胡先全， 張孝朋

(中遠(yuǎn)海運科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，云平臺得到了廣泛應(yīng)用。同時，隨著我國高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速公路上的車流量不斷增加，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜[1]。 2019年全國取消高速公路省界收費站之后，全國高速公路實現(xiàn)了一張網(wǎng)收費運營，在此情況下，出口收費站需基于車輛實際的通行路徑準(zhǔn)確收取通行費。長期以來，如何快速、準(zhǔn)確地還原車輛通行路徑一直是高速公路運營人員關(guān)心的問題[2]。當(dāng)遇到存在無入口信息、丟卡、壞卡、U轉(zhuǎn)和路徑不可達(dá)等特情的車輛時，出口收費站需花費較長的時間處理這些問題，進(jìn)而無法實現(xiàn)對車輛通行路徑的快速、準(zhǔn)確還原，這不僅會導(dǎo)致司機(jī)的通行體驗變差，而且會造成少收或漏收高速通行費。

取消省界收費站之后，收費車輛稽查成了高速公路運營人員的一項重要工作，其中耗時較長的環(huán)節(jié)是準(zhǔn)確還原車輛的通行路徑。特別是當(dāng)車輛在通行過程中存在屏蔽ETC(Electronic Toll Collection)標(biāo)簽、CPC(Compound Pass Card)卡通信信號或遮擋車牌號等逃費行為時，采用常規(guī)的技術(shù)手段很難實現(xiàn)對車輛通行路徑的快速、準(zhǔn)確還原，這給稽查工作的順利開展帶了很大的困擾。

鑒于此，本文基于私有云平臺，設(shè)計一種能快速、準(zhǔn)確地還原車輛通行路徑的高速公路車輛路徑還原系統(tǒng)，以期提高收費車道車輛的通行效率和稽查處置效率。此外，根據(jù)實際應(yīng)用情況，闡述該系統(tǒng)的有效性。

1 私有云平臺概述

云平臺可按服務(wù)類型的不同分為公有云、私有云和混合云等3種，結(jié)合高速公路收費系統(tǒng)行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)鏈路和數(shù)據(jù)安全性要求，高速公路收費系統(tǒng)通常采用私有云平臺，該平臺位于省級或部級高速公路聯(lián)網(wǎng)中心機(jī)房，為其提供云資源服務(wù)[3]。私有云平臺負(fù)責(zé)管理服務(wù)器硬件資源，通過云物聯(lián)、云存儲、云計算和云安全等功能為用戶提供服務(wù)。私有云平臺的特性主要包括：

1) 硬件設(shè)備資源統(tǒng)一分配和管理、網(wǎng)絡(luò)資源整合，實現(xiàn)虛擬服務(wù)器快速搭建、配置修改和云資源運行情況監(jiān)控等，為用戶訪問提供極大的便利性；

2) 可靠性強(qiáng)，具有冗余功能，服務(wù)永不中斷，所有虛擬工作站和虛擬服務(wù)器都能在允許的時間內(nèi)實現(xiàn)零宕機(jī)，出現(xiàn)問題之后能自動恢復(fù)至可用狀態(tài)；

3) 安全性強(qiáng)，采用多租戶模式，物理資源共享，系統(tǒng)運行環(huán)境與外部訪問系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)安全隔離。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)(見圖1)基于云平臺服務(wù)設(shè)計，從業(yè)務(wù)層面看主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)安全保障層。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集層以云平臺提供的虛擬服務(wù)器(Elastic Compute Service,ECS)為載體，提供HTTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口,接收全網(wǎng)ETC門架和收費車道上傳的車輛通行標(biāo)識信息，其中，ETC門架上傳的標(biāo)識信息包括ETC門架車輛交易信息和牌識信息，收費車道上傳的信息包括車輛入口收費站上道信息和出口收費站下道信息。同時，采用Jenkins 調(diào)度服務(wù)提供的可視化監(jiān)控頁面，保證數(shù)據(jù)接收的完整性、正確性和及時性。

2) 數(shù)據(jù)存儲：采用云平臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)(Relational Database Service，RDS)對采集的信息進(jìn)行長期穩(wěn)定存儲；基于云數(shù)據(jù)庫HBASE(Hadoop Database)和REDIS(Remote Dictionary Server)對高并發(fā)、大數(shù)據(jù)處理的特點，實現(xiàn)在途車輛信息快速緩存和處理，其中在REDIS數(shù)據(jù)庫中緩存路徑擬合所需的車輛標(biāo)識信息，以key-value的方式存儲。該業(yè)務(wù)層解決了普通數(shù)據(jù)庫連接數(shù)和I/O(Input/Output)操作方面的問題，滿足了在途車輛通行路徑實時還原的性能要求。

3) 數(shù)據(jù)分析：基于云平臺的彈性計算服務(wù)和負(fù)載均衡，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析算法，實時對車輛通行路徑進(jìn)行擬合還原，并對擬合還原結(jié)果進(jìn)行存儲，為數(shù)據(jù)服務(wù)層對外提供車輛通行路徑信息請求做好準(zhǔn)備。

4) 數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)層主要進(jìn)行負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)加密、權(quán)限認(rèn)證和日志記錄等，對外提供可靠的、公共的車輛通行路徑查詢接口服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)域應(yīng)急收費系統(tǒng)車輛通行路徑請求接口、收費站出口車道車輛路徑請求接口和車輛稽查系統(tǒng)車輛路徑請求接口等。

5) 數(shù)據(jù)安全保障：車輛通行數(shù)據(jù)復(fù)雜、海量的特點給數(shù)據(jù)管理帶來了一定的困難，一旦數(shù)據(jù)被竊取或改變，整個高速公路收費系統(tǒng)將會出現(xiàn)混亂的狀況，高速公路的正常運行將會受到很大影響。該系統(tǒng)充分選用云平臺云盾和云監(jiān)控服務(wù)，有效進(jìn)行安全性控制和流量控制，確保系統(tǒng)安全運行。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能組成結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2.2.1 車輛通行標(biāo)識數(shù)據(jù)實時接收

系統(tǒng)通過提供HTTP 標(biāo)準(zhǔn)化接口，實時接收全網(wǎng)門架節(jié)點上傳的CPC卡或OBU(On Board Unit)標(biāo)識信息和牌識標(biāo)識信息、入口收費站上傳的車輛入口信息及出口收費站上傳的車輛出口信息。接收的標(biāo)識信息同時寫入歷史數(shù)據(jù)存儲ORACLE數(shù)據(jù)庫和在途車輛存儲REDIS數(shù)據(jù)庫中。

2.2.2 車輛通行標(biāo)識數(shù)據(jù)預(yù)處理

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)清洗機(jī)制，設(shè)置每類車輛標(biāo)識數(shù)據(jù)的合規(guī)性驗證規(guī)則，若接收的數(shù)據(jù)不滿足合規(guī)性驗證規(guī)則的要求，系統(tǒng)會對異常信息進(jìn)行記錄并通過可視化界面主動通知相關(guān)維護(hù)人員，保證數(shù)據(jù)的合規(guī)性、正確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。為保證車輛路徑還原的時效性，只需將路徑還原所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)按相應(yīng)的結(jié)構(gòu)存入REDIS數(shù)據(jù)庫中即可。

2.2.3 正常車輛通行路徑還原

正常車輛是指出口車道上傳的車輛標(biāo)識信息中，信息完整且不存在特情的車輛。對于跨省通行的車輛，省中心路徑還原系統(tǒng)調(diào)用部中心跨省通行路徑還原接口獲取外省的通行路徑信息，省內(nèi)的通行路徑信息采用省內(nèi)門架標(biāo)識信息和出口收費站標(biāo)識信息還原。省內(nèi)車輛通行路徑還原邏輯如下：

1) 根據(jù)車牌號、車牌顏色和CPC卡號匹配REDIS中的CPC卡或OBU標(biāo)識信息，通過入口站和入口時間對匹配出來的門架數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選中本次通行的門架信息，并按門架通過的先后順序排列，獲得完整的門架標(biāo)識信息。

4) 若擬合出的路徑連續(xù)且完整，則將該路徑作為車輛通行路徑，作為車輛計費的依據(jù)。

5) 若擬合出的路徑不完整，則根據(jù)車牌號和車牌顏色匹配REDIS數(shù)據(jù)庫中的門架牌識標(biāo)識信息，通過入口時間和出口時間范圍對匹配出來的門架牌識標(biāo)識信息進(jìn)行框選，選中本次通行的門架牌識標(biāo)識信息，并按時間順序排列，獲得完整的過站門架信息。

6) 將門架CPC卡或OBU標(biāo)識信息與門架牌識標(biāo)識信息相匹配，將重合的標(biāo)識信息作為車輛通行的基準(zhǔn)路徑，若擬合路徑與基準(zhǔn)路徑一致，則通過已知的2個標(biāo)識節(jié)點求最短路徑,最終得到車輛的整個通行路徑。

7) 若擬合路徑與基準(zhǔn)路徑不一致，系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析獲取誤標(biāo)率較高的標(biāo)識點，針對此類標(biāo)識點設(shè)置相應(yīng)的特征模型，滿足該模型的車輛標(biāo)識點，在路徑還原時系統(tǒng)自動進(jìn)行過濾,保證車輛路徑還原的準(zhǔn)確性。

2.2.4 特情車輛通行路徑還原

需進(jìn)行路徑還原的特情車輛主要指存在無入口信息、無卡、壞卡、車牌不符和車型不符等問題的車輛，此類車輛的通行路徑還原邏輯如下。

1) 無入口信息、無卡和壞卡特情車輛路徑還原：根據(jù)門架牌識標(biāo)識信息、門架CPC卡或OBU標(biāo)識信息匹配出過站門架信息，按時間順序排列，根據(jù)第一個門架信息還原入口收費站。根據(jù)還原的入口收費站、門架信息和出入站信息，按正常車輛通行路徑擬合邏輯還原出車輛通行路徑。

2) 入出口車牌不符和車型不符特情車輛路徑還原：根據(jù)出口車道上傳的車牌信息，按正常車輛通行路徑擬合邏輯還原出車輛通行路徑。

2.2.5 車輛路徑查詢服務(wù)

系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的路徑請求HTTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口和C++動態(tài)庫，同時支持多操作系統(tǒng)、多渠道終端在線查詢車輛通行路徑。

1) 系統(tǒng)提供支持移動端、Windows和Linux等多平臺調(diào)用的HTTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口和C++動態(tài)庫，有效降低各業(yè)務(wù)終端軟件系統(tǒng)的開發(fā)難度,并減少開發(fā)工作量；

2) 系統(tǒng)支持高速公路收費內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)終端車輛路徑在線查詢，如收費內(nèi)網(wǎng)車道軟件在線車輛路徑查詢和互聯(lián)網(wǎng)手持應(yīng)急收費終端在線車輛路徑查詢等。

2.2.6 多維度統(tǒng)計分析

系統(tǒng)從車輛標(biāo)識信息數(shù)量、路徑還原成功數(shù)量和失敗數(shù)量、車輛路徑還原耗時情況、車輛路徑請求終端數(shù)量、車輛路徑請求數(shù)量、車輛路徑請求并發(fā)性情況和系統(tǒng)運行環(huán)境資源占用情況等多個維度對路徑還原系統(tǒng)運行的綜合指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過可視化手段展示統(tǒng)計分析結(jié)果。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 路徑信息快速緩存、排序和擬合

為實現(xiàn)海量車輛標(biāo)識信息快速清洗、計算和精確路徑信息還原，滿足多渠道、多終端、高并發(fā)的車輛通行路徑信息請求，系統(tǒng)采用REDIS數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，結(jié)合各類車輛路徑標(biāo)識信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，實現(xiàn)車輛標(biāo)識信息高效緩存和數(shù)據(jù)計算。根據(jù)測試結(jié)果，該技術(shù)每秒可處理10萬次以上的讀寫操作，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫緩存技術(shù)(如MYSQL和Oracle等數(shù)據(jù)庫)，能大大提高數(shù)據(jù)讀寫的速度，保證數(shù)據(jù)計算的高效性。REDIS只對作路徑擬合的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,下面為各類車輛標(biāo)識信息高效緩存、計算和擬合邏輯。

3) 出口收費站車輛標(biāo)識信息緩存。采用hash算法key-value存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)出口收費站車輛標(biāo)識數(shù)據(jù)緩存，其中：key由車牌號和車牌顏色組成；value由出口交易數(shù)據(jù)編號、CPC卡編號或OBUID編號、出口交易時間和出口收費站編號組成。

針對已駛離出口收費站的收費車輛，系統(tǒng)在REDIS中保留2 h的車輛標(biāo)識信息和路徑擬合信息，在REDIS中自動清除超出2 h的車輛標(biāo)識信息，并采用云平臺RDS存儲車輛路徑，供稽查、爭議數(shù)據(jù)處理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

圖3 車輛通行合并路徑

3.2 采用Dijkstra算法快速實現(xiàn)漏標(biāo)路徑擬合

根據(jù)圖3擬合的路徑信息，通過標(biāo)識信息中的上一個門架編號判斷路徑信息是否完整。若路徑信息完整，則將該路徑作為車輛通行的計費路徑；若路徑信息不完整，但與基準(zhǔn)路徑一致，則系統(tǒng)判斷該路徑可達(dá)且不存在其他門架誤標(biāo)等特情，采用Dijkstra算法對已知的2個門架標(biāo)識節(jié)點進(jìn)行最短路徑擬合，算法過程如下。

1) 根據(jù)各門架標(biāo)識點信息，設(shè)G=(V,E)是一個帶權(quán)有向圖，每條邊E[i]的長度為該門架對應(yīng)的有效收費里程W[i],將圖中門架節(jié)點集合V分成2組，每個節(jié)點對應(yīng)1個距離值；

2) 將已計算出最短路徑的門架節(jié)點放入第一組，初始時將已知2個門架標(biāo)識點的第一個正向標(biāo)識點作為V0，以后每次求得V0到該節(jié)點的最短路徑，就將該節(jié)點放入第一組；

3) 將還未確定最短路徑的節(jié)點放入第二組，節(jié)點對應(yīng)的距離值為V0經(jīng)由第一組節(jié)點到該節(jié)點的最短路徑長度；

4) 按最短路徑長度遞增的順序?qū)⒌诙M的節(jié)點加到第一組中，直至V0可達(dá)的所有節(jié)點都包含于第一組中；

5) 計算結(jié)束時的節(jié)點為已知2個門架標(biāo)識點的末端節(jié)點；

6) 在計算過程中，保持從源點V0到第一組節(jié)點的最短路徑長度不大于從源點V0到第二組任意節(jié)點的路徑長度。

圖4 最短路徑計算示意

通過有效利用Dijkstra算法的特性，保證了未識別標(biāo)識路徑擬合的正確性和時效性。

3.3 特征值剔除誤標(biāo)識節(jié)點

針對路網(wǎng)中部分復(fù)雜路段門架誤標(biāo)概率較高的情況，系統(tǒng)通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型并設(shè)置特征值解決此類問題，保證此類車輛的路徑能正常擬合還原。當(dāng)CPC卡或OBU門架標(biāo)識信息符合特征值時，系統(tǒng)自動過濾掉錯誤門架標(biāo)識點。創(chuàng)建的數(shù)據(jù)模型內(nèi)容如下：

1) 擬合之后的路徑出現(xiàn)連續(xù)3個門架過站信息丟失的情況；

2) 擬合之后的路徑與基準(zhǔn)路徑相比，收費金額相差較大(例如收費金額增加了100%，具體參數(shù)可動態(tài)配置)。

圖5為京藏高速海東主線至曹家堡互通路段經(jīng)常發(fā)生誤標(biāo)的區(qū)域，由于0386門架距離分叉口太近，經(jīng)常對京藏高速上正常行駛車輛的OBU或OPC卡進(jìn)行誤標(biāo)并產(chǎn)生門架標(biāo)識信息,導(dǎo)致車輛路徑還原錯誤。因此，可將 00D4、0386和00CA序列作為特征值，當(dāng)門架標(biāo)識信息序列存在00D4、0386和00CA 時，可認(rèn)定 0386為誤標(biāo)門架標(biāo)識點，系統(tǒng)自動將其剔除，保證車輛通行路徑的快速、準(zhǔn)確還原。

圖5 京藏高速海東主線至曹家堡互通路段經(jīng)常發(fā)生誤標(biāo)的區(qū)域

由于路網(wǎng)情況會隨著高速公路的建設(shè)不斷發(fā)生變化，特征值也會隨之發(fā)生變化，因此需長期維護(hù)全網(wǎng)高速門架標(biāo)識特征值參數(shù)。

4 應(yīng)用效果

系統(tǒng)在青海和寧夏的高速公路上應(yīng)用以來，運行穩(wěn)定可靠，路徑還原精準(zhǔn)、快速，滿足高速公路收費車道、移動應(yīng)急收費終端和車輛稽查系統(tǒng)等多渠道終端對車輛通行路徑準(zhǔn)確、快速查詢的需求。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下應(yīng)用目標(biāo)：

1) 提供多渠道、多維度的在線車輛路徑查詢接口，包括收費內(nèi)網(wǎng)收費車道調(diào)用、收費內(nèi)網(wǎng)稽查系統(tǒng)調(diào)用和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急收費終端調(diào)用；

2) 基于云平臺負(fù)載均衡架構(gòu)，能同時處理10 000個終端用戶的并發(fā)請求;

3) 系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺的路徑請求C++動態(tài)庫，支持移動端、Windows和Linux等多平臺調(diào)用，能有效降低各業(yè)務(wù)終端系統(tǒng)軟件的開發(fā)難度和開發(fā)工作量;

4) 車輛路徑還原的時效性較強(qiáng)，滿足收費車道、應(yīng)急收費設(shè)備等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)在線路徑查詢的時效性需求；

5) 基于私有云平臺安全管控，對外提供的路徑請求在線接口可查、可控，通過訪問策略控制，避免相關(guān)路徑請求終端惡意訪問或攻擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行;

6) 系統(tǒng)運行環(huán)境采用云平臺虛擬資源池實現(xiàn)，可通過云平臺自帶的可視化資源監(jiān)管功能實現(xiàn)系統(tǒng)運行健康狀態(tài)綜合評估。

青海高速車輛通行路徑還原展示界面見圖6。

圖6 青海高速車輛通行路徑還原展示界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于云平臺的高速公路路徑還原系統(tǒng)能解決車輛通行路徑還原效率低、準(zhǔn)確性不強(qiáng)的問題，有效提升收費車道車輛通行效率和車輛稽查效率等。下一步，將結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)對全網(wǎng)車輛通行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘及預(yù)測研究，為車輛通行監(jiān)管、旅游景區(qū)車輛誘導(dǎo)和高速公路差異化收費等提供參考。