ETC門架智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用探討

譚 浩

（湖北交投集團(tuán)武黃高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，我國(guó)的高速公路收費(fèi)改革持續(xù)推進(jìn)，在現(xiàn)代化技術(shù)支持下構(gòu)建的ETC門架系統(tǒng)，為快速收費(fèi)提供了技術(shù)支持。雖然在當(dāng)下的發(fā)展條件下，ETC門架系統(tǒng)表現(xiàn)出了可靠性、精準(zhǔn)性的優(yōu)勢(shì)，但尚存在一些問題，特別是在智慧運(yùn)維模式下，為保障系統(tǒng)可靠性，需注重相關(guān)技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。未來隨著人工智能在ETC門架系統(tǒng)中的使用，系統(tǒng)必將有更為完整的功能和更為優(yōu)越的性能。

1 ETC門架系統(tǒng)基本概述

1.1 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)總體架構(gòu)

當(dāng)前的高速公路發(fā)展中，基本建成了全國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，以部聯(lián)網(wǎng)中心、省聯(lián)網(wǎng)中心、省內(nèi)區(qū)域/路段中心、ETC門架、收費(fèi)站、ETC車道為主，如圖1所示。

圖1 全國(guó)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

全國(guó)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中，ETC門架系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，這一子系統(tǒng)包含有門架結(jié)構(gòu)、RSU天線、天線控制器、高清攝像機(jī)、車牌識(shí)別器、補(bǔ)光燈、以太網(wǎng)交換機(jī)、站級(jí)服務(wù)器、站級(jí)工作站、通信與供電系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)之間的相互配合，使ETC門架系統(tǒng)兼具多個(gè)功能，為公路收費(fèi)提供了巨大的便捷性，形成了智能化工作模式。

1.3 系統(tǒng)功能

ETC門架的技術(shù)、結(jié)構(gòu)決定了其功能的多樣性，結(jié)合當(dāng)前的ETC門架系統(tǒng)，系統(tǒng)支持雙片式或者單片式車載單元、5.8 GHz復(fù)合通行卡，在公路中建立了ETC門架系統(tǒng)后，一旦有車輛通過系統(tǒng)，車載單元（OBU）自動(dòng)激活，直接與門架通信，由ETC分段計(jì)費(fèi)與扣費(fèi)，自動(dòng)生成交易流水；MTC車輛經(jīng)過門架時(shí)，門架系統(tǒng)自動(dòng)將路段信息、費(fèi)用信息記入復(fù)合通信卡，生成路徑信息、費(fèi)用通行記錄[1]。

1.3.1 車牌識(shí)別功能

車牌識(shí)別是ETC門架系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的功能，在此功能的支持下，門架抓拍區(qū)域自主識(shí)別車牌顏色、號(hào)碼等基本信息，采集到的信息被上傳到相應(yīng)的模塊，生成圖像流水記錄。一旦在ETC門架系統(tǒng)中出現(xiàn)了雙片式OBU未插卡、車載單元被拆卸等異常情況，導(dǎo)致無法保持正常通信，在車牌識(shí)別系統(tǒng)輔助下，系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)正常狀態(tài)，生成完整的路徑信息。

1.3.2 自我檢測(cè)、程序更新功能ETC門架系統(tǒng)也具備自我檢測(cè)、程序更新的功能，當(dāng)處于正常運(yùn)行條件時(shí)，ETC系統(tǒng)的運(yùn)行信息、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息同步被發(fā)送到省級(jí)聯(lián)網(wǎng)中心，中心接收了信息后，由其統(tǒng)一下發(fā)系統(tǒng)參數(shù)[2]。在同一路段上的兩個(gè)門架，獨(dú)立工作，二者互為冗余，如果發(fā)生了通信網(wǎng)絡(luò)異常的情況，可立即進(jìn)入脫機(jī)離線狀態(tài)，在通信正常后，自動(dòng)將本地滯留數(shù)據(jù)上傳到省聯(lián)網(wǎng)中心系統(tǒng)。

2 ETC門架智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運(yùn)維業(yè)務(wù)流程重構(gòu)

在ETC門架智慧運(yùn)維系統(tǒng)中，運(yùn)維業(yè)務(wù)流程的重構(gòu)是其中的重點(diǎn)部分，具體如圖2所示。

圖2 高速公路機(jī)電運(yùn)維流程

傳統(tǒng)的運(yùn)維模式下，在運(yùn)維過程中涉及了省高速公路監(jiān)控中心、收費(fèi)站、路段監(jiān)控中心、運(yùn)維單位等主體，運(yùn)維為分級(jí)管理模式。收費(fèi)站監(jiān)控室負(fù)責(zé)日常的巡檢，一旦在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)了異常情況，及時(shí)將此異常情況上報(bào)；路段監(jiān)控中心依據(jù)對(duì)故障類型、等級(jí)、維護(hù)級(jí)別的確定，利用電話等方式派發(fā)工單，通知運(yùn)維單位并組織專人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展專業(yè)化維護(hù)，生成運(yùn)維報(bào)告，將全部的運(yùn)維信息匯總后上傳給省高速公路監(jiān)控中心。

智慧運(yùn)維模式下的ETC門架系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)運(yùn)維模式無法比擬的優(yōu)越性，其業(yè)務(wù)流程主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：故障申報(bào)，在系統(tǒng)的故障申報(bào)頁(yè)面上直接上報(bào)故障情況；工單下發(fā)，當(dāng)設(shè)備確認(rèn)故障后自動(dòng)生成派工單并下發(fā)到運(yùn)維中心；方案審核，由運(yùn)維中心對(duì)已有故障所提交的技術(shù)方案實(shí)施全面審查；維修上報(bào)，組織專人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展設(shè)備維修，將結(jié)果上報(bào)給分中心[3]。

2.2 接口標(biāo)準(zhǔn)化

隨著ETC門架系統(tǒng)的形成，所構(gòu)建的系統(tǒng)在運(yùn)維的過程中可以保持相對(duì)的穩(wěn)定性。因?yàn)楣δ茌^多，為發(fā)揮系統(tǒng)功能和性能優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)中配備有多種設(shè)備。為保障這些不同設(shè)備之間的可靠連接，應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，通過接口保障不同設(shè)備、子系統(tǒng)之間的可靠關(guān)聯(lián)。在ETC門架智慧運(yùn)維方案設(shè)計(jì)的初期階段，采用統(tǒng)一設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)設(shè)備選型、采購(gòu)對(duì)廠家設(shè)備的接口需求，為設(shè)備運(yùn)維預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)化智能接口。在接口的科學(xué)設(shè)置下，不同模塊、子系統(tǒng)之間可保持良好的連接，系統(tǒng)通信更為高效。通過接口得到關(guān)于設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)等方面的信息，經(jīng)由對(duì)這些信息的掌握，能了解設(shè)備的具體情況，進(jìn)而制定更有針對(duì)性的維護(hù)策略。通過這一方式，提升了運(yùn)維效率，解決了設(shè)備運(yùn)行中的諸多問題。標(biāo)準(zhǔn)化接口下，設(shè)備狀態(tài)方面的信息能從心跳數(shù)據(jù)包中得到，ETC門架設(shè)備定期產(chǎn)生1條心跳數(shù)據(jù)，在接口下所得到的心跳數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳到相應(yīng)模塊。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧運(yùn)維決策技術(shù)

ETC門架系統(tǒng)中，為構(gòu)建智慧運(yùn)維模式，需應(yīng)用智慧運(yùn)維決策技術(shù)，在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程識(shí)別、運(yùn)維決策。在智能技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，機(jī)器學(xué)習(xí)有了顯著的發(fā)展，智能學(xué)習(xí)可以分析歷史數(shù)據(jù)，從中獲得各項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)律性特征，依據(jù)實(shí)時(shí)掌握的信息，對(duì)未知信息加以預(yù)測(cè)。在ETC門架系統(tǒng)的智慧運(yùn)維所構(gòu)建的運(yùn)維決策模型中，2個(gè)階段均采用的是機(jī)器學(xué)習(xí)思維。第一個(gè)階段為系統(tǒng)的故障學(xué)習(xí)階段，能對(duì)ETC門架系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)、參數(shù)、故障情況等的關(guān)聯(lián)分析，經(jīng)由智能學(xué)習(xí)模塊對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，預(yù)測(cè)故障發(fā)生的概率、類型。第二個(gè)階段為運(yùn)維決策階段，參考?xì)v史運(yùn)維記錄、運(yùn)維效果，對(duì)不同故障條件下運(yùn)維策略的合理性加以精準(zhǔn)評(píng)估，構(gòu)建專業(yè)的運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)故障運(yùn)維工單。在系統(tǒng)投入運(yùn)行的最初階段，故障學(xué)習(xí)模型、運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型都被賦予了初始參數(shù)。在運(yùn)維工作持續(xù)開展的過程中，模型不斷自我學(xué)習(xí)，積累數(shù)據(jù)，依據(jù)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，使模型與實(shí)際相符合。

2.4 機(jī)柜空調(diào)監(jiān)控技術(shù)

在ETC門架智慧平臺(tái)的運(yùn)行中，利用智能精密空調(diào)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端與空調(diào)連接，隨后經(jīng)由網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接，此方式可全面采集空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。由智能化模塊監(jiān)測(cè)與分析空調(diào)的運(yùn)行情況，采用Web網(wǎng)頁(yè)、郵件或者SNMP等方式，實(shí)時(shí)顯示空調(diào)數(shù)據(jù)與狀態(tài)，一旦監(jiān)測(cè)到了異常數(shù)據(jù)，立即啟動(dòng)報(bào)警模塊。通過網(wǎng)頁(yè)界面可對(duì)空調(diào)開展遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)控制，即使發(fā)生了停電重新來電的情況，也可自動(dòng)恢復(fù)到停電前的狀態(tài)，使機(jī)房溫度、濕度等參數(shù)保持正常，滿足機(jī)房運(yùn)行中的環(huán)境需求。機(jī)柜空調(diào)監(jiān)控方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)UPS、空調(diào)、鋰電池、門禁、機(jī)房環(huán)境的集中化、遠(yuǎn)程化管理，在監(jiān)控到異常情況時(shí)，自動(dòng)推送報(bào)警信息。

2.5 智能機(jī)柜技術(shù)

ETC門架在高速公路中的使用，有效提高了高速公路管理水平和服務(wù)的便捷性。在現(xiàn)階段的條件下，技術(shù)不斷進(jìn)步，ETC門架智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)包含的現(xiàn)代化技術(shù)越來越多，智能機(jī)柜技術(shù)成為了其中的重點(diǎn)技術(shù)。此技術(shù)的使用，為ETC門架系統(tǒng)整體設(shè)備收容管理預(yù)留了更多的容量空間。多制式電壓輸出設(shè)備在智能機(jī)柜技術(shù)輔助下，運(yùn)營(yíng)更為智能，符合節(jié)能運(yùn)行的需求，完全能滿足24 h不間斷、高可靠運(yùn)行的條件。很多地方的高速公路ETC門架智慧運(yùn)維系統(tǒng)，通過智能機(jī)柜技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合，滿足了部、省級(jí)平臺(tái)分級(jí)分域統(tǒng)一管理、可視化管理的標(biāo)準(zhǔn)。此外，智能機(jī)柜兼具物理防盜功能，柜體本體無裸露可拆卸零部件，基本不會(huì)發(fā)生人為損壞的現(xiàn)象，系統(tǒng)的門開告警功能，由智能化模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控電子門鎖的開關(guān)狀態(tài)，一旦監(jiān)控到了異常情況，立即發(fā)送告警信息，提醒相關(guān)人員開展專業(yè)化處理。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

在上述各種技術(shù)的綜合應(yīng)用下，所構(gòu)建的ETC門架智慧運(yùn)維平臺(tái)可滿足實(shí)際的使用需求。此平臺(tái)架構(gòu)從下到上分別為數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)支持層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、Web服務(wù)層。

數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)的是各種數(shù)據(jù)和信息的采集，ETC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，這一層級(jí)接入了ETC門架機(jī)電設(shè)備，自動(dòng)采集設(shè)備的基礎(chǔ)信息、實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)。這一層級(jí)中的數(shù)據(jù)采集和整合，能對(duì)機(jī)電設(shè)備實(shí)施專業(yè)化管理，維持正常的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到運(yùn)維管理的目標(biāo)?；A(chǔ)層內(nèi)配備有Web服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、嵌入式設(shè)備，這些設(shè)備的配置可以使基礎(chǔ)層為ETC門架的運(yùn)行提供有效的保障。數(shù)據(jù)層兼具數(shù)據(jù)的處理功能，將前期采集到的門架運(yùn)行狀態(tài)，故障信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，維修記錄，解決措施等數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，實(shí)施專業(yè)化管理。業(yè)務(wù)支持層提供統(tǒng)一的總線服務(wù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各種組件都實(shí)施管控，如業(yè)務(wù)服務(wù)中間件、應(yīng)用中間件、安全中間件、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，通過業(yè)務(wù)支持層對(duì)各類組件的管理，保障各種組件發(fā)揮應(yīng)有的作用[4]。業(yè)務(wù)應(yīng)用層可實(shí)現(xiàn)全省門架系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)，同時(shí)還兼具故障維修流程監(jiān)管、維修評(píng)價(jià)、日常養(yǎng)護(hù)計(jì)劃制定等多種功能。Web服務(wù)層中的Web端極為重要，具備權(quán)限信息瀏覽、設(shè)備操作、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢的功能。

3.2 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

ETC門架系統(tǒng)中涉及了多種設(shè)備。所構(gòu)建的平臺(tái)要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)加以全面監(jiān)控。機(jī)電設(shè)備監(jiān)控是保障設(shè)備可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，在平臺(tái)中實(shí)時(shí)接入設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、工作參數(shù)，依據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的分析，可判定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障情況。一旦監(jiān)測(cè)到設(shè)備存在異常情況，立即開展故障預(yù)警。

3.2.2 運(yùn)行情況展示

在道路網(wǎng)中可清晰顯示門架系統(tǒng)內(nèi)的位置、狀態(tài)信息，后臺(tái)操作人員可點(diǎn)擊頁(yè)面站點(diǎn)，在點(diǎn)擊的過程中自動(dòng)彈出該站點(diǎn)ETC門架的實(shí)時(shí)狀態(tài)、所屬道路信息。一旦在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中設(shè)備出現(xiàn)了異常，在地圖上自動(dòng)彈出報(bào)警信息。

3.2.3 三維監(jiān)控巡檢

ETC平臺(tái)負(fù)責(zé)三維監(jiān)控巡檢，在設(shè)備接口輔助下，采集其中的關(guān)鍵設(shè)備車道控制器、站級(jí)服務(wù)器的在線狀態(tài)、心跳信息，依據(jù)對(duì)采集信息的處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車牌的精準(zhǔn)識(shí)別。一旦在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生了設(shè)備異?；蛘吖收?，自動(dòng)報(bào)警，同步生成報(bào)警記錄。運(yùn)維人員在平臺(tái)三維巡檢功能下，遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備故障區(qū)域內(nèi)的故障情況、原因等加以判定。這種遠(yuǎn)程化操作的方式，有利于各種故障的科學(xué)解決，保障運(yùn)維效率[5]。

3.3 ETC門架系統(tǒng)智慧運(yùn)維管理措施

（1）建立網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)案機(jī)制。ETC智慧門架系統(tǒng)中不可忽視專用收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)情況和平臺(tái)特征，制定網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)案，構(gòu)建科學(xué)且可行的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，針對(duì)可能出現(xiàn)的緊急情況，提前制定應(yīng)急預(yù)案。

（2）明確網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重點(diǎn)安全防護(hù)對(duì)象。對(duì)于系統(tǒng)中一些薄弱環(huán)節(jié)的攻擊行為，在內(nèi)部區(qū)域須規(guī)劃和設(shè)計(jì)安全地帶，整體安全系統(tǒng)中可引入平衡全面的保護(hù)技術(shù)。有關(guān)人員要對(duì)ETC門架智慧運(yùn)維系統(tǒng)中的各個(gè)部分開展安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，依據(jù)不同的等級(jí)要求，開展安全防護(hù)。應(yīng)定期對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的存儲(chǔ)信息、系統(tǒng)保護(hù)防火墻的實(shí)際情況加以檢查與監(jiān)督，判定系統(tǒng)內(nèi)是否存在病毒傳染或者黑客入侵等異常行為。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前的發(fā)展條件下，ETC門架智慧運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)水平、運(yùn)行穩(wěn)定性關(guān)乎高速公路收費(fèi)的便捷性，為發(fā)揮這一系統(tǒng)在道路管理中的重要作用，在開展ETC門架智慧運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，須強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。在當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展條件下，ETC門架智慧運(yùn)維方面的技術(shù)取得了顯著的成效，但技術(shù)發(fā)展方面還有很大的發(fā)展空間，未來需加大這一方面的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新。