基于全數(shù)字感知的高速公路收費站系統(tǒng)建設

摘要：文章構建了基于全數(shù)字感知的高速公路收費站系統(tǒng)，以提升收費效率和用戶體驗，響應國家數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃。針對現(xiàn)有收費系統(tǒng)通行效率低、用戶體驗差的問題，新系統(tǒng)采用“云平臺-站級邊緣云-車道節(jié)點”架構，利用超融合基礎設施和Docker容器技術實現(xiàn)資源集中管理與靈活部署。同時，通過數(shù)字時空底座和數(shù)據(jù)中臺提供高精度地圖和實時數(shù)據(jù)支持，結合ETC與人工收費的多元化車道終端系統(tǒng)提升了車型識別能力。綜合管控平臺能夠實現(xiàn)可視化與態(tài)勢分析，提高收費站的管理效率，為智慧化交通升級提供了可行路徑。

關鍵詞：收費系統(tǒng)；數(shù)字化感知；綜合管控平臺；高速公路

中圖分類號： U495 "文獻標志碼： A

0 引言

2019 年 9 月，中共中央、國務院印發(fā)了《交通強國建設綱要》，提出要推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術與交通行業(yè)深度融合。推進數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎設施網(wǎng)、運輸服務網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡融合發(fā)展，構建泛在先進的交通信息基礎設施［1］。2020 年 8 月，《交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》提出：打造融合高效的智慧交通基礎設施，推動先進信息技術應用，逐步提升公路基礎設施規(guī)劃、設計、建造、養(yǎng)護、運行管理等全要素、全周期數(shù)字化水平。2021 年 2 月，國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，強調(diào)提升智慧發(fā)展水平，加快提升交通運輸科技創(chuàng)新能力，推進交通基礎設施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化，全方位布局交通感知系統(tǒng)。2022年7月，交通運輸部路網(wǎng)監(jiān)測與應急處置中心發(fā)布《高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)優(yōu)化升級工程方案（全網(wǎng)征求意見稿）》，表明要“促進收費公路經(jīng)營管理單位數(shù)字化管理轉型和智能化提升，大力支撐收費公路經(jīng)營管理單位提升路網(wǎng)通行安全和提高通行效率?！?/p>

隨著信息技術的不斷發(fā)展和智能化需求的日益增強，傳統(tǒng)的收費站面臨著效率低、響應慢、管理復雜等問題，亟須進行技術創(chuàng)新與優(yōu)化。為了提升智能收費站的運營效率、用戶體驗及管理便捷性，本文提出了一種基于云平臺-站點級邊緣云-車道節(jié)點結構的新一代智能收費站系統(tǒng)架構。該架構通過采用軟件定義設備、輕量化前端設計以及集成化檢測功能，旨在優(yōu)化業(yè)務流程，提升現(xiàn)場控制能力，確保在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與實時響應方面具有更高的性能與可擴展性。

1 技術線路

系統(tǒng)建設從業(yè)務流程、現(xiàn)場管控、用戶體驗3個維度對收費站現(xiàn)狀進行技術方案改進，力求打造智慧化的品質(zhì)收費站?？傮w技術路線如圖1所示。

新一代收費系統(tǒng)架構為“云平臺-站級邊緣云-車道節(jié)點”架構。系統(tǒng)采用松耦合設計，實現(xiàn)收費業(yè)務服務化，分離“收費”與“控制”功能，構建可擴展的交易服務和統(tǒng)一的控制服務。前端設備輕量化，ETC車道取消工控機，通過邊緣云完成收費交易處理。車道外設全部一體化、IP化，通過統(tǒng)一協(xié)議控制和管理，實現(xiàn)軟件定義設備。

收費站將ETC門架、收費車道和稽查門架深度融合，與站內(nèi)業(yè)務無縫對接，實現(xiàn)稽查功能的綜合應用。站級業(yè)務管理全面采用B/S架構的PC工作站或遠程云平臺虛擬工作站模式進行日常操作，使管理更加智能高效［2］。

1.1 超融合技術

超融合技術是一種集成計算、存儲、網(wǎng)絡和虛擬化資源的架構，旨在打破傳統(tǒng)IT基礎設施中各組件的孤立狀態(tài)。其核心理念是將CPU、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡功能融合在一個統(tǒng)一的平臺上，以實現(xiàn)資源的集中管理和動態(tài)擴展。超融合技術通過軟硬件的深度集成，達到設備快速交付、架構靈活擴展、業(yè)務敏捷部署以及簡化系統(tǒng)運維的效果。

1.2 Docker容器云技術

容器服務在計算形態(tài)方面屬于一種輕量級的虛擬化技術。與傳統(tǒng)虛擬化內(nèi)核級的 Guest OS 封裝有所不同，容器服務是對進程級進行虛擬化形態(tài)的封裝。容器啟動和部署能夠依據(jù)應用層面的資源需求迅速完成部署與調(diào)度，其生命周期的變化速度也較快。容器云技術具備諸多優(yōu)勢，包括簡化部署流程、具有輕量級特性、支持多種環(huán)境、成本低廉、啟動快速、可進行服務編排以及易于遷移等。

2 數(shù)字底座

數(shù)字時空底座通過高精度地圖構建收費站空間參考系（空間基準），運用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）授時技術實現(xiàn)收費站時間線的精確標定（時間基準）。在此基礎上，借助時空同步技術塑造與現(xiàn)實收費站空間和時間參考系完全一致的數(shù)字時空底座，為數(shù)字收費站業(yè)務應用奠定數(shù)據(jù)時空統(tǒng)一的基礎［3］。值得注意的是，數(shù)字底座能夠提供高精度時間同步服務，具備基于高精度地圖開展三維場景構建等一系列服務，這些服務對于數(shù)字收費站業(yè)務應用的穩(wěn)定運行和拓展具有至關重要的意義，是實現(xiàn)收費站數(shù)字化轉型的關鍵支撐要素。

3 數(shù)據(jù)中臺

數(shù)據(jù)中臺運用“物理分散，邏輯協(xié)同”的邊-云協(xié)同架構，把前端各子系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)導入其中。在此基礎上，依據(jù)數(shù)字底座所提供的時空基準，將運行設備和交通參與者映射至一個與真實場景相符的數(shù)字化場景內(nèi)，以此達成收費站的實時數(shù)字孿生［4］。憑借數(shù)據(jù)中臺強大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，為收費站的可視化展示、數(shù)字運維、信息服務、態(tài)勢研判等一系列業(yè)務應用提供實時的數(shù)據(jù)支撐［3］。具體功能如表1所示。

4 多元化車道終端系統(tǒng)

多元化終端車道由車道業(yè)務終端系統(tǒng)、控制中心服務以及設備交互服務組成。針對收費車道業(yè)務要求和功能需求不同的業(yè)務終端，主要包括ETC車道（包括專道、混合車道）、MTC車道、自助發(fā)卡車道、自助繳費車道以及手持機收費終端，可將這些業(yè)務理解為不同的處理終端，每個終端負責處理自身主要邏輯業(yè)務，同時只與主要業(yè)務相關的硬件設備交互，各終端獨立運行，具備與控制中心實時通信功能以及交互功能。多元終端車道如圖2所示。

4.1 系統(tǒng)構架

系統(tǒng)采用前后端分離和解耦設計，將控制中心、業(yè)務終端等可服務化的子系統(tǒng)遷移至站級邊緣云服務器進行處理。外設控制通過控制包實現(xiàn)網(wǎng)絡化封裝，支持車道直連控制與遠程控制。系統(tǒng)同時考慮車道離線業(yè)務處理需求，為人工操作提供了相應的MTC終端。

完成服務化系統(tǒng)改造后，將分批實現(xiàn)服務終端運行于Docker鏡像容器。在網(wǎng)絡狀態(tài)正常的情況下，Docker服務實時與邊緣云服務器進行資源同步，更新離線模式下所需的基礎參數(shù)文件并檢查Docker服務是否有更新。Docker服務承載基本的卡信息解析，按卡信息計費或兜底計費，生成符合規(guī)則的收費數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡連接失敗的情況下，可以使用MTC終端供人工現(xiàn)場處理業(yè)務，在網(wǎng)絡恢復后自動上傳離線狀態(tài)下生成的收費數(shù)據(jù)。

多元化車道終端部分終端服務同時接入遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過接入實時視頻、IP對講進行遠程特情處理［5］。在對識別車型不一致等特情下進行核準后，監(jiān)控終端生成車輛核準信息數(shù)據(jù)表并提交至車型確認服務器，車道在之后對相關車輛須進行車型核準時先檢查已核準數(shù)據(jù)表，有記錄的以核準記錄為準，無記錄的再上報進行人工接入確認。

功能特點匯總：前后端分離，保障收費數(shù)據(jù)安全和車道輕量化；多種設備輔助車型和車牌識別，提高車牌與車型識別率；減少人力投入，后期部署機器人取代重復規(guī)律的工作；通過車道集中監(jiān)控終端對多車道特情進行集中處理和調(diào)度，提高設備集約化。

4.2 控制中心服務

控制中心服務包括提供計費服務、車輛信息檢索服務、車輛控制、輔助設備交互等?？刂浦行臉嫾懿捎梦⒎諛嫾芊绞?，同時提供微服務網(wǎng)關，作為與各終端以及其他服務交互的接口。

4.3 輔助設備控制服務

控制除業(yè)務終端必要交互的硬件設備外的其他實體硬件，包括字符疊加、車牌識別、治超抓拍、計重設備、IO設備（欄桿、線圈、通行燈等）、費顯、打印機等。

4.4 ETC收費終端

ETC收費終端負責處理ETC車輛收費業(yè)務，包括ETC專道以及混合車道車載單元（On Board Unit， OBU），同時形成交易（過車）流水。具體功能如下。

（1）支持對雙片式OBU、單片式OBU的處理。

（2）外設包括路側單元（Road Side Unit， RSU）、車牌識別器識別通行車輛的車載標簽信息、車牌、所處車道地點，將識別信息傳輸至準自由流收費站平臺系統(tǒng)，接收并執(zhí)行收費平臺的指令，控制收費車道的外設。

（3）具有車輛的狀態(tài)名單判斷、ETC車輛計費、收費、驗證、放行功能，將數(shù)據(jù)傳輸給收費站保存交易數(shù)據(jù)。

（4）具有遠程配置界面，能夠對各類配置信息進行配置，配置時具有授權驗證機制。具有配置參數(shù)防篡改功能，系統(tǒng)啟動后應對相關配置進行驗證，發(fā)現(xiàn)配置被非法變更后應自動進入配置界面，進行相應提示。

（5）具有運行監(jiān)測功能，可對外提供運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測內(nèi)容主要有主要設備狀態(tài)、運行狀態(tài)以及車道車輛狀態(tài)。

4.5 MTC人工收費終端

MTC人工收費終端分為開放式收費站收費業(yè)務以及封閉式收費站出口業(yè)務，負責處理人工收費方式業(yè)務，同時應具備處理特情車輛業(yè)務，其硬件交互設備為專用收費鍵盤、讀卡器、支付終端，同時形成交易流水。

4.6 自助發(fā)卡終端

自助發(fā)卡終端負責處理封閉高速公路自助發(fā)卡方式業(yè)務，其硬件交互為自助收發(fā)卡機、讀卡器，同時形成交易流水。隨著車牌識別率的提升，同時增加車型識別設備輔助軸型識別，達到車型自動確認目的。對車型問題、車牌不一致、超重等情況，通過監(jiān)控終端進行集中遠程核準，從而減少人力投入的成本。

4.7 自助繳費終端

自助繳費終端負責處理收費站自助收費業(yè)務，其硬件交互為自助收卡機、讀卡器、支付終端，同時形成交易流水。司機停車后，根據(jù)采集到的車型，發(fā)送給后臺自動進行費額計算并顯示計費結果，司機可使用移動支付或ETC卡電子錢包支付。

4.8 手持機終端

手持機終端負責處理ETC或非ETC車輛業(yè)務，同時具備處理特情車輛業(yè)務功能，形成交易流水或業(yè)務數(shù)據(jù)。手持終端具有支持車載OBU套裝及CPC卡讀寫功能，通過可視交互界面進行車輛收費必要信息錄入采集，同時支持特情處置、參數(shù)管理、路徑地圖查看、設備控制等功能。

4.9 匝道預交易終端

ETC 車輛在經(jīng)過匝道 ETC 門架時，匝道 ETC 預收費系統(tǒng)會依據(jù)國標規(guī)范，提前完成計費與扣費交易流程。交易完成后，系統(tǒng)會在卡片內(nèi)留存交易狀態(tài)，將交易流水實時存儲至收費站收費系統(tǒng)。當車輛抵達出口廣場的任意一條 ETC 或者 ETC/MTC 混合收費車道時，車道收費系統(tǒng)會對車輛的交易狀況進行核查。若車輛已經(jīng)交易成功，ETC 車輛可直接迅速駛離；對于 MTC 車道，在系統(tǒng)和人工確認無誤后會抬桿放行。若車輛未交易成功，將執(zhí)行正常的 ETC 和 MTC 交易程序［6］。

5 收費站綜合管控平臺

收費營運管理及支撐平臺包括可視化展示系統(tǒng)、態(tài)勢研判系統(tǒng)、信息服務系統(tǒng)、數(shù)字運維系統(tǒng)和收費軟件集成對接模塊，實現(xiàn)站點全域數(shù)字孿生、三維可視化運行監(jiān)測，賦能ETC預交易、收費車輛分流誘導、異常車輛管控、收費稽核、設備數(shù)字運維、應急處置、數(shù)據(jù)研判分析、收費站交通組織管控等業(yè)務功能，提升收費站綜合管控的數(shù)字化、智慧化水平，緩解收費站交通擁堵，提升收費站整體通行效率。

5.1 可視化展示系統(tǒng)

可視化展示系統(tǒng)將高精地圖和三維引擎相結合，基于統(tǒng)一的時空基準，實時將收費站的交通實景、事件信息、設備設施、環(huán)境景物等信息在數(shù)據(jù)中臺上進行數(shù)字重構，搭建與真實場景時空基準一致的數(shù)字收費站，實現(xiàn)收費站運行全過程的可視化展示，為收費站全域運行監(jiān)測、多級分流誘導、數(shù)字運維等業(yè)務提供可視化管理支撐，降低收費站管理成本，提升收費站管控效率。

5.2 態(tài)勢研判系統(tǒng)

態(tài)勢研判分析系統(tǒng)可實現(xiàn)收費站歷史運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，幫助管理者了解收費站整體運行狀況，結合感知設備實時采集交通數(shù)據(jù)，挖掘分析收費站的交通運行演變規(guī)律，從而對收費站車流趨勢、擁堵節(jié)點進行預測分析，為收費站科學管控、策略制定提供支持。態(tài)勢研判系統(tǒng)主要具有運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、車輛軌跡預測、車流趨勢分析、交通擁堵分析等功能。

5.3 信息服務系統(tǒng)

信息服務系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)中臺的邊緣網(wǎng)關功能，可實現(xiàn)收費站前端各式可變情報板、島頭定向音等信息發(fā)布設備的聯(lián)動控制，為收費站交通參與者提供道路提示信息、行車誘導信息、交通管控信息、安全報警信息等。同時當收費站發(fā)生重大交通事故時，可聯(lián)動收費站上游信息發(fā)布設備進行應急管控和疏散引導，提升收費站管控能力。信息服務系統(tǒng)主要具有可變情報板誘導、島頭定向音提示、駕駛行為管理與自動駕駛賦能等功能。

5.4 收費軟件集成對接

系統(tǒng)通過與傳統(tǒng)收費軟件進行集成對接，支持預交易門架的ETC預交易功能，提升收費站ETC車道通行效率；通過收費數(shù)據(jù)共享、收費設備聯(lián)動控制等功能，結合前端感知數(shù)據(jù)，幫助收費站對預交易失敗、偷逃費、黑名單等異常車輛進行有效管控，增強收費站稽核管理能力，減少經(jīng)濟損失。

5.4.1 ETC收費交易

平臺通過與收費軟件集成對接，實現(xiàn)ETC交易收費、收費交易流水生成、收費數(shù)據(jù)傳輸共享、收費軟件數(shù)據(jù)更新等功能，支撐系統(tǒng)前端ETC預交易，大幅縮短收費站車道處交易時長。同時，ETC預交易可有效緩解收費車道鄰道干擾問題，減少ETC收費異常狀況的發(fā)生，提升收費站ETC車道通行效率。

5.4.2 收費異常管控

平臺通過與收費軟件集成對接，獲取收費系統(tǒng)黑名單車輛、車輛交易記錄、OBU車型、ETC預交易結果、通行介質(zhì)信息等數(shù)據(jù)，結合系統(tǒng)前端多源感知數(shù)據(jù)，快速識別和分流預交易異常車輛、實現(xiàn)逃費車輛出站前攔截稽查，提供全量異常車型證據(jù)庫，輔助提升車型稽核準確率。

5.4.3 收費設備聯(lián)動

平臺通過與收費軟件集成對接，聯(lián)動數(shù)字收費站平臺和收費車道設備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)車道指示器、欄桿等收費車道設備的聯(lián)動控制。基于車輛的實時軌跡跟蹤，當檢測到預交易成功車輛即將駛入收費車道時，推送預交易核準信息和通行請求，實現(xiàn)預交易成功車輛快速抬桿通行?；谇岸嘶撕腿蜍壽E跟蹤有效識別蹭ETC、逃費等異常車輛，通過不抬桿請求，有效控制逃費行為。

6 結語

基于全數(shù)字感知高速公路收費站系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)實場景，因地制宜地針對高速公路營運管理進行賦能創(chuàng)新，建立“新基建”模式的收費站，有效提高了車道通行效率，改善了通行環(huán)境，提升了高速公路管理營運智慧化水平和收費系統(tǒng)容錯水平，達到了降本增效提質(zhì)的階段性目標，成果具有較強的普適性。同時探索出一條傳統(tǒng)收費站智慧化升級之路，建設可復制、可推廣、可拓展的高速公路智慧化的品質(zhì)收費站，將技術創(chuàng)新和理念創(chuàng)新落到實處。

參考文獻

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［5］鐘標，李峰，于婕，等.基于數(shù)字感知探討新型品質(zhì)化收費站方案建設［J］.中國交通信息化，2022（9）：103-105.

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（編輯 沈 強）

Construction of highway toll station system based on full digital perception

XU Binbing

（Jiangsu Ninghang Expressway Co.， Ltd.， Nanjing 211299， China）

Abstract：" The article develops a fully digital-sensing highway toll station system to enhance tolling efficiency and user experience， in response to the national digital transportation development plan. Challenges such as low efficiency and poor user experience in existing toll systems are addressed. The new system adopts a “cloud platform-edge cloud-lane node” architecture， utilizing hyper-converged infrastructure and Docker container technology for centralized resource management and flexible deployment. Additionally， it establishes a digital spatiotemporal foundation and data platform to provide high-precision mapping and real-time data support. By integrating ETC and manual tolls through a diversified lane terminal system， vehicle recognition capabilities are improved. The comprehensive management platform enables visualization and situational analysis， enhancing toll station management efficiency and offering a feasible path for intelligent upgrades.

Key words： toll collection system; digital perception; integrated management and control platform； highway