高速公路ETC通行車輛門架分段計費系統運行監測研究

董媛蓉

（福建省高速公路集團有限公司南平管理分公司，福建 南平 353000）

0 引言

高速公路ETC 通行車輛門架系統，包括龍門架、門架結構的工控機、車牌識別設備、門架后端服務結構以及門架機柜等部分[1]，將不同的部分連接安裝，統一在門架系統中，進行集成化的監測與管理。其中，管理高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行，是保證高速公路高效、穩定運營的關鍵部分[2]。伴隨著省界收費站的優化建設以及新技術的應用，高速公路ETC 通行車輛的收費系統也在不斷更新。車輛通行計費模式的改變，導致以往的許多功能已經不能滿足現階段的基本要求。因此，需要加強研究高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行的監測方法，提高系統整體的運維管理效果，以此來保證系統運行的高效性與穩定性[3]。基于以上背景，設計了一種高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行的監測方法，希望可以為高速公路ETC 系統的安全穩定運行，提供良好的監測技術，提高高速公路ETC 節點的通行效率與通行質量，促進高速公路工程領域的良性循環與可持續發展，保證相關產業的經濟效益以及社會效益。

1 設計ETC 通行車輛門架分段計費系統運行監測方法的基本架構

在新的高速公路通行車輛的運營與計費模式下，對整體的門架設施以及系統內部結構運行狀態的監測非常關鍵。為了實現門架計費系統運行的精細化，以及數字智能化運維與管理，研究設計一種ETC 通行車輛門架分段計費系統運行的監測方法[4]。通過實時獲取系統的運行數據以及運行狀態，以便及時地解決系統不同節點的故障，提高門架分段計費系統的運行效率。基于此，設計ETC 通行車輛門架分段計費系統運行監測方法的基本架構，為監測方法的實現，奠定理論依據。ETC 通行車輛門架分段計費系統運行監測的基本架構，如圖1 所示。

圖1 ETC 通行車輛門架分段計費系統運行監測的基本架構示意圖

由圖1 可知，對ETC 門架系統運行的監測，需要基于門架系統中所有設施的動態環境以及相關的數據信息，結合ETC 門架心跳、ETC 門架基本設備的運行狀態、ETC 主機的運行狀態、數據通信運行狀態、計費費率啟用狀態等數據信息，通過集成化的分析與處理，設定預警閾值，實現智能化的監測與控制。

2 基于物聯網技術的門架分段計費系統運行的實時監測

2.1 ETC 通行車輛門架分段計費系統運行數據信號采集

對ETC 門架系統運行信號的采集，是實現系統運行實時監測方法的數據基礎。通過數據采集層采集到的門架心跳數據、機柜動環的運行數據、數據庫的備份數據等[5]。除此之外，通過在門架系統后端服務器的數據庫中查找匯總，采集其他的監測關鍵信息，包括ETC交易數量、收費數據、異常通行數據、門架系統網絡通信數據、門架后端服務器的運行數據、狀態名單的推送數據等，作為運行監測狀態的初始數據樣本集。利用系統數據采集層中設置的通信接口，將采集到的數據信息傳輸到門架系統的應用服務層，進行后續的分析與處理，為門架系統運行的監測奠定數據基礎。

2.2 確定ETC 通行車輛門架分段計費系統運行監測指標及預警閾值

在上述對ETC 通行車輛門架分段計費系統運行數據進行分析處理的基礎上，結合現階段高速公路運營的基本需求，確定門架分段計費系統運行的監測指標。根據監測指標，利用網絡大數據，對門架分段計費系統整體的運行狀態進行定量分析，得出科學合理的監測指標閾值數據，建立監測預警體系見表1。

表1 門架分段計費系統運行監測預警體系表

由表1 可知，門架分段計費系統運行的監測內容主要分為三個模塊，分別是門架計費數據運行狀態、門架設備運行狀態、門架系統網絡及數據傳輸狀態。基于此，結合物聯網大數據技術，計算不同監測節點，得到預警閾值，為系統運行的監測提供理論依據。由于監測節點的多維性與復雜性，僅列舉門架主機的關鍵監測節點，進行預警閾值的計算，其他部分可根據不同高速公路的通行要求，或者分析歷史數據，進行設定。計算門架主機CPU 監測指標的預警閾值，公式為：

式（1）～式（2）中：ω、?分別表示門架主機CPU 的利用率 與 負 載 率；a表 示CPU 的 空 閑 率；s表 示CPU 的 核數；b表示門架主機的總負載。當ω≥90，或者?≥95時，發出預警。計算門架主機內存利用率，公式為：

式（3）中：c表示門架主機的內存利用率；ε'、ε分別表示門架主機的可用內存、總內存。當c≥95 時，發出預警。當門架主機發生網絡延遲，且大于100ms 時，或者門架主機CPU 的溫度高于85℃，發出預警。在上述門架分段計費系統運行的監測指標與閾值計算的基礎上，進行監測結果的可視化與傳輸設計。

2.3 監測預警結果的傳輸與發布

通過上述計算，將初始采集的門架計費系統運行數據與監測目標的閾值進行對比，結合表2 所示的預警分類目標，實現在高速公路通行過程中，對門架分段計費系統運行狀態的實時監測。

表2 門架分段計費系統運行監測預警的分類分級表

將表2 所示的門架分段計費系統運行監測預警的等級與分類情況，設置在系統的告警窗口，根據預警時間的倒序列表以及預警等級的倒序列表，進行預警信息的顯示與提醒[6]。同時，展示的預警信息需要包括門架的基礎信息，即門架的位置與編號、名稱、類型，以及具體型號與配置[7]。同時，還需要顯示門架對應的主機、設備、應用等內容，以此來實現可視化的門架系統運行的實時監測。綜上所述，設計的高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行的監測方法，可以通過多維度感知、匹配，實時地發現系統運行多種類型、多個節點的異常或故障信息，便于及時地對故障節點進行運維處理，輔助門架系統的正常、穩定運行，為高速公路整體經濟效益的提升提供了良好的技術支持。

3 試驗與檢測

3.1 試驗準備

為檢測設計的門架分段計費系統運行監測方法的可行性，設計了仿真模擬試驗。基于Windows 系統，搭建檢測的試驗平臺，相關設施及搭建環境見表3。

表3 仿真試驗設施及其參數配置表

3.2 檢測結果與分析

在上述試驗準備的基礎上，隨機選取10 種不同節點的異常數據，作為測試樣本。10 組異常數據對應的節點分別為計費異常數據、信息傳輸異常數據、系統內存不足、計費費率版本不匹配、牌識設備異常、車流變化數據異常、網絡通信異常、數據庫異常、磁盤內存不足、ETC 通行車輛記錄異常。應用設計的監測方法（試驗組）、傳統方法（對照組1）以收費站監測方法（對照組2），對10 組節點的異常數據進行100 次仿真監測，分別計算三種方法對不同節點系統運行監測響應時間的平均值，并進行對比分析，結果如圖2 所示。

圖2 不同方法的監測響應時間均值對比圖

由圖2 可知，對于隨機的10 組異常數據樣本，試驗組方法的平均監測響應時間均低于對照組1、對照組2。試驗組方法對所有節點監測時間的平均值為1.28s；分別比對照組1、對照組2 低4.39s、2.97s，且低于實際工程的響應標準5s，表明該監測方法，具有高效性與實時性，滿足實際工程需求。

在驗證了該監測方法實時性的基礎上，進行功能性檢測。與上述試驗一致，應用三種不同的方法，對10 組節點的異常數據進行100 次仿真監測，分別計算三種方法對不同節點系統運行狀態監測結果準確率的平均值，進行對比分析，結果如圖3 所示。

由圖3 可知，對于隨機的10 組異常數據樣本，試驗組方法監測結果的平均準確率均高于對照組1、對照組2。試驗組方法對所有節點監測結果準確率的平均值為98.70%；分別比對照組1、對照組2 高18.93%、7.80%。同時，該監測結果的準確率滿足實際工程要求的每100 次操作低于10 次錯誤的基本需求。上述試驗結果表明，該監測方法具有精準性與高效性，為高速公路的穩定、安全運行，提供了有效的技術支持。

圖3 不同方法的監測結果準確率均值對比圖

4 結語

高速公路作為我國交通運輸的重要部分，其運營的穩定性與高效性是提高相關產業經濟效益的核心基礎。因此，通過深入研究高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行過程中的監測方法，結合物聯網大數據，實現具有可行性、可控性以及可視性的高速公路ETC 通行車輛門架分段計費系統運行的實時監測體系，為高速公路的長久發展提供了可行的技術基礎。