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，分析了現有高速公路聯網收費體系及存在的主要問題，并結合云計算、大數據、物聯網等技術手段，探討無人值守收費系統的總體架構、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；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展和技術的不斷進步，現有的全國聯網收費系統的收費效率已得到很大提升，但仍然無法滿足現代交通管理的需求，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架構、技術手段和設備，通過車輛的自動識別、計費、預交易、聯網收費、自助繳費等功能，實現窄島化建設，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實意義和理論價值。

1 國內外研究現狀

我國公路交通流量不斷增加，現有的聯網收費系統已經無法滿足現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展提供了廣闊的空間和機遇。

另外，物聯網、大數據、云邊端協同、AI識別、激光檢測、收費機器人、智能運維等新興技術與傳統高速公路機電和收費系統充分融合應用，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，國內已經成功實現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，為高速公路行業提供了實踐經驗。

2 研究的目的與意義

2.1 國內收費公路發展趨勢

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

2.2 順應高速公路自由流發展趨勢

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展趨勢。

2.3 解決傳統收費站建設存在的問題

傳統收費站建設存在建設成本高、管理難度大、對環境影響大等問題。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 智能收費站建設節約投資

無人值守收費站建設可以節約投資，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，提高經濟效益和社會效益。

3 主要研究內容

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

3.1 系統架構

本文研究重點在于如何設計和構建一個完整、穩定、高效的無人值守收費系統。從高速公路收費業務需求出發，設計包括系統的硬件設備、網絡通信、數據共享、數據安全系統等的整體布局。

3.2 軟件架構

在無人值守收費系統中，軟件架構的設計和實現至關重要。本文設計收費站的軟件系統，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，并研究網絡通信和安全傳輸技術，保障系統的穩定和數據安全^[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

4.1 傳統收費系統架構

如圖1所示為全國高速公路聯網收費系統架構，該收費系統已實現全國聯網收費^[3]，但各省份、各業主之間，也存在著車道布局、系統功能不統一，流程不規范，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網收費系統中，收費車道級系統的控制核心是車道控制器，通過車道控制器I/O端口，實現對車道設備的驅動控制和數據采集等功能；聯網收費費率表等全局數據均存儲于工控機上，確保當收費車道系統與上級系統通信聯絡中斷時，能獨立完成通行費計算和收取。

4.2 傳統收費系統主要存在的問題

當前全國高速公路聯網收費系統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、系統功能五花八門。

（2）流程不規范，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 系統架構

如圖2所示，在整體系統架構中，云端由綜合管理中心、收費數據中心、收費機電設備運維數據中心、部中心系統和省中心系統構成，主要實現收費、機電運維、稽核打逃等數據的匯聚與共享。部中心系統和省中心系統由國家交通運輸部和省級交通運輸管理部門分別建設，實現數據匯聚與共享功能。

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

車道與外設通過車道融合網關實現車道設備IP化，站級收費廳通過車道融合網關進行車道外設遠程集中實時控制、管理和監測。車道外設可采用集成的一體化設備降低系統集成復雜程度，通過智能自助發卡設備、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、開具發票等自助繳費服務，減少現場值守收費員人數。

5.2 網絡架構

如圖3所示，站級收費廳、車道作為局域網，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，保證網絡連接。站級收費廳通過防火墻接入收費專網，設置網絡安全策略，保證數據上傳下載的安全性。

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務，車道融合網關日常支撐站級收費軟件運行，網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，從下往上分別是數據層、服務層、通訊層、應用層和展示層。

數據層能存儲所有的業務數據。

服務層將應用有關功能以服務的形式集成到支撐平臺中，為所有的上層業務應用子系統提供統一的應用支撐服務接口，實現服務的整合集成，減少系統間的耦合度，便于系統的擴充和部署。

通信層實現負載均衡，并基于Socket、HTTP/HTTPS等通信方式，實現前后端數據通信。通信相關接口開發應符合交通運輸部相關規范和標準，隨部標準化收費站規范發布而進行相應調整。

應用層包含各子系統，每個子系統負責完成特定的功能。

展示層為各子系統提供應用入口。

5.4 車道布局

如圖5所示，在無人值守收費站中，無人車道的全部業務功能以及有人車道的大部分業務功能都上傳至云端，在完成車道設備通信控制網絡化改造之后，云收費系統才能實現對車道設備的控制，云收費車道系統通過與各類網絡設備直連以及直連一體化欄桿機等方式實現車道設備的控制。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、自動發卡機/自助繳費機（含IC卡機、移動支付機具、票據打印機）、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 業務與技術挑戰

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，也面臨著大量的業務與技術的挑戰，本文總結以下8點業務與技術上亟須解決的問題：

（1）對沖卡、車跟車等非常規進入高速公路的車輛的監管處置。

（2）對行人、摩托、裝載不規范或存在安全隱患的車輛等的監管處置。

（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，數據未全面與收費系統互通，系統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生交通事故的應對措施。

（6）發現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生事故的措施。

（7）收費現場出現現金繳費時的應對措施。

（8）對節假日臨界點提前發放紙質通行券，持紙質通行券車輛的收費措施。

6.2 未來發展趨勢

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區域化和網絡化運營，形成一個互聯互通的網絡，借助于云計算和大數據技術，無人值守收費站將會實現數據化和平臺化管理，為公眾出行、精準服務、道路管理、城市規劃等提供更多有價值的數據支持。

7 結語

經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網體系的建設，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勢。然而，隨之而來的業務與技術挑戰也不容忽視。從設備可靠性、網絡穩定性、業務模式轉變到法律合規性要求，每一個環節都需要進行更深入的研究和實踐。本文研究以期能啟發技術的持續創新和業務模式的不斷優化并實踐，推動無人值守收費站向更高效、更便捷、更安全的方向發展。

參考文獻：

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