連，形成了以長沙為中心的4 h高速經濟圈，長沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。

對聯網的高速公路網來說，不可避免地存在高速公路環網情況，出現車輛從A點到B點存在兩條或兩條以上可選擇路徑通行的情況，即路徑二義性問題。由于經營性高速公路越來越多，業主更關注通行費征收、拆賬準確性等關乎自身利益的問題。因此，如何解決二義性路徑問題和路徑識別軟件精確識別等關鍵技術的實施是越來越突出的技術難題。

1 軟件整體設計

在應用軟件方面，需要考慮200個左右識別點的數據采集和處理，及在此基礎上進行路徑構建，并基于路徑構建信息進行實時計費、實時拆賬和結算，以滿足我省高速按路徑實時收費的需求，打造依據管理需要可以實時進行拆賬和結算的能力。

2 系統軟件架構

負載均衡技術和MQ消息中間件技術以及數據庫的讀寫分離等。具體情況如圖1所示。

3 路徑識別關鍵核心技術

3.1 帶權有向圖路網模型

模型基于實際路網的最小路網元素進行帶權有向圖建模（精細化原則），具有很強的適應性。它能很好地應對比如路段費率變化、路段歸屬變化、站名稱變化、站拆除、站增加、橋隧收費策略變化等情況。

采用多維權策略。多維權帶權有向圖能夠很方便地計算和生成各種車型的最低費額分段路由表和最短距離分段路由表等。

通過帶權有向圖路網模型能夠快速生成高速公路聯網收費基礎數據（分段路由表、費率表、行程時間表等）和用于按實際路徑收費的關鍵支撐數據（分組優先分發表）。

帶權有向圖路網模型可快速計算車輛的實際路徑，為按實際路徑收費提供收費依據，從而滿足按照實際路徑收費的要求。

3.2 基于路網模型的實際路徑計算

3.3 路徑信息分發技術

在按實際路徑進行計費的過程中，為了確保車輛在出收費站時可以快速獲取車輛行駛的實際路徑，就需要預先將車輛行駛的動態路徑在車輛出站之前發送到收費站系統。由于動態路徑信息量巨大，如果每條動態路徑數據都向聯網中的所有收費站發送，勢必會造成網絡擁堵和數據發送延遲的情況。為了有效減少網絡發送的數據量，提出了分組優先發送的解決方案。

當車輛經過識別點后，對即將到達的收費站按需要時間（以高速公路最高限速計算時間）進行分組排序，時間短的優先發送。當車輛到站后，還沒有發送的就不需要再發送，從而有效減少發送的數據量。

4 實時計費核心技術

4.1 路徑預測及計算

為了滿足車輛在出收費站時能夠快速確定車輛的行駛路徑并且不受網絡的影響，系統要能夠預先將車輛行駛的動態路徑推送到車輛將要到達的收費站，具體處理路徑如圖3所示。

4.2 分發調度管理

為了滿足調度任務實時性的要求，對路徑分發調度任務要在進入內存后按隊列進行緩存，緩存的調度任務信息包括任務編號、動態路徑信息、任務執行時間和需要分發路徑的收費站列表等。

分發異常處理主要有以下幾方面的作用：①能夠監控路徑分發任務的執行，并能重新調度執行失敗的任務；②能夠對多次執行失敗的任務進行警告、提示或制訂其他的異常處理機制。

4.2.1 車輛從a收費站入站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端先在數據庫中保存當前采集的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖4.

4.2.2 車輛經過b識別點時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖5.

4.2.3 d收費站所保存的車輛行駛路徑信息上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存

當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖6.

4.2.4 車輛從d收費站出站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖7.

4.2.5 沒有查詢到車輛動態路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點、c識別點后從d收費站出站，計費時，沒有查詢到分發下來的車輛動態路徑。

解決此問題的思路是：①在收費站沒有查詢到分發下來的動態路徑時，向省中心請求補發；②如果在省中心也沒有查詢到相應信息，則采用a收費站到d收費站的最短路徑計費。見圖8.

4.2.6 計費路徑多于實際路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點，從e收費站出站。此時，出站信息由于上報失敗，又從e收費站入站，此時，入站信息也上報失敗，后途經c識別點，從d收費站出站。由于缺少e收費站的出入站信息，當從d收費站出站時，獲取的動態路徑為“a收費站，b識別點，c識別點，d收費站”，這就導致計費路徑比實際路徑多。見圖9.

解決此問題的思路是：①不處理采集上報失敗的識別點序列；②計費時，使用“a收費站，c識別點，d收費站”此動態路徑進行計費。

4.2.7 重復c識別點數據

解決此問題的思路是：①對收費卡中記錄的進站編號進行比對；②如果比對結果顯示動態路徑中的收費站入站編號與收費卡中入站編號不一致，則以收費卡中入站編號為起始點開始計算有效路徑。

5 結束語

我省路徑識別系統關鍵技術的研究開創了國內高速公路按實際路徑收費技術的先河。在我省高速公路路徑識別工程項目中，首次將基于路網模型和路徑預測技術應用到實際工程項目中，為我國高速公路路徑識別收費系統的建設作出了一次具有前瞻性的嘗試。

〔編輯：白潔〕

摘 要：詳細分析了我省高速公路收費中路徑識別普遍存在的“路徑二義性”問題和其帶來的運營難題。結合我省路徑識別的實際情況，開發了基于實際路徑識別收費的核心軟件。該軟件較好地解決了拆分不準確、響應速度、峰值處理能力和數據傳輸完整性等問題。

關鍵詞：路徑識別；建模；架構；軟件

中圖分類號：U491.1+23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0015-02

截至2013-12，我省高速公路通車總里程達5 084 km，全省14個市、州與省會長沙均有高速公路直連，形成了以長沙為中心的4 h高速經濟圈，長沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。

對聯網的高速公路網來說，不可避免地存在高速公路環網情況，出現車輛從A點到B點存在兩條或兩條以上可選擇路徑通行的情況，即路徑二義性問題。由于經營性高速公路越來越多，業主更關注通行費征收、拆賬準確性等關乎自身利益的問題。因此，如何解決二義性路徑問題和路徑識別軟件精確識別等關鍵技術的實施是越來越突出的技術難題。

1 軟件整體設計

在應用軟件方面，需要考慮200個左右識別點的數據采集和處理，及在此基礎上進行路徑構建，并基于路徑構建信息進行實時計費、實時拆賬和結算，以滿足我省高速按路徑實時收費的需求，打造依據管理需要可以實時進行拆賬和結算的能力。

2 系統軟件架構

負載均衡技術和MQ消息中間件技術以及數據庫的讀寫分離等。具體情況如圖1所示。

3 路徑識別關鍵核心技術

3.1 帶權有向圖路網模型

模型基于實際路網的最小路網元素進行帶權有向圖建模（精細化原則），具有很強的適應性。它能很好地應對比如路段費率變化、路段歸屬變化、站名稱變化、站拆除、站增加、橋隧收費策略變化等情況。

采用多維權策略。多維權帶權有向圖能夠很方便地計算和生成各種車型的最低費額分段路由表和最短距離分段路由表等。

通過帶權有向圖路網模型能夠快速生成高速公路聯網收費基礎數據（分段路由表、費率表、行程時間表等）和用于按實際路徑收費的關鍵支撐數據（分組優先分發表）。

帶權有向圖路網模型可快速計算車輛的實際路徑，為按實際路徑收費提供收費依據，從而滿足按照實際路徑收費的要求。

3.2 基于路網模型的實際路徑計算

3.3 路徑信息分發技術

在按實際路徑進行計費的過程中，為了確保車輛在出收費站時可以快速獲取車輛行駛的實際路徑，就需要預先將車輛行駛的動態路徑在車輛出站之前發送到收費站系統。由于動態路徑信息量巨大，如果每條動態路徑數據都向聯網中的所有收費站發送，勢必會造成網絡擁堵和數據發送延遲的情況。為了有效減少網絡發送的數據量，提出了分組優先發送的解決方案。

當車輛經過識別點后，對即將到達的收費站按需要時間（以高速公路最高限速計算時間）進行分組排序，時間短的優先發送。當車輛到站后，還沒有發送的就不需要再發送，從而有效減少發送的數據量。

4 實時計費核心技術

4.1 路徑預測及計算

為了滿足車輛在出收費站時能夠快速確定車輛的行駛路徑并且不受網絡的影響，系統要能夠預先將車輛行駛的動態路徑推送到車輛將要到達的收費站，具體處理路徑如圖3所示。

4.2 分發調度管理

為了滿足調度任務實時性的要求，對路徑分發調度任務要在進入內存后按隊列進行緩存，緩存的調度任務信息包括任務編號、動態路徑信息、任務執行時間和需要分發路徑的收費站列表等。

分發異常處理主要有以下幾方面的作用：①能夠監控路徑分發任務的執行，并能重新調度執行失敗的任務；②能夠對多次執行失敗的任務進行警告、提示或制訂其他的異常處理機制。

4.2.1 車輛從a收費站入站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端先在數據庫中保存當前采集的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖4.

4.2.2 車輛經過b識別點時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖5.

4.2.3 d收費站所保存的車輛行駛路徑信息上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存

當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖6.

4.2.4 車輛從d收費站出站時數據采集、上報失敗

解決此問題的思路是：①前置客戶端首先在數據庫中保存當前采集到的數據；②數據設置“是否成功發送”的標志位；③定時重新發送未發送成功的數據；④根據數據存儲生效時間的相關規則，定期清理數據表中的歷史作廢數據。見圖7.

4.2.5 沒有查詢到車輛動態路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點、c識別點后從d收費站出站，計費時，沒有查詢到分發下來的車輛動態路徑。

解決此問題的思路是：①在收費站沒有查詢到分發下來的動態路徑時，向省中心請求補發；②如果在省中心也沒有查詢到相應信息，則采用a收費站到d收費站的最短路徑計費。見圖8.

4.2.6 計費路徑多于實際路徑

車輛從a收費站入站，途經b識別點，從e收費站出站。此時，出站信息由于上報失敗，又從e收費站入站，此時，入站信息也上報失敗，后途經c識別點，從d收費站出站。由于缺少e收費站的出入站信息，當從d收費站出站時，獲取的動態路徑為“a收費站，b識別點，c識別點，d收費站”，這就導致計費路徑比實際路徑多。見圖9.

解決此問題的思路是：①不處理采集上報失敗的識別點序列；②計費時，使用“a收費站，c識別點，d收費站”此動態路徑進行計費。

4.2.7 重復c識別點數據

解決此問題的思路是：①對收費卡中記錄的進站編號進行比對；②如果比對結果顯示動態路徑中的收費站入站編號與收費卡中入站編號不一致，則以收費卡中入站編號為起始點開始計算有效路徑。

5 結束語

我省路徑識別系統關鍵技術的研究開創了國內高速公路按實際路徑收費技術的先河。在我省高速公路路徑識別工程項目中，首次將基于路網模型和路徑預測技術應用到實際工程項目中，為我國高速公路路徑識別收費系統的建設作出了一次具有前瞻性的嘗試。

〔編輯：白潔〕