高速公路ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)研究

柯翔， 孫楠， 劉曉娜

(1.陜西高速電子工程有限公司，陜西，西安 710054；2.陜西交通電子工程科技有限公司，陜西，西安 710054)

0 引言

近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步以及信息化不斷蓬勃發(fā)展，高速公路收費站已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)人工收費向信息化系統(tǒng)收費方向發(fā)展。2019年兩會期間，我國明確提出對高速公路收費制度實現(xiàn)更進(jìn)一步改革，預(yù)計到2021年年終基本上全國各跨省高速公路均全面取消跨省收費，采用電子信息系統(tǒng)收費，以便于實現(xiàn)高速公路不停車就能夠快速收費[1]，從而達(dá)到降低車道擁堵、方便民眾出行的目的。自2020年起，高速公路ETC門架系統(tǒng)分段計費得到大量推廣應(yīng)用，由此不僅使得高速公路收費站工作量大增，而且還對ETC門架系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及高效性能等提出了更高要求。為了使得數(shù)據(jù)傳輸與入庫的實時得到保證，由此而提出設(shè)計一款ETC門架為監(jiān)控主機的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具有向計算中心監(jiān)控服務(wù)器提供數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓δ?，而且還具有對路網(wǎng)門架主機進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控以便于實現(xiàn)預(yù)警的作用[2]。

1 ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)簡述

1.1 ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)主要能夠?qū)Ω咚俟沸畔⑾到y(tǒng)中許多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備，對它們工作狀態(tài)、性能指標(biāo)以及能源消耗相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時獲取，加強網(wǎng)絡(luò)接入點安保措施，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而有利于更好地為決策提供參考與支持。高速公路相關(guān)的管理人員能夠憑借ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)在管控中心對其所管轄范圍內(nèi)路段上的所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運行情況與發(fā)生原因故障，全面而細(xì)致地?fù)慰兀瑫r還能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷與處理一些比較常見的故障問題，從真正意義上實現(xiàn)了自動化管理與維護(hù)，達(dá)到高速信息化系統(tǒng)的安全級別與在線率，使得該系統(tǒng)維護(hù)成本在很大程度上得到減少[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 I/O接口技術(shù)

I/O接口技術(shù)是其他外圍設(shè)備與CPU進(jìn)行連接來完成數(shù)據(jù)交換信息的一個非常重要的通道。該接口技術(shù)具有多種不同功能，比如數(shù)據(jù)驅(qū)動與緩沖、信號轉(zhuǎn)換等。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的宗旨就是把需要的信息經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換再經(jīng)過信號采樣、編碼、傳輸?shù)认嚓P(guān)程序，最后將其傳送至計算機系統(tǒng)進(jìn)行處理，分析、保存以及顯示。在此系統(tǒng)中，I/O接口被大量應(yīng)用于系統(tǒng)的下位機、現(xiàn)場設(shè)備通信中[4]。

1.2.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

數(shù)據(jù)通信技術(shù)是以計算機作為核心，再利用數(shù)據(jù)傳輸信息道把分布于各處的數(shù)據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行連接起來，而且還以完成數(shù)據(jù)通信為宗旨的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由主要相關(guān)設(shè)備、通信協(xié)議、相關(guān)傳送報文與介質(zhì)等組成，其中該設(shè)備主要指數(shù)據(jù)信息接收與發(fā)送相關(guān)設(shè)備。其技術(shù)包括現(xiàn)場總線技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。前者主要指一種工業(yè)控制數(shù)據(jù)總線，它主要應(yīng)用于兩大領(lǐng)域:工業(yè)現(xiàn)場連接設(shè)備與自動控制系統(tǒng)的數(shù)字多分支雙向傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。后者能夠?qū)⒒ヂ?lián)網(wǎng)上所有呈現(xiàn)分散的資源整合為一個整體，獲得所有資源并能夠?qū)崿F(xiàn)全面共享與有機協(xié)同、合作，由此還能夠使得用戶具有依據(jù)自身需求在公開、透明狀態(tài)下通過互聯(lián)網(wǎng)資源獲取信息的能力。

2 ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

所開發(fā)的ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)為我國高速公路門架系統(tǒng)提供一種解決思路與策略，該系統(tǒng)主要使用3層分布式管理總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)3層總體架構(gòu)示意圖

通過圖1可知:第一層為綜合監(jiān)控設(shè)備層，主要包含了ETC綜合監(jiān)控服務(wù)器、Web工作站以及服務(wù)大廳等設(shè)備，主要以各類監(jiān)控與服務(wù)設(shè)備為主。ETC綜合監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計車道控制器、ETC天線、車牌圖像識別設(shè)備、攝像機等設(shè)備，而且還經(jīng)過設(shè)備接口完成對以上設(shè)備功能控制；服務(wù)大廳就是為ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)提供各種服務(wù)的地方；Web工作站就是指ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)站，這些Web站點具有很多權(quán)限，只有配置了與ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)的權(quán)限才可以進(jìn)入此網(wǎng)站實現(xiàn)其各種網(wǎng)絡(luò)功能，Web工作站所有工作也圍繞著ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)各功能展開的。第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，該層主要包括高速公路上的各種網(wǎng)絡(luò)、比如有線網(wǎng)絡(luò)、無線WiFi、光纖、寬帶等，主要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)連接。該層雖然沒有實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)實質(zhì)性功能，但該層是網(wǎng)絡(luò)層，是基礎(chǔ)層，倘若該層出現(xiàn)故障，整個ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)將無法正常運行。第三層為顯示層，主要完成對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。該層為本系統(tǒng)的核心層，主要以數(shù)據(jù)采集器為中心，路由器接受到鏈路層中的網(wǎng)絡(luò)然后通過交換機發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器依托相關(guān)設(shè)備支持，比如配電單元、UPS等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，除此之外，該層還支持遠(yuǎn)程集中管理等功能。同時還為系統(tǒng)提供解決多種不同問題的方法與略策，比如設(shè)備接入、遠(yuǎn)距離控制、安全防患與保護(hù)以及智能化運維等。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)最重要、最關(guān)鍵的部件為監(jiān)控控制器，該控制器能夠?qū)﹂T架系統(tǒng)運行各種不同的情況實現(xiàn)實時自動監(jiān)測，具體包含了環(huán)境、動力、安全預(yù)防、網(wǎng)絡(luò)以及收費“4大系統(tǒng)”運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，由此能夠在很大程度上降低人力、資金等投入，而且還能夠使得本系統(tǒng)正常運行得到保障，預(yù)防一些重大事故災(zāi)害的發(fā)生，促進(jìn)了電子收費站的服務(wù)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，從而使得無人收費站的“夢想”終于得到實現(xiàn)[5]。ETC門架主機監(jiān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過圖2可知,ETC門架監(jiān)控系統(tǒng)主要由動力、環(huán)境、安防等3大系統(tǒng)監(jiān)控構(gòu)成，此外還包括一個軟件系統(tǒng)監(jiān)控，即收費系統(tǒng)運行情況監(jiān)控。動力系統(tǒng)監(jiān)控主要指對整個系統(tǒng)相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，具體包含配電監(jiān)控、配電開關(guān)(電源)監(jiān)控以及UPS監(jiān)控等；環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控就是對整個ETC門架監(jiān)控系統(tǒng)的氣溫、干燥度以及空氣質(zhì)量等方面環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)控，具體包括對溫度、濕度、空調(diào)、是否漏水以及工控機等進(jìn)行監(jiān)控；安防系統(tǒng)監(jiān)控顧名思議指對整個ETC門架監(jiān)控系統(tǒng)安全方面進(jìn)行監(jiān)控，以便做到安全預(yù)防，具體包含了對電子鎖、煙感、濕感等監(jiān)控，還包括交換機，交換機主要連接監(jiān)控機、車牌識別儀以及RSU(路側(cè)單元)等設(shè)備；收費系統(tǒng)運行狀態(tài)由于屬于軟件結(jié)構(gòu)，在后文功能模塊設(shè)計進(jìn)行專門分析，在此不做介紹。

圖2 ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3能夠看出,ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要由6層結(jié)構(gòu)構(gòu)成[6]，每層具體功能如下。

圖3 ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

第一層為數(shù)據(jù)采集層。該層主要對ETC門架相關(guān)機電設(shè)備的最基本信息與實時狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行接入，從而更好地完成對其相關(guān)機電設(shè)備進(jìn)行管理，這也是ETC門架主機監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行運行、監(jiān)控、監(jiān)測、運維遠(yuǎn)程管理以及運行的基礎(chǔ)。主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、收費數(shù)據(jù)、運行歷史數(shù)據(jù)、模塊數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

第二層為基礎(chǔ)層。該層主要為ETC門架主機監(jiān)測系統(tǒng)正常運行過程提供硬軟件設(shè)備環(huán)境，因此該層包括了計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、嵌入式設(shè)備、相關(guān)監(jiān)控設(shè)備、收費設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備。該層通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、計算機操作系統(tǒng)等設(shè)備還能反應(yīng)通信情況，總之基礎(chǔ)層質(zhì)量好壞決定通信狀況的質(zhì)量高低。

第三層為數(shù)據(jù)層。該層是ETC門架主機監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的核心層，包括了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、管理、處理以及儲存。主要包括了系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)歷史維修數(shù)據(jù)、系統(tǒng)歷史發(fā)生故障數(shù)據(jù)、收費數(shù)據(jù)、設(shè)備入庫數(shù)據(jù)以及運維人員入庫數(shù)據(jù)等。

第四層為業(yè)務(wù)支持層。經(jīng)過統(tǒng)一的總線服務(wù)實現(xiàn)多種不同相關(guān)應(yīng)用組件有效整合與管理，比如業(yè)務(wù)服務(wù)中間件、應(yīng)用中間件、數(shù)據(jù)交換平臺、收費系統(tǒng)以及其他。

第五層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層。該層主要以向用戶提供各種不同業(yè)務(wù)應(yīng)用功能為主，也叫功能層，比如“4大系統(tǒng)”的監(jiān)控、維修管理、人員管理，以及遠(yuǎn)程運維監(jiān)控管理功等實現(xiàn)均在此層。

第六層為顯示層。通過對Web頁面進(jìn)行顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同權(quán)限的設(shè)備操作、數(shù)據(jù)庫查詢以及信息搜索與瀏覽等。

總之，本系統(tǒng)中有動力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、收費監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程運維監(jiān)控系統(tǒng)等5大子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)代表實現(xiàn)ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)一種監(jiān)控功能，他們均位于應(yīng)用層，均屬于并列關(guān)系。這5個子系統(tǒng)均是在6層各功能結(jié)構(gòu)共同配合下，才能夠真正實現(xiàn)這5個子系統(tǒng)功能。在ETC門架監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中，以數(shù)據(jù)采集層與基礎(chǔ)層作為基礎(chǔ)，再以數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)層以及業(yè)務(wù)支持層作為中心，最后通過展示層將各種應(yīng)用功能表現(xiàn)出來。每一層既能獨立成層，也相互存在密切關(guān)系，通過網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系在一起。

2.4 功能模塊設(shè)計

由于功能模塊較多，因此只選擇收費系統(tǒng)運行監(jiān)控模塊的收費數(shù)據(jù)采集子模塊為例分析本系統(tǒng)功能模塊設(shè)計。

收費系統(tǒng)運行監(jiān)控模塊是ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)最重要的功能模塊之一，該模塊主要對多個不同設(shè)備運行情況進(jìn)行監(jiān)控，比如RSU控制器、車牌識別儀、全景攝像機、互聯(lián)網(wǎng)以及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。收費數(shù)據(jù)采集模塊是收費系統(tǒng)運行監(jiān)控模塊實現(xiàn)功能應(yīng)用中最基礎(chǔ)的子模塊，也是最重要的子模塊之一。

ETC門架主機監(jiān)控收費系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集相關(guān)設(shè)備均使用Socket TCP通信，在收費系統(tǒng)開啟應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將會與路段監(jiān)控中心進(jìn)行主動連接，倘若沒有連接成功，不會對收費系統(tǒng)正常運行產(chǎn)生任何影響。Socket采用基于異消息機制，對車道的現(xiàn)實交易不會產(chǎn)生任何影響；此外，作為服務(wù)端的Socket監(jiān)聽，等待路網(wǎng)車道數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行連接。作為客戶端時，如果連接處沒有連接上，則ETC門架主機監(jiān)控收費系統(tǒng)將對最近10條監(jiān)控信息保留，直到與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接上，連接上之后再對最近10條監(jiān)控信息刪除，進(jìn)行重新發(fā)送。(路段監(jiān)控中心)IP地址、站口、發(fā)送時間以及是不是使用參數(shù)都利用配置文件的方式發(fā)送到車道。倘若ETC門架主機監(jiān)控收費系統(tǒng)開啟，就將構(gòu)建TCP Socket通信監(jiān)聽，等待路網(wǎng)各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行連接。倘若連接成功結(jié)束，收費系統(tǒng)自動對客戶端監(jiān)控信息請求進(jìn)行解析，此外，開始數(shù)據(jù)任務(wù)且將有關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端[5]。

數(shù)據(jù)采集的形式為在規(guī)定時間內(nèi)由CPU定時發(fā)出詢問，依序詢問每一個周邊設(shè)備是否需要其服務(wù)，對車道實際交易流水量文件進(jìn)行檢查，在檢查過程中，倘若發(fā)現(xiàn)超過交易數(shù)據(jù)報警閾值，那么就可以判斷此次交易數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，倘若低于交易數(shù)據(jù)報警閥值，則判斷屬于正常。數(shù)據(jù)采集形式將對收費系統(tǒng)對象分為2種形式，一種為主動式，另一種為被動式。前者主要由收費服務(wù)器定時器進(jìn)程對數(shù)據(jù)定期上傳進(jìn)行控制，后者由上位機服務(wù)器傳遞數(shù)據(jù)訪問請求，且經(jīng)數(shù)據(jù)采集客戶端解析此請求，而且還依照需求實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

3 功能模塊實現(xiàn)

這里繼續(xù)以收費系統(tǒng)功能模塊中的數(shù)據(jù)采集子功能中的主動數(shù)據(jù)上傳與被動上傳為例來分析本系統(tǒng)功能。圖4、圖5分別為主動數(shù)據(jù)上傳、被動數(shù)據(jù)上傳整個過程。

圖4 主機監(jiān)控系統(tǒng)的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)主動上傳方式

圖5 主機監(jiān)控系統(tǒng)的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)被動上傳方式

通過圖4可知，首先要對ETC主機監(jiān)控系統(tǒng)中服務(wù)器的定時器進(jìn)行觸發(fā)，倘若觸發(fā)沒有成功，又會返回到定時器，觸發(fā)成功之后，就會將相關(guān)數(shù)據(jù)采集信息發(fā)送給采集設(shè)備，數(shù)據(jù)采集設(shè)備接收數(shù)據(jù)采集信息之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這時數(shù)據(jù)采集設(shè)備分2種情況：一種是采集失敗，則系統(tǒng)就直接顯示采集結(jié)束；另一種是數(shù)據(jù)采集成功，下一步就是數(shù)據(jù)上報。關(guān)于數(shù)據(jù)上報，首先將上報相關(guān)信息發(fā)送給上報設(shè)備，上報設(shè)備接收到上報信息。相關(guān)數(shù)據(jù)上報也分2種情況：一種上報失敗，那系統(tǒng)將直接顯示結(jié)束；另一種上報成功，然后系統(tǒng)顯示結(jié)束。這就是主動數(shù)據(jù)上傳功能實現(xiàn)的整個過程[7]。

通過圖5可知，ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)被動上傳方式，首先路段監(jiān)控中心的上位機向采集監(jiān)控中心發(fā)送查詢命令(數(shù)據(jù)訪問請求)，采集監(jiān)控中心的客戶端對數(shù)據(jù)訪問請求進(jìn)行解析，解析完成之后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集中心進(jìn)行分類，倘若訪問請求不是上傳數(shù)據(jù)，那么就返回錯誤信息，倘若解析訪問請求屬于上傳數(shù)據(jù)則返回至相關(guān)發(fā)送設(shè)備，通過發(fā)送設(shè)備將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送成功也分2種情況：一種發(fā)送成功之后上傳成功了表示結(jié)束了；另一種為發(fā)送完成之后沒有上傳成功，那么要返回發(fā)送，再次發(fā)送，直到上傳成功才結(jié)束。這就是ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)被動上傳功能實現(xiàn)的整個過程。

4 應(yīng)用分析

通過設(shè)備接口能夠?qū)诵脑O(shè)備車道控制器、站級服務(wù)器在線情況與心跳信息進(jìn)行采集，除此之外，還能夠?qū)崟r檢測上報設(shè)備的工作情況，以及對車牌識別系統(tǒng)識別車牌成功率進(jìn)行監(jiān)控。倘若設(shè)備發(fā)生異常，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出警報響聲，并且自動生成報警信息，與此同時相關(guān)運維管理人員通過ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)中的三維巡檢測，能夠?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備故障原因進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，并且通過此系統(tǒng)能夠?qū)﹂T架機柜的自動開門遠(yuǎn)程管理、門架設(shè)備空開遠(yuǎn)程上電等進(jìn)行控制。總之運維相關(guān)管理人員通過本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程管理與操作來發(fā)現(xiàn)、解決設(shè)備故障問題，從而達(dá)到降低運維成本、提高管理效率的目的。

5 總結(jié)

在高速公路信息化建設(shè)大環(huán)境下，取消省界收費站將為ETC的發(fā)展奠定良好條件，此進(jìn)程中涉及大規(guī)模的ETC門架系統(tǒng)建設(shè)工作，ETC門架及其配套的附屬裝置則是發(fā)展智慧公路的重要基礎(chǔ)設(shè)施。鑒于此，從系統(tǒng)總體架構(gòu)、硬件與軟件結(jié)構(gòu)以及功能模塊等設(shè)計來探討高速公路ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，接著以收費系統(tǒng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集子模塊中的數(shù)據(jù)主動與被動上傳方式的整個過程來分析系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。高速公路ETC門架主機監(jiān)控系統(tǒng)在某高速公路中應(yīng)用實踐說明,不僅能夠節(jié)省大量人工成本、提高收費量、降低車道擁堵，而且有利于運維管理人員通過本系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與操作來發(fā)現(xiàn)、解決設(shè)備故障等問題，從而達(dá)到降低運維成本、提高管理效率的目的。但是隨著ETC在線車道運行數(shù)據(jù)量越來越多，本系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)分析無論在速度上還是精準(zhǔn)率上均有待提升，未來在對本系統(tǒng)進(jìn)一步研究過程中將會針對系統(tǒng)發(fā)生故障時，在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，將加強引入更高級相關(guān)函數(shù)算法與有關(guān)計算模型，以便于本系統(tǒng)能夠提供更高效率地智能化識別故障與預(yù)警。