基于ETC门架流量数据的收费站车流拥堵预警监测系统的设计与实现

张红梅

（山西交通控股集团有限公司 太旧高速公路分公司，山西 太原 030031）

0 引言

高速公路不停车电子收费（ETC）系统是智能交通的重要组成部分，对提高高速公路收费站的通行能力、减少收费站排队拥堵现象、降低能源消耗和环境污染等方面有非常积极的作用，受到了社会的广泛认可。随着全国取消省界收费站工作的圆满完成，ETC联网收费进入了一个新的历史时期。

ETC联网收费系统中的数据信息对高速公路运营管理决策，交通运输行业运行监测乃至区域经济运行分析都具有非常重要的作用。基于收费站通行量数据和ETC门架数据进行收费站拥堵预警监测，能够有效提高高速公路各收费站通行能力及运行管理决策水平，提高高速公路运营效率，确保路网安全畅通。

1 建设背景

随着社会经济发展，社会车辆保有量不断增加，社会公众出行和物流快速流转对高速公路畅通运营提出了更高的要求。区域经济发展的不均衡性、区域产业结构及运输结构特征，引起了高速公路路段通行量的不均衡性。

山西交通控股集团有限公司太旧高速公路分公司所辖太旧、平阳、五盂、阳泉西环4条路段，其中太旧高速公路（太原—旧关）、平阳高速公路（太原—阳泉）是国家高速公路网青银高速、京昆高速的重要组成部分，是山西省重要的煤炭运输通道和出省高速，运营里程约269 km，共设匝道收费站11处。由于区域经济特点，部分收费站常年处于易拥堵状态，在节假日、恶劣天气以及季节性流量增加时，收费站安全畅通运营面临着极大困难和挑战。因此，通过更加科学、及时、准确的运行监测和预警手段，提前感知路网、路网运行态势，实现收费站运营管理的科学决策迫在眉睫。

2 设计思路和原则

收费站实际通行能力是评价收费站的一个重要指标，它由设计理论值和具体运行情况相结合得出。在实际运行中，不同收费站收费广场车辆容量不同，通过对收费站流量实时监测，通过出口流量数据、ETC门架数据、上下行流量数据对收费站车流数据进行精准预测，当车流量接近、达到、超过收费站流量阈值时，在不同时间段进行提前告警，提示管理人员及时采取有效措施完成车辆疏导，缓解收费站出口广场的拥堵，提高运营服务水平。

系统设计坚持以下原则：一是业务前瞻性原则，根据高速公路管理发展和规划，系统设计应具备一定的前瞻性，统筹考虑高速公路联网收费技术发展趋势，结合未来技术发展，以更丰富可靠的数据作为系统支撑；二是技术先进性原则，采用主流架构和技术，确保系统功能性能满足需求，并便于后期拓展；三是数据安全性、可追溯原则，系统充分考虑对数据的实时监控，对各个重要数据传输环节进行备份，确保数据安全性，并建立高效的数据索引以实现快速查询；四是工作流程去人工化原则，随着高速公路收费业务的复杂度不断增大，系统将更多的工作流程进行自动化或半自动化操作，极大程度降低人工干预的可能，也降低人工误操作的可能性。

3 系统设计

根据各收费站实际运行中的管理需求，结合收费数据情况，对系统进行总体架构设计、网络拓扑设计和应用功能模块设计。

3.1 总体架构设计

在运营管理中，系统采用路段内多级分层管理方式，对流水数据进行采集上传、预处理后，针对不同层级用户所关注的信息差异，平台提供从粗到细，逐级下钻的功能，满足不同层级的管理需求。业务层级如图1所示。

图1 业务管理层级图

根据各级业务需求、业务规划、划分对应的业务系统，系统规划如图2所示。

图2 系统总体架构图

3.2 网络拓扑设计

复用现有收费车道/ETC门架到收费站、路段中心的网络链路，系统采用路段集中部署方式，通过内部生产网络向路段管理人员、收费站管理人员提供车流监测和预警服务。网络拓扑图如图3所示。

图3 系统网络拓扑图

3.3 应用功能设计

3.3.1 车流实时显示

通过可视化图形、列表、消息推送等形式，实时展示收费站前后30 km范围内门架、收费站的实时车流量。

3.3.2 阈值设置

系统提供界面，对有权限人员可以进行相关管理阈值设置，当累计流量接近或超过阈值，系统主动进行告警。

3.3.3 车流预警

系统设置车流阈值，当快到达阈值时，系统通过声音、界面红色显色、弹窗告警等方式发出预警提示。

3.3.4 车流恢复稳定预判

通过收费站前后30 km范围内门架、收费站的实时车流量的分析，对收费站车流恢复稳定所需时间进行预判。

3.3.5 历史车辆分流分析

通过分析收费站上行和下行车道各门架的历史车流量，结合入口收费站的入口信息分析数据，对当天不同时段车辆的分流情况进行预判分析。

3.3.6 路段车流显示

车流信息显示可以按照收费站、门架、路段等不同维度进行展示。

3.3.7 统计查询

可查询各种运营数据的综合报表，通过详实的明细报表，全面了解该路段的车流情况。

3.3.8 应急处置

当车流达到不同等级的预警值时，启动对应不同等级的应急处置，系统记录具体执行情况。

3.3.9 系统管理

可对系统用户进行权限管理、系统配置管理以及操作日志查询。

4 系统实现

结合应用需求、网络拓扑结构，数据流转及数据安全情况，选用目前主流B/S架构和Java技术进行开发，数据库选用Microsoft SQL Server 2017。

在系统开发功能和性能方面，功能上应满足上述设计功能。性能方面可靠性要求每100 000次操作少于3次错误；稳定性要求稳定运行时间大于10 000 h；打开一般系统界面的响应时间在2 s内；对于一般的系统提交操作，响应时间在3 s内；对于简单的查询操作，响应时间在2 s内，对于较复杂的组合查询，响应时间在5 s内。

5 结语

基于ETC门架流量数据的收费站车流拥堵预警监测系统已开发完成，并成功应用于太旧高速的晋中北、阳泉收费站，平阳高速的东梁、东黄水收费站。系统投入使用半年来，各项功能运行正常，在4个收费站累计触发预警18次，有效预警率达94%，对各收费站提前启动预案，及时疏导放行提供了科学决策依据，对保障收费站正常运行起到了积极作用。