高速公路無人值守收費站建設方案理論研究

作者簡介：龍維珍（1990—），工程師，主要從事智慧交通軟硬件研發(fā)工作。

摘要：文章基于無人值守收費站建設的研究背景，結合國內研究趨勢，分析了現(xiàn)有高速公路聯(lián)網(wǎng)收費體系及存在的主要問題，并結合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術手段，探討無人值守收費系統(tǒng)的總體架構、軟件架構和車道布局等方面的技術問題，提出適合我國國情的高速公路無人值守收費站建設方案，為建設方案的制定提供理論支持。

關鍵詞：無人值守收費站；高速公路收費系統(tǒng)；智慧高速公路

中圖分類號：U491.2

0 引言

隨著智慧高速公路的快速發(fā)展和技術的不斷進步，現(xiàn)有的全國聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的收費效率已得到很大提升，但仍然無法滿足現(xiàn)代交通管理的需求，依然存在收費效率低、交通擁堵、人工成本高等問題。無人值守收費站采用先進的系統(tǒng)架構、技術手段和設備，通過車輛的自動識別、計費、預交易、聯(lián)網(wǎng)收費、自助繳費等功能，實現(xiàn)窄島化建設，少人化乃至無人化運營，還可提高車輛通行效率，減少交通擁堵，降低運營管理成本。因此，研究高速公路無人值守收費站建設方案具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

1 國內外研究現(xiàn)狀

我國公路交通流量不斷增加，現(xiàn)有的聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化運營管理的需求。同時，全球高速公路運營管理正朝著“自由流”的方向發(fā)展，其目的在于減少交通擁堵、提高通行效率、降低運營成本，這為無人值守收費站的發(fā)展提供了廣闊的空間和機遇。

另外，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云邊端協(xié)同、AI識別、激光檢測、收費機器人、智能運維等新興技術與傳統(tǒng)高速公路機電和收費系統(tǒng)充分融合應用，也為高速公路無人值守收費站的建設提供了可能性。

在實際應用中，國內已經(jīng)成功實現(xiàn)了高速公路無人值守收費站的試點建設和運營，例如山東孫家村收費站、山西營盤收費站等試點運行的無人值守收費站。試點的建設單位^[1]，通過重構收費系統(tǒng)體系，設計新的收費站建設方案，應用多種新技術、新設備，開展了高速公路無人值守收費站的建設與運營，為高速公路行業(yè)提供了實踐經(jīng)驗。

2 研究的目的與意義

2.1 國內收費公路發(fā)展趨勢

隨著國內經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路交通流量不斷增加，傳統(tǒng)的人工收費模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化交通管理的需求。因此，無人值守收費系統(tǒng)的發(fā)展是國內收費公路發(fā)展的必然選擇。

2.2 順應高速公路自由流發(fā)展趨勢

自由流收費模式是一種先進的收費模式，能夠提高車輛的通行效率，減少交通擁堵，并且降低收費成本。無人值守收費站的建設可以順應高速公路的自由流發(fā)展趨勢。

2.3 解決傳統(tǒng)收費站建設存在的問題

傳統(tǒng)收費站建設存在建設成本高、管理難度大、對環(huán)境影響大等問題。無人值守收費站的建設可以有效地解決這些問題，提高收費站的運營效率和管理水平。

2.4 智能收費站建設節(jié)約投資

無人值守收費站建設可以節(jié)約投資，通過采用先進的技術手段和設備，有效地降低建設成本和運營成本，提高收費站的效率和安全性，提高經(jīng)濟效益和社會效益。

3 主要研究內容

無人值守收費系統(tǒng)是一個集成了多種技術的復雜系統(tǒng)，本文對其系統(tǒng)架構、軟件架構、車道布局三個部分進行研究。

3.1 系統(tǒng)架構

本文研究重點在于如何設計和構建一個完整、穩(wěn)定、高效的無人值守收費系統(tǒng)。從高速公路收費業(yè)務需求出發(fā)，設計包括系統(tǒng)的硬件設備、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)安全系統(tǒng)等的整體布局。

3.2 軟件架構

在無人值守收費系統(tǒng)中，軟件架構的設計和實現(xiàn)至關重要。本文設計收費站的軟件系統(tǒng)，涵蓋高速公路收費、站級收費廳管理、視頻對講、稽核打逃等功能，并研究網(wǎng)絡通信和安全傳輸技術，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)安全^[2]。

3.3 車道布局

車道布局是無人值守收費站設計的一個重要方面，合理布局車道，可使車輛高效通過收費站，避免擁堵。

4 收費系統(tǒng)

4.1 傳統(tǒng)收費系統(tǒng)架構

如圖1所示為全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)架構，該收費系統(tǒng)已實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)收費^[3]，但各省份、各業(yè)主之間，也存在著車道布局、系統(tǒng)功能不統(tǒng)一，流程不規(guī)范，管理支撐能力低，互不兼容等突出的問題。

在當前的全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)中，收費車道級系統(tǒng)的控制核心是車道控制器，通過車道控制器I/O端口，實現(xiàn)對車道設備的驅動控制和數(shù)據(jù)采集等功能；聯(lián)網(wǎng)收費費率表等全局數(shù)據(jù)均存儲于工控機上，確保當收費車道系統(tǒng)與上級系統(tǒng)通信聯(lián)絡中斷時，能獨立完成通行費計算和收取。

4.2 傳統(tǒng)收費系統(tǒng)主要存在的問題

當前全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)主要存在建設和運營兩個方面的問題。

4.2.1 建設方面

（1）車道布局、系統(tǒng)功能五花八門。

（2）流程不規(guī)范，管理支撐能力低。

（3）ETC交易成功率不高。

（4）收費島占用空較大，車輛通行效率低。

（5）車道設備種類多，標準不統(tǒng)一，軟件調試工作量大。

4.2.2 運營方面

（1）收費站標配三班次收費員值班，人工成本高。

（2）車流高峰擁堵嚴重，服務壓力大。

（3）特情處理基本靠人解決，效率低下。

5 無人值守收費站建設方案

5.1 系統(tǒng)架構

如圖2所示，在整體系統(tǒng)架構中，云端由綜合管理中心、收費數(shù)據(jù)中心、收費機電設備運維數(shù)據(jù)中心、部中心系統(tǒng)和省中心系統(tǒng)構成，主要實現(xiàn)收費、機電運維、稽核打逃等數(shù)據(jù)的匯聚與共享。部中心系統(tǒng)和省中心系統(tǒng)由國家交通運輸部和省級交通運輸管理部門分別建設，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚與共享功能。

站級收費廳由云收費系統(tǒng)、站級管理系統(tǒng)、稽核打逃系統(tǒng)、收費機電運維系統(tǒng)、視頻業(yè)務管理系統(tǒng)構成。其中，云收費系統(tǒng)、站級管理系統(tǒng)、視頻業(yè)務管理系統(tǒng)保障收費業(yè)務的開展，收費機電運維系統(tǒng)主要保障系統(tǒng)正常運行，稽核打逃系統(tǒng)為收費拓展類應用，服務于稽核打逃業(yè)務。

車道與外設通過車道融合網(wǎng)關實現(xiàn)車道設備IP化，站級收費廳通過車道融合網(wǎng)關進行車道外設遠程集中實時控制、管理和監(jiān)測。車道外設可采用集成的一體化設備降低系統(tǒng)集成復雜程度，通過智能自助發(fā)卡設備、智能自助繳費設備等車道智能自助設備為用戶提供移動支付、找零、開具發(fā)票等自助繳費服務，減少現(xiàn)場值守收費員人數(shù)。

5.2 網(wǎng)絡架構

如圖3所示，站級收費廳、車道作為局域網(wǎng)，通過交換機進行連接，車道與站級收費廳之間通過交換機堆疊和主備光纖冗余等手段，提供鏈路備份，保證網(wǎng)絡連接。站級收費廳通過防火墻接入收費專網(wǎng)，設置網(wǎng)絡安全策略，保證數(shù)據(jù)上傳下載的安全性。

在總體設計方案上，通過收費軟件在車道和收費站級冗余部署的方式保障收費業(yè)務，車道融合網(wǎng)關日常支撐站級收費軟件運行，網(wǎng)絡故障時可降級為車道收費工控機使用。

5.3 軟件架構

如圖4所示，軟件架構邏輯上分為5層，從下往上分別是數(shù)據(jù)層、服務層、通訊層、應用層和展示層。

數(shù)據(jù)層能存儲所有的業(yè)務數(shù)據(jù)。

服務層將應用有關功能以服務的形式集成到支撐平臺中，為所有的上層業(yè)務應用子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的應用支撐服務接口，實現(xiàn)服務的整合集成，減少系統(tǒng)間的耦合度，便于系統(tǒng)的擴充和部署。

通信層實現(xiàn)負載均衡，并基于Socket、HTTP/HTTPS等通信方式，實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信。通信相關接口開發(fā)應符合交通運輸部相關規(guī)范和標準，隨部標準化收費站規(guī)范發(fā)布而進行相應調整。

應用層包含各子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)負責完成特定的功能。

展示層為各子系統(tǒng)提供應用入口。

5.4 車道布局

如圖5所示，在無人值守收費站中，無人車道的全部業(yè)務功能以及有人車道的大部分業(yè)務功能都上傳至云端，在完成車道設備通信控制網(wǎng)絡化改造之后，云收費系統(tǒng)才能實現(xiàn)對車道設備的控制，云收費車道系統(tǒng)通過與各類網(wǎng)絡設備直連以及直連一體化欄桿機等方式實現(xiàn)車道設備的控制。典型的全新改造車道可分為ETC客車專用車道、ETC貨車專用車道、無人自助車道、混合車道四種，圖5所示為無人自助車道典型的車道布局。

無人自助車道的設備主要有：自動關道機、車型識別、稱臺、車道信息屏、自動發(fā)卡機/自助繳費機（含IC卡機、移動支付機具、票據(jù)打印機）、RSU、一體化欄桿機（含線圈、費顯、車牌識別）、車道攝像機等^[4]。

6 無人值守收費站建設方案的展望

6.1 業(yè)務與技術挑戰(zhàn)

雖然國內各省份紛紛建設無人值守收費站試點工程，各項技術也在突破行業(yè)限制，應用到無人值守收費站建設當中，但在實際的高速公路運營工作中，也面臨著大量的業(yè)務與技術的挑戰(zhàn)，本文總結以下8點業(yè)務與技術上亟須解決的問題：

（1）對沖卡、車跟車等非常規(guī)進入高速公路的車輛的監(jiān)管處置。

（2）對行人、摩托、裝載不規(guī)范或存在安全隱患的車輛等的監(jiān)管處置。

（3）出口收費無人工核對車型、漏收通行費的風險增大的應對措施。

（4）需解決兩客一危車輛，特別是不互通省份之間的兩客一危車輛，數(shù)據(jù)未全面與收費系統(tǒng)互通，系統(tǒng)無攔截提示的安全隱患問題。

（5）在特殊天氣由于入口無人員進行提示，車輛上高速公路后發(fā)生交通事故的應對措施。

（6）發(fā)現(xiàn)并制止超限貨車使用客車OUB進入高速公路，避免因超限貨車進入高速公路而發(fā)生事故的措施。

（7）收費現(xiàn)場出現(xiàn)現(xiàn)金繳費時的應對措施。

（8）對節(jié)假日臨界點提前發(fā)放紙質通行券，持紙質通行券車輛的收費措施。

6.2 未來發(fā)展趨勢

借助更先進的人工智能技術，無人值守收費站將逐步全面智能化，逐步實現(xiàn)少人化乃至無人化全自動運營。同時，為滿足司乘人員的不同需求，無人值守收費站會提供更多元化的服務，比如多種支付方式、路況信息查詢、緊急救援等。

此外，無人值守收費站會實現(xiàn)區(qū)域化和網(wǎng)絡化運營，形成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡，借助于云計算和大數(shù)據(jù)技術，無人值守收費站將會實現(xiàn)數(shù)據(jù)化和平臺化管理，為公眾出行、精準服務、道路管理、城市規(guī)劃等提供更多有價值的數(shù)據(jù)支持。

7 結語

經(jīng)過對無人值守收費站的深入研究和分析，可知無人值守的新型收費聯(lián)網(wǎng)體系的建設，在提高道路通行效率、降低管理成本、提升用戶體驗等方面具有顯著的優(yōu)勢。然而，隨之而來的業(yè)務與技術挑戰(zhàn)也不容忽視。從設備可靠性、網(wǎng)絡穩(wěn)定性、業(yè)務模式轉變到法律合規(guī)性要求，每一個環(huán)節(jié)都需要進行更深入的研究和實踐。本文研究以期能啟發(fā)技術的持續(xù)創(chuàng)新和業(yè)務模式的不斷優(yōu)化并實踐，推動無人值守收費站向更高效、更便捷、更安全的方向發(fā)展。

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