【高速公路ETC门架系统的拓展应用探究10000字（论文）】

绪论论文选题背景及意义自2019年05月21日，国务院办公厅印发《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》之后，经过全国各地广大建设者的不懈努力，截止2019年12月底，全国高速公路省与省之间收费站基本取消，路段ETC门架收费系统及收费站ETC系统联网调试如期进行并取得了圆满的成功。截至2021年2月，我国的高速公路总计安装运行的路段ETC收费门架共有2.66万套，使用ETC的用户共有2.26亿。基于我国路段ETC收费门架系统现有的规模及ETC收费门架系统全国联网的运行的特性，可以说一个全球覆盖率最高、覆盖里程最长、数据全面、运行安全稳定、高度集成、具有抓拍及视频的收费系统初步形成。在此基础初上ETC门架的拓展应用，即如何有效的利用ETC门架系统这张覆盖全国的网络提升我国高速公路系统的信息化、智能化就成为我们应该思考解决的问题。国内外研究现状分析ETC门架收费系统是一种用于高速公路不停车分段式自动收费系统，国际上各个国家都在努力进行开发，并且在不断推广的。ETC门架收费系统在国内外都具有一定的发展历史，美国和欧洲的一些发达国家及地区的ETC收费门架系统已经实现局部联网运行并已经形成了一定的规模效益。我国实行的以ETC自动收费为主，人工收费为辅的联网收费的方式是ETC收费系统发展必不可少步骤，现阶段正在实施的路段ETC门架收费系统是全面发展ETC逐步取代人工收费系统的必要措施。[[][]邹金松.《ETC系统结构及其特点》[J].《中国科技博览》,2010；截至2018年的10月，我国大部分地区的使用ETC的用户低于50%，更有甚得部分省份ETC使用率没有达到三成。其中主要的原因是ETC办理安装程序较为繁琐，且基础设施较为落后不足以使ETC系统大规模应用。进而造成车主想要去办理ETC业务的动力不足，从而导致ETC覆盖率较低，增长较缓。自2019年05月21日国务院办公厅印发了《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》之后，经过全国各地方的广大建设者们坚持不懈的努力，截止2019年12月31日晚，取消高速公路省界收费站工程并网切换如期进行并取得了相当圆满的成功。到2021年的9月底，我国各个地区及省份的ETC使用率基本达到了66%以上，从而使得高速公路上的车辆通行效率有了大幅的提升，物流的成本降低和效率提升也是有了一个明显的增强。特别是在2021年之后，货车计费方式由传统的称重计费改革为按轴收费，货车车主看到ETC通行服务的便利和新的通行计费方式带来的实实在在的红利，选择安装使用ETC的货车车主越来越多，ETC的总体使用率也因此一路攀升。主要工作内容在取消高速公路省界收费站工程的圆满成功后，全国一张网运行的ETC收费门架系统并网运行的情况下，那如何更加有效的利用ETC收费门架系统为后续高速公路的建设及已建设完成的高速公路减少建设、养护等运营成本；如何提升高速公路的智能化、信息化将成为我们应该思考研究的问题，也就是ETC收费门架系统的拓展应用问题。例如ETC门架系统应用于交通量调查、区间测速抓拍及超速筛选、事件检测、路网状态感知、综合数据分析等。ETC门架系统组成高速公路ETC门架系统是主要通过分路段收费单元的设置，以及新型分段计费模式的实施，以保证车辆通行过程中计费以及扣费的准确性、合理性和快捷性，并且同时将车辆通过高速公路全过程中的数据、视频、图片等资料实时上传至数据库，形成一个完整的运行系统及收费数据。图4.1全国局速公路联网收费总体架构不意图门架本地系统ETC收费门架系统的前端主要由工控机、交换机、天线控制器、一体化机柜、车牌识别设备、RSU、视频监控设备组成。通过RSU读取过往车辆OBU数据以获取车辆信息与车牌识别设备抓拍到的车牌进行比对无误后，将数据上传至后台服务器。除一体化机柜外，其余设备均为一主一备以确保前端系统运行的连续性、稳定性。工控机在ETC收费门架系统运行的过程中，主要起到处理数据并将其实时上传的作用，将车牌识别设备抓拍到的车牌数据与RSU读取OBU数据获取的车辆信息进行比对，然后将比对后一致的数据及不一致的报错数据上传至后台服务器进行处理。一体化机柜一体化机柜包括有检测模块、空调、门禁、动环系统、UPS电源系统、ODF等部分，主要是为工控机、交换机、RSU控制器等设备提供安装位置及适宜的运行环境。其中一体化机柜的检测模块则主要用于供电、温湿度等机柜运行环境的监测。车牌识别设备该设备主要安装于各车道ETC门架横梁位置，每个行车道都是一主一备安装在迎车流的一侧，而在背车流的一侧则间隔2~3个车道安装1套，该设备所采集到的车辆运行图片、车牌等信息将与RSU读取的车辆OBU数据实时进行比对，从而保证所采集数据的真实性、可靠性、完整性。RSURSU即路侧读写单元，也是安装于门架横梁上，每个行车道都有一主一备2套RSU迎车流侧安装，RSU将过往车辆上的CPC卡或OBU卡的数据读取完成后，进一步经由一体化机柜的内部天线控制器校验后，传输至工控机进行后续处理。门架后台系统ETC收费门架后端包括有交换机、路由器、磁盘阵列、门架服务器、安全网关及防火墙等设备。门架服务器每个路段上下行各安装一套ETC收费门架，两套门架一共配置一主一备两套门架服务器，主要功能为根据门架上传数据扣取相应的通行费用，并将数据共享至人工处理终端以供人工查询，同时将收费数据上传至收费分中心、省中心、部中心及存储至磁盘阵列。交换机每套ETC收费门架均配备一主一备两套交换机，主用交换机连接主用车牌抓拍设备与主用RSU控制器，备用交换机连接备用车牌抓拍设备与备用RSU控制器。同一路段的两套ETC门架的主备交换机及其网络安全设备采用环网的链接方式，以确保单一设备损坏不影响门架的整体运行。交换机的主要功能就是为更多的子设备提供链接端口，以便更多的数据进行上传共享。磁盘阵列磁盘阵列是由数块乃至十几块几十块独立的硬盘构成的一个阵列，且具备冗余能力。磁盘阵列可以根据用户需求增加硬盘数量从而提升存储能力。其还具有利用单个或几个硬盘提供的数据产生的一些加成效果来提升集成后的磁盘阵列设备的效能。也因为这项技术，当磁盘列阵中某一个硬盘发生故障损坏时，终端设备仍然可以读出损坏硬盘中的数据，并且在数据重构过程中，将损坏硬盘数据经过计算后重新置入磁盘阵列中闲置的硬盘当中。[[]朴雪莹.《基于农村信用社银行卡支付系统的研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2016；]同时其还具有将数据根据其属性及用途分成多个不同的分区，存放于不同硬盘[]朴雪莹.《基于农村信用社银行卡支付系统的研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2016；安全网关、路由器、防火墙安全网关对ETC门架收费系统的数据传输及收费计算起到重要的保护作用。它的保护内容包括区分网络协议，将未通过国家安全信息部门认可的网络协议隔离于收费系统之外，识别复杂的网络程序，将具有攻击性或携带病毒的网络程序隔离并记录上报。其主要功能使防止外部网络或因特网上具有攻击性疾病的网络程序及协议侵入到收费系统网络内部，影响其系统的安全性以及稳定性。一般安全网关在网络层面上和应用层面上都会配置防火墙，在传输层面上主要由VPN起主要保护作用[[][]廖悦欣.《IPSec协议实现技术研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2013；路由器的主要功能是连接两个或多个网络设施的一种硬件设备，在网络间的主要作用是作为网关使用，用于读取不同设备数据包中的网络地址，最终根据配置将相应数据传送至既定设备的一种专用智能网络设备。[[]张君.《某单位公务用车管理系统的设计与实现》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2020；]它将ETC收费门架的收费数据由以太网协议转换为因特网TCP/IP协议。这样收费数据就可以通过无线方式上传至省中心、部中心。[]张君.《某单位公务用车管理系统的设计与实现》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2020；防火墙的主要功能是实时发现并及时处理ETC门架收费系统运行过程中存在的网络安全风险和各种数据传输等一系列问题。它主要对发现的未通过国家网络信息部门认可的网络协议及含有病毒的网络程序进行隔离，再无法进行隔离的情况下对ETC收费门架系统进行保护防止被入侵，同时还可对ETC收费门架系统运行安全当中的各项操作进行记录与检测，以确保ETC收费门架系统运行的网络安全，确保ETC门架收费系统各种数据的完整性。[[]刘翱.《基于机器学习的高速流量网络入侵检测系统研究》[DB][]刘翱.《基于机器学习的高速流量网络入侵检测系统研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2020；通信及供配电系统ETC收费门架前端通信通过双向环网结构，正常情况下数据信息通过一端上传至收费站，当某一设备出现故障时数据信息将从两端上传至收费站，确保设备运行稳定、数据上传实时不受影响。后端通信则通过有线+无线的双链路方式，分别将公路通信数据传输至省级数据汇总中心以及由省中心再传输至部级数据汇总中心。ETC收费门架一般设置在收费站前后公里范围内或隧道进出口的500米处，有收费站变电所或隧道变电所供电。同时ETC门架上一般配备双电源配电箱，其中预留一端为柴油发电机供电。在ETC门架一体化机柜中配备有容量为3KVA的后备电源，可确保供电电源断电后ETC门架设备正常运转24小时，后备电源采用的是N+l模块化并机冗余运行，当正常供电或后备电源当中两个的任何一路发生故障时，另外一路能够零时间切换成功，为设备供电，不产生切换延时，电源模块，监控模块，防雷模块均能在线不断电热插拔维护。ETC运维管理新需求在取消高速公路省与省之间的收费站过程中,我国在每个高速公路互通之间都建设了一组ETC门架收费系统，路段ETC门架收费系统和ETC车道系统的运行稳定性将对高速公路运营单位的运营效益和ETC用户的出行体验产生根本性的影响。因此ETC门架收费系统和ETC车道系统设备的高效运行必需得到保障,这也就对高速公路运营单位及监管部门在设备维护及缺陷消除保证设备正常运行方面有了更高的需求[[][]冷俊,李华平.《数据赋能ETC门架和车道系统运维管理》[J].《中国交通信息化》,2020；1、及时掌握ETC门架收费系统和ETC车道系统设备运行状态及运行环境。定时巡查数据传输线路及设备供电线路,包括对备用设备及备用链路的定时检查。做到有预防、有备案、早发现、早修复,确保ETC门架收费系统和ETC车道系统的持续稳定运行。2、应急有案，处置迅速，ETC门架收费系统及ETC车道系统均拥有UPS后备供电方式，一般情况不会发生因断电使收费交易无法进行的情况，且ETC门架收费系统的传输设备及收费设备均为一主一备配置，正常的设备故障及传输故障并不能使收费交易无法进行。也因此如发生收费交易无法进行的故障，首先检查巡查记录大致推算故障时间，根据故障事件可推算是供电故障还是传输或设备故障，从而迅速修复故障恢复正常运行。如长时间不能排除故障，将会引发收费站因无法进行收费交易而拥堵，进而影响用户出行体验，所以，一旦发生故障,必需在最短的时间内发现故障，排除故障。3、精准督促，根据各高速公路运营单位技术实力及各设备厂家的响应速度，区别进行督促督导。并对可能存在的故障问题制定分级分类的调度指令，从而提升高速公路的运维水平。4、故障防范。统计及分析以往发生故障发生的原因，总结经验。区别归类出各型设备在不同的运行环境下的运行特点等，根据不同设备的特性制定维护方案。针对主要故障点及易发生故障点定期巡视检查，防范故障的发生。5、长效机制，完善管理维护制度。ETC门架收费系统和ETC车道系统结构复杂、设备种类繁杂，具有较大的管理难度。运营单位必需建立起一套包含整个运维流程、应急措施齐全的管理制度体系,把ETC门架收费系统和ETC车道系统的运维管理制度化、系统化、规范化。ETC门架系统的拓展应用应用于交通量调查及预测交通量调查高速公路交通情况调查（简称“交调”）是通过对高速公路的交通状况开展调查，掌握特定路段高速公路的交通流量、通行车型情况等交通流特性。高速公路断面交通量是指一定时间内通过当前高速公路的交通实体数。[[]邵晓明.《公路交通情况调查系统研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2007]目前，高速公路交通车流[]邵晓明.《公路交通情况调查系统研究》[DB].《中国优秀硕士学位论文全文数据库》,2007可行性条件自取消高速公路省界收费站工程圆满成功后，全国高速公路每两个互通之间安装上、下行两套ETC收费门架。每套门架上根据路段车道数量配置相应的抓拍摄像机及路侧读写单元，比如2+1车道配置3对正向抓拍摄像机（一主一备）1套背向抓拍摄像机及4对路侧读写单元（一主一备）。通过路侧读写单元读取车辆OBU信息获取车辆信息，再通过抓拍摄像机获取车牌信息进行比对，每套门架通过抓拍摄像机及路侧读写单元可以获取此分段的全部车辆信息。即可将一套门架系统视为一个交调站，上下行门架监测的流量合计即为该断面的交通量（即此路段的交通量）及车型数据，也可根据单独门架的抓拍数据统计出单向路段的交通量及车型数据。ETC门架系统涉及高速公路收费业务，其路网覆盖范围、设备精度、运维保障水平等方面的要求高，数据稳定可靠，能够满足交调采集要求。应用在收费站增设一套服务器接入收费站三层交换机，开发一套应用于抓拍数据及车辆信息数据分析的软件，装配于新增服务器，实时读取门架抓拍设备抓拍到的数据及RSU读取的车辆OBU数据进行比对，在比对完成后将通行车辆信息根据车型进行实时分类统计并进行储备已备人工查询。同时软件还应具备交通量预测功能，可根据以往年月的车辆通行量分析未来特定时间的各车型通行量。如图3.1所示,为高速公路路段结构示意图。高速公路主要由高速公路主线道路、进出高速公路匝道、服务区、ETC门架等组成。车辆从匝道口上道，驶完入口匝道经交织区与高速公路主线上的车辆进行汇流，进入高速公路主线路段，依次通过ETC门架，达到目的地后从匝道口下道。本文为了实验的进行，将高速公路按照ETC门架的位置对高速公路进行了路段的划分，即每两个ETC门架之间划分为一个路段。如图3.4所示，ETC门架a和ETC门架b之间作为路段1，ETC门架b与ETC门架c之间作为路段2。图3.1高速公路路段结构示意图本文研究对象是进出口无检测器的高速公路服务区，其驶入车流量真实情况在实际运营环境中无从得知，所以本文可以利用ETC收费数据中记录车辆的信息，通过分析高速公路服务区上下游的时空关系和车辆在服务区的行驶情况，应用一定的模型算法判别车辆是否驶入服务区。另外，ETC收费数据蕴含着丰富的单车信息，分析各个车辆在服务区路段行驶情况与服务区上/下游路段行驶情况的规律，也能对车辆是否驶入服务区做出判别。同时，由于目前交通流量预测方法没有充分考虑服务区的独特情况，比如：车辆归属地、历史进入服务区的情况等，这样会对预测方法造成一定的影响。因此，根据现有条件及已有方法的不足，本文提出如下的整体研究方案，如图3.2所示。图3.2基于ETC数据的车辆驶入服务区判别和车流量预测整体方案利用ETC收费数据去估计驶入服务区的车流量，从时空维度、车型、车辆归属地及车辆历史驶入服务区情况等方面去分析影响高速公路服务区驶入车流量因素，搭建CNN-双向LSTM-Attenion神经网络模型，将得到的影响因素作为网路的输入，网络输出得服务区驶入流量的预测。整体预测方案如图3.3所示。图3.3基于ETC数据的驶入服务区车流量预测整体方案流程图优势相对于传统交通量调查设备利用微波、红外线等探测技术根据探测到的车辆轮廓来获取车型、车速等交通数据。ETC门架抓拍数据更准确、实时，因ETC门架的能够抓拍到每个车辆的车牌，根据RSU天线识别到的该车牌0BU上注册信息即可获得该牌号车辆的车型信息，同时还可根据车辆通过ETC门架时的实时照片进行比对。即每组ETC门架能够获取该路段通行的总体车流量、各车型流量的即时数据，根据数据即可获得该路段一定时间段内的车流量，加之每个互通之间均有一对ETC门架，其拓展应用于交通量调查覆盖率极高。这对于我国高速公路交通量调查具有重要意义。同时节省了交通调查设备的建设费用，起到的增效减负的经济效益。应用于区间测速抓拍及超速筛选区间测速系统区间测速系统是通过在同一路段一定距离安装两套抓拍摄像机，对通过本路段的通行车辆进行两次实时抓拍，根据两次抓拍的时间及两套抓拍摄像机之间的距离获取车辆通过两套抓拍摄像机之间的平均行驶速度、本路段的交通流量、车辆车牌、颜色、物理大概尺寸以及驾驶员特征等信息，并将以上信息上传至公安交警的数据库中存储，公安交警数据库将对数据自动进行查询、比对处理[[]龙波，张宇，吴凯华，杜晔晖.《区间测速系统检定方法的探讨》[J].《计量与测试技术》,2019；[]龙波，张宇，吴凯华，杜晔晖.《区间测速系统检定方法的探讨》[J].《计量与测试技术》,2019；可行性条件因ETC门架设置于高速公路每个互通之间，根据ETC门架的抓拍数据及收费站车道抓拍数据即可判定每个车辆在高速公路上的行车路径。因每两组ETC门架距离是一定的，根据每个车辆通过ETC门架的时间可以计算出车辆通过该路段的车速，亦可根据车辆行车路径上的各个门架的抓拍时间计算出车辆在各路段的平均时速、全路段上的平均车速、车辆车牌、等信息，同时还可根据RSU读取车辆OBU数据获取车辆车型及车辆归属信息。应用可以开发一个超速筛选的系统，通过筛选系统,设定相应的限制速度，将过往车辆中时速超过限速要求的车辆筛选出来，将筛选出来的数据以及所有测速数据统一上传至交警部门的数据库中，交警根据法律规定的超速处罚办法，对超速车辆进行标记，并将标记信息发送至交通部门，交通部门根据标记信息提取对应车辆其超速路段前后ETC门架系统的抓拍时间、抓拍下来的照片打包发送至交警部门，最后交警部门将测速数据及相应的照片归集整理后发送给车辆发生超速所在的地市，由地市相关单位进行处罚。[[]孙婧《ETC的后应用时代》[[]孙婧《ETC的后应用时代》[J].《中国交通信息化》,2021；应用于监控系统将ETC门架视频数据接入到监控系统之中，可以应用在事件的检测系统、交通信息的检测管控系统、运控平台系统以及信息发布系统等多个子应用系统。所开发的ETC门架主机监控系统为我国高速公路门架系统提供一种解决思路与策略，该系统主要使用３层分布式管理总体架构，如图3.4所示。图3.4ETC门架主机监控系统３层总体架构示意图通过图3.4可知:第一层为综合监控设备层，主要包含了ETC综合监控服务器、Web工作站以及服务大厅等设备，主要以各类监控与服务设备为主。ETC综合监控服务器设计车道控制器,ETC天线、车牌图像识别设备、摄像机等设备，而且还经过设备接口完成对以卜设备功能控制;服务大厅就是为ETC门架主机监控系统提供各种服务的地方;Web工作站就是指ETC门架主机监控系统的网站，这些Web站点具有很多权限，只有配置了与ETC门架主机监控系统相应的权限才可以进入此网站实现其各种网络功能，Web工作站所有工作也围绕着ETC门架主机监控系统各功能展开的。第_层为数据链路层，该层主要包括高速公路卜的各种网络、比如有线网络、无线WiFi、光纤、宽带等，主要实现对网络连接。该层虽然没有实现监控系统实质性功能，但该层是网络层，是基础层，倘若该层出现故障，整个ETC门架主机监控系统将无法正常运行。第三层为显示层，主要完成对各种数据进行显示。该层为本系统的核心层，主要以数据采集器为中心，路由器接受到链路层中的网络然后通过交换机发送给数据采集器，数据采集器依托相关设备支持，比如配电单元、UPS等进行数据采集工作，除此之外，该层还支持远程集中管理等功能。同时还为系统提供解决多种小同问题的方法与略策，比如设备接入、远距离控制、安全防患与保护以及智能化运维等。图3.5ETC门架监测系统软件结构示意图基于监控系统事件检测系统事件检测系统是通过道路监控系统实施监控路段异常事件，并智能识别特殊事件。是智能运输系统的重要内容。它是在交通流动特性和事故现场再现等关键基础理论研究的基础上，将现代通信、检测、控制和计算机处理等技术综合应用于高速公路事件控制与管理体系，具有对突发事件进行实时自动检测和对事故现场进行快速勘查与再现的功能，实现尽快消除突发事件对交通运行的影响、提高行车安全的目的将ETC门架图像数据上传至事件检测服务器，经过事件检测软件可以分析出每处ETC门架前后段异常天气、交通拥堵、交通事故、行人闯入、占道施工、占用应急车道等异常事件，还可以根据对车辆路径的识别以及每两个ETC门架之间的行车速度，实现对驾驶人员是否存在疲劳驾驶进行监测，还有对实线变道、违章超车、违章停车等违章驾驶行为的监控，特别是针对“两客一危”。可与高速公路管理部门和高速交警部门联动，对存在违法及危险的驾驶行为进行监控预警。实时交通信息检测管控系统交通信息监测系统主要是通过收集交通量调查站、车牌抓拍摄像机、交通事件检测服务器、气象检测器、路段监控系统等多个外场监控设备及路政及交警部门巡查过程中所采集到的路上交通环境情况，并将上述信息归集处理之后进行综合分析后，为监控后台终端提供气象环境、交通运行状态等信息。监控后台终端根据交通信息监测系统提供的信息通过信息发布子系统将路段气象环境、交通运行状态发布在相应路段的可变情报标志上供用户出行参考。交通信息监测系统也可根据实时信息的紧要程度自行发布信息提醒出行用户。[[][]王曙珲《新基建模式下智慧高速公路总体架构设计》[J].《中国交通信息化》,2021；云控平台云控平台是根据以往高速公路运行过程中出现的问题总结出的运行需求，收集道路外场监控信息，包括气象、监控、车流量等基础信息，为高速公路管理运营维护提供子系统子应用服务。如交管部门的高流量预警应用、车辆实时信息查询应用、重点营运车辆预警应用、跨区域管理协同应用、超载车辆预警应用等；以及社会面使用的交通地图应用、行业外信息协同应用等；还有为高速公路运营管理单位提供的交通事件检测、交通流查询系统、机电设备运行监控等。并将最终归集分类的数据上传至国土、交管、气象等部门共享。ETC门架设置于高速公路互通之间，对全国各个地区覆盖全面，同时数据全部集中上传至交通部，因此ETC门架系统可为云控平台提供较为全面的基础数据支持。提升高速公路路网运行状态概况的感知利用ETC门架收费系统全国高速公路覆盖率高的特性，可以准确获取到全国各个地区高速公路上的通行车辆行车路径、时间及车速，各个高速路段的车流量，路段异常事件，也就是说可以感知到全国高速公路任一路段的天气、运行状况。结合视频上云系统对道路监控视频数据进行分析。对一些异常事件可以发出预警，尤其是对—些大长坡、主干高速互通等危险、车流较大路段，重点关注。及时的将实时情况上传至路网感知平台。为出行用户提供实时有效的出行数据。综合数据挖掘分析综合数据的挖掘分析可依托全国联网ETC门架对整个高速公路路网进行综合分析。以ETC门架为基本数据，结合入口治超、收费站的车道抓拍、车辆轮廓检测、交通量调查系统、全道