论 文
作者：刘洪平1、罗燕忠1、肖洲洋1、李冠2、陈琼振3（1.广东利通科技投资有限公司；2.广东广佛肇高速公路有限公司；3.广东联合电子服务股份有限公司）
摘要：本文提出智慧收费云站解决方案，介绍了智慧收费云站的建设目标，阐述了技术方案，并对试点效果进行了分析。智慧收费云站采用“云-节-端”一体协同架构，将收费业务与设备控制、业务管理分离，可实现收费站系统建设标准化、收费自动化、管理智慧化。相比传统收费系统方案，智慧收费云站方案的系统主要运行指标有明显提升。
目前，高速公路进入全国“一张网”联网收费新阶段，按“分段计费，出口收费”方式进行收费，数据滞留车道端、信息孤岛等问题对高速公路收费系统提出了更高的要求。为了解决传统收费系统存在的问题，顺应高速公路自由流收费发展方向，本文提出智慧收费云站解决方案，采用“云-节-端”一体化底层架构，建设收费站标准化系统，运维能力更强，效益更高。
1 建设目标
智慧收费云站一要保证业务系统的连续性，实现系统稳定可靠；二要持续满足业务发展需求，提供灵活的架构，实现业务解耦。传统的收费车道软件采用离线模式，数据以“车道-站-中心”的方式传输，主要保障收费站业务的稳定性与连续性，通过多点冗余设计来解决系统的可靠性问题。因此，收费软件是高耦合的，车道外设通常过度依赖于收费系统，无法快速定位设备异常。传统收费业务架构过重，资源消耗大，如遇升级改造，系统调整影响范围广，且额外成本投入和复杂度高，难以实现快速迭代上线，因此有必要将业务与控制进行解耦，将计算、存储、业务云化，降低收费站的建设和运维成本。
1.1 实现边端架构站级交易
传统收费系统是一个车道外设高度集成的系统，实现解耦的核心在于将车道外设作为端侧的感知设备，将收费业务集中在站级处理，实现在线站级交易。在线站级交易优势如下。
1）信息共享
现有收费系统采用车道软件离线模式，各车道数据独立上传，信息和状态不互通，需要频繁下发参数到各车道。智慧收费云站采用云站模式，实现了全站数据和交易共享，支持状态名单查询，提高了数据的实时性和准确性，有效减少了邻道干扰和重复扣费问题。
2）高效传输
现有收费系统采用三级传输模式，即“车道-收费站-省中心/部中心/路段中心”。智慧收费云站采用两级扁平化传输模式，即“收费站-省中心/部中心/路段中心”，实时性高，降低了流水滞留车道的风险。
1.2 兼容多种收费业务场景
采用站级交易后，收费站各种收费业务场景在统一的框架中实现，因此需要梳理基础通用模块与业务功能模块，以满足未来多变的应用需求。
采用高弹性的微服务架构，将软件系统切分成数据平面和控制平面，可集成ETC、混合道、自动发卡机、自助缴费终端、匝道预交易、预称重系统等，具备快速迭代能力。支持本地部署、云化部署、集群部署等多种部署模式，可灵活应对智慧化收费多场景应用。
1.3 保障业务系统不中断
采用站级在线交易模式来保障收费业务的稳定性，具体考虑以下两种情况。
1）对于设备故障，采用边缘收费一体机实现双节点冗余设计，当主节点发生故障时，可自动秒级切换到备份节点，主备节点支持数据备份同步。
2）对于网络故障，在收费广场部署备份服务器，实现收费服务的应用集群和收费数据库的备份，当出现网络或节点故障时，可自动切换到广场的收费服务器进行收费业务操作。
2 技术方案
2.1 技术架构
智慧收费云站总体技术架构包括云收费中心（省中心/路段中心）、收费站、收费广场三级，如图1所示。
图1 智慧收费云站技术架构
云收费中心是智慧收费云站的支撑管理和服务平台，主要包括配置中心、发布中心、云客服，支持通过远程回控、语音呼叫、视频交互等方式为前端收费业务提供支撑。
智慧收费云站包括收费站、收费广场两级，主要功能如下。
1）站级交易系统：为收费车道提供集中交易与控制服务，支撑入口发卡、入口治超、出口缴费、特情处理等业务应用。
2）站级管理系统：提供上下班、交接班管理、合计数管理、流水查询、稽查作业、报表统计、发票管理等业务功能。
3）物联网系统：实现前端设备物联化、在线化管理。
4）站级效能监测系统：提供运营统计分析和效能指标监测功能，通过流水、交易效率指标、过车效率指标、在场车辆数、排队长度和过车日志等获得实时和历史数据；支持应用数据建模和数字孪生技术，构建收费站通行指标可视化仿真模型，为收费站运营管理工作提供决策依据和数据支撑，提高营运管理水平。
5）云站工作台：面向车道收费业务提供一系列业务操作界面，用户通过页面交互操作完成日常作业，包括ETC专用车道、ETC/MTC混合车道、自助发卡/自助缴费收费车道、移动收费终端收费、称重检测等。
6）系统备份：在收费广场部署备份服务器，当站级系统出现故障时，保障收费业务正常处理和存储。
2.2 轻量化车道硬件架构
制定统一、标准的物联网协议，对收费广场设备进行升级改造，实现广场设备IP化管理和数据交互，实现车道轻量化、集约化部署，促进营运管理智慧化。
2.2.1 统一接入管理及IP化
通过智能物联网关实现设备的IP化，对费显、栏杆机、读卡器、摄像机、车检器、天线等各类终端实现统一接入、统一管理，将设备感知与收费业务分离，为收费业务云化提供端侧支撑，实现硬件接入的标准化。
车道外设IP化通信接口转换情况如表1所示。
表1 车道外设IP化通信接口转换情况
2.2.2 统一配置管理
收费站外设IP固定网段为172.31.0.0，子网掩码为255.255.0.0。IP地址第三段为车道号，第四段十位数为外设种类序号、个位数为由岛头到岛尾顺序递增的设备序号（从0开始）。车道外设IP规划如表2所示。
表2 车道外设IP规划
2.2.2.1 集约化
部署智能物联网关，集成工控机、车控器、交换机等设备，实现设备集约化，简化车道布局。
2.2.2.2 智能化
智能物联网关可安装端侧的操作应用软件，对业务进行操作处理。
站场车道外设通过物联网设备统一接入到智慧收费云站系统后，原有的收费车道终端不再对外设进行控制，而是依托智慧收费云站系统，辅以友好的人机界面设计，为前端作业人员提供有助于各类具体业务开展的人机交互操作页面，主要包括以下几个方面：
1）支持平板、手机、传统PC等多种作业载体使用的页面版本；
2）满足收费处理、特情处置、应急调度、监测维护等业务操作和作业需要；
3）统一对接智慧收费云站系统获取能力，且依托场景支持多车道业务操作；
4）确保云站工作台的系统稳定性不受站场环境及业务场景条件的影响。
2.3 基于微服务的架构设计
2.3.1 微服务分类
微服务主要分为设备服务、参数服务、计费服务、交易服务、交互界面（工作台）服务。
2.3.2 多车道任务处理
当系统运行时，可根据站广场车道数按需拉起多个副本来执行车道任务，进行收费处理。根据车道号、版本号加载相关的车道运行参数信息，按需进行加载和启动。当系统服务或应用故障时，系统记录并根据故障服务的类型对相关服务进行快速恢复，以实现更快捷的任务响应和更好的用户体验。
2.3.3 软件版本管理
当系统更新版本时，采用滚动更新的方式，停止某一副本，调度任务。一般情况下，在发布新的版本时，采用灰度发布的模式对指定车道进行一段时间的冒泡测试，不仅要考虑集群负载，还要根据车道属性指定对应的软件版本。
2.3.4 支持任务编排
可根据不同车型、不同车道类型定制相应的交易流程。支持基于Devops的开发运维一体化流程，支持Docker、Docker Swarm、K8S、K3S等部署方式，支持一键部署、一键更新、故障自恢复，极大地降低了开发运维工作量。
2.3.5 设备并行协同
每个设备都是一个微服务对象，可支持设备并行工作，如天线和抓拍牌识仪，费显和栏杆动作，以提高运行效率。同时可针对设备的异常情况进行预警，有效提高系统的可靠性。
2.3.6 一键部署
如果一个服务集群中过多节点下线，剩余的节点可能无法负担当时线上所有的请求流量，所以对于微服务的发布，必须控制同时进行上、下线操作的服务节点的数量或比例，实现线上业务无感。
智慧收费云站配置部署如图2所示。智慧收费云站中心服务器安装docker、k3s，采用容器化安装、一键部署的模式实现云站版本发布管理，主要内容包括控制台、镜像仓库、发布服务、配置服务。
图2 智慧收费云站配置部署
1）控制台：可在控制台中查看、更新收费程序镜像版本，并在线修改程序在数据库中的配置参数。
2）镜像仓库：实现云站收费系统代码管理，将收费程序所有版本镜像上传至镜像仓库，可在镜像仓库中查看需要更新的程序版本并在发布服务中进行修改。
3）发布服务：实现云站收费系统版本管理，可通过发布服务在线更新云站收费系统的程序版本。
4）配置服务：实现云站收费系统数据库配置参数管理，可通过配置服务统一实现参数的配置管理。
2.4 集群部署构架
2.4.1 收费业务应用集群
站级边缘收费一体机采用双节点设置，与广场服务器共同组成一个服务集群，如图3所示。在微服务中，通过启动3个“服务副本”，将一个服务分发给3台服务器节点，来提高服务的高可用性，实现服务的容灾处理。当发布或升级服务版本时，可实现不间断运行。
图3 智慧收费云站系统服务集群
1）负载均衡。在微服务中，分发一个服务可能需要启动多个“服务副本”（不同的应用程序，但是服务内容相同）来提高服务的容灾性，采用容器集群管理工具可实现容器的灵活调度，同时保持服务的连续性，按照一定的规则将车道任务分配到不同节点，保证每个车道任务仅在一个服务内执行，实现多车道任务管理。
2）保持状态。为了保证其中一个服务宕掉时服务不受影响，应尽量将微服务设计成无状态的，但收费业务每个车道需要进行上班登陆，因此需要在切换时保持相应的登陆状态和关键的交易信息，对于多个副本，需要采取相应的措施保证用户在第一个“服务副本”上操作之后，和第二个服务副本上的状态一致。
为了保持状态的信息，系统将车道的登陆状态、每次ETC交易的卡信息、CPC交易的读卡信息等关键信息写入Redis中，采用基于哨兵机制的Redis服务，通过周期性的心跳检测来监测各节点的运行状态，同时对Redis内容进行同步复制。当主服务器处于下线状态时，哨兵机制会进行故障转移并重新选主。因此，当某一节点出现故障时，可从其他节点同步取回未交易完成的状态信息。站级交易系统与广场备份系统信息同步机制如图4所示。
图4 站级交易系统与广场备份系统信息同步机制
2.4.2 数据库主备集群
为了保障断网情况下收费数据的正常存储，在收费广场备份服务器部署备份数据库，在主数据库数据节点与备份数据库数据节点之间设置复制链路，主数据库通过复制链路实时与备份数据库进行数据同步。
同时，为了支持主备数据库自动切换，可安装CM（Cluster Manager）软件实现主备集群管理，管理和监控数据库系统中各个功能单元和物理资源的运行情况，确保整个系统的稳定运行，当出现主数据库故障时，提供主备自动切换、日志管理。
2.5 信创平台支持
采用跨平台开发语言，不仅支持windows、linux操作系统，还支持欧拉EulerOS、统信UOS、银河麒麟KylinOS国产化操作系统，可运行基于龙芯、兆芯、海光、飞腾、鲲鹏等架构的自主芯片，实现国产化自主可控。
3 试点效果
在广佛肇高速小湘收费站对智慧收费云站进行了试点，为了更好地评估智慧收费云站的试点效果，取项目试点前和试点后车流差异不大且连续的一段时间为样本，进行试点前后比对，试点前总车流量297168，试点后总车流量为329449，数据分析结果如下。
1）车道运行指标。ETC车道过车速度为28.17km/h，ETC车道平均通行成功率为99.98%，无邻道干扰异常情况发生。
2）在线计费成功率。省在线计费调用成功率由99.26%提升至99.59%，提高了0.33%；部在线计费调用成功率由98.02%提升至98.55%，提高了0.53%。
3）交易特情统计分析。试点车道日均特情61次，主要集中在未感应到标签、写卡失败、黑名单卡等，较试点前大幅减少。
4）数据上传及时率。数据上传时效在1分钟内的及时率由8.80%提升至15.69%，提高了6.89%；数据上传时效在5分钟内的及时率由84.79%提升至86.99%，提高了2.2%。
5）入口站查询统计分析。在部入口站查询系统的入口站查询中，仅出现坏卡查询3次，其他全部查询成功。
相比传统收费系统方案，智慧收费云站方案的系统主要运行指标有明显提升，进一步提高了路段营运管理水平和用户出行体验，取得了良好的社会效益和经济效益。
4 结束语
智慧收费云站采用“云-节-端”协同分层架构，采用“智能物联网关+边缘收费一体机+智慧收费云收费中心”整体化设计，可实现收费业务标准化，降低收费运营成本；同时可支持多样式收费站形态与多种收费技术，兼容未来主流的收费技术，拥有云端算力与大数据技术的优势；可实现实时计费收费及非固定差异化费率计费处理。
（原文刊载于2024年第4期《中国交通信息化》）
责任编辑|崔雪薇
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