柯翔， 孙楠， 刘晓娜

(1.陕西高速电子工程有限公司，陕西，西安 710054；2.陕西交通电子工程科技有限公司，陕西，西安 710054)

0 引言

近几年来，随着科学技术进步以及信息化不断蓬勃发展，高速公路收费站已经逐步由传统人工收费向信息化系统收费方向发展。2019年两会期间，我国明确提出对高速公路收费制度实现更进一步改革，预计到2021年年终基本上全国各跨省高速公路均全面取消跨省收费，采用电子信息系统收费，以便于实现高速公路不停车就能够快速收费[1]，从而达到降低车道拥堵、方便民众出行的目的。自2020年起，高速公路ETC门架系统分段计费得到大量推广应用，由此不仅使得高速公路收费站工作量大增，而且还对ETC门架系统的可靠性、稳定性以及高效性能等提出了更高要求。为了使得数据传输与入库的实时得到保证，由此而提出设计一款ETC门架为监控主机的监控系统，该系统不但具有向计算中心监控服务器提供数据采集与传输的功能，而且还具有对路网门架主机进行统一监控以便于实现预警的作用[2]。

1 ETC门架主机监控系统与相关技术简述

1.1 ETC门架主机监控系统概述

该系统主要能够对高速公路信息系统中许多物联网相关设备，对它们工作状态、性能指标以及能源消耗相关数据进行实时获取，加强网络接入点安保措施，以便于进行数据分析，从而有利于更好地为决策提供参考与支持。高速公路相关的管理人员能够凭借ETC门架主机监控系统在管控中心对其所管辖范围内路段上的所有物联网设备运行情况与发生原因故障，全面而细致地撑控，同时还能进行远程诊断与处理一些比较常见的故障问题，从真正意义上实现了自动化管理与维护，达到高速信息化系统的安全级别与在线率，使得该系统维护成本在很大程度上得到减少[3]。

1.2 关键技术

1.2.1 I/O接口技术

I/O接口技术是其他外围设备与CPU进行连接来完成数据交换信息的一个非常重要的通道。该接口技术具有多种不同功能，比如数据驱动与缓冲、信号转换等。本系统数据采集的宗旨就是把需要的信息经传感器转换再经过信号采样、编码、传输等相关程序，最后将其传送至计算机系统进行处理，分析、保存以及显示。在此系统中，I/O接口被大量应用于系统的下位机、现场设备通信中[4]。

1.2.2 数据通信技术

数据通信技术是以计算机作为核心，再利用数据传输信息道把分布于各处的数据终端设备进行连接起来，而且还以完成数据通信为宗旨的系统。数据通信系统由主要相关设备、通信协议、相关传送报文与介质等组成，其中该设备主要指数据信息接收与发送相关设备。其技术包括现场总线技术与网络技术。前者主要指一种工业控制数据总线，它主要应用于两大领域:工业现场连接设备与自动控制系统的数字多分支双向传输通信网络。后者能够将互联网上所有呈现分散的资源整合为一个整体，获得所有资源并能够实现全面共享与有机协同、合作，由此还能够使得用户具有依据自身需求在公开、透明状态下通过互联网资源获取信息的能力。

2 ETC门架主机监控系统设计

2.1 系统总体架构设计

所开发的ETC门架主机监控系统为我国高速公路门架系统提供一种解决思路与策略，该系统主要使用3层分布式管理总体架构，如图1所示。

图1 ETC门架主机监控系统3层总体架构示意图

通过图1可知:第一层为综合监控设备层，主要包含了ETC综合监控服务器、Web工作站以及服务大厅等设备，主要以各类监控与服务设备为主。ETC综合监控服务器设计车道控制器、ETC天线、车牌图像识别设备、摄像机等设备，而且还经过设备接口完成对以上设备功能控制；服务大厅就是为ETC门架主机监控系统提供各种服务的地方；Web工作站就是指ETC门架主机监控系统的网站，这些Web站点具有很多权限，只有配置了与ETC门架主机监控系统相应的权限才可以进入此网站实现其各种网络功能，Web工作站所有工作也围绕着ETC门架主机监控系统各功能展开的。第二层为数据链路层，该层主要包括高速公路上的各种网络、比如有线网络、无线WiFi、光纤、宽带等，主要实现对网络连接。该层虽然没有实现监控系统实质性功能，但该层是网络层，是基础层，倘若该层出现故障，整个ETC门架主机监控系统将无法正常运行。第三层为显示层，主要完成对各种数据进行显示。该层为本系统的核心层，主要以数据采集器为中心，路由器接受到链路层中的网络然后通过交换机发送给数据采集器，数据采集器依托相关设备支持，比如配电单元、UPS等进行数据采集工作，除此之外，该层还支持远程集中管理等功能。同时还为系统提供解决多种不同问题的方法与略策，比如设备接入、远距离控制、安全防患与保护以及智能化运维等。

2.2 系统硬件结构设计

ETC门架监测系统最重要、最关键的部件为监控控制器，该控制器能够对门架系统运行各种不同的情况实现实时自动监测，具体包含了环境、动力、安全预防、网络以及收费“4大系统”运行情况进行实时监控，由此能够在很大程度上降低人力、资金等投入，而且还能够使得本系统正常运行得到保障，预防一些重大事故灾害的发生，促进了电子收费站的服务质量得到进一步提高，从而使得无人收费站的“梦想”终于得到实现[5]。ETC门架主机监系统硬件结构如图2所示。

通过图2可知,ETC门架监控系统主要由动力、环境、安防等3大系统监控构成，此外还包括一个软件系统监控，即收费系统运行情况监控。动力系统监控主要指对整个系统相关辅助设备进行监控，具体包含配电监控、配电开关(电源)监控以及UPS监控等；环境系统监控就是对整个ETC门架监控系统的气温、干燥度以及空气质量等方面环境情况进行监控，具体包括对温度、湿度、空调、是否漏水以及工控机等进行监控；安防系统监控顾名思议指对整个ETC门架监控系统安全方面进行监控，以便做到安全预防，具体包含了对电子锁、烟感、湿感等监控，还包括交换机，交换机主要连接监控机、车牌识别仪以及RSU(路侧单元)等设备；收费系统运行状态由于属于软件结构，在后文功能模块设计进行专门分析，在此不做介绍。

图2 ETC门架监测系统硬件结构示意图

2.3 系统软件结构设计分析

ETC门架监测系统软件结构如图3所示。

从图3能够看出,ETC门架监测系统软件结构主要由6层结构构成[6]，每层具体功能如下。

图3 ETC门架监测系统软件结构示意图

第一层为数据采集层。该层主要对ETC门架相关机电设备的最基本信息与实时状态参数进行接入，从而更好地完成对其相关机电设备进行管理，这也是ETC门架主机监测系统进行运行、监控、监测、运维远程管理以及运行的基础。主要包括设备数据、图像数据、收费数据、运行历史数据、模块数据以及其他相关数据。

第二层为基础层。该层主要为ETC门架主机监测系统正常运行过程提供硬软件设备环境，因此该层包括了计算机操作系统、网络服务器、嵌入式设备、相关监控设备、收费设备以及数据库服务器等设备。该层通过网络服务、计算机操作系统等设备还能反应通信情况，总之基础层质量好坏决定通信状况的质量高低。

第三层为数据层。该层是ETC门架主机监测系统软件系统的核心层，包括了整个系统的数据接入、管理、处理以及储存。主要包括了系统历史运行数据、系统历史维修数据、系统历史发生故障数据、收费数据、设备入库数据以及运维人员入库数据等。

第四层为业务支持层。经过统一的总线服务实现多种不同相关应用组件有效整合与管理，比如业务服务中间件、应用中间件、数据交换平台、收费系统以及其他。

第五层为业务应用层。该层主要以向用户提供各种不同业务应用功能为主，也叫功能层，比如“4大系统”的监控、维修管理、人员管理，以及远程运维监控管理功等实现均在此层。

第六层为显示层。通过对Web页面进行显示，能够实现各种不同权限的设备操作、数据库查询以及信息搜索与浏览等。

总之，本系统中有动力监控系统、环境监控系统、安防监控系统、收费监控系统以及远程运维监控系统等5大子系统，每个子系统代表实现ETC门架监测系统一种监控功能，他们均位于应用层，均属于并列关系。这5个子系统均是在6层各功能结构共同配合下，才能够真正实现这5个子系统功能。在ETC门架监测系统软件结构中，以数据采集层与基础层作为基础，再以数据层、业务应层以及业务支持层作为中心，最后通过展示层将各种应用功能表现出来。每一层既能独立成层，也相互存在密切关系，通过网络紧密联系在一起。

2.4 功能模块设计

由于功能模块较多，因此只选择收费系统运行监控模块的收费数据采集子模块为例分析本系统功能模块设计。

收费系统运行监控模块是ETC门架主机监控系统最重要的功能模块之一，该模块主要对多个不同设备运行情况进行监控，比如RSU控制器、车牌识别仪、全景摄像机、互联网以及各种网络设备等。收费数据采集模块是收费系统运行监控模块实现功能应用中最基础的子模块，也是最重要的子模块之一。

ETC门架主机监控收费系统和数据采集相关设备均使用Socket TCP通信，在收费系统开启应用过程中，数据采集设备将会与路段监控中心进行主动连接，倘若没有连接成功，不会对收费系统正常运行产生任何影响。Socket采用基于异消息机制，对车道的现实交易不会产生任何影响；此外，作为服务端的Socket监听，等待路网车道数据采集设备进行连接。作为客户端时，如果连接处没有连接上，则ETC门架主机监控收费系统将对最近10条监控信息保留，直到与数据采集设备连接上，连接上之后再对最近10条监控信息删除，进行重新发送。(路段监控中心)IP地址、站口、发送时间以及是不是使用参数都利用配置文件的方式发送到车道。倘若ETC门架主机监控收费系统开启，就将构建TCP Socket通信监听，等待路网各监控设备进行连接。倘若连接成功结束，收费系统自动对客户端监控信息请求进行解析，此外，开始数据任务且将有关监控数据发送到客户端[5]。

数据采集的形式为在规定时间内由CPU定时发出询问，依序询问每一个周边设备是否需要其服务，对车道实际交易流水量文件进行检查，在检查过程中，倘若发现超过交易数据报警阈值，那么就可以判断此次交易数据出现异常，倘若低于交易数据报警阀值，则判断属于正常。数据采集形式将对收费系统对象分为2种形式，一种为主动式，另一种为被动式。前者主要由收费服务器定时器进程对数据定期上传进行控制，后者由上位机服务器传递数据访问请求，且经数据采集客户端解析此请求，而且还依照需求实现数据上传。

3 功能模块实现

这里继续以收费系统功能模块中的数据采集子功能中的主动数据上传与被动上传为例来分析本系统功能。图4、图5分别为主动数据上传、被动数据上传整个过程。

图4 主机监控系统的收费系统数据主动上传方式

图5 主机监控系统的收费系统数据被动上传方式

通过图4可知，首先要对ETC主机监控系统中服务器的定时器进行触发，倘若触发没有成功，又会返回到定时器，触发成功之后，就会将相关数据采集信息发送给采集设备，数据采集设备接收数据采集信息之后进行数据采集。这时数据采集设备分2种情况：一种是采集失败，则系统就直接显示采集结束；另一种是数据采集成功，下一步就是数据上报。关于数据上报，首先将上报相关信息发送给上报设备，上报设备接收到上报信息。相关数据上报也分2种情况：一种上报失败，那系统将直接显示结束；另一种上报成功，然后系统显示结束。这就是主动数据上传功能实现的整个过程[7]。

通过图5可知，ETC门架主机监控系统的收费系统数据被动上传方式，首先路段监控中心的上位机向采集监控中心发送查询命令(数据访问请求)，采集监控中心的客户端对数据访问请求进行解析，解析完成之后进入数据采集中心进行分类，倘若访问请求不是上传数据，那么就返回错误信息，倘若解析访问请求属于上传数据则返回至相关发送设备，通过发送设备将数据进行发送。发送成功也分2种情况：一种发送成功之后上传成功了表示结束了；另一种为发送完成之后没有上传成功，那么要返回发送，再次发送，直到上传成功才结束。这就是ETC门架主机监控系统的收费系统数据被动上传功能实现的整个过程。

4 应用分析

通过设备接口能够对核心设备车道控制器、站级服务器在线情况与心跳信息进行采集，除此之外，还能够实时检测上报设备的工作情况，以及对车牌识别系统识别车牌成功率进行监控。倘若设备发生异常，系统能够及时发出警报响声，并且自动生成报警信息，与此同时相关运维管理人员通过ETC门架主机监控系统中的三维巡检测，能够对相关设备故障原因进行远程查看，并且通过此系统能够对门架机柜的自动开门远程管理、门架设备空开远程上电等进行控制。总之运维相关管理人员通过本系统能够实现远程管理与操作来发现、解决设备故障问题，从而达到降低运维成本、提高管理效率的目的。

5 总结

在高速公路信息化建设大环境下，取消省界收费站将为ETC的发展奠定良好条件，此进程中涉及大规模的ETC门架系统建设工作，ETC门架及其配套的附属装置则是发展智慧公路的重要基础设施。鉴于此，从系统总体架构、硬件与软件结构以及功能模块等设计来探讨高速公路ETC门架主机监控系统开发，接着以收费系统监控的数据采集子模块中的数据主动与被动上传方式的整个过程来分析系统功能的实现。高速公路ETC门架主机监控系统在某高速公路中应用实践说明,不仅能够节省大量人工成本、提高收费量、降低车道拥堵，而且有利于运维管理人员通过本系统实现远程管理与操作来发现、解决设备故障等问题，从而达到降低运维成本、提高管理效率的目的。但是随着ETC在线车道运行数据量越来越多，本系统的有关数据分析无论在速度上还是精准率上均有待提升，未来在对本系统进一步研究过程中将会针对系统发生故障时，在数据分析领域，将加强引入更高级相关函数算法与有关计算模型，以便于本系统能够提供更高效率地智能化识别故障与预警。