微服務在智慧高速公路收費系統中的應用研究

文｜福建省三明高速公路有限公司 陽盛慶

1.福建省高速公路聯網收費現狀

截止2021年為止，福建省在全國聯網收費建設運營工作取得了突出成就。各項指標名列前茅。全省一共建立了929 套ETC 門架系統、1626 條收費站ETC 車道改造以及321 出入口稱重檢測系統，ETC 車道覆蓋率達 100%，各項工作排名全國前列。同時也建立了完善的路網運行監測系統。整個福建省共安裝了2.3 萬多套攝像機、62套一類交調站、573 套車輛檢測器。60 個交通氣象自動觀測站點、4 套“交通安全預警系統”搭建路網管理可視化平臺，實現了運營業務數據信息資源跨部門、跨區域的有效聯系。

福建省高速公路聯網收費系統在經歷人工收費、半自動收費以及全國一張網收費三個階段后，正處于以ETC 收費系統為主的全國聯網收費階段。雖然建立了比較完善的收費系統，但仍然存在著一定問題，具體現狀如下：

1.1 收費系統架構契合度較高

在福建省高速公路系統架構中，包括核心收費模塊、收費應用模塊以及聯網搜查模塊等多種系統功能，這些系統功能雖然能夠豐富收費系統的內容，使收費系統處于合理的管轄下，但這些功能模塊在同一個體系架構內，起到了互相牽制以及影響的效果，使得收費系統業務邏輯比較復雜，影響了整體的收費效率。

1.2 收費系統本地化部署

目前福建省高速公路收費系統中計費模塊完全集成于車道軟件中，主要被內部的函數所調用。而收費系統在信息技術發展的影響下，處于不斷的升級當中，增加了各種新的功能，因此需要投入的資源成本越來越多，系統部署工作也比較復雜，出現了成本較高、運營管理難度較大的問題[1]。

1.3 系統集成商數量較多，管理難度較大

目前在福建省高速公路路網中，存在多個系統集成商，并且每個集成商有著獨立的計費方式以及收費流程，導致出現管理復雜，對同一功能需求理解不統一從而產生收費異常的現象，不僅提高了建設周期，同時也增加了運營成本。

1.4 收費系統架構主要以C/S 為主

由于注重集中式的軟件服務體系，使得現有的收費系統無法對信息集成技術進行有效應用，嚴重制約了全省高速公路收費系統的標準化、模塊化以及信息化的發展的方向，同時也直接影響著高速公路“營改增，精確路徑”等項目的設計[2]。

2.微服務架構特點與基本類型

2.1 微服務架構特點

目前在高速公路收費系統中，對于微服務的應用處于初級階段，同時對微服務還沒有形成統一、標準的定位。一般來講微服務架構屬于一種架構模式，其主要目的是將軟件中各種單一的應用程序直接劃分成不同的服務功能，并且每一個服務功能都有著不同的內容，有著獨立的進程，彼此之間起到相互配合、協調的作用。另外各個服務功能之間采用著輕量級的通信機制，以便進行更好的溝通。在HTTP 中的RESTFUL APL 系統軟件的影響下，不同服務模塊之間需要圍繞著具體業務內容進行構建，才能更好的應用到高速公路收費系統中。最后在對收費系統進行設計時，盡量避免出現統一集中的服務管理機制，防止降低信息處理的效率。結合高速公路收費系統的實際情況，選擇更加合適的功能內容，然后采用不同的軟件系統進行構建，或者使用輕量級的集中式管理去協調這些服務功能，具體特點內容如圖1所示。

圖1 微服務架構特點圖

從圖中可以看出，微服務在小服務范圍中并沒有特定的標準以及規范，但是各個服務內容在總體規模上一定最小，為了保證進程能夠獨立，要求每個服務內容都是獨立運行的，并且通過進程方式，不斷橫向擴展整個服務內容。以往的系統軟件會經?？紤]到各種各樣的依賴關系，而微服務架構的應用更加重視系統業務的邏輯開發。另外最重要一點微服務架構模式的應用更加體現出無集中式管理的特點，以往軟件功能中的企業級SOA 服務功能模塊較大，不容易進行統一管理，并且開發成本相對較高。微服務的應用可以讓各種信息技術得到有效利用，不同服務功能可以根據不同地區的需要，去選擇更加合適的技術來實現其業務邏輯。由于不同服務分配到多個不同的獨立進程執行，因此對集中管理服務的應用意義不大，只需要提供好各個服務模塊的監控即可[3]。

2.2 微服務選擇類型

實現微服務的軟件架構有許多種，其中最為常見的為Spring Cloud 平臺，Spring Cloud 主要為分布式系統，能夠為微服務提供更加簡單的編程模型，操作性上更加簡單，可以直接幫助技術人員建立起有效的應用程序，為后續工作開展打下良好基礎。Spring Cloud 主要由服務注冊中心集群、配置中心集群以及服務提供方集群所組成，服務注冊中心集群一般是對來往車輛進行注冊，配置中心集群主要對車輛信息進行配置，而服務提供方集群主要為各類服務提供實例。

3.微服務在高速公路收費系統中的具體應用

3.1 微服務在高速公路收費系統中的優勢

（1）提高對復雜程度的控制

通過對微服務架構的應用，在很大程度上解決了高速公路收費比較復雜的現象，將收費系統中的整體應用程序分解成不同的服務功能，雖然整體的功能數量以及內容保持不變，但應用程序已經被劃分不同的管理模塊和服務模塊，并且每一個服務模塊都通過RPC 以及API 的形式進行固定，形成了一種明確的邊界，將整個收費系統的整體復雜程度進行降低[4]。

（2）獨立性較強

在整個微服務架構中，每個服務功能都能夠進行獨立開發，同時技術人員可以根據當地的實際狀況，對任何有用的技術進行合適選擇，只要保證該服務類型能夠符合API 技術的規則要求即可。

（3）技術性更加靈活

微服務之間的耦合程度較低，需根據不同的特點，選用最合適的技術，技術人員可以使用當前先進的技術手段，保持良好的固定性，并且在技術類型選擇方面也更加的靈活。

（4）實用性更強

微服務架構模式的應用可以使系統中的各個模塊獨立進行擴展，根據不同服務功能模塊的實際規模進行重新配置，然后再滿足不同需求的規模?；蛘呖梢允褂酶舆m合于服務資源需求的硬件設備，為系統功能的提升創造良好條件。

3.2 高速公路收費系統的總體架構

通常高速公路收費系統基本構架如圖2所示。

圖2 高速公路收費系統基本架構

從圖中可以看出，網絡傳輸速度在滿足最基本要求的前提下，并且保證傳輸速度足夠穩定，就能夠將多級系統直接轉化成云中心以及車道兩級系統。為了進一步解決車道系統可能存在計算壓力過大的現象，在保證信息充足的情況下，技術人員需要將所有車輛路徑以及收費費率進行推算，使車道系統能夠一直保持著較為復雜的計算功能，然后再輸送到中心端去完成。當車道系統需要利用該功能時，便會迅速對信息數據展開查詢，在取得最終結果后進行交易。

一般情況下大部分數據信息會直接儲存在車輛ETC 卡中，利用車道系統完成本地的處理。由于行駛的車輛較多，導致每天的交易數量較大，車輛在行駛的過程中又會和當地多個門架進行交互，因此有相當一部分數量的交易信息不夠完整，從而無法完成對車道的計算，因此在這種環境下必須通過云計算服務的形式進行查詢，以保證信息的完整程度。

通過對云計算服務的應用，可以根據車道系統所上傳的ETC 卡信息，去尋找近一段時間內所有相同卡號以及車牌相同的行車記錄，通過一定的排列組合關系去模擬出不同車輛的行車路徑，然后再從費率表中去仔細查詢所收取的金額，在去尋找其他的數據信息，最終計算出收費記過。

3.3 微服務在高速公路收費系統中的具體設計

（1）路徑擬合功能設計

路徑擬合功能設計主要有兩種不同計算方案，首先是根據門架的連接關系進行算法擬合。利用收費系統中的計算功能模塊對車輛的入口信息進行收集，然后計算出車輛前一門架到當前門架經過的路徑信息。如果存在門架丟失的現象，需要根據門架之間的連接關系進行路徑還原，保證整個計算過程能夠順利進行。在計算出每個車輛的最優路徑后，需要儲存到系統當中，在計算費用時需要判斷前一個門架和當前門架之間是否存在遺漏的現象，如果不存在遺漏的現象，則可以直接進行計算。利用門架連接關系進行計算，能夠及時處理封閉路段、特殊路段的交通信息。

其次是利用計費表進行擬合，利用現有的計費表提前增加當前門架和前三個門架之間的關系，以此確認門架是否存在遺漏現象，如果存在遺漏現象則要立即進行補充，防止出現交易金額缺失的現象。利用計算變量進行算法擬合，最大優點就是使用更加方便，對于模塊算法不需要做出過多的調整，但是在面對反向標識、樞紐標識等異常現象時，門架關系表的生成需要進行反復測試，以此來保證關系表的準確程度。

（2）基礎支撐算法設計

基礎支撐算法設計需要對圖形結構有著一定了解與掌握，在圖形結構的基礎上對車輛通行費用進行快速處理，在保證路徑還原以及處理計算的過程中，面對車輛最佳路徑的選擇，一般是通過對廣度優先搜索算法的應用，得到車輛的最佳路徑。比較常用的是Floyd算法以及Dijlkstra算法，Dijlkstra 算法一般都是選擇車輛里程中的最小節點進行處理，從而產生最優的路徑解。Floyd 算法通常應用于路徑擬合的過程中，并需要反復的進行使用，以收費站、門架作為頂點，計算得出收費站與門架、門架與門架之間的最佳路徑。

4.結語

綜上所述，本文結合福建省高速公路收費系統，對微服務在智慧高速公路收費系統中的應用進行分析，現如今在高速公路運營服務的發展過程中，最為關鍵的是高速公路收費系統的完善，并要保證收費系統的精確化程度。隨著信息技術的不斷發展，高速公路手段未來將和金融服務系統保持一致，提供實時收費服務，從而更加方便人們的出行。