ETC車道數據不完整性的優化研究

覃上洲，張 華，黃春華，何增鎮

(廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

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ETC車道數據不完整性的優化研究

覃上洲，張 華，黃春華，何增鎮

(廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

在高速公路電子不停車收費系統中，車道工控機在非法關機時，由于操作系統寫磁盤并不是同步操作，致使系統內存里緩沖的數據由于來不及寫回磁盤而導致車道數據不完整。文章針對該問題，從流程管理、供電模塊、工控機的硬件和軟件模塊等方面進行研究，探討一個綜合的優化方案。

高速公路；收費管理；電子不停車收費系統；嵌入式系統；數據不完整性；數據緩沖

0 引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，高速公路電子不停車收費系統(Electronic Toll Collection，簡稱ETC)車道在高速公路中應用越來越廣，在2015年9月份ETC實現全國高速公路聯網通用的大環境下，ETC在高速領域迎來了建設的高潮。由于ETC車道的性能及通行效率要求較高，隨之要求車道工控機等主控設備的性能也越來越高，雖然收費站上UPS等保障措施也比較完善，但是由于收費站現場的復雜性，往往有許多外部及不可控因素，例如位于雷區的收費站經常遇到雷雨天氣導致供電設備受損、移動設備導致電源線松動以及切換人工車道時現場人員不小心把ETC電源斷掉的情況，導致車道工控機非正常關機，從而致使車道原始數據沒來得及寫回硬盤，導致出現數據不完整的現象，出現這種情況后需要專門的技術人員進行人工干預處理。為了減少人工干預的工作量，本文將從ETC系統各個相關模塊進行分析，研究探討可優化的解決方案。

1 ETC車道

電子不停車收費(ETC)系統是目前世界上最先進的路橋收費方式。通過安裝在車輛擋風玻璃上的車載電子標簽與在收費站ETC車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能繳納路橋費的目的[1]。ETC車道的布局如圖1所示。

圖1 ETC專用車道布局圖

ETC車道工控機(簡稱工控機)是整個車道的核心，控制著與之相連的外部設備，如圖2所示，主要的外部設備有天線、地感線圈、費顯、通行燈、欄桿機、高清攝像機以及車牌設別儀等[2]。

圖2 ETC車道工控機主要外設連接示意圖

2 ETC車道數據的不完整性及其影響

ETC車道的數據不完整性，主要是指突然掉電或非法關閉ETC工控機，造成ETC車道硬盤上保存的數據缺失了一部分而導致的不完整性；由于ETC車道出現了不完整性的數據，需要專門的技術人員進行處理，這樣又會導致數據上傳不及時，后臺報表中該車道的數據出現不完整性，從而影響收費數據的及時統計、審核及清分。故而減少ETC車道出現數據不完整性的概率是急需解決的問題，以下將針對該問題分析、探討相應的綜合優化解決方案。

3 非法關機數據的不完整性分析

在操作系統中，電腦核心處理器CPU處理數據很快，讀寫硬盤的速度相對來說比較慢，而內存的運行速度介于兩者中間，為了匹配CPU的快速處理能力，一般把硬盤上的程序或預先要處理的數據預先搬移到內存，起到緩存的作用。系統正常運行時，除非設置了自動同步，否則為了減少磁盤的寫入量，延長磁盤壽命，寫入文件時不是即時寫入到磁盤中，而是先寫入內存，這段內存區域被稱為系統緩沖區。在系統緩沖區數據累計到一定數量后(具體數量因系統實際設置而定)，系統會把緩沖數據寫回硬盤。在ETC車道實際使用中，由于工控機控制著許多外部設備，見圖2，共控制平時會產生許多重要的交互數據，其常因意外斷電，導致出現系統緩沖區內數據容易丟失的情況。

4 優化方式的探討和分析

針對因意外斷電而導致ETC車道數據不完整性的問題，實際中很難做到百分之百的解決該問題，但是可以進行各方面的優化，包括提高管理、軟硬件的改善等措施，有效減少出現該問題的概率。以下將從幾個方面來探討綜合的優化方案。

(1)首先從管理的角度規范收費的操作流程：盡量不要直接切斷電源強行關機，可以在軟件界面上先進行下班操作，再進行軟件關機操作；這樣在關機前，操作系統有相應的機制會主動把系統緩沖區的內容寫回硬盤。

(2)提高電源供應措施方面：保證供電源的穩點性，在市電突然掉電時，有專門的UPS自動切換供電，保證不掉電，位于雷區的收費點可以加強對避雷措施的建設。

(3)采用品牌度高和性能穩定的硬盤，例如現在使用得越來越廣泛的固態硬盤，由于收費站現場比較復雜，特別是露天的設備，要能面臨現場風吹日曬、電磁環境復雜、尾氣和粉塵較大、震動等環境。建議硬盤和其它設備都采用工業級別的。

(4)關機和重啟信號的接管方面：工控機的關機或重啟按鍵中斷信號，在電路開發設計時最好做到被開發的程序先接管，待開發的程序把緩沖區的數據同步到硬盤后，再由開發程序發送關機或重啟指令，保證數據不丟失。

(5)在設備硬件電路設計上增加備用電池模塊：可以在外部供電突然斷掉時，保證設備不會因非法關機而導致數據丟失，但是這樣會增加電路設計的復雜度和成本。

(6)程序的優化方面：為了防止電源突然被切斷，軟件程序來不及接管關機并把數據同步到硬盤，在寫入一些重要數據時，都會在寫入結束后執行一下數據刷寫回硬盤的操作調用，保證重要數據比較實時地被寫入磁盤，降低數據丟失或損壞的可能性。

(7)軟件模塊的優化方面：對屬于不同功能的程序模塊，產生重要原始數據的環節，最好由單一的程序模塊進行寫硬盤操作，避免其它獨立程序模塊來共同參與操作，在數據轉化時減少參與者的復雜度，例如ETC收費程序模塊和數據傳輸模塊是兩個獨立的程序，原始數據的生成最好按照數據傳輸模塊的格式要求，一步到位全部由收費程序模塊完成；而數據傳輸模塊只負責發送數據隊列，不參與中間數據格式的轉換工作。從而減少非法關機時，因數據在緩存中多方兜轉而導致的數據不完整，這樣重要的數據可以保證優先寫到硬盤。

5 實際優化結果分析

對廣西區內300條ETC車道開通6個月內的統計數據進行分析，記錄每個月出現不完整性的次數，見表1及圖3。

表1 ETC車道數據不完整統計表

圖3 300條ETC不完整性統計圖

由圖3可知，第一個月到第三個月間發現數據不完整性現場比較頻繁，在此期間從管理、軟件及硬件模塊等采取了一系列優化措施進行處理，因而第四個月到第六個月，數據不完整性現象得到了很大的改善，漸趨于穩定，但是我們仍然可以根據第三部分討論的其它措施，再進一步來優化該問題，直至將該問題出現的概率降到最低。

6 結語

針對ETC車道非正常關機而導致的數據不完整問題，根據對現場車道多年的運行跟蹤，以及在新一代工控機的設計研發和測試過程中總結的經驗，文章從收費流程的規范管理、電源穩定供應、硬件電路設計的綜合考慮、以及軟件模塊方面的優化等角度入手，為解決該問題，探討研究了以上的優化方案，通過多種措施綜合考慮，可以在實際應用中極大降低因非正常關機而導致車道數據丟失的概率，從而減少人工干預所需的成本，同時保證收費數據的及時上傳入庫，為加快收費數據的審核及清分速度提供有力的基礎支撐，從而為促進ETC系統有效運行提供有效的保障。

[1]北京百度網訊科技有限公司.百度百科詞條：ETC(電子不停車收費系統)[EB/OL].http：//baike.baidu.com/subview/30019/13224525.htm，2016-05-30.

[2]黨 晉.電子不停車收費系統設計與優化[D].太原：太原理工大學，2014.

Study on Optimization of ETC Lane Data Imperfections

QIN Shang-zhou，ZHANG Hua，HUANG Chun-hua，HE Zeng-zhen

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

In the expressway electronic toll collection system，when the lane IPC is shutdown improperly，because the disk writing by operating system is not the synchronous operation，it results in that the lane data is incomplete because the buffered data in system memory is too late to write back to disk.Re-garding this problem，this article studied and discussed a comprehensive optimization program in terms of process management，power supply module，industrial computer hardware and software modules etc.

Expressway；Toll management；Electronic toll collection system；Embedded system；Incom-plete data；Data buffer

U491

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.026

1673-4874(2016)09-0099-03

2016-05-15

覃上洲(1983—)，工程師，從事智能交通軟件開發工作；

張 華(1983—)，軟件工程師，從事智能交通軟件開發工作；

黃春華(1976—)，高級工程師，從事智能交通研究與軟件開發工作；

何增鎮(1974—)，工學博士，高級工程師，研究方向：智能交通系統技術與應用研究。

廣西科學研究與技術開發計劃項目(項目合同編號：桂科攻1240 001)