高速公路ETC通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)研究

董媛蓉

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司南平管理分公司，福建 南平 353000）

0 引言

高速公路ETC 通行車輛門架系統(tǒng)，包括龍門架、門架結(jié)構(gòu)的工控機(jī)、車牌識(shí)別設(shè)備、門架后端服務(wù)結(jié)構(gòu)以及門架機(jī)柜等部分[1]，將不同的部分連接安裝，統(tǒng)一在門架系統(tǒng)中，進(jìn)行集成化的監(jiān)測(cè)與管理。其中，管理高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行，是保證高速公路高效、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵部分[2]。伴隨著省界收費(fèi)站的優(yōu)化建設(shè)以及新技術(shù)的應(yīng)用，高速公路ETC 通行車輛的收費(fèi)系統(tǒng)也在不斷更新。車輛通行計(jì)費(fèi)模式的改變，導(dǎo)致以往的許多功能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的基本要求。因此，需要加強(qiáng)研究高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)方法，提高系統(tǒng)整體的運(yùn)維管理效果，以此來保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效性與穩(wěn)定性[3]?；谝陨媳尘?，設(shè)計(jì)了一種高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)方法，希望可以為高速公路ETC 系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提供良好的監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高高速公路ETC 節(jié)點(diǎn)的通行效率與通行質(zhì)量，促進(jìn)高速公路工程領(lǐng)域的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展，保證相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。

1 設(shè)計(jì)ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法的基本架構(gòu)

在新的高速公路通行車輛的運(yùn)營(yíng)與計(jì)費(fèi)模式下，對(duì)整體的門架設(shè)施以及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)門架計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的精細(xì)化，以及數(shù)字智能化運(yùn)維與管理，研究設(shè)計(jì)一種ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)方法[4]。通過實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)，以便及時(shí)地解決系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)的故障，提高門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。基于此，設(shè)計(jì)ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法的基本架構(gòu)，為監(jiān)測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)，奠定理論依據(jù)。ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)的基本架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)的基本架構(gòu)示意圖

由圖1 可知，對(duì)ETC 門架系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)，需要基于門架系統(tǒng)中所有設(shè)施的動(dòng)態(tài)環(huán)境以及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合ETC 門架心跳、ETC 門架基本設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、ETC 主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)通信運(yùn)行狀態(tài)、計(jì)費(fèi)費(fèi)率啟用狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，通過集成化的分析與處理，設(shè)定預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)測(cè)與控制。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

2.1 ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集

對(duì)ETC 門架系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)的采集，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)采集層采集到的門架心跳數(shù)據(jù)、機(jī)柜動(dòng)環(huán)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的備份數(shù)據(jù)等[5]。除此之外，通過在門架系統(tǒng)后端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找匯總，采集其他的監(jiān)測(cè)關(guān)鍵信息，包括ETC交易數(shù)量、收費(fèi)數(shù)據(jù)、異常通行數(shù)據(jù)、門架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)、門架后端服務(wù)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)名單的推送數(shù)據(jù)等，作為運(yùn)行監(jiān)測(cè)狀態(tài)的初始數(shù)據(jù)樣本集。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層中設(shè)置的通信接口，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)介T架系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層，進(jìn)行后續(xù)的分析與處理，為門架系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 確定ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)及預(yù)警閾值

在上述對(duì)ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段高速公路運(yùn)營(yíng)的基本需求，確定門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，利用網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，對(duì)門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定量分析，得出科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測(cè)預(yù)警體系見表1。

表1 門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警體系表

由表1 可知，門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要分為三個(gè)模塊，分別是門架計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)、門架設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、門架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)?；诖?，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，計(jì)算不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，得到預(yù)警閾值，為系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。由于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的多維性與復(fù)雜性，僅列舉門架主機(jī)的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行預(yù)警閾值的計(jì)算，其他部分可根據(jù)不同高速公路的通行要求，或者分析歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)定。計(jì)算門架主機(jī)CPU 監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)警閾值，公式為：

式（1）～式（2）中：ω、?分別表示門架主機(jī)CPU 的利用率 與 負(fù) 載 率；a表 示CPU 的 空 閑 率；s表 示CPU 的 核數(shù)；b表示門架主機(jī)的總負(fù)載。當(dāng)ω≥90，或者?≥95時(shí)，發(fā)出預(yù)警。計(jì)算門架主機(jī)內(nèi)存利用率，公式為：

式（3）中：c表示門架主機(jī)的內(nèi)存利用率；ε'、ε分別表示門架主機(jī)的可用內(nèi)存、總內(nèi)存。當(dāng)c≥95 時(shí)，發(fā)出預(yù)警。當(dāng)門架主機(jī)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)延遲，且大于100ms 時(shí)，或者門架主機(jī)CPU 的溫度高于85℃，發(fā)出預(yù)警。在上述門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)指標(biāo)與閾值計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果的可視化與傳輸設(shè)計(jì)。

2.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的傳輸與發(fā)布

通過上述計(jì)算，將初始采集的門架計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)目標(biāo)的閾值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合表2 所示的預(yù)警分類目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在高速公路通行過程中，對(duì)門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

表2 門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的分類分級(jí)表

將表2 所示的門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的等級(jí)與分類情況，設(shè)置在系統(tǒng)的告警窗口，根據(jù)預(yù)警時(shí)間的倒序列表以及預(yù)警等級(jí)的倒序列表，進(jìn)行預(yù)警信息的顯示與提醒[6]。同時(shí)，展示的預(yù)警信息需要包括門架的基礎(chǔ)信息，即門架的位置與編號(hào)、名稱、類型，以及具體型號(hào)與配置[7]。同時(shí)，還需要顯示門架對(duì)應(yīng)的主機(jī)、設(shè)備、應(yīng)用等內(nèi)容，以此來實(shí)現(xiàn)可視化的門架系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。綜上所述，設(shè)計(jì)的高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)方法，可以通過多維度感知、匹配，實(shí)時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行多種類型、多個(gè)節(jié)點(diǎn)的異?；蚬收闲畔ⅲ阌诩皶r(shí)地對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)維處理，輔助門架系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行，為高速公路整體經(jīng)濟(jì)效益的提升提供了良好的技術(shù)支持。

3 試驗(yàn)與檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為檢測(cè)設(shè)計(jì)的門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法的可行性，設(shè)計(jì)了仿真模擬試驗(yàn)?；赪indows 系統(tǒng)，搭建檢測(cè)的試驗(yàn)平臺(tái)，相關(guān)設(shè)施及搭建環(huán)境見表3。

表3 仿真試驗(yàn)設(shè)施及其參數(shù)配置表

3.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

在上述試驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取10 種不同節(jié)點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)，作為測(cè)試樣本。10 組異常數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分別為計(jì)費(fèi)異常數(shù)據(jù)、信息傳輸異常數(shù)據(jù)、系統(tǒng)內(nèi)存不足、計(jì)費(fèi)費(fèi)率版本不匹配、牌識(shí)設(shè)備異常、車流變化數(shù)據(jù)異常、網(wǎng)絡(luò)通信異常、數(shù)據(jù)庫(kù)異常、磁盤內(nèi)存不足、ETC 通行車輛記錄異常。應(yīng)用設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法（試驗(yàn)組）、傳統(tǒng)方法（對(duì)照組1）以收費(fèi)站監(jiān)測(cè)方法（對(duì)照組2），對(duì)10 組節(jié)點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行100 次仿真監(jiān)測(cè)，分別計(jì)算三種方法對(duì)不同節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間的平均值，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同方法的監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間均值對(duì)比圖

由圖2 可知，對(duì)于隨機(jī)的10 組異常數(shù)據(jù)樣本，試驗(yàn)組方法的平均監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間均低于對(duì)照組1、對(duì)照組2。試驗(yàn)組方法對(duì)所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間的平均值為1.28s；分別比對(duì)照組1、對(duì)照組2 低4.39s、2.97s，且低于實(shí)際工程的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)5s，表明該監(jiān)測(cè)方法，具有高效性與實(shí)時(shí)性，滿足實(shí)際工程需求。

在驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)方法實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行功能性檢測(cè)。與上述試驗(yàn)一致，應(yīng)用三種不同的方法，對(duì)10 組節(jié)點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行100 次仿真監(jiān)測(cè)，分別計(jì)算三種方法對(duì)不同節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率的平均值，進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，對(duì)于隨機(jī)的10 組異常數(shù)據(jù)樣本，試驗(yàn)組方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的平均準(zhǔn)確率均高于對(duì)照組1、對(duì)照組2。試驗(yàn)組方法對(duì)所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率的平均值為98.70%；分別比對(duì)照組1、對(duì)照組2 高18.93%、7.80%。同時(shí)，該監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率滿足實(shí)際工程要求的每100 次操作低于10 次錯(cuò)誤的基本需求。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)方法具有精準(zhǔn)性與高效性，為高速公路的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，提供了有效的技術(shù)支持。

圖3 不同方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率均值對(duì)比圖

4 結(jié)語

高速公路作為我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)闹匾糠?，其運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性與高效性是提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的核心基礎(chǔ)。因此，通過深入研究高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的監(jiān)測(cè)方法，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)具有可行性、可控性以及可視性的高速公路ETC 通行車輛門架分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系，為高速公路的長(zhǎng)久發(fā)展提供了可行的技術(shù)基礎(chǔ)。