基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路遠程終端收費實時監(jiān)測系統(tǒng)建設探討

■陳金維

（福建省高速公路莆田管理分公司， 莆田 351100）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 社會車輛日益增多，傳統(tǒng)的高速公路收費系統(tǒng)管理模式已滯后于高速公路快速發(fā)展的步伐。 由于高速公路收費系統(tǒng)專業(yè)性強，技術(shù)含量高，配置不當將造成高速公路收費系統(tǒng)故障頻發(fā)。 為了使收費系統(tǒng)能夠更好地運轉(zhuǎn)，有必要通過物聯(lián)網(wǎng)使管理模塊更便捷、更高速、更高效的處理問題，實現(xiàn)管理上臺階。

1 概況

福建莆田高速管理分公司管轄高速公路總里程216 km (其中G1517 莆炎段79 km，G1523 甬莞線51 km，S55 秀永支線86 km)，設置17 個收費站，為了降低日常收費系統(tǒng)管理及維護所需的人力和物力， 建設基于物聯(lián)網(wǎng)遠程終端收費實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)匯總及實時信息接收，通過信息接收的模式，技術(shù)人員可以快速接收到故障信息， 并通過軟件可以精準判斷設備的故障點并及時維護。 以G1517 莆炎段埭頭所站維護點為例，埭頭所站距離維護站點相對較遠，來回車程約1 h。 按現(xiàn)有的配置和管理做法：一是通過監(jiān)控中心報來的信息判斷； 二是通過收費站人員反饋數(shù)據(jù)。 由于采集的數(shù)據(jù)有限，難以準確判斷故障點信息，為此經(jīng)常判斷錯誤而影響修復，車道正常使用被延誤，為此系統(tǒng)升級引進物聯(lián)網(wǎng)勢在必行。

2 遠程控制系統(tǒng)工作基本原理

遠程控制系統(tǒng)包括車道基礎設備、遠程終端設備、車道二層交換機、機房三層交換機、監(jiān)控集中監(jiān)控交換機、遠程監(jiān)控軟件及服務器數(shù)據(jù)庫。

遠程控制系統(tǒng)工作基本原理：（1）遠程控制軟件通過服務器中數(shù)據(jù)庫上傳數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)分析。 （2）遠程控制軟件通過交換機VLAN 的端口配置對車道的遠程終端設備進行實時監(jiān)控，并通過終端設備進行遠程控制。 （3）遠程終端可通過RS232/RS485 串口、 網(wǎng)口進行對車道設備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)訪問并控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖見圖1。

圖1 遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能

收費遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)庫和信息管理等技術(shù),實現(xiàn)以下幾方面功能,滿足了管理上的需求。

3.1 采集數(shù)據(jù)，實時顯示

3.2 遠程控制，重啟作用

通過軟件遠程控制電源開關(guān)，可以間接的起到遠程重啟設備的作用。 如當欄桿無法落桿時，技術(shù)人員或工作人員可首先關(guān)閉電源開關(guān)，讓設備零使用，之后重新啟動設備就可正常運轉(zhuǎn)。 遠程控制電源就起到了關(guān)鍵性作用。

3.3 設備故障，及時傳報

實時上報設備故障狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障點位置,并實時告警。軟件接收到告警數(shù)據(jù)后,立即分析告警來源, 并以短信的形式通知相關(guān)技術(shù)人員何處設備發(fā)出告警。

3.4 軟件數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析

多角度統(tǒng)計分析電壓功率、 車道的設備參數(shù)、UPS 設備的充放電時間及時間工作功率等數(shù)據(jù)。 結(jié)合其他數(shù)據(jù),進行有效的統(tǒng)計分析，可以更加直觀地獲取設備現(xiàn)有的狀態(tài)情況；特別是UPS 設備在正常模式下的參數(shù)（電壓、頻率功率因數(shù)、負荷）和充放電模式下的參數(shù) （放電電壓、 放電時頻率功率因數(shù)、負荷）都可以通過曲線圖顯示出來。

3.5 數(shù)據(jù)共享,報表生成

根據(jù)車道的實際數(shù)據(jù)及UPS 設備實際數(shù)據(jù)自動生成報表，實現(xiàn)各類報表生成、信息共享、統(tǒng)計曲線生成等功能。

3.6 存儲數(shù)據(jù)，提供服務

數(shù)據(jù)庫記錄存儲整個系統(tǒng)所有數(shù)據(jù), 為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務。 使用人員具有不同權(quán)限分級使用數(shù)據(jù)庫,并達到數(shù)據(jù)完整性、一致性、較少數(shù)據(jù)冗余等要求。

3.7 監(jiān)控平臺，直觀了解

監(jiān)控平臺可查詢安裝設備的地理位置信息，并且自動生成圖標。 各所站點地圖定位顯示，直觀了解設備分布情況。

3.8 用戶設定，支持登錄

用戶登錄設定， 軟件可支持多個用戶同時登錄， 其中管理員用戶可為其他用戶分配不同的權(quán)限。 多用戶可在自己的權(quán)限內(nèi)對數(shù)據(jù)主機、數(shù)據(jù)查詢等同時進行控制，實現(xiàn)了多個操作員可在不同位置同一時間段進行控制，大大提高了操作控制的便利性。 軟件還可以設置不同的用戶，定義不同的允許操作、限制操作，實現(xiàn)對不同部門、不同級別的操作人員權(quán)限的技術(shù)層面的限制管理，實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。

3.9 權(quán)限設定，分配多戶

權(quán)限管理設定， 系統(tǒng)可根據(jù)需求分配多用戶。根據(jù)用戶的級別進行不同用戶的權(quán)限管理：（1）操作權(quán)限的高低之分；（2）訪問數(shù)據(jù)庫權(quán)限高低之分；（3）使用程序權(quán)限高低之分；（4）查詢數(shù)據(jù)信息的權(quán)利之分。 權(quán)限劃分是根據(jù)用戶職能的不同進行劃分的，權(quán)限對設備訪問及操作范圍可根據(jù)實際用戶情況優(yōu)先控制權(quán)限進行分配。 這種分配指的是對訪問相同設備的不同用戶可以制定不同的優(yōu)先控制權(quán)，例如：不同的技術(shù)人員、指揮領(lǐng)導設置多級權(quán)限，可根據(jù)不同分配的權(quán)限做相應的操縱流程。 其中擁有最高管理權(quán)限的領(lǐng)導席位或總指揮席位，通過權(quán)限管理界面設定，將所有的操控權(quán)限進行回收，由領(lǐng)導或總指揮進行統(tǒng)一操作、部署，確保在統(tǒng)一的管理指揮下能夠最大的滿足用戶需求，從而提高業(yè)務管理機制，發(fā)揮整體業(yè)務水平。

4 遠程終端（硬件）設計

隨著計算機網(wǎng)絡快速發(fā)展，使得自動化技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，電子設備與計算機和網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的應用技術(shù)，產(chǎn)生可通信智能化模塊，它具有變換、保護和控制等功能，也可以和計算機實現(xiàn)通信，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡化通信模式。

同理，讀取邊坡的實測數(shù)據(jù)，分別計算各個實測數(shù)據(jù)屬于各個穩(wěn)定性等級的確定度，并乘以相應的指標權(quán)重得到其隸屬度。將上述各隸屬度分別相加，得到各評價指標在某一穩(wěn)定性等級的隸屬度之和。根據(jù)最大隸屬度原則，各指標隸屬度之和最大值所在的級別即可判定為該邊坡的穩(wěn)定性等級。

為了實現(xiàn)計算機和遠程終端設備之間的通信。一是將車道設備（如車道控制器）通過信號線通信接口（RS232/RS485），接入遠程終端設備中；二是通過轉(zhuǎn)換模式把通信接口（RS232/RS485）轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口通信模式（TCP/ip 協(xié)議）；三是遠程設備終端通過網(wǎng)絡IP 地址的設定與票亭內(nèi)的二層交換機的IP 設定進行通信。 最終通過光纖傳輸?shù)姆绞竭M入本站的通信機房進行全方位的控制。

本通信過程中起到最為關(guān)鍵的兩大要素是：一是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模式的改變； 二是通信距離可達1000 m。 這樣就可輕松實現(xiàn)車道設備于電腦互動，并通過電腦對數(shù)據(jù)進行存儲、對比、分析和處理等功能。

遠程終端設備有兩大功能特征：（1）數(shù)據(jù)采集及分析。（2）輔助遠程控制。首先遠程終端通過數(shù)據(jù)采集器（多功能I/O 設備）對車道現(xiàn)有的設備進行設備聯(lián)動，對設備實時現(xiàn)狀進行數(shù)據(jù)獲取，并通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息對其進行分析處理，從而能更加準確地獲取數(shù)據(jù)信息。 其次遠程終端通過采集器內(nèi)部控制器對設備進行實時控制，內(nèi)部控制器通過和設備之間的有效撥碼及控制頻率等方式進行遠程輔助控制（圖2）。

圖2 遠程終端（硬件）設計示意圖

5 監(jiān)控軟件的設計

監(jiān)控軟件系統(tǒng)是軟件和硬件的集成。 兩者相輔相成，缺一不可。 一個好的軟件，首先是界面簡潔明朗，再者是方便使用，這是一個好軟件的基本體現(xiàn)。監(jiān)控軟件從功能上主要可分為六個模塊：（1）數(shù)據(jù)采集模塊；（2）數(shù)據(jù)通信模塊；（3）數(shù)據(jù)處理模塊；（4）數(shù)據(jù)分析和顯示模塊；（5）數(shù)據(jù)庫模塊；（6）數(shù)據(jù)管理模塊。

監(jiān)控軟件功能流程說明： 當發(fā)生故障事件時，故障信號從采集器發(fā)出經(jīng)采集器后以二進制數(shù)據(jù)形式通過特定的網(wǎng)絡端口處理后送到服務器數(shù)據(jù)中。 計算主機軟件程序通過對服務器的訪問獲取數(shù)據(jù)并進行分析識別，進而根據(jù)程序設定啟動的報警程序（不同的事件有不同的處理方式），并在日志表中記錄該事件的時間、名稱、處理動作及人員名單等，以備查用。

6 設備安裝及系統(tǒng)需求

以實用、高效、安全及節(jié)約為原則，合理設計了一套既安全又高效的安裝方案。 為了確保在安裝遠程終端設備的同時，車道的設備電力供應不間斷及車道無需關(guān)閉的前提下，采用兩路低壓輪換供電和汽油機供電等模式，確保車道設備穩(wěn)定運行及人員安全。

該軟件應用在Windows 操作系統(tǒng)平臺之上并以MySQL 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲機制。 具體原因如下：（1）友好的用戶界面。 Windows 用戶界面和開發(fā)環(huán)境都是面向大眾化的；（2）Windows 可以實現(xiàn)多個任務操作界面；（3）購買新設備時，不必考慮某個特定的應用軟件是否支持該設備，只要Windows 支持就夠了；（4）Windows 中可以完成DOS 操作系統(tǒng)所有命令的功能，而且更容易、更方便、更安全；（5）同時訪問數(shù)據(jù)庫用戶不受限制；（6） 目前市面上運行數(shù)據(jù)庫最快的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；（7）可保存上萬條數(shù)據(jù)庫記錄。

7 系統(tǒng)設備的雷電防護

考慮到莆田地處于環(huán)山地段,屬于雷電高發(fā)區(qū)，特別是在6-8 月這3 個月雷電高發(fā)期。 根據(jù)以往的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)被損壞的多數(shù)是Tcp/ip 協(xié)議芯片和微控制器芯片,還有少數(shù)232/ 485 轉(zhuǎn)換串口被損壞導致通信信號中斷。

7.1 雷擊因素

根據(jù)上述終端的損壞情況,現(xiàn)狀仔細分析,得出以下幾點結(jié)論：（1）設備安裝未嚴格按照省公司技術(shù)規(guī)范接地標準進行安裝。 （2）設備安裝完后未能及時有效地對設備接地進行接地測試。 （3）接地測試數(shù)據(jù)應該按照省公司技術(shù)規(guī)范要求數(shù)值進行測試。 （4）設備端口未安裝有效的防雷器。

7.2 預防雷擊措施

雷擊預防措施有：（1）在進行安裝設備的同時接地線要接到指定的接地線排上，并對該接線排進行接地電阻測試。 （2）在進行電阻測試時候必須要分兩種形式進行測試：①聯(lián)合接地。 在進行聯(lián)合接地時接地電阻必須按照省公司技術(shù)規(guī)范標準進行測試，其數(shù)值必須在4Ω 以下。②設備接地。 在進行設備接地時接地電阻必須按照省公司技術(shù)規(guī)范標準進行測試，其數(shù)值必須在1Ω 以下。 （3）設備上的串口和網(wǎng)口必須安裝串口防雷器和網(wǎng)口防雷器。 這樣可有效預防雷電高發(fā)區(qū)中不必要的損壞。

8 結(jié)語

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，信息發(fā)展日趨數(shù)據(jù)化、便捷化、移動化、現(xiàn)代化。 遠程監(jiān)控技術(shù)已在高速公路管理領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 結(jié)合案例的日常管理經(jīng)驗，通過遠程監(jiān)控軟件平臺，可節(jié)省人力、物力、財力，能夠有效降低運營成本，對強化收費系統(tǒng)智能化管理起到了積極的作用。 利用遠程監(jiān)控軟件平臺，將機電設備數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，提高了故障處理效率， 強化了高速收費的運營安全管理， 為高速公路的發(fā)展提供了強有力的安全保障平臺。