高速公路龍門架監測管理系統

報送單位：廣州交投機電工程有限公司 山東易構軟件技術股份有限公司

主創人：鐘亮文 黃國林

創造人：李忠 湯海天 薛明 楊偉熙 吳茂呈 陳羽潔 李學嶺 李亞林

【摘要】省界收費站取消后，高速公路運營組織從分省模式轉變到跨省聯合模式。為加快取消省界收費站項目的快速啟動，建立高效聯動的運營管理與溝通協調機制、強化問題處理協調機制、加強監督考核等方面的工作，加快研究并推動形成適合全國一張網運營的運營管理模式和工作機制，廣州交投機電工程有限公司和山東易構軟件技術股份有限公司聯合研發一套高速公路龍門架監測管理系統。系統通過實時采集收費站、省界虛擬站、標識點等設備運行狀態數據，從而實現整個系統運行情況的實時監測。同時，系統在通過技術兼容、用戶風險提示、免費更換用戶設備等方式解決關鍵技術、產品（如CPC卡）未經過工程實踐驗證，部分已發行用戶設備不支持路徑標識等問題的同時，可以繼續建立覆蓋全網的運行監測體系，避免相關問題影響全網通行效率和運行質量。

【關鍵詞】監測管理;數據;高速公路

高速公路省界收費站取消后，運營組織從分省模式轉變到跨省聯合模式，考慮到相關政策制度、人員培訓、問題處理協調機制、監督考核機制等短期內難以全部到位，運營中將會出現很多新情況、新問題。為加快取消省界收費站項目的快速啟動，建立高效聯動的運營管理與溝通協調機制、強化問題處理協調機制、加強監督考核等方面的工作，加快研究并推動形成適合全國一張網運營的運營管理模式和工作機制，廣州交投機電工程有限公司和山東易構軟件技術股份有限公司正聯合一套研發高速公路龍門架監測管理系統。

系統主要包括設備運行情況監測、數據傳輸情況監測等功能，以實現對聯網省份內的收費站、省界虛擬站、標識站中設備運行情況進行實時監測;通過對各省設備上傳數據量與部聯網中心接人數據量情況的統計分析，完成對省部兩級問數據傳輸情況的實時監測;通過每日數據傳輸情況分析，對各個數據接口數據傳輸量級制定預警閾值，便于實時監控每日數據傳輸情況。

一、系統范圍

（一）部中心要求建設內容

全國聯網收費系統框架由收費公路聯網結算管理中心（以下簡稱“部聯網中心”）、省（區、市）聯網結算管理中心（以下簡稱“省聯網中心”）、省內區域/路段中心、ETC門架、收費站、ETC車道、ETC/MTC混合車道等組成。本次建設系統涉及區域/路段中心系統、實體收費站系統、ETC門架系統以及ETC/MTC混合車道系統。

（二）建設系統架構

系統架構如圖1所示。

（三）建設目標原則

1.在原有設備狀態運行監測系統業務功能的基礎上，升級改造運行監測系統，實現取消省界站工程總體要求的各項功能;

2.在滿足《交公路函〔2019〕320號-取消高速公路省界收費站總體技術方案》《取消高速公路省界收費站工程建設方案》基礎上，對業務及流程進行優化，提升系統處理的效率;

3.繼承原有系統優點及操作習慣，克服原有系統缺點，更加貼近用戶和管理，提升整個系統的管理能力;

4.采用微服務+云架構的技術架構和技術路線，實現系統的高性能、高可靠、易用及高擴展等;

5.在滿足基本運行“監”、“測”的基礎上，利用大數據、AI技術、算法、模型和策略等技術和手段提升系統的綜合預警、預測分析、決策支持等智慧化程度。

二、運行監測系統

（一）系統概述

在現有設備狀態運行監測系統的基礎上進行升級改造，主要包括設備運行狀態監測、業務數據監測、應用系統監測等功能，以實現對實體收費站、省界虛擬站、門架系統等的設備運行情況進行實時監測;通過對業務數據上傳數據量與部聯網中心接人數據量情況的統計分析，完成對業務數據的實時監測;通過每日數據傳輸情況分析，對各個數據接口數據傳輸量級制定預警閾值，便于實時監控每日數據傳輸情況。

（二）技術架構

對系統的設計，采用JAVA進行開發，應用微服務化+云架構的邏輯架構采用多層設計，依據對基礎設備和數據集中監控的需求，將系統分成數據采集、數據清洗、數據存儲、業務處理以及視圖展示等。

系統基于信息安全驅動下的大數據分析和挖掘，涉及數據采集、數據清洗、數據存儲、業務處理、分析、評估、預測等大數據全生命周期管理過程。而大數據相關技術應用需解決兩大基本問題，第一是數據的存儲問題，如何存儲龐大的數據量的問題;第二是數據的計算問題，如何處理分析海量的數據。因此，從生命周期和技術應用角度出發，把系統整體架構分為五大層級，分別為數據采集層、數據清洗分析層、數據存儲層、業務處理引擎和視圖展示應用層。

數據采集層：數據采集層為整個系統提供數據，數據由第三方系統、系統對接協議接口、本地系統日志等提供。從數據類型角度來看可分為結構化數據、半結構化數據和非結構化數據，從采集源角度來看又可分為設備類、流量類，和日志類。通過關聯分析和數據挖掘等技術手段，將原本碎片化的日志和數據整合，找出各數據問的聯系，從而達到為平臺系統提供底層數據支撐的目的。

數據清洗層：面對數據源種類繁多、格式不一的數據，需采用一套完整的數據收集框架及歸一化過程對其進行清洗，去除冗余，從而統一格式，實現標準化數據轉化。針對來自不同數據源的數據，可采用分布式負責原始數據的標準化管理，實現包括關聯規則等數據挖掘算法，實現數據的深度挖掘與分析。

數據存儲層：為了實現不同分析需求的數據存儲，提高分析與查詢效率，采用不同存儲技術混搭的存儲方式。可提供快速統計分析技術，并進行挖掘分析，從而支撐安全態勢分析能力。

業務處理引擎：為了對系統平臺提供全套計算引擎支撐服務，系統采用分布式并行計算框架提供計算能力，并具備抽象調度單元、集群資源管配、負載均衡機制、作業執行時間預測、優先級調度策略、各角色各時段的失敗重試機制功能。系統根據業務定制，結合運用不同的數據分析挖掘算法，為上層不同類型的應用提供強大的分析能力，主要為統一數據處理引擎和統一事件處理引擎。

視圖展示應用層：從多樣化的角度出發，系統提供多種組件，包含數據轉發組件、可視化組件、設備驅動組件、數據服務組件、接口對接組件。通過各類組件，系統可接入普通PC、展示大屏、移動終端、PAD等前端展示設備，根據不同用戶，提供更好的用戶體驗。從功能的角度出發，系統提供各類項目的實時監測，可快速對事件做出告警動作并進行分級、分類統計，達到及時預警、及時處置的目標。系統平臺擁有設備行為分析、趨勢預測、安全指數、態勢感知等能力，對各項監測目標做出更加精準的預測。

系統邏輯架構如圖2所示。

（三）設計特色

1.微服務化

微服務化的核心就是將傳統的一站式應用，根據業務拆分成一個一個的服務，徹底地去耦合，每一個微服務提供單個業務功能的服務，一個服務做一件事，從技術角度看就是一種小而獨立的處理過程，類似進程概念，能夠自行單獨啟動或銷毀，甚至擁有自己獨立的數據庫。

微服務的基本思想在于考慮圍繞著業務領域組件來創建應用，這些應用可獨立地進行開發、管理和加速。在分散的組件中使用微服務云架構和平臺，使部署、管理和服務功能交付變得更加簡單。

本項目利用微服務架構模式的設計，使得每個服務獨立擴展，根據每個服務的規模來部署滿足需求的規模，實現對系統整體的負載均衡。由于每個服務都是單獨開發，容錯性高、耦合性低、擴展性高，宜于運行監測系統的快速迭代優化，新服務功能不再需要協調其它服務部署對本服務的影響，即可達到快速部署的目的，也可實現持續化部署。

2.灰度發布

在一般情況下，升級更新應用，需要停止原有版本應用，再啟動新版本應用。在本次項目中，應用需要24小時不間斷運行，所以系統采用灰度發布設計方式進行系統版本升級。

采用灰度發布的設計方式，可以實現在原有版本不停止運行的情況下，更新新版本應用，當新版本在試運行階段出現異常，可切換回滾至老版本上，將負面影響控制在最小范圍內。

結合微服務化的設計，系統升級時，可以實現灰度發布，從而實現業務不間斷、系統平穩升級的目的。

3.模型算法應用

本系統對于業務處理采用大數據分析方式，將接入的數據進行標準化治理，并建立數據模型算法，完成數據模型層次結構、基本信息、數據結構、存儲方式的設計。

模型算法應用提供多種算法模型：關聯規則分析（Apriori）、決策樹、神經網絡、K-MEANS聚類、支持向量機、多元線性回歸、廣義線性回歸、貝葉斯網絡、Cox以及K近鄰等。這些算法模型應用于多種分析場景，例如預測趨勢和行為、關聯分析、聚類分析等。每種模型算法都有各自的優劣性，針對不同的場景選擇合適的算法模型進行大數據分析挖掘。

模型算法應用是對治理過的數據按一定業務思路，經過選擇、編排、組裝，從而得到的一套業務分析方案，如：路徑追蹤分析、異常行為分析等。

從功能的角度出發，系統應用模型算法提供各類項目的實時監測，可快速對事件做出告警動作并進行分級、分類統計，達到及時預警、及時處置的目的。系統擁有設備行為分析、趨勢預測、安全指數、交通態勢感知等能力，對各項監測目標做出更加精準的預測。

4.AI綜合預警

運行監測系統不僅僅是對各設備異常狀態進行展示，更注重對異常行為進行預警處置。系統根據各業務類型，進行預警的信息的分類，用戶只需在前端填寫預警的內容，并規劃好預警的警報級別，系統可自動生成用戶所需的預警預案，用戶確認生效預案后，系統自動按預案執行相關業務流程。

系統提供發布規則管理、預警級別管理，用戶可通過選擇不同的預警信息進行靈活的配置。

同時，系統可集成短信、移動終端、郵件、大屏等多種發布手段于一體，實現多種規則、多種通信方式的綜合發布控制渠道，為系統進行數據共享、事件處理提供了強有力的業務支撐，節約人力資源，提升工作效率與業務質量。

5.多種前端展示支持

系統從多樣化的角度出發，系統在業務展示前端應用提供多種組件，包含數據轉發組件、可視化組件、設備驅動組件、數據服務組件、接口對接組件。

通過各類組件，系統可接入普通PC、定制展示大屏、對接移動終端、對接PAD等前端展示設備，根據不同用戶，提供更好的用戶體驗。

6.可用性

系統充分考慮方便用戶，簡化操作，廣泛采用圖形化界面和最優化算法，提供友好的人機界面、簡便快捷的使用方法，最大限度地滿足用戶需求。

（四）接口設計

1.數據接口設計

運行監測系統數據接口分為路網信息、車輛信息、卡信息（ETC卡、OBU、CPC）、交易信息、設備狀態信息、參數信息、應用系統信息等，數據采集來源為部級系統接入、第三方系統接入、部省級數據錄入或者導入。

系統數據接口設計滿足《附件一：取消高速公路省界收費站工程數據編碼交換規則》《附件二：取消高速公路省界收費站工程數據傳輸接口規范》要求的內容。

2.傳輸接口設計

數據傳輸采用響應式（服務式），部聯網中心的傳輸系統支持集群部署，采用全冗余架構，無單點故障，支持線性擴展。

傳輸協議選擇HTTPS協議，采用文件作為傳輸的載體，文件內容可以是JSON形式（具體格式由具體服務接口定義）。

傳輸加密：在傳輸過程中應對傳輸通道進行加密。客戶信息數據應進行加密傳輸。

數據訪問權限控制：部聯網中心的傳輸系統需要對傳輸請求進行鑒權和對傳輸數據進行訪問控制以保證各省之間的數據隔離。

數據傳輸采用HTTPS協議標準。基于HTYP POST方式進行數據請求，編碼格式統一為UTF-8編碼。請求和響應文件格式為JSON。

具體要求滿足《附件二：取消高速公路省界收費站工程數據傳輸接口規范》中的接口設計要求。

（五）系統組成

系統組成如圖4所示。

（六）功能簡表

功能簡表如圖5所示。

（七）功能劃分

1.首頁展示

運行監測系統設置首頁展示，首頁根據用戶喜好，展示重點關注事件、統計分析等內容。

首頁分成多個區域，可配置每個區域顯示內容，并定時刷新數據。

主區域顯示地圖信息，在地圖上根據圖層展示各類監測項目。

子區域顯示指標統計、交易量統計、車流量統計、性能統計、異常統計、故障統計、告警統計、緊急事件展示、重點視頻展示等。

2.系統管理

系統管理主要功能包括數據庫地址配置管理、系統控制參數配置、日志保存天數管理、系統維護管理等。

系統管理兼顧人員管理，統一用戶認證，也可自行管理，包含統一權限管理、人員配置管理、密碼管理等。

3.監測管理

監測管理對運行監測的各類項目進行管理，對監測參數進行配置，對第三方系統接入進行管理。

設備分布管理

操作員可錄入或者批量導入各監控項目所在位置、類型、品牌型號、所屬機構等信息。

地圖管理

對地圖展示的元素進行分層管理，不同圖層可展示不同的監測項目，用戶可根據圖層展示確認地圖上顯示的監測項目。

預警閾值配置管理

運行監測系統對于部分監測項目可進行狀態預警，當監測項目達到預警閾值進行報警，由相關人員及時處置。

預警閾值配置管理對可進行預警的監測項目進行預警閾值配置管理，閾值分為時間閾值、上限閾值、下限閾值、設備狀態閾值等。操作員可根據實際情況配置相關預警閾值。

監控信息綜合管理

系統對于各項監控信息展示進行定義，根據權限不同可定制展示內容，在大屏上可分屏展示不同監測信息。

監控信息分級展示

系統監控信息可以多級，系統按級別提示或者展示監控監測信息，也可根據不同權限查看不同級別的監控監測信息。

第三方系統接入管理

系統對于第三方系統的接入，進行控制管理，提供統一標準化協議接口。接入的系統需進行注冊管理，每次接入進行身份驗證。

系統根據接入系統的權限業務控制管理，僅提供有權限的業務接口反饋，其余數據不允許對接。

4.設備運行狀態監測

設備狀態監控展示方式上分為圖形化展示和列表展示兩種;從層級展示方式上分為：區域中心/路段/站級管理/門架展示等。

系統對各門架系統、傳輸通訊等設備進行實時監測，一旦出現異常及時預警，保障異常及時發現、及時處置。

監測內容主要包括：站級數據傳輸情況監測、站級傳輸通道監測管理、標識點寫卡監控、設備狀態監控、通行介質監測等。

5.業務數據監測

系統對業務數據進行監測管理，主要包括數據分析營運指標監測、數據及時性監測、數據準確率監測等。

系統分類型監測雙片式OBU、單片式OBU、CPC卡等通過門架、收費站入出口ETC車道時交易成功率。并可按照雙片式OBU、單片式OBU、CPC卡廠家型號進行分別統計及展示。

系統監測數據傳出情況，包含數據堆積情況、數據傳輸耗時統計等;設定相應閾值，當達到閾值后，系統給出報警信息。

6.應用系統及關鍵資源監測

對關鍵服務程序、應用支撐系統進行實時監控，監控主要內容如下：

（1）運行狀態監測：關鍵服務和系統的運行/停止的狀態監測;

（2）停止次數監測：按日、月、季和年統計關鍵服務和系統的異常停止次數;

（3）停止時長監測：按日、月、季和年統計關鍵服務和系統的異常停止時長。

系統監測關鍵數據庫資源、存儲資源、網絡資源、服務器硬件資源運行情況，當資源使用率達到預警值時預警提示。

7.異常信息告警

故障狀態管理

檢測到的故障信息，監控系統軟件提供處理管理，包含故障信息確認并生成工單，誤報故障信息的消除等管理。

故障分等級預警

根據故障嚴重程度，對不同報警信息采用不同的展示方式，對于重要報警信息，通過彈框、聲音、閃爍等方式進行提示;對于普通故障信息通過列表、圖形化故障標識等方式進行展示。

8.工單管理

故障工單管理

系統可進行工單的人工錄入，也可根據采集的故障信息自動生成工單。工單生成后進行派發、維修、確認、評價等流程，處理完畢后的工單進行關閉存檔處理。

工單分用戶和角色進行管理，不同用戶只能看到自己發布、需要處理、需要跟蹤的工單。

故障進度跟蹤

執行中的工單，在系統中可通過圖形化的方式進行處理過程跟蹤，并可根據情況進行催辦提醒。工單每個處理過程可設置相應及最長處理時間，如果超時未處理，系統將進行自動提醒。

處置效率評價等

系統記錄每個人員工單處理的詳細，根據執行過程進行工單數量統計、執行效率統計、異常工單統計等;可分部門、分任務類型、分人員進行多維度統計評價等。

9.信息查詢

歷史信息查詢主要包含：設備基礎信息查詢、設備運行歷史狀態查詢、通行介質歷史交易成功率查詢、數據傳輸歷史數據查詢、應用系統及關鍵資源歷史監測數據查詢、歷史工單數據查詢、操作日志查詢。

10.統計分析

統計分析主要分為：歷史狀態統計分析、預警態勢分析、系統心跳監控分析、歷史傳輸數據量分析、寫卡成功率分析、應用系統分析、關鍵資源性能分析、故障統計分析、工單處理效率分析等。