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高速公路ETC自由流收费系统运行监测体系探究

发布时间:2021-10-29 车品商城

作者:王鑫1,孙楠2,王婵2(1.陕西交通控股集团有限公司;2.陕西交通电子工程科技有限公司)


摘要:随着全国取消高速公路省界收费站工程的推进实施,高速公路收费模式已经由传统的封闭式收费改为通过ETC门架系统实现的自由流开放式分段计费。收费模式的改变对收费系统及所属软硬件设备和网络环境的稳定性、可靠性和可扩展性提出了更高的要求。本文针对陕西省ETC门架系统运行状况及智能监测能力进行了深入分析,并结合省级和路段级监测需求,详细介绍了陕西省ETC门架系统运行监测平台,该平台围绕一个系统、两个层级、三种监控维度、五个故障告警等级,实现了收费业务的全业务周期智能感知和监测预警,为全省收费系统提供了智能监测和运营支撑,以保障收费系统稳定运行,进一步提升高速公路服务水平。

随着我国社会经济快速发展,高速公路的安全稳定运行成为推动经济发展的重要支撑,党中央、国务院提出“深化收费公路制度改革,加快取消全国高速公路省界收费站、实现不停车快捷收费,减少拥堵、便利群众”的决策部署,全国高速公路于2019年12月31日24时进行了联网收费系统切换,拆除了省界收费站,实现了不停车快速通行。收费模式由传统的封闭式计费转变为分段式计费,新的收费模式依赖于ETC门架系统和收费车道系统,因此收费系统的稳定运行对高速公路安全稳定运营起到至关重要的作用。

现状分析

(一)新的收费模式为运维工作带来的变化
ETC门架系统布局示意如图1所示。 图1 ETC门架系统示意1、机电设备急剧增长,系统运维难度增加随着全国取消省界收费站工程实施,高速公路进入自由流通行模式,ETC门架系统配置了大量机电设备,机电设备的维护工作量随之成倍增加。ETC门架系统设备主要包括服务器、工控机、天线控制器、牌识设备、监控摄像机、一体化机柜等,收费车道系统设备主要包括服务器、工控机、三层交换机、授时设备等。为了避免机电设备意外宕机对收费业务产生影响,部分设备进行了主备冗余部署。以陕西省为例,截至2021年5月,全省991座ETC门架,收费相关机电设备共11205台;全省397个收费站,收费机电设备共3906台。2、机电设备分散,运维成本增大ETC门架系统和收费车道系统均架设于高速公路沿线、上下匝道、收费站出入口等区域,多为无人值守区域,室外环境复杂,且设备种类繁多,点位分散,给运维工作造成了很大难度。需要投入大量的维护人员对设备及系统进行日常巡检和维护,同时传统的人工巡检模式存在遗漏故障设备的可能性,存在较大安全隐患。3、收费系统架构复杂,分级管理和运维难度较大新收费模式下,ETC门架系统所有服务和应用的部署均使用了容器化技术,是收费软件在技术层面的重大变革,对运维人员技术能力提出了全新的要求,需更多专业化的运维人员,增加了运维难度和成本,与此同时,交通运输部统一开发的部运营监测平台对各省门架、收费站车道基础数据及交易、心跳数据及数据传输时延做了展示,各省结合自己的业务需求和实际运营管理情况,需要更多个性化的功能。传统运维方式难以满足省级需求、路段级、站级和门架级不同层级不同维度的管理和运维需求。4、收费系统产生的数据激增,数据分析难度变大ETC门架系统和收费车道系统的运行,产生了大量运行状态数据和运营业务相关数据,运行状态数据包括天线设施、车牌识别设施、车道控制器、动力环境设施、网络传输设备等主要设备的状态数据;运营业务相关数据包括ETC门架交易流水(或通行凭证)、ETC通行记录、牌识流水记录、CPC卡通行记录、原始收费数据、异常交易数据等。以陕西省为例,ETC门架系统和车道收费系统心跳数据(运行状态数据)每5分钟发送一次,一条心跳数据包含278个字段,全省991个门架和2547条车道每天发送心跳数据达101万条。以2021年3月陕西省统计数据为例,入/出口日均流量120万,门架日均通行车次751万。ETC门架系统和收费车道系统部省级架构如图2所示。 图2 ETC门架系统和收费车道系统部省级架构(二)目前运维工作存在的问题目前,传统监测方式多为视频监控结合人工排查对设备及系统故障进行监测,当发生突发故障时,存在以下不足:一是人工识别排查故障需要较长的时间,效率低下,完全处于滞后发现、被动接报状态;二是故障的严重程度不一,且故障分级缺少分级标准,依赖于人工依据运维经验选择性地采取措施,不仅影响事故处理效率,而且存在较大主观性,在紧急状况下难免存在疏漏;三是对故障何时被发现、处理和恢复正常工作缺少有效记录,缺乏对故障处理状态的有效跟踪和管理。与目前高速发展的收费系统相比较,传统运维方式和信息化发展水平脱节现象严重。面对离散分布在全省的大量ETC门架设备和收费车道设备,现有的运维方式无法对收费系统进行全面、及时、有效的监测。此外,ETC门架系统和收费车道系统作为高速公路运营监测管控的核心,其产生的运行及监测数据是高速公路监测大数据的重要组成部分,但目前的运维方式监控内容单一,监控范围有限,其数据的分析及利用程度较低,难以进行实时分析和精准维护,无法有效实现监测大数据的价值。

收费系统运行监测需求分析

新的收费模式下,部省各级主管部门及路段中心根据不同的管理需求,需要对ETC门架系统和收费车道系统进行运行状态监测及业务运营情况监测,从而实现收费系统运营监测、分析、管理和决策精细化、科学化和主动化,保障收费系统安全稳定运行,具体需求如下。(一)建立联网收费系统机电设备故障监测告警体系新收费模式下,机电设备实时运行状态监测尤为重要,实现ETC门架系统机电设备和收费车道系统机电设备运行状态的远程监测和全面感知,为机电维护人员及时推送所辖路段内ETC门架系统设备运行状态,及时解决设备故障,实现收费系统运营管理的精细化、科学化、数字化管理,通过运营支撑平台提供全方位支撑。(二)建立收费系统业务监测指标体系根据新形势下收费系统运营需要,制定统一监测指标体系,对系统运行状态及运营业务进行定量分析,通过大数据分析,全面、深入把握收费系统运行状态,建立围绕自由流收费业务关键数据指标的省级、路段级监测指标体系,从而实现对收费系统运营业务状态的实时监控,为高速公路运营管理提供数据支撑。(三)建立机电设备评价体系通过对ETC门架系统和收费车道系统机电设备运行状况进行数据分析,量化机电设备质量等级,量化机电系统维护单位的服务水平,从而建立了收费系统机电设备评价体系,提升收费系统的监测服务水平。

收费系统运行监测系统建设

内容

(一)围绕心跳数据的机电设备故障监测告警体系心跳数据是机电设备最基础、最直观的数据,部运营监测平台对各省ETC门架系统和收费车道系统心跳数据(运行状态数据)进行统一采集和分析展示,机电设备故障监测告警围绕心跳数据,对关键设备进行监测,监测设备主要包括:门架服务器、门架工控机、门架机柜、门架牌识设备(包含补光设备)、天线控制器、三层交换机、北斗授时设备、收费服务器和车道工控机等。主要通过IPMI/SNMP/PING/AGENT等形式实现对收费系统中设备电气性能的监控。收费系统心跳数据监控内容如下表所示。收费系统心跳数据监控内容表 根据机电设备故障对收费系统影响程度的不同,划分为灾难、严重、一般严重、警告、信息五个等级,不同等级的告警配备不同的运维预案,当故障发生时,通过电话、短信及系统推送的方式将实时告警信息推送至各级运维负责人,从而保证故障及时发现,实时提醒,精准定位,有效处置。
信息等级故障的划分标准是:设备性能指标异常暂未影响到设备安全稳定的故障。如门架工控机发生网络延时大于100毫秒告警,分析其原因可能是带宽不够,提示运维人员对带宽资源进行合理规划。警告等级故障的划分标准是:设备性能指标异常已经影响到设备安全稳定的故障。该等级的故障响应预案是路段4小时内响应,省级调度96小时内响应。如门架服务器发生CPU温度大于85℃告警,分析其原因可能是散热不够,提示运维人员保证服务器风扇整行运行或对服务器进行清灰处理。一般严重等级故障的划分标准是:单一设备不可用,影响到某个门架或某个收费站业务性能但并不能完全中断相关业务故障。该等级的故障响应预案是路段1小时内响应,省级调度48小时内响应。如机柜电池组状态发生异常告警时,分析其原因可能是电池损坏,提示运维人员及时更换设备。严重等级故障的划分标准是:导致整个门架或整个收费站业务中断或继续发展会影响到整条路段或全省收费系统的故障。该等级的故障响应预案是路段1小时内响应,省级调度8小时内响应。如发生电池备电时间(电池供电剩余时间)小于4小时告警时,分析其原因可能是市电断开,提示运维人员检查供电系统。灾难等级故障的划分标准是:导致全省收费系统或整条路段业务的中断故障。该等级的故障响应预案是路段1小时内响应,省级调度1小时内响应。如车道工控机发生网络断开告警,分析其原因可能是断电或断网,提示运维人员检查供电或网络。为了掌握机电设备运行状态,通过对历史数据的分析,预判关键指标走向,实现对潜在故障的预判并做出故障预警,设计告警分析管理驾驶舱,从时间维度、空间维度进行分析,包括今日新增告警数、今日告警门架数、告警设备分布、告警等级分布、告警类别分布、每日告警趋势、告警处理平均时效等22种分析指标,为最大可能避免故障的发生提供数据支撑。(二)以交易成功率为主的收费系统运营业务监测指标体系部运营监测平台对各省交易情况和数据传输时延做了分析展示,同时对ETC门架系统和收费车道系统的交易情况、软件费率版本一致性、数据传输时延等进行监测,省及收费系统运营支撑平台依据部ETC门架数据传输接口协议,采集实时车辆通行数据,包括ETC门架计费交易数据,对ETC门架系统和收费车道系统交易关键指标进行实时计算分析。实时分析ETC门架系统标签交易量、标签交易额、标签交易成功率、CPC交易量、CPC交易额、CPC交易成功率等指标。同时支撑平台采集车道工控机上安装的操作系统、收费服务器上安装的操作系统及车道上其他设备的运营业务数据,实时计算和分析数据传输时延、车道流量、交易成功率、牌识成功率、漏反标率等指标,对设备运行状态及系统性能进行故障监控。除了基础运营业务监测指标,为了全面掌握全省ETC门架系统运营情况,收费系统运营支撑平台分别从时间、空间、车型、收费方式维度等多种维度进行分析,包括不同车型交易金额及流量、车流量和交易额月度趋势、车型流量分布、通行介质交易成功率分布与排名、交易成功率月度趋势、相邻省份流量趋势、省界门架入/出口流量分布与排名、省界代收金额与流量排名、交易额及优惠额按车型分布、货车优惠交易分布分析等,为实时掌握全省ETC运营情况提供数据支撑。为了对全省收费车道系统运行情况进行全盘掌握,运营支撑平台分别从时间、空间、车型、计费方式等多种维度进行分析,包括交易额按支付方式分布及趋势、交易额按计费方式分布及趋势、兜底和在线请求计费排名、入/出口流量分布及趋势、减免车辆车型分布。(三)以质量评价为主的设备、系统评价体系通过运营支撑平台对OBU设备、牌识设备、RSU设备、ETC门架系统、收费车道系统运行状态进行评分计算,对其质量进行综合评价,衡量设备和系统的整体稳定性,可针对综合排名的设备进行重点排查,加强备品备件管理和日常巡检维护。1、质量评价。OBU设备最重要的评价指标是OBU交易成功率,以该指标为核心,在时间维度上对主流设备厂家的OBU标签设备进行评分、排名和对比。车牌识别设备质量评价管理结合牌识成功率、牌识设备连接状态时长和补光灯开启时长等关键指标,在时间维度上对主流设备厂家的车牌识别设备进行评分、排名和对比。RSU设备厂家质量评价管理围绕RSU主备控制器网络正常时长、PSAM状态正常时长和天线头正常时长对主流厂家的设备进行评分、排名和对比。2、智能分析。围绕收费业务的数据进行智能分析是未来数据化管理和智能化运维的必经之路,收费站和ETC门架系统的智能分析包括ETC门架交易各项指标同环比分析、门架关键设备异常分析、门架关键设备关联分析、收费车道交易各项指标同环比分析、入/出口流量分析、ETC车道平均耗时、过车速度等82种指标,通过多维度的监测分析,提升管理和服务能力。

应用与评价

陕西省ETC门架系统运行监测平台上线运行一年以来,利用智能化系统对ETC门架设备运行情况进行全生命周期监测,初步实现ETC门架系统运行监测智能化,相比传统人工运维的方式优势明显。
1、多元化、全方位自动化监测ETC门架系统运行监测系统目前采用多元化、全方位的监控方式对设备及系统故障进行预警监测,实现了自动化故障告警功能,可主动发现潜在性故障。当遇有突发故障事件发生时可开启系统自动识别排查故障,提升了维护的及时性,同时可依据故障发生的程度,根据自动识别排查的结果精准定位,选择性启动不同系统来采取不同措施,提高事故处理效率,避免机电系统运行隐患长期存在。2、指导门架软件调试运行监测系统通过覆盖门架及收费站设备、收费概览、特情分析、软件服务等多个方面,系统内设的各个系统作为监测管控的抓手,积累了大量的监测数据,且数据来源包含站省接口协议设备心跳数据、交易数据、通信协议等多个途径,种类丰富数量大,数据的分析及利用程度较高,充分发挥数字化管理优势。3、主动推送及时化当发生紧急故障事件时,系统可自动发现和解决服务故障,并将此次故障详细情况与解决后的状态等信息通过邮件、钉钉、电话或微信等多种方式发送故障告警,多种传达方式极大提高了传达率。4、故障预警精准化ETC门架系统运行监测系统可依靠外部导入数据及系统内部收集的数据,充分挖掘系统数据,分析曾出现的故障数据,通过对历史数据的分析,预判关键指标走向实现对潜在故障的预判并做出故障预警。5、运维管理数据化ETC门架系统运行监测系统根据工业标准设计,系统整体性能稳定,可满足7×24h不间断运行的要求,系统可持续工作时间长。此外,服务器采用双系统模式,在主系统出现故障的情况下,可自动切换后备系统投入工作,无需中断操作即可对出现故障的主系统进行诊断维护。

结束语

取消省界收费站后,ETC门架系统作为收费系统的重要组成部分,如何对其实施智能化管控和监测显得尤为重要,本文系统地描述了陕西省ETC门架运行监测平台的建设思路与实践经验,提出了围绕ETC门架系统和车道收费系统的运行监测体系,通过数据中台、大数据治理等先进技术和理念,进一步推动了陕西省收费系统监测工作向智能化、精准化、数据化发展,高速公路收费系统的智能化运行监测是高速公路运营管理单位和维护单位未来在运维管理方面深入探索的技术领域。参考文献[1] 黄来荣.取消省界收费站背景下省级ETC运行监测系统设计[J].中国交通信息化,2019(S1):160-161.[2] 刘轶,俞杰,李因易,等.ETC运营支撑管理系统研究[J].无线互联科技,2019(16):39-40.[3] 李德生.取消省界收费站后云平台需求与功能设计分析[J].中国交通信息化,2019(6):93-97,127.[4] 蔡艳武,惠学云.取消省界收费站智慧运维思考[J].中国交通信息化,2019(12):33-45.[5] 陈建霖.有关高速公路ETC门架系统智能化的设计[J].电子技术与软件工程,2020(18):114-115.[6] 胡晓光,朱辉.高速公路ETC门架系统交易成功率测试方法初探[J].江苏交通科技,2020(3):31-32.[7] 张志宁.高速公路取消省界站中机电工程检测的应用[J].数字通信世界, 2020(5):281-282.[8] 付磊.高速公路省界收费站取消后ETC门架系统设计研究[J].工程建设与设计,2020(23):125-127.(原文刊载于2021年第9期《中国交通信息化》)

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