高速公路ETC門架主機監控系統研究

柯翔， 孫楠， 劉曉娜

(1.陜西高速電子工程有限公司，陜西，西安 710054；2.陜西交通電子工程科技有限公司，陜西，西安 710054)

0 引言

近幾年來，隨著科學技術進步以及信息化不斷蓬勃發展，高速公路收費站已經逐步由傳統人工收費向信息化系統收費方向發展。2019年兩會期間，我國明確提出對高速公路收費制度實現更進一步改革，預計到2021年年終基本上全國各跨省高速公路均全面取消跨省收費，采用電子信息系統收費，以便于實現高速公路不停車就能夠快速收費[1]，從而達到降低車道擁堵、方便民眾出行的目的。自2020年起，高速公路ETC門架系統分段計費得到大量推廣應用，由此不僅使得高速公路收費站工作量大增，而且還對ETC門架系統的可靠性、穩定性以及高效性能等提出了更高要求。為了使得數據傳輸與入庫的實時得到保證，由此而提出設計一款ETC門架為監控主機的監控系統，該系統不但具有向計算中心監控服務器提供數據采集與傳輸的功能，而且還具有對路網門架主機進行統一監控以便于實現預警的作用[2]。

1 ETC門架主機監控系統與相關技術簡述

1.1 ETC門架主機監控系統概述

該系統主要能夠對高速公路信息系統中許多物聯網相關設備，對它們工作狀態、性能指標以及能源消耗相關數據進行實時獲取，加強網絡接入點安保措施，以便于進行數據分析，從而有利于更好地為決策提供參考與支持。高速公路相關的管理人員能夠憑借ETC門架主機監控系統在管控中心對其所管轄范圍內路段上的所有物聯網設備運行情況與發生原因故障，全面而細致地撐控，同時還能進行遠程診斷與處理一些比較常見的故障問題，從真正意義上實現了自動化管理與維護，達到高速信息化系統的安全級別與在線率，使得該系統維護成本在很大程度上得到減少[3]。

1.2 關鍵技術

1.2.1 I/O接口技術

I/O接口技術是其他外圍設備與CPU進行連接來完成數據交換信息的一個非常重要的通道。該接口技術具有多種不同功能，比如數據驅動與緩沖、信號轉換等。本系統數據采集的宗旨就是把需要的信息經傳感器轉換再經過信號采樣、編碼、傳輸等相關程序，最后將其傳送至計算機系統進行處理，分析、保存以及顯示。在此系統中，I/O接口被大量應用于系統的下位機、現場設備通信中[4]。

1.2.2 數據通信技術

數據通信技術是以計算機作為核心，再利用數據傳輸信息道把分布于各處的數據終端設備進行連接起來，而且還以完成數據通信為宗旨的系統。數據通信系統由主要相關設備、通信協議、相關傳送報文與介質等組成，其中該設備主要指數據信息接收與發送相關設備。其技術包括現場總線技術與網絡技術。前者主要指一種工業控制數據總線，它主要應用于兩大領域:工業現場連接設備與自動控制系統的數字多分支雙向傳輸通信網絡。后者能夠將互聯網上所有呈現分散的資源整合為一個整體，獲得所有資源并能夠實現全面共享與有機協同、合作，由此還能夠使得用戶具有依據自身需求在公開、透明狀態下通過互聯網資源獲取信息的能力。

2 ETC門架主機監控系統設計

2.1 系統總體架構設計

所開發的ETC門架主機監控系統為我國高速公路門架系統提供一種解決思路與策略，該系統主要使用3層分布式管理總體架構，如圖1所示。

圖1 ETC門架主機監控系統3層總體架構示意圖

通過圖1可知:第一層為綜合監控設備層，主要包含了ETC綜合監控服務器、Web工作站以及服務大廳等設備，主要以各類監控與服務設備為主。ETC綜合監控服務器設計車道控制器、ETC天線、車牌圖像識別設備、攝像機等設備，而且還經過設備接口完成對以上設備功能控制；服務大廳就是為ETC門架主機監控系統提供各種服務的地方；Web工作站就是指ETC門架主機監控系統的網站，這些Web站點具有很多權限，只有配置了與ETC門架主機監控系統相應的權限才可以進入此網站實現其各種網絡功能，Web工作站所有工作也圍繞著ETC門架主機監控系統各功能展開的。第二層為數據鏈路層，該層主要包括高速公路上的各種網絡、比如有線網絡、無線WiFi、光纖、寬帶等，主要實現對網絡連接。該層雖然沒有實現監控系統實質性功能，但該層是網絡層，是基礎層，倘若該層出現故障，整個ETC門架主機監控系統將無法正常運行。第三層為顯示層，主要完成對各種數據進行顯示。該層為本系統的核心層，主要以數據采集器為中心，路由器接受到鏈路層中的網絡然后通過交換機發送給數據采集器，數據采集器依托相關設備支持，比如配電單元、UPS等進行數據采集工作，除此之外，該層還支持遠程集中管理等功能。同時還為系統提供解決多種不同問題的方法與略策，比如設備接入、遠距離控制、安全防患與保護以及智能化運維等。

2.2 系統硬件結構設計

ETC門架監測系統最重要、最關鍵的部件為監控控制器，該控制器能夠對門架系統運行各種不同的情況實現實時自動監測，具體包含了環境、動力、安全預防、網絡以及收費“4大系統”運行情況進行實時監控，由此能夠在很大程度上降低人力、資金等投入，而且還能夠使得本系統正常運行得到保障，預防一些重大事故災害的發生，促進了電子收費站的服務質量得到進一步提高，從而使得無人收費站的“夢想”終于得到實現[5]。ETC門架主機監系統硬件結構如圖2所示。

通過圖2可知,ETC門架監控系統主要由動力、環境、安防等3大系統監控構成，此外還包括一個軟件系統監控，即收費系統運行情況監控。動力系統監控主要指對整個系統相關輔助設備進行監控，具體包含配電監控、配電開關(電源)監控以及UPS監控等；環境系統監控就是對整個ETC門架監控系統的氣溫、干燥度以及空氣質量等方面環境情況進行監控，具體包括對溫度、濕度、空調、是否漏水以及工控機等進行監控；安防系統監控顧名思議指對整個ETC門架監控系統安全方面進行監控，以便做到安全預防，具體包含了對電子鎖、煙感、濕感等監控，還包括交換機，交換機主要連接監控機、車牌識別儀以及RSU(路側單元)等設備；收費系統運行狀態由于屬于軟件結構，在后文功能模塊設計進行專門分析，在此不做介紹。

圖2 ETC門架監測系統硬件結構示意圖

2.3 系統軟件結構設計分析

ETC門架監測系統軟件結構如圖3所示。

從圖3能夠看出,ETC門架監測系統軟件結構主要由6層結構構成[6]，每層具體功能如下。

圖3 ETC門架監測系統軟件結構示意圖

第一層為數據采集層。該層主要對ETC門架相關機電設備的最基本信息與實時狀態參數進行接入，從而更好地完成對其相關機電設備進行管理，這也是ETC門架主機監測系統進行運行、監控、監測、運維遠程管理以及運行的基礎。主要包括設備數據、圖像數據、收費數據、運行歷史數據、模塊數據以及其他相關數據。

第二層為基礎層。該層主要為ETC門架主機監測系統正常運行過程提供硬軟件設備環境，因此該層包括了計算機操作系統、網絡服務器、嵌入式設備、相關監控設備、收費設備以及數據庫服務器等設備。該層通過網絡服務、計算機操作系統等設備還能反應通信情況，總之基礎層質量好壞決定通信狀況的質量高低。

第三層為數據層。該層是ETC門架主機監測系統軟件系統的核心層，包括了整個系統的數據接入、管理、處理以及儲存。主要包括了系統歷史運行數據、系統歷史維修數據、系統歷史發生故障數據、收費數據、設備入庫數據以及運維人員入庫數據等。

第四層為業務支持層。經過統一的總線服務實現多種不同相關應用組件有效整合與管理，比如業務服務中間件、應用中間件、數據交換平臺、收費系統以及其他。

第五層為業務應用層。該層主要以向用戶提供各種不同業務應用功能為主，也叫功能層，比如“4大系統”的監控、維修管理、人員管理，以及遠程運維監控管理功等實現均在此層。

第六層為顯示層。通過對Web頁面進行顯示，能夠實現各種不同權限的設備操作、數據庫查詢以及信息搜索與瀏覽等。

總之，本系統中有動力監控系統、環境監控系統、安防監控系統、收費監控系統以及遠程運維監控系統等5大子系統，每個子系統代表實現ETC門架監測系統一種監控功能，他們均位于應用層，均屬于并列關系。這5個子系統均是在6層各功能結構共同配合下，才能夠真正實現這5個子系統功能。在ETC門架監測系統軟件結構中，以數據采集層與基礎層作為基礎，再以數據層、業務應層以及業務支持層作為中心，最后通過展示層將各種應用功能表現出來。每一層既能獨立成層，也相互存在密切關系，通過網絡緊密聯系在一起。

2.4 功能模塊設計

由于功能模塊較多，因此只選擇收費系統運行監控模塊的收費數據采集子模塊為例分析本系統功能模塊設計。

收費系統運行監控模塊是ETC門架主機監控系統最重要的功能模塊之一，該模塊主要對多個不同設備運行情況進行監控，比如RSU控制器、車牌識別儀、全景攝像機、互聯網以及各種網絡設備等。收費數據采集模塊是收費系統運行監控模塊實現功能應用中最基礎的子模塊，也是最重要的子模塊之一。

ETC門架主機監控收費系統和數據采集相關設備均使用Socket TCP通信，在收費系統開啟應用過程中，數據采集設備將會與路段監控中心進行主動連接，倘若沒有連接成功，不會對收費系統正常運行產生任何影響。Socket采用基于異消息機制，對車道的現實交易不會產生任何影響；此外，作為服務端的Socket監聽，等待路網車道數據采集設備進行連接。作為客戶端時，如果連接處沒有連接上，則ETC門架主機監控收費系統將對最近10條監控信息保留，直到與數據采集設備連接上，連接上之后再對最近10條監控信息刪除，進行重新發送。(路段監控中心)IP地址、站口、發送時間以及是不是使用參數都利用配置文件的方式發送到車道。倘若ETC門架主機監控收費系統開啟，就將構建TCP Socket通信監聽，等待路網各監控設備進行連接。倘若連接成功結束，收費系統自動對客戶端監控信息請求進行解析，此外，開始數據任務且將有關監控數據發送到客戶端[5]。

數據采集的形式為在規定時間內由CPU定時發出詢問，依序詢問每一個周邊設備是否需要其服務，對車道實際交易流水量文件進行檢查，在檢查過程中，倘若發現超過交易數據報警閾值，那么就可以判斷此次交易數據出現異常，倘若低于交易數據報警閥值，則判斷屬于正常。數據采集形式將對收費系統對象分為2種形式，一種為主動式，另一種為被動式。前者主要由收費服務器定時器進程對數據定期上傳進行控制，后者由上位機服務器傳遞數據訪問請求，且經數據采集客戶端解析此請求，而且還依照需求實現數據上傳。

3 功能模塊實現

這里繼續以收費系統功能模塊中的數據采集子功能中的主動數據上傳與被動上傳為例來分析本系統功能。圖4、圖5分別為主動數據上傳、被動數據上傳整個過程。

圖4 主機監控系統的收費系統數據主動上傳方式

圖5 主機監控系統的收費系統數據被動上傳方式

通過圖4可知，首先要對ETC主機監控系統中服務器的定時器進行觸發，倘若觸發沒有成功，又會返回到定時器，觸發成功之后，就會將相關數據采集信息發送給采集設備，數據采集設備接收數據采集信息之后進行數據采集。這時數據采集設備分2種情況：一種是采集失敗，則系統就直接顯示采集結束；另一種是數據采集成功，下一步就是數據上報。關于數據上報，首先將上報相關信息發送給上報設備，上報設備接收到上報信息。相關數據上報也分2種情況：一種上報失敗，那系統將直接顯示結束；另一種上報成功，然后系統顯示結束。這就是主動數據上傳功能實現的整個過程[7]。

通過圖5可知，ETC門架主機監控系統的收費系統數據被動上傳方式，首先路段監控中心的上位機向采集監控中心發送查詢命令(數據訪問請求)，采集監控中心的客戶端對數據訪問請求進行解析，解析完成之后進入數據采集中心進行分類，倘若訪問請求不是上傳數據，那么就返回錯誤信息，倘若解析訪問請求屬于上傳數據則返回至相關發送設備，通過發送設備將數據進行發送。發送成功也分2種情況：一種發送成功之后上傳成功了表示結束了；另一種為發送完成之后沒有上傳成功，那么要返回發送，再次發送，直到上傳成功才結束。這就是ETC門架主機監控系統的收費系統數據被動上傳功能實現的整個過程。

4 應用分析

通過設備接口能夠對核心設備車道控制器、站級服務器在線情況與心跳信息進行采集，除此之外，還能夠實時檢測上報設備的工作情況，以及對車牌識別系統識別車牌成功率進行監控。倘若設備發生異常，系統能夠及時發出警報響聲，并且自動生成報警信息，與此同時相關運維管理人員通過ETC門架主機監控系統中的三維巡檢測，能夠對相關設備故障原因進行遠程查看，并且通過此系統能夠對門架機柜的自動開門遠程管理、門架設備空開遠程上電等進行控制。總之運維相關管理人員通過本系統能夠實現遠程管理與操作來發現、解決設備故障問題，從而達到降低運維成本、提高管理效率的目的。

5 總結

在高速公路信息化建設大環境下，取消省界收費站將為ETC的發展奠定良好條件，此進程中涉及大規模的ETC門架系統建設工作，ETC門架及其配套的附屬裝置則是發展智慧公路的重要基礎設施。鑒于此，從系統總體架構、硬件與軟件結構以及功能模塊等設計來探討高速公路ETC門架主機監控系統開發，接著以收費系統監控的數據采集子模塊中的數據主動與被動上傳方式的整個過程來分析系統功能的實現。高速公路ETC門架主機監控系統在某高速公路中應用實踐說明,不僅能夠節省大量人工成本、提高收費量、降低車道擁堵，而且有利于運維管理人員通過本系統實現遠程管理與操作來發現、解決設備故障等問題，從而達到降低運維成本、提高管理效率的目的。但是隨著ETC在線車道運行數據量越來越多，本系統的有關數據分析無論在速度上還是精準率上均有待提升，未來在對本系統進一步研究過程中將會針對系統發生故障時，在數據分析領域，將加強引入更高級相關函數算法與有關計算模型，以便于本系統能夠提供更高效率地智能化識別故障與預警。