高速公路ETC通行车辆门架分段计费系统运行监测研究

董媛蓉

（福建省高速公路集团有限公司南平管理分公司，福建 南平 353000）

0 引言

高速公路ETC 通行车辆门架系统，包括龙门架、门架结构的工控机、车牌识别设备、门架后端服务结构以及门架机柜等部分[1]，将不同的部分连接安装，统一在门架系统中，进行集成化的监测与管理。其中，管理高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行，是保证高速公路高效、稳定运营的关键部分[2]。伴随着省界收费站的优化建设以及新技术的应用，高速公路ETC 通行车辆的收费系统也在不断更新。车辆通行计费模式的改变，导致以往的许多功能已经不能满足现阶段的基本要求。因此，需要加强研究高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行的监测方法，提高系统整体的运维管理效果，以此来保证系统运行的高效性与稳定性[3]。基于以上背景，设计了一种高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行的监测方法，希望可以为高速公路ETC 系统的安全稳定运行，提供良好的监测技术，提高高速公路ETC 节点的通行效率与通行质量，促进高速公路工程领域的良性循环与可持续发展，保证相关产业的经济效益以及社会效益。

1 设计ETC 通行车辆门架分段计费系统运行监测方法的基本架构

在新的高速公路通行车辆的运营与计费模式下，对整体的门架设施以及系统内部结构运行状态的监测非常关键。为了实现门架计费系统运行的精细化，以及数字智能化运维与管理，研究设计一种ETC 通行车辆门架分段计费系统运行的监测方法[4]。通过实时获取系统的运行数据以及运行状态，以便及时地解决系统不同节点的故障，提高门架分段计费系统的运行效率。基于此，设计ETC 通行车辆门架分段计费系统运行监测方法的基本架构，为监测方法的实现，奠定理论依据。ETC 通行车辆门架分段计费系统运行监测的基本架构，如图1 所示。

图1 ETC 通行车辆门架分段计费系统运行监测的基本架构示意图

由图1 可知，对ETC 门架系统运行的监测，需要基于门架系统中所有设施的动态环境以及相关的数据信息，结合ETC 门架心跳、ETC 门架基本设备的运行状态、ETC 主机的运行状态、数据通信运行状态、计费费率启用状态等数据信息，通过集成化的分析与处理，设定预警阈值，实现智能化的监测与控制。

2 基于物联网技术的门架分段计费系统运行的实时监测

2.1 ETC 通行车辆门架分段计费系统运行数据信号采集

对ETC 门架系统运行信号的采集，是实现系统运行实时监测方法的数据基础。通过数据采集层采集到的门架心跳数据、机柜动环的运行数据、数据库的备份数据等[5]。除此之外，通过在门架系统后端服务器的数据库中查找汇总，采集其他的监测关键信息，包括ETC交易数量、收费数据、异常通行数据、门架系统网络通信数据、门架后端服务器的运行数据、状态名单的推送数据等，作为运行监测状态的初始数据样本集。利用系统数据采集层中设置的通信接口，将采集到的数据信息传输到门架系统的应用服务层，进行后续的分析与处理，为门架系统运行的监测奠定数据基础。

2.2 确定ETC 通行车辆门架分段计费系统运行监测指标及预警阈值

在上述对ETC 通行车辆门架分段计费系统运行数据进行分析处理的基础上，结合现阶段高速公路运营的基本需求，确定门架分段计费系统运行的监测指标。根据监测指标，利用网络大数据，对门架分段计费系统整体的运行状态进行定量分析，得出科学合理的监测指标阈值数据，建立监测预警体系见表1。

表1 门架分段计费系统运行监测预警体系表

由表1 可知，门架分段计费系统运行的监测内容主要分为三个模块，分别是门架计费数据运行状态、门架设备运行状态、门架系统网络及数据传输状态。基于此，结合物联网大数据技术，计算不同监测节点，得到预警阈值，为系统运行的监测提供理论依据。由于监测节点的多维性与复杂性，仅列举门架主机的关键监测节点，进行预警阈值的计算，其他部分可根据不同高速公路的通行要求，或者分析历史数据，进行设定。计算门架主机CPU 监测指标的预警阈值，公式为：

式（1）～式（2）中：ω、ϖ分别表示门架主机CPU 的利用率 与 负 载 率；a表 示CPU 的 空 闲 率；s表 示CPU 的 核数；b表示门架主机的总负载。当ω≥90，或者ϖ≥95时，发出预警。计算门架主机内存利用率，公式为：

式（3）中：c表示门架主机的内存利用率；ε'、ε分别表示门架主机的可用内存、总内存。当c≥95 时，发出预警。当门架主机发生网络延迟，且大于100ms 时，或者门架主机CPU 的温度高于85℃，发出预警。在上述门架分段计费系统运行的监测指标与阈值计算的基础上，进行监测结果的可视化与传输设计。

2.3 监测预警结果的传输与发布

通过上述计算，将初始采集的门架计费系统运行数据与监测目标的阈值进行对比，结合表2 所示的预警分类目标，实现在高速公路通行过程中，对门架分段计费系统运行状态的实时监测。

表2 门架分段计费系统运行监测预警的分类分级表

将表2 所示的门架分段计费系统运行监测预警的等级与分类情况，设置在系统的告警窗口，根据预警时间的倒序列表以及预警等级的倒序列表，进行预警信息的显示与提醒[6]。同时，展示的预警信息需要包括门架的基础信息，即门架的位置与编号、名称、类型，以及具体型号与配置[7]。同时，还需要显示门架对应的主机、设备、应用等内容，以此来实现可视化的门架系统运行的实时监测。综上所述，设计的高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行的监测方法，可以通过多维度感知、匹配，实时地发现系统运行多种类型、多个节点的异常或故障信息，便于及时地对故障节点进行运维处理，辅助门架系统的正常、稳定运行，为高速公路整体经济效益的提升提供了良好的技术支持。

3 试验与检测

3.1 试验准备

为检测设计的门架分段计费系统运行监测方法的可行性，设计了仿真模拟试验。基于Windows 系统，搭建检测的试验平台，相关设施及搭建环境见表3。

表3 仿真试验设施及其参数配置表

3.2 检测结果与分析

在上述试验准备的基础上，随机选取10 种不同节点的异常数据，作为测试样本。10 组异常数据对应的节点分别为计费异常数据、信息传输异常数据、系统内存不足、计费费率版本不匹配、牌识设备异常、车流变化数据异常、网络通信异常、数据库异常、磁盘内存不足、ETC 通行车辆记录异常。应用设计的监测方法（试验组）、传统方法（对照组1）以收费站监测方法（对照组2），对10 组节点的异常数据进行100 次仿真监测，分别计算三种方法对不同节点系统运行监测响应时间的平均值，并进行对比分析，结果如图2 所示。

图2 不同方法的监测响应时间均值对比图

由图2 可知，对于随机的10 组异常数据样本，试验组方法的平均监测响应时间均低于对照组1、对照组2。试验组方法对所有节点监测时间的平均值为1.28s；分别比对照组1、对照组2 低4.39s、2.97s，且低于实际工程的响应标准5s，表明该监测方法，具有高效性与实时性，满足实际工程需求。

在验证了该监测方法实时性的基础上，进行功能性检测。与上述试验一致，应用三种不同的方法，对10 组节点的异常数据进行100 次仿真监测，分别计算三种方法对不同节点系统运行状态监测结果准确率的平均值，进行对比分析，结果如图3 所示。

由图3 可知，对于随机的10 组异常数据样本，试验组方法监测结果的平均准确率均高于对照组1、对照组2。试验组方法对所有节点监测结果准确率的平均值为98.70%；分别比对照组1、对照组2 高18.93%、7.80%。同时，该监测结果的准确率满足实际工程要求的每100 次操作低于10 次错误的基本需求。上述试验结果表明，该监测方法具有精准性与高效性，为高速公路的稳定、安全运行，提供了有效的技术支持。

图3 不同方法的监测结果准确率均值对比图

4 结语

高速公路作为我国交通运输的重要部分，其运营的稳定性与高效性是提高相关产业经济效益的核心基础。因此，通过深入研究高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行过程中的监测方法，结合物联网大数据，实现具有可行性、可控性以及可视性的高速公路ETC 通行车辆门架分段计费系统运行的实时监测体系，为高速公路的长久发展提供了可行的技术基础。