基于物联网的高速公路远程终端收费实时监测系统建设探讨

■陈金维

（福建省高速公路莆田管理分公司， 莆田 351100）

随着我国经济的快速发展， 社会车辆日益增多，传统的高速公路收费系统管理模式已滞后于高速公路快速发展的步伐。 由于高速公路收费系统专业性强，技术含量高，配置不当将造成高速公路收费系统故障频发。 为了使收费系统能够更好地运转，有必要通过物联网使管理模块更便捷、更高速、更高效的处理问题，实现管理上台阶。

1 概况

福建莆田高速管理分公司管辖高速公路总里程216 km (其中G1517 莆炎段79 km，G1523 甬莞线51 km，S55 秀永支线86 km)，设置17 个收费站，为了降低日常收费系统管理及维护所需的人力和物力， 建设基于物联网远程终端收费实时监测系统，该系统通过物联网实现远程数据汇总及实时信息接收，通过信息接收的模式，技术人员可以快速接收到故障信息， 并通过软件可以精准判断设备的故障点并及时维护。 以G1517 莆炎段埭头所站维护点为例，埭头所站距离维护站点相对较远，来回车程约1 h。 按现有的配置和管理做法：一是通过监控中心报来的信息判断； 二是通过收费站人员反馈数据。 由于采集的数据有限，难以准确判断故障点信息，为此经常判断错误而影响修复，车道正常使用被延误，为此系统升级引进物联网势在必行。

2 远程控制系统工作基本原理

远程控制系统包括车道基础设备、远程终端设备、车道二层交换机、机房三层交换机、监控集中监控交换机、远程监控软件及服务器数据库。

远程控制系统工作基本原理：（1）远程控制软件通过服务器中数据库上传数据进行实时数据分析。 （2）远程控制软件通过交换机VLAN 的端口配置对车道的远程终端设备进行实时监控，并通过终端设备进行远程控制。 （3）远程终端可通过RS232/RS485 串口、 网口进行对车道设备进行数据采集、数据访问并控制，系统结构拓扑图见图1。

图1 远程控制系统结构拓扑图

3 远程监控系统功能

收费远程监控系统利用网络通信数据库和信息管理等技术,实现以下几方面功能,满足了管理上的需求。

3.1 采集数据，实时显示

3.2 远程控制，重启作用

通过软件远程控制电源开关，可以间接的起到远程重启设备的作用。 如当栏杆无法落杆时，技术人员或工作人员可首先关闭电源开关，让设备零使用，之后重新启动设备就可正常运转。 远程控制电源就起到了关键性作用。

3.3 设备故障，及时传报

实时上报设备故障状态数据及故障点位置,并实时告警。软件接收到告警数据后,立即分析告警来源, 并以短信的形式通知相关技术人员何处设备发出告警。

3.4 软件数据，统计分析

多角度统计分析电压功率、 车道的设备参数、UPS 设备的充放电时间及时间工作功率等数据。 结合其他数据,进行有效的统计分析，可以更加直观地获取设备现有的状态情况；特别是UPS 设备在正常模式下的参数（电压、频率功率因数、负荷）和充放电模式下的参数 （放电电压、 放电时频率功率因数、负荷）都可以通过曲线图显示出来。

3.5 数据共享,报表生成

根据车道的实际数据及UPS 设备实际数据自动生成报表，实现各类报表生成、信息共享、统计曲线生成等功能。

3.6 存储数据，提供服务

数据库记录存储整个系统所有数据, 为整个系统提供数据服务。 使用人员具有不同权限分级使用数据库,并达到数据完整性、一致性、较少数据冗余等要求。

3.7 监控平台，直观了解

监控平台可查询安装设备的地理位置信息，并且自动生成图标。 各所站点地图定位显示，直观了解设备分布情况。

3.8 用户设定，支持登录

用户登录设定， 软件可支持多个用户同时登录， 其中管理员用户可为其他用户分配不同的权限。 多用户可在自己的权限内对数据主机、数据查询等同时进行控制，实现了多个操作员可在不同位置同一时间段进行控制，大大提高了操作控制的便利性。 软件还可以设置不同的用户，定义不同的允许操作、限制操作，实现对不同部门、不同级别的操作人员权限的技术层面的限制管理，实现了系统的数据安全性。

3.9 权限设定，分配多户

权限管理设定， 系统可根据需求分配多用户。根据用户的级别进行不同用户的权限管理：（1）操作权限的高低之分；（2）访问数据库权限高低之分；（3）使用程序权限高低之分；（4）查询数据信息的权利之分。 权限划分是根据用户职能的不同进行划分的，权限对设备访问及操作范围可根据实际用户情况优先控制权限进行分配。 这种分配指的是对访问相同设备的不同用户可以制定不同的优先控制权，例如：不同的技术人员、指挥领导设置多级权限，可根据不同分配的权限做相应的操纵流程。 其中拥有最高管理权限的领导席位或总指挥席位，通过权限管理界面设定，将所有的操控权限进行回收，由领导或总指挥进行统一操作、部署，确保在统一的管理指挥下能够最大的满足用户需求，从而提高业务管理机制，发挥整体业务水平。

4 远程终端（硬件）设计

随着计算机网络快速发展，使得自动化技术得到了质的飞跃，电子设备与计算机和网络技术相结合的应用技术，产生可通信智能化模块，它具有变换、保护和控制等功能，也可以和计算机实现通信，从而实现网络化通信模式。

同理，读取边坡的实测数据，分别计算各个实测数据属于各个稳定性等级的确定度，并乘以相应的指标权重得到其隶属度。将上述各隶属度分别相加，得到各评价指标在某一稳定性等级的隶属度之和。根据最大隶属度原则，各指标隶属度之和最大值所在的级别即可判定为该边坡的稳定性等级。

为了实现计算机和远程终端设备之间的通信。一是将车道设备（如车道控制器）通过信号线通信接口（RS232/RS485），接入远程终端设备中；二是通过转换模式把通信接口（RS232/RS485）转换成网口通信模式（TCP/ip 协议）；三是远程设备终端通过网络IP 地址的设定与票亭内的二层交换机的IP 设定进行通信。 最终通过光纤传输的方式进入本站的通信机房进行全方位的控制。

本通信过程中起到最为关键的两大要素是：一是通信协议转换模式的改变； 二是通信距离可达1000 m。 这样就可轻松实现车道设备于电脑互动，并通过电脑对数据进行存储、对比、分析和处理等功能。

远程终端设备有两大功能特征：（1）数据采集及分析。（2）辅助远程控制。首先远程终端通过数据采集器（多功能I/O 设备）对车道现有的设备进行设备联动，对设备实时现状进行数据获取，并通过现有的数据信息对其进行分析处理，从而能更加准确地获取数据信息。 其次远程终端通过采集器内部控制器对设备进行实时控制，内部控制器通过和设备之间的有效拨码及控制频率等方式进行远程辅助控制（图2）。

图2 远程终端（硬件）设计示意图

5 监控软件的设计

监控软件系统是软件和硬件的集成。 两者相辅相成，缺一不可。 一个好的软件，首先是界面简洁明朗，再者是方便使用，这是一个好软件的基本体现。监控软件从功能上主要可分为六个模块：（1）数据采集模块；（2）数据通信模块；（3）数据处理模块；（4）数据分析和显示模块；（5）数据库模块；（6）数据管理模块。

监控软件功能流程说明： 当发生故障事件时，故障信号从采集器发出经采集器后以二进制数据形式通过特定的网络端口处理后送到服务器数据中。 计算主机软件程序通过对服务器的访问获取数据并进行分析识别，进而根据程序设定启动的报警程序（不同的事件有不同的处理方式），并在日志表中记录该事件的时间、名称、处理动作及人员名单等，以备查用。

6 设备安装及系统需求

以实用、高效、安全及节约为原则，合理设计了一套既安全又高效的安装方案。 为了确保在安装远程终端设备的同时，车道的设备电力供应不间断及车道无需关闭的前提下，采用两路低压轮换供电和汽油机供电等模式，确保车道设备稳定运行及人员安全。

该软件应用在Windows 操作系统平台之上并以MySQL 数据库作为数据存储机制。 具体原因如下：（1）友好的用户界面。 Windows 用户界面和开发环境都是面向大众化的；（2）Windows 可以实现多个任务操作界面；（3）购买新设备时，不必考虑某个特定的应用软件是否支持该设备，只要Windows 支持就够了；（4）Windows 中可以完成DOS 操作系统所有命令的功能，而且更容易、更方便、更安全；（5）同时访问数据库用户不受限制；（6） 目前市面上运行数据库最快的数据库系统；（7）可保存上万条数据库记录。

7 系统设备的雷电防护

考虑到莆田地处于环山地段,属于雷电高发区，特别是在6-8 月这3 个月雷电高发期。 根据以往的经验发现被损坏的多数是Tcp/ip 协议芯片和微控制器芯片,还有少数232/ 485 转换串口被损坏导致通信信号中断。

7.1 雷击因素

根据上述终端的损坏情况,现状仔细分析,得出以下几点结论：（1）设备安装未严格按照省公司技术规范接地标准进行安装。 （2）设备安装完后未能及时有效地对设备接地进行接地测试。 （3）接地测试数据应该按照省公司技术规范要求数值进行测试。 （4）设备端口未安装有效的防雷器。

7.2 预防雷击措施

雷击预防措施有：（1）在进行安装设备的同时接地线要接到指定的接地线排上，并对该接线排进行接地电阻测试。 （2）在进行电阻测试时候必须要分两种形式进行测试：①联合接地。 在进行联合接地时接地电阻必须按照省公司技术规范标准进行测试，其数值必须在4Ω 以下。②设备接地。 在进行设备接地时接地电阻必须按照省公司技术规范标准进行测试，其数值必须在1Ω 以下。 （3）设备上的串口和网口必须安装串口防雷器和网口防雷器。 这样可有效预防雷电高发区中不必要的损坏。

8 结语

在信息技术高速发展的今天，信息发展日趋数据化、便捷化、移动化、现代化。 远程监控技术已在高速公路管理领域得到了广泛的应用。 结合案例的日常管理经验，通过远程监控软件平台，可节省人力、物力、财力，能够有效降低运营成本，对强化收费系统智能化管理起到了积极的作用。 利用远程监控软件平台，将机电设备数据进行统一管理，提高了故障处理效率， 强化了高速收费的运营安全管理， 为高速公路的发展提供了强有力的安全保障平台。