湖南省高速公路路径识别软件关键技术研究
2014-08-28卢桢
卢桢
摘 要：详细分析了我省高速公路收费中路径识别普遍存在的“路径二义性”问题和其带来的运营难题。结合我省路径识别的实际情况，开发了基于实际路径识别收费的核心软件。该软件较好地解决了拆分不准确、响应速度、峰值处理能力和数据传输完整性等问题。
关键词：路径识别；建模；架构；软件
中图分类号：U491.1+23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0015-02
截至2013-12，我省高速公路通车总里程达5 084 km，全省14个市、州与省会长沙均有高速公路直连，形成了以长沙为中心的4 h高速经济圈，长沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。
对联网的高速公路网来说，不可避免地存在高速公路环网情况，出现车辆从A点到B点存在两条或两条以上可选择路径通行的情况，即路径二义性问题。由于经营性高速公路越来越多，业主更关注通行费征收、拆账准确性等关乎自身利益的问题。因此，如何解决二义性路径问题和路径识别软件精确识别等关键技术的实施是越来越突出的技术难题。
1 软件整体设计
在应用软件方面，需要考虑200个左右识别点的数据采集和处理，及在此基础上进行路径构建，并基于路径构建信息进行实时计费、实时拆账和结算，以满足我省高速按路径实时收费的需求，打造依据管理需要可以实时进行拆账和结算的能力。
2 系统软件架构
负载均衡技术和MQ消息中间件技术以及数据库的读写分离等。具体情况如图1所示。
3 路径识别关键核心技术
3.1 带权有向图路网模型
模型基于实际路网的最小路网元素进行带权有向图建模（精细化原则），具有很强的适应性。它能很好地应对比如路段费率变化、路段归属变化、站名称变化、站拆除、站增加、桥隧收费策略变化等情况。
采用多维权策略。多维权带权有向图能够很方便地计算和生成各种车型的最低费额分段路由表和最短距离分段路由表等。
通过带权有向图路网模型能够快速生成高速公路联网收费基础数据（分段路由表、费率表、行程时间表等）和用于按实际路径收费的关键支撑数据（分组优先分发表）。
带权有向图路网模型可快速计算车辆的实际路径，为按实际路径收费提供收费依据，从而满足按照实际路径收费的要求。
3.2 基于路网模型的实际路径计算
3.3 路径信息分发技术
在按实际路径进行计费的过程中，为了确保车辆在出收费站时可以快速获取车辆行驶的实际路径，就需要预先将车辆行驶的动态路径在车辆出站之前发送到收费站系统。由于动态路径信息量巨大，如果每条动态路径数据都向联网中的所有收费站发送，势必会造成网络拥堵和数据发送延迟的情况。为了有效减少网络发送的数据量，提出了分组优先发送的解决方案。
当车辆经过识别点后，对即将到达的收费站按需要时间（以高速公路最高限速计算时间）进行分组排序，时间短的优先发送。当车辆到站后，还没有发送的就不需要再发送，从而有效减少发送的数据量。
4 实时计费核心技术
4.1 路径预测及计算
为了满足车辆在出收费站时能够快速确定车辆的行驶路径并且不受网络的影响，系统要能够预先将车辆行驶的动态路径推送到车辆将要到达的收费站，具体处理路径如图3所示。
4.2 分发调度管理
为了满足调度任务实时性的要求，对路径分发调度任务要在进入内存后按队列进行缓存，缓存的调度任务信息包括任务编号、动态路径信息、任务执行时间和需要分发路径的收费站列表等。
分发异常处理主要有以下几方面的作用：①能够监控路径分发任务的执行，并能重新调度执行失败的任务；②能够对多次执行失败的任务进行警告、提示或制订其他的异常处理机制。
4.2.1 车辆从a收费站入站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端先在数据库中保存当前采集的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图4.
4.2.2 车辆经过b识别点时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图5.
4.2.3 d收费站所保存的车辆行驶路径信息上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存
当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图6.
4.2.4 车辆从d收费站出站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图7.
4.2.5 没有查询到车辆动态路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点、c识别点后从d收费站出站，计费时，没有查询到分发下来的车辆动态路径。
解决此问题的思路是：①在收费站没有查询到分发下来的动态路径时，向省中心请求补发；②如果在省中心也没有查询到相应信息，则采用a收费站到d收费站的最短路径计费。见图8.
4.2.6 计费路径多于实际路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点，从e收费站出站。此时，出站信息由于上报失败，又从e收费站入站，此时，入站信息也上报失败，后途经c识别点，从d收费站出站。由于缺少e收费站的出入站信息，当从d收费站出站时，获取的动态路径为“a收费站，b识别点，c识别点，d收费站”，这就导致计费路径比实际路径多。见图9.
解决此问题的思路是：①不处理采集上报失败的识别点序列；②计费时，使用“a收费站，c识别点，d收费站”此动态路径进行计费。
4.2.7 重复c识别点数据
解决此问题的思路是：①对收费卡中记录的进站编号进行比对；②如果比对结果显示动态路径中的收费站入站编号与收费卡中入站编号不一致，则以收费卡中入站编号为起始点开始计算有效路径。
5 结束语
我省路径识别系统关键技术的研究开创了国内高速公路按实际路径收费技术的先河。在我省高速公路路径识别工程项目中，首次将基于路网模型和路径预测技术应用到实际工程项目中，为我国高速公路路径识别收费系统的建设作出了一次具有前瞻性的尝试。
〔编辑：白洁〕
摘 要：详细分析了我省高速公路收费中路径识别普遍存在的“路径二义性”问题和其带来的运营难题。结合我省路径识别的实际情况，开发了基于实际路径识别收费的核心软件。该软件较好地解决了拆分不准确、响应速度、峰值处理能力和数据传输完整性等问题。
关键词：路径识别；建模；架构；软件
中图分类号：U491.1+23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0015-02
截至2013-12，我省高速公路通车总里程达5 084 km，全省14个市、州与省会长沙均有高速公路直连，形成了以长沙为中心的4 h高速经济圈，长沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。
对联网的高速公路网来说，不可避免地存在高速公路环网情况，出现车辆从A点到B点存在两条或两条以上可选择路径通行的情况，即路径二义性问题。由于经营性高速公路越来越多，业主更关注通行费征收、拆账准确性等关乎自身利益的问题。因此，如何解决二义性路径问题和路径识别软件精确识别等关键技术的实施是越来越突出的技术难题。
1 软件整体设计
在应用软件方面，需要考虑200个左右识别点的数据采集和处理，及在此基础上进行路径构建，并基于路径构建信息进行实时计费、实时拆账和结算，以满足我省高速按路径实时收费的需求，打造依据管理需要可以实时进行拆账和结算的能力。
2 系统软件架构
负载均衡技术和MQ消息中间件技术以及数据库的读写分离等。具体情况如图1所示。
3 路径识别关键核心技术
3.1 带权有向图路网模型
模型基于实际路网的最小路网元素进行带权有向图建模（精细化原则），具有很强的适应性。它能很好地应对比如路段费率变化、路段归属变化、站名称变化、站拆除、站增加、桥隧收费策略变化等情况。
采用多维权策略。多维权带权有向图能够很方便地计算和生成各种车型的最低费额分段路由表和最短距离分段路由表等。
通过带权有向图路网模型能够快速生成高速公路联网收费基础数据（分段路由表、费率表、行程时间表等）和用于按实际路径收费的关键支撑数据（分组优先分发表）。
带权有向图路网模型可快速计算车辆的实际路径，为按实际路径收费提供收费依据，从而满足按照实际路径收费的要求。
3.2 基于路网模型的实际路径计算
3.3 路径信息分发技术
在按实际路径进行计费的过程中，为了确保车辆在出收费站时可以快速获取车辆行驶的实际路径，就需要预先将车辆行驶的动态路径在车辆出站之前发送到收费站系统。由于动态路径信息量巨大，如果每条动态路径数据都向联网中的所有收费站发送，势必会造成网络拥堵和数据发送延迟的情况。为了有效减少网络发送的数据量，提出了分组优先发送的解决方案。
当车辆经过识别点后，对即将到达的收费站按需要时间（以高速公路最高限速计算时间）进行分组排序，时间短的优先发送。当车辆到站后，还没有发送的就不需要再发送，从而有效减少发送的数据量。
4 实时计费核心技术
4.1 路径预测及计算
为了满足车辆在出收费站时能够快速确定车辆的行驶路径并且不受网络的影响，系统要能够预先将车辆行驶的动态路径推送到车辆将要到达的收费站，具体处理路径如图3所示。
4.2 分发调度管理
为了满足调度任务实时性的要求，对路径分发调度任务要在进入内存后按队列进行缓存，缓存的调度任务信息包括任务编号、动态路径信息、任务执行时间和需要分发路径的收费站列表等。
分发异常处理主要有以下几方面的作用：①能够监控路径分发任务的执行，并能重新调度执行失败的任务；②能够对多次执行失败的任务进行警告、提示或制订其他的异常处理机制。
4.2.1 车辆从a收费站入站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端先在数据库中保存当前采集的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图4.
4.2.2 车辆经过b识别点时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图5.
4.2.3 d收费站所保存的车辆行驶路径信息上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存
当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图6.
4.2.4 车辆从d收费站出站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图7.
4.2.5 没有查询到车辆动态路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点、c识别点后从d收费站出站，计费时，没有查询到分发下来的车辆动态路径。
解决此问题的思路是：①在收费站没有查询到分发下来的动态路径时，向省中心请求补发；②如果在省中心也没有查询到相应信息，则采用a收费站到d收费站的最短路径计费。见图8.
4.2.6 计费路径多于实际路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点，从e收费站出站。此时，出站信息由于上报失败，又从e收费站入站，此时，入站信息也上报失败，后途经c识别点，从d收费站出站。由于缺少e收费站的出入站信息，当从d收费站出站时，获取的动态路径为“a收费站，b识别点，c识别点，d收费站”，这就导致计费路径比实际路径多。见图9.
解决此问题的思路是：①不处理采集上报失败的识别点序列；②计费时，使用“a收费站，c识别点，d收费站”此动态路径进行计费。
4.2.7 重复c识别点数据
解决此问题的思路是：①对收费卡中记录的进站编号进行比对；②如果比对结果显示动态路径中的收费站入站编号与收费卡中入站编号不一致，则以收费卡中入站编号为起始点开始计算有效路径。
5 结束语
我省路径识别系统关键技术的研究开创了国内高速公路按实际路径收费技术的先河。在我省高速公路路径识别工程项目中，首次将基于路网模型和路径预测技术应用到实际工程项目中，为我国高速公路路径识别收费系统的建设作出了一次具有前瞻性的尝试。
〔编辑：白洁〕
摘 要：详细分析了我省高速公路收费中路径识别普遍存在的“路径二义性”问题和其带来的运营难题。结合我省路径识别的实际情况，开发了基于实际路径识别收费的核心软件。该软件较好地解决了拆分不准确、响应速度、峰值处理能力和数据传输完整性等问题。
关键词：路径识别；建模；架构；软件
中图分类号：U491.1+23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0015-02
截至2013-12，我省高速公路通车总里程达5 084 km，全省14个市、州与省会长沙均有高速公路直连，形成了以长沙为中心的4 h高速经济圈，长沙、株洲、湘潭城市群形成了30 min高速通勤圈。
对联网的高速公路网来说，不可避免地存在高速公路环网情况，出现车辆从A点到B点存在两条或两条以上可选择路径通行的情况，即路径二义性问题。由于经营性高速公路越来越多，业主更关注通行费征收、拆账准确性等关乎自身利益的问题。因此，如何解决二义性路径问题和路径识别软件精确识别等关键技术的实施是越来越突出的技术难题。
1 软件整体设计
在应用软件方面，需要考虑200个左右识别点的数据采集和处理，及在此基础上进行路径构建，并基于路径构建信息进行实时计费、实时拆账和结算，以满足我省高速按路径实时收费的需求，打造依据管理需要可以实时进行拆账和结算的能力。
2 系统软件架构
负载均衡技术和MQ消息中间件技术以及数据库的读写分离等。具体情况如图1所示。
3 路径识别关键核心技术
3.1 带权有向图路网模型
模型基于实际路网的最小路网元素进行带权有向图建模（精细化原则），具有很强的适应性。它能很好地应对比如路段费率变化、路段归属变化、站名称变化、站拆除、站增加、桥隧收费策略变化等情况。
采用多维权策略。多维权带权有向图能够很方便地计算和生成各种车型的最低费额分段路由表和最短距离分段路由表等。
通过带权有向图路网模型能够快速生成高速公路联网收费基础数据（分段路由表、费率表、行程时间表等）和用于按实际路径收费的关键支撑数据（分组优先分发表）。
带权有向图路网模型可快速计算车辆的实际路径，为按实际路径收费提供收费依据，从而满足按照实际路径收费的要求。
3.2 基于路网模型的实际路径计算
3.3 路径信息分发技术
在按实际路径进行计费的过程中，为了确保车辆在出收费站时可以快速获取车辆行驶的实际路径，就需要预先将车辆行驶的动态路径在车辆出站之前发送到收费站系统。由于动态路径信息量巨大，如果每条动态路径数据都向联网中的所有收费站发送，势必会造成网络拥堵和数据发送延迟的情况。为了有效减少网络发送的数据量，提出了分组优先发送的解决方案。
当车辆经过识别点后，对即将到达的收费站按需要时间（以高速公路最高限速计算时间）进行分组排序，时间短的优先发送。当车辆到站后，还没有发送的就不需要再发送，从而有效减少发送的数据量。
4 实时计费核心技术
4.1 路径预测及计算
为了满足车辆在出收费站时能够快速确定车辆的行驶路径并且不受网络的影响，系统要能够预先将车辆行驶的动态路径推送到车辆将要到达的收费站，具体处理路径如图3所示。
4.2 分发调度管理
为了满足调度任务实时性的要求，对路径分发调度任务要在进入内存后按队列进行缓存，缓存的调度任务信息包括任务编号、动态路径信息、任务执行时间和需要分发路径的收费站列表等。
分发异常处理主要有以下几方面的作用：①能够监控路径分发任务的执行，并能重新调度执行失败的任务；②能够对多次执行失败的任务进行警告、提示或制订其他的异常处理机制。
4.2.1 车辆从a收费站入站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端先在数据库中保存当前采集的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图4.
4.2.2 车辆经过b识别点时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图5.
4.2.3 d收费站所保存的车辆行驶路径信息上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存
当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图6.
4.2.4 车辆从d收费站出站时数据采集、上报失败
解决此问题的思路是：①前置客户端首先在数据库中保存当前采集到的数据；②数据设置“是否成功发送”的标志位；③定时重新发送未发送成功的数据；④根据数据存储生效时间的相关规则，定期清理数据表中的历史作废数据。见图7.
4.2.5 没有查询到车辆动态路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点、c识别点后从d收费站出站，计费时，没有查询到分发下来的车辆动态路径。
解决此问题的思路是：①在收费站没有查询到分发下来的动态路径时，向省中心请求补发；②如果在省中心也没有查询到相应信息，则采用a收费站到d收费站的最短路径计费。见图8.
4.2.6 计费路径多于实际路径
车辆从a收费站入站，途经b识别点，从e收费站出站。此时，出站信息由于上报失败，又从e收费站入站，此时，入站信息也上报失败，后途经c识别点，从d收费站出站。由于缺少e收费站的出入站信息，当从d收费站出站时，获取的动态路径为“a收费站，b识别点，c识别点，d收费站”，这就导致计费路径比实际路径多。见图9.
解决此问题的思路是：①不处理采集上报失败的识别点序列；②计费时，使用“a收费站，c识别点，d收费站”此动态路径进行计费。
4.2.7 重复c识别点数据
解决此问题的思路是：①对收费卡中记录的进站编号进行比对；②如果比对结果显示动态路径中的收费站入站编号与收费卡中入站编号不一致，则以收费卡中入站编号为起始点开始计算有效路径。
5 结束语
我省路径识别系统关键技术的研究开创了国内高速公路按实际路径收费技术的先河。在我省高速公路路径识别工程项目中，首次将基于路网模型和路径预测技术应用到实际工程项目中，为我国高速公路路径识别收费系统的建设作出了一次具有前瞻性的尝试。
〔编辑：白洁〕
