高速公路龙门架监测管理系统

报送单位：广州交投机电工程有限公司 山东易构软件技术股份有限公司

主创人：钟亮文 黄国林

创造人：李忠 汤海天 薛明 杨伟熙 吴茂呈 陈羽洁 李学岭 李亚林

【摘要】省界收费站取消后，高速公路运营组织从分省模式转变到跨省联合模式。为加快取消省界收费站项目的快速启动，建立高效联动的运营管理与沟通协调机制、强化问题处理协调机制、加强监督考核等方面的工作，加快研究并推动形成适合全国一张网运营的运营管理模式和工作机制，广州交投机电工程有限公司和山东易构软件技术股份有限公司联合研发一套高速公路龙门架监测管理系统。系统通过实时采集收费站、省界虚拟站、标识点等设备运行状态数据，从而实现整个系统运行情况的实时监测。同时，系统在通过技术兼容、用户风险提示、免费更换用户设备等方式解决关键技术、产品（如CPC卡）未经过工程实践验证，部分已发行用户设备不支持路径标识等问题的同時，可以继续建立覆盖全网的运行监测体系，避免相关问题影响全网通行效率和运行质量。

【关键词】监测管理;数据;高速公路

高速公路省界收费站取消后，运营组织从分省模式转变到跨省联合模式，考虑到相关政策制度、人员培训、问题处理协调机制、监督考核机制等短期内难以全部到位，运营中将会出现很多新情况、新问题。为加快取消省界收费站项目的快速启动，建立高效联动的运营管理与沟通协调机制、强化问题处理协调机制、加强监督考核等方面的工作，加快研究并推动形成适合全国一张网运营的运营管理模式和工作机制，广州交投机电工程有限公司和山东易构软件技术股份有限公司正联合一套研发高速公路龙门架监测管理系统。

系统主要包括设备运行情况监测、数据传输情况监测等功能，以实现对联网省份内的收费站、省界虚拟站、标识站中设备运行情况进行实时监测;通过对各省设备上传数据量与部联网中心接人数据量情况的统计分析，完成对省部两级问数据传输情况的实时监测;通过每日数据传输情况分析，对各个数据接口数据传输量级制定预警阈值，便于实时监控每日数据传输情况。

一、系统范围

（一）部中心要求建设内容

全国联网收费系统框架由收费公路联网结算管理中心（以下简称“部联网中心”）、省（区、市）联网结算管理中心（以下简称“省联网中心”）、省内区域/路段中心、ETC门架、收费站、ETC车道、ETC/MTC混合车道等组成。本次建设系统涉及区域/路段中心系统、实体收费站系统、ETC门架系统以及ETC/MTC混合车道系统。

（二）建设系统架构

系统架构如图1所示。

（三）建设目标原则

1.在原有设备状态运行监测系统业务功能的基础上，升级改造运行监测系统，实现取消省界站工程总体要求的各项功能;

2.在满足《交公路函〔2019〕320号-取消高速公路省界收费站总体技术方案》《取消高速公路省界收费站工程建设方案》基础上，对业务及流程进行优化，提升系统处理的效率;

3.继承原有系统优点及操作习惯，克服原有系统缺点，更加贴近用户和管理，提升整个系统的管理能力;

4.采用微服务+云架构的技术架构和技术路线，实现系统的高性能、高可靠、易用及高扩展等;

5.在满足基本运行“监”、“测”的基础上，利用大数据、AI技术、算法、模型和策略等技术和手段提升系统的综合预警、预测分析、决策支持等智慧化程度。

二、运行监测系统

（一）系统概述

在现有设备状态运行监测系统的基础上进行升级改造，主要包括设备运行状态监测、业务数据监测、应用系统监测等功能，以实现对实体收费站、省界虚拟站、门架系统等的设备运行情况进行实时监测;通过对业务数据上传数据量与部联网中心接人数据量情况的统计分析，完成对业务数据的实时监测;通过每日数据传输情况分析，对各个数据接口数据传输量级制定预警阈值，便于实时监控每日数据传输情况。

（二）技术架构

对系统的设计，采用JAVA进行开发，应用微服务化+云架构的逻辑架构采用多层设计，依据对基础设备和数据集中监控的需求，将系统分成数据采集、数据清洗、数据存储、业务处理以及视图展示等。

系统基于信息安全驱动下的大数据分析和挖掘，涉及数据采集、数据清洗、数据存储、业务处理、分析、评估、预测等大数据全生命周期管理过程。而大数据相关技术应用需解决两大基本问题，第一是数据的存储问题，如何存储庞大的数据量的问题;第二是数据的计算问题，如何处理分析海量的数据。因此，从生命周期和技术应用角度出发，把系统整体架构分为五大层级，分别为数据采集层、数据清洗分析层、数据存储层、业务处理引擎和视图展示应用层。

数据采集层：数据采集层为整个系统提供数据，数据由第三方系统、系统对接协议接口、本地系统日志等提供。从数据类型角度来看可分为结构化数据、半结构化数据和非结构化数据，从采集源角度来看又可分为设备类、流量类，和日志类。通过关联分析和数据挖掘等技术手段，将原本碎片化的日志和数据整合，找出各数据问的联系，从而达到为平台系统提供底层数据支撑的目的。

数据清洗层：面对数据源种类繁多、格式不一的数据，需采用一套完整的数据收集框架及归一化过程对其进行清洗，去除冗余，从而统一格式，实现标准化数据转化。针对来自不同数据源的数据，可采用分布式负责原始数据的标准化管理，实现包括关联规则等数据挖掘算法，实现数据的深度挖掘与分析。

数据存储层：为了实现不同分析需求的数据存储，提高分析与查询效率，采用不同存储技术混搭的存储方式。可提供快速统计分析技术，并进行挖掘分析，从而支撑安全态势分析能力。

业务处理引擎：为了对系统平台提供全套计算引擎支撑服务，系统采用分布式并行计算框架提供计算能力，并具备抽象调度单元、集群资源管配、负载均衡机制、作业执行时间预测、优先级调度策略、各角色各时段的失败重试机制功能。系统根据业务定制，结合运用不同的数据分析挖掘算法，为上层不同类型的应用提供强大的分析能力，主要为统一数据处理引擎和统一事件处理引擎。

视图展示应用层：从多样化的角度出发，系统提供多种组件，包含数据转发组件、可视化组件、设备驱动组件、数据服务组件、接口对接组件。通过各类组件，系统可接入普通PC、展示大屏、移动终端、PAD等前端展示设备，根据不同用户，提供更好的用户体验。从功能的角度出发，系统提供各类项目的实时监测，可快速对事件做出告警动作并进行分级、分类统计，达到及时预警、及时处置的目标。系统平台拥有设备行为分析、趋势预测、安全指数、态势感知等能力，对各项监测目标做出更加精准的预测。

系统逻辑架构如图2所示。

（三）设计特色

1.微服务化

微服务化的核心就是将传统的一站式应用，根据业务拆分成一个一个的服务，彻底地去耦合，每一个微服务提供单个业务功能的服务，一个服务做一件事，从技术角度看就是一种小而独立的处理过程，类似进程概念，能够自行单独启动或销毁，甚至拥有自己独立的数据库。

微服务的基本思想在于考虑围绕着业务领域组件来创建应用，这些应用可独立地进行开发、管理和加速。在分散的组件中使用微服务云架构和平台，使部署、管理和服务功能交付变得更加简单。

本项目利用微服务架构模式的设计，使得每个服务独立扩展，根据每个服务的规模来部署满足需求的规模，实现对系统整体的负载均衡。由于每个服务都是单独开发，容错性高、耦合性低、扩展性高，宜于运行监测系统的快速迭代优化，新服务功能不再需要协调其它服务部署对本服务的影响，即可达到快速部署的目的，也可实现持续化部署。

2.灰度发布

在一般情况下，升级更新应用，需要停止原有版本应用，再启动新版本应用。在本次项目中，应用需要24小时不间断运行，所以系统采用灰度发布设计方式进行系统版本升级。

采用灰度发布的设计方式，可以实现在原有版本不停止运行的情况下，更新新版本应用，当新版本在试运行阶段出现异常，可切换回滚至老版本上，将负面影响控制在最小范围内。

结合微服务化的设计，系统升级时，可以实现灰度发布，从而实现业务不间断、系统平稳升级的目的。

3.模型算法应用

本系统对于业务处理采用大数据分析方式，将接入的数据进行标准化治理，并建立数据模型算法，完成数据模型层次结构、基本信息、数据结构、存储方式的设计。

模型算法应用提供多种算法模型：关联规则分析（Apriori）、决策树、神经网络、K-MEANS聚类、支持向量机、多元线性回归、广义线性回归、贝叶斯网络、Cox以及K近邻等。这些算法模型应用于多种分析场景，例如预测趋势和行为、关联分析、聚类分析等。每种模型算法都有各自的优劣性，针对不同的场景选择合适的算法模型进行大数据分析挖掘。

模型算法应用是对治理过的数据按一定业务思路，经过选择、编排、组装，从而得到的一套业务分析方案，如：路径追踪分析、异常行为分析等。

从功能的角度出发，系统应用模型算法提供各类项目的实时监测，可快速对事件做出告警动作并进行分級、分类统计，达到及时预警、及时处置的目的。系统拥有设备行为分析、趋势预测、安全指数、交通态势感知等能力，对各项监测目标做出更加精准的预测。

4.AI综合预警

运行监测系统不仅仅是对各设备异常状态进行展示，更注重对异常行为进行预警处置。系统根据各业务类型，进行预警的信息的分类，用户只需在前端填写预警的内容，并规划好预警的警报级别，系统可自动生成用户所需的预警预案，用户确认生效预案后，系统自动按预案执行相关业务流程。

系统提供发布规则管理、预警级别管理，用户可通过选择不同的预警信息进行灵活的配置。

同时，系统可集成短信、移动终端、邮件、大屏等多种发布手段于一体，实现多种规则、多种通信方式的综合发布控制渠道，为系统进行数据共享、事件处理提供了强有力的业务支撑，节约人力资源，提升工作效率与业务质量。

5.多种前端展示支持

系统从多样化的角度出发，系统在业务展示前端应用提供多种组件，包含数据转发组件、可视化组件、设备驱动组件、数据服务组件、接口对接组件。

通过各类组件，系统可接入普通PC、定制展示大屏、对接移动终端、对接PAD等前端展示设备，根据不同用户，提供更好的用户体验。

6.可用性

系统充分考虑方便用户，简化操作，广泛采用图形化界面和最优化算法，提供友好的人机界面、简便快捷的使用方法，最大限度地满足用户需求。

（四）接口设计

1.数据接口设计

运行监测系统数据接口分为路网信息、车辆信息、卡信息（ETC卡、OBU、CPC）、交易信息、设备状态信息、参数信息、应用系统信息等，数据采集来源为部级系统接入、第三方系统接入、部省级数据录入或者导入。

系统数据接口设计满足《附件一：取消高速公路省界收费站工程数据编码交换规则》《附件二：取消高速公路省界收费站工程数据传输接口规范》要求的内容。

2.传输接口设计

数据传输采用响应式（服务式），部联网中心的传输系统支持集群部署，采用全冗余架构，无单点故障，支持线性扩展。

传输协议选择HTTPS协议，采用文件作为传输的载体，文件内容可以是JSON形式（具体格式由具体服务接口定义）。

传输加密：在传输过程中应对传输通道进行加密。客户信息数据应进行加密传输。

数据访问权限控制：部联网中心的传输系统需要对传输请求进行鉴权和对传输数据进行访问控制以保证各省之间的数据隔离。

数据传输采用HTTPS协议标准。基于HTYP POST方式进行数据请求，编码格式统一为UTF-8编码。请求和响应文件格式为JSON。

具体要求满足《附件二：取消高速公路省界收费站工程数据传输接口规范》中的接口设计要求。

（五）系统组成

系统组成如图4所示。

（六）功能简表

功能简表如图5所示。

（七）功能划分

1.首页展示

运行监测系统设置首页展示，首页根据用户喜好，展示重点关注事件、统计分析等内容。

首页分成多个区域，可配置每个区域显示内容，并定时刷新数据。

主区域显示地图信息，在地图上根据图层展示各类监测项目。

子区域显示指标统计、交易量统计、车流量统计、性能统计、异常统计、故障统计、告警统计、紧急事件展示、重点视频展示等。

2.系统管理

系统管理主要功能包括数据库地址配置管理、系统控制参数配置、日志保存天数管理、系统维护管理等。

系统管理兼顾人员管理，统一用户认证，也可自行管理，包含统一权限管理、人员配置管理、密码管理等。

3.监测管理

监测管理对运行监测的各类项目进行管理，对监测参数进行配置，对第三方系统接入进行管理。

设备分布管理

操作员可录入或者批量导入各监控项目所在位置、类型、品牌型号、所属机构等信息。

地图管理

对地图展示的元素进行分层管理，不同图层可展示不同的监测项目，用户可根据图层展示确认地图上显示的监测项目。

预警阈值配置管理

运行监测系统对于部分监测项目可进行状态预警，当监测项目达到预警阈值进行报警，由相关人员及时处置。

预警阈值配置管理对可进行预警的监测项目进行预警阈值配置管理，阈值分为时间阈值、上限阈值、下限阈值、设备状态阈值等。操作员可根据实际情况配置相关预警阈值。

监控信息综合管理

系统对于各项监控信息展示进行定义，根据权限不同可定制展示内容，在大屏上可分屏展示不同监测信息。

监控信息分级展示

系统监控信息可以多级，系统按级别提示或者展示监控监测信息，也可根据不同权限查看不同级别的监控监测信息。

第三方系统接入管理

系统对于第三方系统的接入，进行控制管理，提供统一标准化协议接口。接入的系统需进行注册管理，每次接入进行身份验证。

系统根据接入系统的权限业务控制管理，仅提供有权限的业务接口反馈，其余数据不允许对接。

4.设备运行状态监测

设备状态监控展示方式上分为图形化展示和列表展示两种;从层级展示方式上分为：区域中心/路段/站级管理/门架展示等。

系统对各门架系统、传输通讯等设备进行实时监测，一旦出现异常及时预警，保障异常及时发现、及时处置。

监测内容主要包括：站级数据传输情况监测、站级传输通道监测管理、标识点写卡监控、设备状态监控、通行介质监测等。

5.业务数据监测

系统对业务数据进行監测管理，主要包括数据分析营运指标监测、数据及时性监测、数据准确率监测等。

系统分类型监测双片式OBU、单片式OBU、CPC卡等通过门架、收费站入出口ETC车道时交易成功率。并可按照双片式OBU、单片式OBU、CPC卡厂家型号进行分别统计及展示。

系统监测数据传出情况，包含数据堆积情况、数据传输耗时统计等;设定相应阈值，当达到阈值后，系统给出报警信息。

6.应用系统及关键资源监测

对关键服务程序、应用支撑系统进行实时监控，监控主要内容如下：

（1）运行状态监测：关键服务和系统的运行/停止的状态监测;

（2）停止次数监测：按日、月、季和年统计关键服务和系统的异常停止次数;

（3）停止时长监测：按日、月、季和年统计关键服务和系统的异常停止时长。

系统监测关键数据库资源、存储资源、网络资源、服务器硬件资源运行情况，当资源使用率达到预警值时预警提示。

7.异常信息告警

故障状态管理

检测到的故障信息，监控系统软件提供处理管理，包含故障信息确认并生成工单，误报故障信息的消除等管理。

故障分等级预警

根据故障严重程度，对不同报警信息采用不同的展示方式，对于重要报警信息，通过弹框、声音、闪烁等方式进行提示;对于普通故障信息通过列表、图形化故障标识等方式进行展示。

8.工单管理

故障工单管理

系统可进行工单的人工录入，也可根据采集的故障信息自动生成工单。工单生成后进行派发、维修、确认、评价等流程，处理完毕后的工单进行关闭存档处理。

工单分用户和角色进行管理，不同用户只能看到自己发布、需要处理、需要跟踪的工单。

故障进度跟踪

执行中的工单，在系统中可通过图形化的方式进行处理过程跟踪，并可根据情况进行催办提醒。工单每个处理过程可设置相应及最长处理时间，如果超时未处理，系统将进行自动提醒。

处置效率评价等

系统记录每个人员工单处理的详细，根据执行过程进行工单数量统计、执行效率统计、异常工单统计等;可分部门、分任务类型、分人员进行多维度统计评价等。

9.信息查询

历史信息查询主要包含：设备基础信息查询、设备运行历史状态查询、通行介质历史交易成功率查询、数据传输历史数据查询、应用系统及关键资源历史监测数据查询、历史工单数据查询、操作日志查询。

10.统计分析

统计分析主要分为：历史状态统计分析、预警态势分析、系统心跳监控分析、历史传输数据量分析、写卡成功率分析、应用系统分析、关键资源性能分析、故障统计分析、工单处理效率分析等。