基于信創(chuàng)平臺的智慧收費系統(tǒng)在云茂高速的應用實踐

陳學文，王育忠

（廣東云茂高速公路有限公司，廣東 茂名 510600）

0 引言

隨著我國各行業(yè)科技能力和信息化水平飛速發(fā)展，國家信息安全受到高度關注。我國需要應用真正自主開發(fā)、安全可控的信息化技術，方能保障國家信息安全[1-2]。

為有效保障收費信息安全，推動高速公路機電系統(tǒng)核心技術自主創(chuàng)新，實現(xiàn)收費系統(tǒng)國產化，云茂高速水口收費站采用收費系統(tǒng)一體化思路，通過部署ETC 智慧收費柜、分布式集群架構車道收費系統(tǒng)、站級收費效能監(jiān)測系統(tǒng)和評價體系，與車道系統(tǒng)前端各關鍵設備進行“遙信、遙感、遙測”，構建自有知識產權的基于信創(chuàng)平臺的智慧綜合站，降低收費站建設和運營成本，同時為無人化站點運營、提高收費站服務水平做出積極探索。

水口收費站（如圖1）包含4 條以ETC 智慧收費柜為核心的ETC 車道（出入口各2 條）、2 條帶自助發(fā)卡服務的入口混合車道（帶稱重）、2 條帶自助繳費服務的出口混合車道（帶稱重），所有車道收費系統(tǒng)均基于信創(chuàng)平臺開發(fā)，ETC 車道具有“信創(chuàng)+數(shù)字化+智慧運維”的特點。

圖1 云茂高速水口收費站

1 主要技術

1.1 基于信創(chuàng)平臺的ETC 智慧收費柜

基于信創(chuàng)平臺開發(fā)的ETC 智慧收費柜（如圖2）將收費車道計算機、車道控制器、收費員終端、高清車牌識別儀控制器等主要設備，與網關、交換機、防火墻等集成放置機柜中，主要采用超融合結構技術、容災技術、健康洞察技術、智能防盜聯(lián)網監(jiān)控技術、多能源輸入和多制式輸出技術等。

圖2 ETC 智慧收費柜

1.2 分布式微服務架構在車道收費系統(tǒng)上的應用

微服務架構具有降低系統(tǒng)維護難度、提高模塊獨立性、技術性靈活等特點[3]，收費系統(tǒng)將該技術基于信創(chuàng)平臺開發(fā)，支持主流的軟硬件支撐平臺。將收費業(yè)務處理功能拆分成微服務，部署于集群中，采用輕量高性能通信機制互相調用，以實現(xiàn)服務模塊間徹底解耦，微服務模塊可以單獨更新或增加，降低模塊更新成本、提高問題快速排查能力。

1.3 自助繳費終端和入口自助發(fā)卡應用

在車道上設置無人值守自助繳費終端，用于檢測車輛到達和類別，提供相應交易處理服務；當車輛產生特情交易時，可發(fā)揮自助繳費終端的AI 能力，識別特情類別，獲取車輛信息，計算路徑和費額，并用友好方式與用戶進行確認，或接受用戶進一步交互請求，最終通過層層場景嵌套和引導，實現(xiàn)車輛在無人介入情況下完成計費和放行處理。

自助發(fā)卡機支持5.8G 通行卡，與ETC 天線結合，支持全國聯(lián)網收費模式的自助發(fā)卡服務。技術上采用步進電機+開放式卡槽結構，通過無卡夾的開放式卡槽結構兼容多種規(guī)格通行卡，方便傳統(tǒng)通行卡和5.8G 復合卡裝載，降低故障率，靈活設置上、下工位裝卡量；根據卡類型靈活調整推卡力度，排除通行卡厚度不標準、擺放不整齊等影響。

集成ETC 天線和發(fā)卡系統(tǒng)，將ETC 入口交易與CPC 卡發(fā)放進行集成，對進入車道的車輛先進行ETC 交易；在發(fā)卡前判斷車輛是否已經ETC 交易成功，避免通行卡流失。

2 項目特點

2.1 基于信創(chuàng)技術開發(fā)，構筑收費數(shù)據安全屏障

水口收費站車道工控機采用國產龍芯3A5000 芯片，能很好地保護收費數(shù)據安全。尤其在全國聯(lián)網收費背景下，避免了國家高速公路收費信息外泄，保護了高速公路數(shù)據和客戶信息安全，解決了中國芯片“卡脖子”問題，突破了國外芯片技術壟斷高速公路收費業(yè)務的圍堵局面，形成收費系統(tǒng)硬件的核心技術的自主品牌。

水口收費站車道收費系統(tǒng)搭載國產loongnix server 操作系統(tǒng)，支持國產的芯片、數(shù)據庫、外設硬件設備、收費軟件兼容互認，能更好地適應國內硬件和軟件環(huán)境和需求，在收費系統(tǒng)應用中能夠更快獲得技術支持和更高效地解決問題，同時也能支持國產麒麟、統(tǒng)信UOS 等主流操作系統(tǒng)。基于開源代碼開發(fā)的loongnix server 操作系統(tǒng)，對比Windows 系統(tǒng)，無需加載殺毒軟件，對病毒木馬實現(xiàn)自我免疫，避免了收費數(shù)據遭受遠程攻擊的風險；同時，無需病毒查殺和掃描，釋放了工控機的物理內存，提高了工控機運行效能，為收費軟件高效、安全和穩(wěn)定運行提供了條件。

2.2 分布式集群收費系統(tǒng)提升收費站效能和智慧化水平

水口收費站收費系統(tǒng)采用基于信創(chuàng)平臺的分布式集群收費系統(tǒng)，支持ETC 車道、混合車道、入口自助發(fā)卡車道和出口自助繳費車道等多種收費終端的應用，由點到面，內外兼修，構建了一套全新的、有自主知識產權的國產軟硬件收費體系，滿足車輛個性化收費需求。

基于信創(chuàng)平臺的分布式集群收費系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的收費軟件，采用基于開發(fā)運維一體化的DevOps 容器編排技術，實現(xiàn)了收費軟件部署、功能新增和刪減、配置更新等功能在云端一鍵完成，降低了程序故障發(fā)生概率，減少了車道程序的維護成本，提高了維護效率。

相對于Windows 操作系統(tǒng)在部分系統(tǒng)文件丟失或者損壞后，收費軟件將無法運行的情況，基于信創(chuàng)平臺的分布式集群收費系統(tǒng)采用了容器環(huán)境隔離技術，在操作系統(tǒng)存在部分文件損壞的情況下，依然不影響系統(tǒng)和收費軟件的正常運作。

基于信創(chuàng)平臺的分布式集群收費系統(tǒng)，采用了分布式微服務架構技術，通過系統(tǒng)重構技術打造信創(chuàng)收費平臺，前端車道系統(tǒng)以虛擬化的形式部署，后端以分布式集群化的形式部署，將收費業(yè)務處理功能拆分成多個微服務，微服務和后端分布式集群采用輕量高性能通信機制互相調用，節(jié)約收費數(shù)據處理的時間，微服務技術有效增強了收費車道系統(tǒng)效能，提高單位時間內處理車輛的效率。

基于信創(chuàng)平臺的后臺收費服務器能實現(xiàn)收費數(shù)據自動上傳和參數(shù)自動下發(fā)，可減少人為干預。

2.3 可實現(xiàn)收費站全天候無人值守

智慧收費柜包括工控機和車道收費軟件等軟硬件產品，均基于龍芯CPU+Loongnix 操作系統(tǒng)等信創(chuàng)平臺研發(fā)，通過將ETC 交易與入口自助發(fā)卡、出口自助繳費服務相結合，輔以移動車道終端和云上收費廳等支持平臺，根據現(xiàn)場車流量和路段營運管理需求，可以將收費站場切換為無人值守模式（如圖3）。

圖3 無人值守自助繳費終端設備

系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全自動車型識別、車牌識別、自助收費，具有操作簡單、兼容現(xiàn)階段各種收費系統(tǒng)等優(yōu)點。能通過加載AI識別獲取交易異常事件的信息，以高度“仿人”智能化引導處理特情，實現(xiàn)智能語音客服和視頻對講交互，為司乘尋求遠端云控客服平臺協(xié)助，有針對性地解決特殊情況，減少現(xiàn)場站場人工介入，實現(xiàn)智能化處理收費特情。

2.4 站級收費效能監(jiān)測和評價

2.4.1 收費效能監(jiān)測

對車道收費設備兼容接入，同時實現(xiàn)對車道設備和系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，通過收費站綜合監(jiān)控系統(tǒng)對車道軟硬件系統(tǒng)進行數(shù)字化控制，實現(xiàn)收費效能監(jiān)測功能（如圖4）。

圖4 收費站效能監(jiān)測界面

(1)收費系統(tǒng)監(jiān)測：車道流水、車道系統(tǒng)軟件版本和費率版本、對應門架費率版本等。

(2)收費設備監(jiān)控：對收費車道和門架的主要設備狀態(tài)進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題可以遠程重啟控制。及時解決大部分問題，降低運維成本，提高主要設備正常運行效率。

(3)監(jiān)控設備控制：對廣場的監(jiān)控攝像頭、情報板等路側單元設備狀態(tài)進行實時監(jiān)控，設置設備自動運行參數(shù)，確認情報板顯示信息，查看收費廣場監(jiān)控視頻。

(4)數(shù)據指標分析：對流水、車道日志等原始資料進行數(shù)據分析，自動形成各項關鍵指標（例如ETC 通行成功率、旁道干擾率、車輛處理平均時間等），在指標異常時提出預警，并為營運單位優(yōu)化車道系統(tǒng)提供數(shù)據支撐。

2.4.2 收費效能評價

目前，全國各省均在無人化收費系統(tǒng)和車道自助繳費機器人的研發(fā)上進行了諸多嘗試[4-7]，使高速公路通行的信息化、數(shù)據化有了明顯提升，但對于收費站收費效能評價的研究與應用較少，往往片面地通過擁堵率高低來評價收費站效能，尚無將收費系統(tǒng)數(shù)據與收費效能相聯(lián)系的評價體系和評價方法，導致無法對車道級和站級收費系統(tǒng)提升提出有針對性的改進建議。

對此，針對目前國內在收費系統(tǒng)客觀評價機制上的缺失，基于現(xiàn)代綜合評價理論和方法，從收費系統(tǒng)繁忙指數(shù)、收費效率指數(shù)、關鍵設備運行指數(shù)、特情響應因子等指數(shù)著手，創(chuàng)新性地提出收費站站級數(shù)字化收費效能評價體系，將對收費站的擁堵程度和服務效率提供客觀評價指標。

該體系依托車道監(jiān)控設備、視頻監(jiān)控設備的車輛感知能力，基于影響通行效率的關鍵數(shù)據，通過應用數(shù)據建模和數(shù)字孿生技術，建立收費站通行指數(shù)，構建收費站可視化仿真模型，實時“投影”車道通行狀況，方便現(xiàn)場管理人員根據車流量變化情況動態(tài)調整車道管理策略，為收費站運營管理工作提供決策依據和數(shù)據支撐。

3 項目效益

云茂高速基于信創(chuàng)技術的智慧收費系統(tǒng)應用，具有較好的經濟效益和社會效益。

3.1 經濟效益

（1）減少收費站建設用地，節(jié)省建設成本

采用智慧收費柜和自助交易設備的智慧綜合站方案可以快速建道，每條車道的收費島基礎澆筑、線纜管道鋪設工作量大大減少；收費島寬度可以由當前2.2 米減少為0.5 米，收費島占地面積減少70%以上，收費站整體占地面積大幅減少，降低建設成本，縮短建設周期。

（2）減少營運管理成本

水口收費站共4 條混合車道，按照配備20 名收費員（4 個工班，每個工班4 名收費員+1 名值班長）測算，在切換為無人值守模式時，收費站場每個工班只需配備2～3 名值班人員處理異常情況（夜班車流量少，可配備1 名值班人員），人力成本至少降低50%。無人值守自助收費系統(tǒng)的引入，減少了收費站管理人力成本，提高了管理效率和服務質量。

3.2 社會效益

（1）為智慧綜合站技術驗證與推廣應用奠定基礎，形成標準體系，引導產業(yè)發(fā)展。

水口智慧收費站建設將成為高速公路收費廣場建設樣板，對收費站標準化裝備關鍵技術、基于物聯(lián)網和大數(shù)據效能監(jiān)測示范工程的驗證及全面推廣起到推動作用，為廣東省智慧公路推廣以及全國智慧公路建設提供技術和經驗積累。通過項目示范驗證，將項目的創(chuàng)新成果—智慧收費站效能評價指標體系、智慧收費站系統(tǒng)關鍵技術要求納入標準體系，為智慧交通背景下的公路收費業(yè)務標準化發(fā)展做出貢獻。

（2）推進高速公路智慧建設和數(shù)字化轉型，加快“新基建”建設。

本項目采用新的分布式微服務集群技術對車道收費系統(tǒng)進行重構，適配龍芯CPU、統(tǒng)信UOS 等操作系統(tǒng)，基于信創(chuàng)平臺開發(fā)的智慧收費柜和自助交易設備收費系統(tǒng)，能實現(xiàn)快速建道部署，具有可推廣、可復制的特點，有望大大加快高速公路“新基建”建設，推進高速公路智慧建設和數(shù)字化轉型，促進信創(chuàng)產業(yè)生態(tài)建設和發(fā)展。

4 結語

當前，智慧高速公路建設方興未艾。云茂高速水口收費站基于信創(chuàng)平臺的高效能綜合收費站關鍵技術的應用，實現(xiàn)了收費系統(tǒng)快速建造和部署、遠程安全防范、智慧運維，降低了收費設施建設和運營成本，提升高速公路收費系統(tǒng)核心軟硬件的自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)收費系統(tǒng)安全自主可控，是高速公路收費系統(tǒng)國產化和收費站無人化運營的積極探索，為智慧公路建設提供了豐富的技術和經驗積累。