基于ETC門架流量數據的收費站車流擁堵預警監測系統的設計與實現

張紅梅

（山西交通控股集團有限公司 太舊高速公路分公司，山西 太原 030031）

0 引言

高速公路不停車電子收費（ETC）系統是智能交通的重要組成部分，對提高高速公路收費站的通行能力、減少收費站排隊擁堵現象、降低能源消耗和環境污染等方面有非常積極的作用，受到了社會的廣泛認可。隨著全國取消省界收費站工作的圓滿完成，ETC聯網收費進入了一個新的歷史時期。

ETC聯網收費系統中的數據信息對高速公路運營管理決策，交通運輸行業運行監測乃至區域經濟運行分析都具有非常重要的作用。基于收費站通行量數據和ETC門架數據進行收費站擁堵預警監測，能夠有效提高高速公路各收費站通行能力及運行管理決策水平，提高高速公路運營效率，確保路網安全暢通。

1 建設背景

隨著社會經濟發展，社會車輛保有量不斷增加，社會公眾出行和物流快速流轉對高速公路暢通運營提出了更高的要求。區域經濟發展的不均衡性、區域產業結構及運輸結構特征，引起了高速公路路段通行量的不均衡性。

山西交通控股集團有限公司太舊高速公路分公司所轄太舊、平陽、五盂、陽泉西環4條路段，其中太舊高速公路（太原—舊關）、平陽高速公路（太原—陽泉）是國家高速公路網青銀高速、京昆高速的重要組成部分，是山西省重要的煤炭運輸通道和出省高速，運營里程約269 km，共設匝道收費站11處。由于區域經濟特點，部分收費站常年處于易擁堵狀態，在節假日、惡劣天氣以及季節性流量增加時，收費站安全暢通運營面臨著極大困難和挑戰。因此，通過更加科學、及時、準確的運行監測和預警手段，提前感知路網、路網運行態勢，實現收費站運營管理的科學決策迫在眉睫。

2 設計思路和原則

收費站實際通行能力是評價收費站的一個重要指標，它由設計理論值和具體運行情況相結合得出。在實際運行中，不同收費站收費廣場車輛容量不同，通過對收費站流量實時監測，通過出口流量數據、ETC門架數據、上下行流量數據對收費站車流數據進行精準預測，當車流量接近、達到、超過收費站流量閾值時，在不同時間段進行提前告警，提示管理人員及時采取有效措施完成車輛疏導，緩解收費站出口廣場的擁堵，提高運營服務水平。

系統設計堅持以下原則：一是業務前瞻性原則，根據高速公路管理發展和規劃，系統設計應具備一定的前瞻性，統籌考慮高速公路聯網收費技術發展趨勢，結合未來技術發展，以更豐富可靠的數據作為系統支撐；二是技術先進性原則，采用主流架構和技術，確保系統功能性能滿足需求，并便于后期拓展；三是數據安全性、可追溯原則，系統充分考慮對數據的實時監控，對各個重要數據傳輸環節進行備份，確保數據安全性，并建立高效的數據索引以實現快速查詢；四是工作流程去人工化原則，隨著高速公路收費業務的復雜度不斷增大，系統將更多的工作流程進行自動化或半自動化操作，極大程度降低人工干預的可能，也降低人工誤操作的可能性。

3 系統設計

根據各收費站實際運行中的管理需求，結合收費數據情況，對系統進行總體架構設計、網絡拓撲設計和應用功能模塊設計。

3.1 總體架構設計

在運營管理中，系統采用路段內多級分層管理方式，對流水數據進行采集上傳、預處理后，針對不同層級用戶所關注的信息差異，平臺提供從粗到細，逐級下鉆的功能，滿足不同層級的管理需求。業務層級如圖1所示。

圖1 業務管理層級圖

根據各級業務需求、業務規劃、劃分對應的業務系統，系統規劃如圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

3.2 網絡拓撲設計

復用現有收費車道/ETC門架到收費站、路段中心的網絡鏈路，系統采用路段集中部署方式，通過內部生產網絡向路段管理人員、收費站管理人員提供車流監測和預警服務。網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 系統網絡拓撲圖

3.3 應用功能設計

3.3.1 車流實時顯示

通過可視化圖形、列表、消息推送等形式，實時展示收費站前后30 km范圍內門架、收費站的實時車流量。

3.3.2 閾值設置

系統提供界面，對有權限人員可以進行相關管理閾值設置，當累計流量接近或超過閾值，系統主動進行告警。

3.3.3 車流預警

系統設置車流閾值，當快到達閾值時，系統通過聲音、界面紅色顯色、彈窗告警等方式發出預警提示。

3.3.4 車流恢復穩定預判

通過收費站前后30 km范圍內門架、收費站的實時車流量的分析，對收費站車流恢復穩定所需時間進行預判。

3.3.5 歷史車輛分流分析

通過分析收費站上行和下行車道各門架的歷史車流量，結合入口收費站的入口信息分析數據，對當天不同時段車輛的分流情況進行預判分析。

3.3.6 路段車流顯示

車流信息顯示可以按照收費站、門架、路段等不同維度進行展示。

3.3.7 統計查詢

可查詢各種運營數據的綜合報表，通過詳實的明細報表，全面了解該路段的車流情況。

3.3.8 應急處置

當車流達到不同等級的預警值時，啟動對應不同等級的應急處置，系統記錄具體執行情況。

3.3.9 系統管理

可對系統用戶進行權限管理、系統配置管理以及操作日志查詢。

4 系統實現

結合應用需求、網絡拓撲結構，數據流轉及數據安全情況，選用目前主流B/S架構和Java技術進行開發，數據庫選用Microsoft SQL Server 2017。

在系統開發功能和性能方面，功能上應滿足上述設計功能。性能方面可靠性要求每100 000次操作少于3次錯誤；穩定性要求穩定運行時間大于10 000 h；打開一般系統界面的響應時間在2 s內；對于一般的系統提交操作，響應時間在3 s內；對于簡單的查詢操作，響應時間在2 s內，對于較復雜的組合查詢，響應時間在5 s內。

5 結語

基于ETC門架流量數據的收費站車流擁堵預警監測系統已開發完成，并成功應用于太舊高速的晉中北、陽泉收費站，平陽高速的東梁、東黃水收費站。系統投入使用半年來，各項功能運行正常，在4個收費站累計觸發預警18次，有效預警率達94%，對各收費站提前啟動預案，及時疏導放行提供了科學決策依據，對保障收費站正常運行起到了積極作用。