許樂 路璞 郭建飛

摘要 隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，公路收費(fèi)系統(tǒng)在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于高速公路和收費(fèi)站。然而，以往的收費(fèi)系統(tǒng)中存在信息化程度低、效率低下、運(yùn)營(yíng)成本高等問題。因此，文章研發(fā)了一套基于Linux系統(tǒng)的信息化公路收費(fèi)系統(tǒng)。首先，通過調(diào)查和分析用戶的需求以及現(xiàn)有系統(tǒng)的未完善之處，確定了改進(jìn)公路收費(fèi)系統(tǒng)的需求。其次，基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行了公路收費(fèi)系統(tǒng)的研發(fā)，通過對(duì)Linux系統(tǒng)的深入了解和研究，設(shè)計(jì)了適用于公路收費(fèi)系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)。最后，對(duì)新開發(fā)的公路收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，證明了新系統(tǒng)能夠提高收費(fèi)效率和準(zhǔn)確度，為公路收費(fèi)系統(tǒng)的信息化發(fā)展提供了一種有效的解決方案。

關(guān)鍵詞 Linux系統(tǒng)；公路收費(fèi)系統(tǒng)；信息化研發(fā)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0019-03

0 引言

隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，公路收費(fèi)系統(tǒng)的信息化需求日益增長(zhǎng)。公路收費(fèi)系統(tǒng)在我國(guó)的高速公路和收費(fèi)站廣泛應(yīng)用，但在以往的系統(tǒng)中存在信息化程度低、效率低下、運(yùn)營(yíng)成本高等問題[1]。因此，該文旨在研發(fā)一種基于Linux系統(tǒng)的公路收費(fèi)系統(tǒng)信息化方案，并應(yīng)用于現(xiàn)在的公路收費(fèi)系統(tǒng)中，提高公路收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量。通過對(duì)用戶需求和現(xiàn)有系統(tǒng)不滿意之處的調(diào)查與分析，將現(xiàn)有的人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮踊僮?，提高收費(fèi)效率和精確度[2]。Linux系統(tǒng)因其開放性和靈活性而成為本系統(tǒng)的最佳選擇。通過對(duì)Linux系統(tǒng)的深入了解和研究，構(gòu)建了適用于公路收費(fèi)系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)。

1 公路收費(fèi)系統(tǒng)的問題與需求分析

1.1 現(xiàn)有公路收費(fèi)系統(tǒng)存在的問題

通過調(diào)查用戶的需求和對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點(diǎn)，以往的收費(fèi)系統(tǒng)中存在信息化程度低、效率低下、運(yùn)營(yíng)成本高等問題。需要確定改進(jìn)公路收費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，即提高信息化程度。具體主要存在的問題如下[3]：

（1）由于現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)僅能依賴于早期操作系統(tǒng)，受到Windows平臺(tái)本身的限制，導(dǎo)致安全性差、費(fèi)用高、維護(hù)困難等問題普遍存在，加之軟件底層開發(fā)語(yǔ)言和依賴環(huán)境的局限性，使軟件對(duì)現(xiàn)有主流操作系統(tǒng)和硬件配置兼容性不強(qiáng)，造成維護(hù)成本高。如何實(shí)現(xiàn)收費(fèi)系統(tǒng)面向Linux和Windows跨平臺(tái)設(shè)計(jì)兼容，切換解決系統(tǒng)安全應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，解決維護(hù)困難，降低運(yùn)營(yíng)成本，成為現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。

（2）現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)一直沿用以前的軟件架構(gòu)及底層代碼邏輯，導(dǎo)致系統(tǒng)交易效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定，如何應(yīng)對(duì)現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)全場(chǎng)景運(yùn)用，優(yōu)化操作流程、提升系統(tǒng)交易效率，是面臨的關(guān)鍵問題。

（3）針對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多、覆蓋廣的特點(diǎn)，需要切實(shí)解決全范圍升級(jí)實(shí)施工期長(zhǎng)、難度大的問題，降低實(shí)施運(yùn)維成本，提升服務(wù)品質(zhì)。

1.2 公路收費(fèi)系統(tǒng)的信息化需求分析

面對(duì)現(xiàn)有收費(fèi)軟件對(duì)主流操作系統(tǒng)和硬件配置兼容性不強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)成本高、運(yùn)行效果不佳等缺點(diǎn)，采用跨平臺(tái)開發(fā)工具，結(jié)合操作系統(tǒng)平臺(tái)差異，創(chuàng)新提出雙平臺(tái)智能兼容策略，實(shí)現(xiàn)了面向雙系統(tǒng)的跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過基于收費(fèi)系統(tǒng)全場(chǎng)景應(yīng)用模型，結(jié)合高速公路多樣化車流結(jié)構(gòu)，智能預(yù)判最優(yōu)收費(fèi)模式，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)全場(chǎng)景模式無(wú)縫切換，精準(zhǔn)匹配調(diào)用不同設(shè)施組合，提高收費(fèi)系統(tǒng)的工作效率。其次，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)模塊按功能做到了細(xì)分，降低了彼此之間的耦合性，結(jié)合一鍵式智能升級(jí)理念，依托收費(fèi)專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)在線自動(dòng)化升級(jí)，降低實(shí)施運(yùn)維成本，提升服務(wù)品質(zhì)[4]。

1.3 面向公路收費(fèi)軟件的Linux系統(tǒng)及優(yōu)勢(shì)

該文的公路收費(fèi)系統(tǒng)軟件采用Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，相比于Windows、FreeRTOS、μC/OS-Ⅱ等其他操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，Linux操作系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：①高可用性；②易于維護(hù)；③免費(fèi)開源。公路收費(fèi)系統(tǒng)軟件通過PCIE驅(qū)動(dòng)程序控制硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理、人機(jī)交互、接口調(diào)用等功能。因此該軟件應(yīng)具備實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)處理能力，并保證軟件運(yùn)行穩(wěn)定及操作簡(jiǎn)便。為滿足這些要求，該系統(tǒng)軟件采用Qt Creator開發(fā)工具和C++語(yǔ)言進(jìn)行上層軟件的開發(fā)[5]。

2 基于Linux系統(tǒng)的公路收費(fèi)系統(tǒng)研發(fā)

2.1 整機(jī)與硬件設(shè)計(jì)

該文采用硬件平臺(tái)化和軟件模塊化的總體設(shè)計(jì)方法，搭建了系統(tǒng)整機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)通過使用統(tǒng)一軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和識(shí)別等功能。為了建立高速公路硬件設(shè)施適配率測(cè)試模型，收集全省高速公路收費(fèi)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)施品牌及參數(shù)，收集設(shè)備類型涵蓋收費(fèi)車道工控機(jī)廠家、內(nèi)存、磁盤、操作系統(tǒng)、I/O控制器、外接多串口卡、車牌識(shí)別攝像機(jī)、RSU天線、費(fèi)顯、讀卡器、打印機(jī)以及計(jì)重設(shè)備。硬件設(shè)備如表1所示，硬件設(shè)備需要確保以下四個(gè)方面：

①硬件一定要確保穩(wěn)定運(yùn)作；②獲取的信息應(yīng)當(dāng)確保不會(huì)掉幀；③結(jié)果顯示及界面設(shè)計(jì)要更加適當(dāng)以確保結(jié)論能夠合理顯現(xiàn)；④程序不能占用太多內(nèi)存，防止軟件附載的操作程序不能穩(wěn)定運(yùn)作，從而無(wú)法精確刷新顯示結(jié)果。

2.2 軟件整體功能架構(gòu)

采用跨平臺(tái)研發(fā)工具，結(jié)合雙操作系統(tǒng)平臺(tái)差異，模擬搭建雙平臺(tái)模擬試驗(yàn)場(chǎng)景，滿足能夠同時(shí)基于雙操作系統(tǒng)進(jìn)行部署實(shí)施，Linux環(huán)境下支持內(nèi)核6.5以上版本，Windows環(huán)境應(yīng)支持XP、Windows2003及以上操作系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)主要包含以下幾方面[6]：

（1）系統(tǒng)通過統(tǒng)一接口與車道外接設(shè)備進(jìn)行交互。

（2）業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)的核心層，主要承載的業(yè)務(wù)包括：車道流程控制、移動(dòng)支付、密鑰服務(wù)、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳輸、工班管理、參數(shù)和配置管理、日志管理、系統(tǒng)管理、異常告警和輔助功能。

（3）系統(tǒng)在外部接口層為以后的擴(kuò)展應(yīng)用預(yù)留接口。

（4）系統(tǒng)主程序作為一個(gè)總協(xié)調(diào)的服務(wù)機(jī)制，對(duì)各層級(jí)的業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，并把控制的結(jié)果反饋到發(fā)出指令的功能模塊，實(shí)現(xiàn)車道系統(tǒng)總體的處理邏輯。

（5）配置管理進(jìn)程，通過可視化的配置窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)混合車道系統(tǒng)的配置。

（6）安全防護(hù)機(jī)制全面保護(hù)車道系統(tǒng)的信息安全。

2.3 公路收費(fèi)系統(tǒng)跨平臺(tái)智能兼容運(yùn)用設(shè)計(jì)

根據(jù)跨平臺(tái)智能兼容的需求，滿足各種業(yè)務(wù)的便捷擴(kuò)展接入，按多進(jìn)程的方式進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

（1）設(shè)備控制層針對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，比如讀卡器控制模塊、天線設(shè)備控制模塊、計(jì)重設(shè)備控制模塊等，并通過統(tǒng)一的接口與硬件設(shè)備進(jìn)行交互。

（2）車道主程序通過接收上位層的指令控制設(shè)備控制層，以達(dá)到外圍設(shè)備控制的目的。

（3）車道控制層和上位層通過網(wǎng)絡(luò)通信或者內(nèi)存共享的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。通過網(wǎng)絡(luò)通信形式，車道控制層部署在車道工控機(jī)，上位層部署在上一級(jí)系統(tǒng)；通過共享內(nèi)存形式，車道控制層和上位層都部署在車道工控機(jī)，以達(dá)到靈活部署的效果。

（4）車道系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理邏輯和服務(wù)管理都處于上位層，如流程控制處理、業(yè)務(wù)流程控制、移動(dòng)支付服務(wù)、密鑰服務(wù)等，上位層把處理的結(jié)果下發(fā)到車道主程序，從而實(shí)現(xiàn)車道系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)處理。

（5）設(shè)備控制層和上位層都有配置管理進(jìn)程，通過可視化的配置窗口，輔以智能化的參數(shù)配置策略來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的配置。

3 基于Linux系統(tǒng)的公路收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用案例分析

山西省收費(fèi)系統(tǒng)建設(shè)雖取得了不俗的成績(jī)，但隨著取消省界收費(fèi)站工程啟動(dòng)，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)形成“一張網(wǎng)”收費(fèi)模式后，對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行保障和網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致性與更新頻次要求更加嚴(yán)格，而山西省收費(fèi)系統(tǒng)沿用多年的架構(gòu)設(shè)計(jì)，僅能依賴于早期操作系統(tǒng)，由于Windows平臺(tái)本身的限制，導(dǎo)致安全性差、費(fèi)用高、維護(hù)困難等問題普遍存在，加之軟件底層開發(fā)語(yǔ)言和依賴環(huán)境的局限性，使軟件對(duì)現(xiàn)有主流操作系統(tǒng)和硬件配置存在兼容性不強(qiáng)，造成維護(hù)成本高，運(yùn)行效果不佳等問題。

如圖2所示，基于Linux系統(tǒng)建立公路收費(fèi)系統(tǒng)全場(chǎng)景智能匹配模型，其模型如下：

（1）創(chuàng)建基于收費(fèi)系統(tǒng)全場(chǎng)景應(yīng)用模型，模型場(chǎng)景涵蓋ETC專道、混合車道、人工收費(fèi)車道三種車道收費(fèi)場(chǎng)景，支持ETC、移動(dòng)支付、現(xiàn)金全支付方式，覆蓋設(shè)備精準(zhǔn)計(jì)費(fèi)、省部級(jí)在線計(jì)費(fèi)、全網(wǎng)最短兜底計(jì)費(fèi)全計(jì)費(fèi)類型，16類客貨車型結(jié)構(gòu)，以及軍警、綠通、牽引拖掛車等幾十類特殊收費(fèi)場(chǎng)景的模擬分析。

（2）通過全省收費(fèi)數(shù)據(jù)后臺(tái)大數(shù)據(jù)模擬分析，結(jié)合高速公路多樣化車流結(jié)構(gòu)與硬件環(huán)境，智能預(yù)判針對(duì)不同收費(fèi)場(chǎng)景下的最優(yōu)收費(fèi)模式。

（3）通過系統(tǒng)智能選擇不同收費(fèi)場(chǎng)景下的最優(yōu)收費(fèi)模式，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)全場(chǎng)景模式無(wú)縫切換，精準(zhǔn)匹配調(diào)用不同硬件設(shè)施組合響應(yīng)，提高收費(fèi)系統(tǒng)的工作效率。

3.2 方案應(yīng)用前景和價(jià)值

在現(xiàn)有收費(fèi)模式與硬件環(huán)境不變的條件下，公路收費(fèi)系統(tǒng)預(yù)期效果主要是構(gòu)建一套基于Linux系統(tǒng)的跨平臺(tái)全場(chǎng)景收費(fèi)系統(tǒng)，提升收費(fèi)通行效率，人工收費(fèi)效率提升30%，車輛通行時(shí)間降低至15 s內(nèi)。

目前基于Linux下的收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用還處于探索階段，國(guó)內(nèi)僅有的幾款產(chǎn)品由于硬件兼容情況單一、系統(tǒng)流程地方個(gè)性化定制嚴(yán)重等問題限制了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。該項(xiàng)目在前期研究工作的基礎(chǔ)上，融合Linux系統(tǒng)跨平臺(tái)的硬件支持、完善的網(wǎng)絡(luò)功能、良好的穩(wěn)定性、可靠的安全性等優(yōu)點(diǎn)，克服了原有Windows系統(tǒng)安全性差、費(fèi)用高、維護(hù)困難等問題，加之采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化軟件底層開發(fā)語(yǔ)言和依賴環(huán)境的局限性，從而使跨平臺(tái)全場(chǎng)景智能收費(fèi)成為可能。因此，開展該項(xiàng)目的應(yīng)用研究具有很強(qiáng)的前瞻性，將產(chǎn)生較強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，隨著系統(tǒng)性能的完善，兼容硬件的不斷增加，該項(xiàng)目研究成果將在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位。

4 結(jié)論

公路收費(fèi)系統(tǒng)是交通管理領(lǐng)域的重要組成部分，信息化發(fā)展是提高公路收費(fèi)系統(tǒng)工作效率和服務(wù)質(zhì)量的重要手段。Linux系統(tǒng)作為一種開源的操作系統(tǒng)，在安全性和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，因此選擇Linux系統(tǒng)作為公路收費(fèi)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，提高了公路收費(fèi)系統(tǒng)的信息化程度、收費(fèi)效率和服務(wù)質(zhì)量。未來(lái)可以進(jìn)一步探索Linux系統(tǒng)在公路收費(fèi)系統(tǒng)中的其他應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈廉鋒. 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的維護(hù)與維修技術(shù)[J]. 智能城市， 2021（16）： 109-110.

[2]張澤民. 全景一體化車型識(shí)別器在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 智能城市， 2021（19）： 122-123.

[3]段濤. 新收費(fèi)體制下高速公路傳統(tǒng)稽核的缺陷與新系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 黑龍江交通科技， 2023（9）： 180-182.

[4]李子倫. 高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)人工匹配作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)， 2022.

[5]樊升印. 基于視頻車牌識(shí)別技術(shù)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)路徑識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2018.

[6]蘇鵬. 太佳高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者簡(jiǎn)介：許樂（1980—），男，本科，工程師，研究方向：公路信息化建設(shè)。

基金項(xiàng)目：山西交通控股集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“基于Linux系統(tǒng)的跨平臺(tái)全場(chǎng)景收費(fèi)系統(tǒng)研發(fā)與工程應(yīng)用”（2021-JKKJ-18）。