基于Linux系統的公路收費系統信息化研發與應用

許樂 路璞 郭建飛

摘要 隨著交通運輸的不斷發展，公路收費系統在我國被廣泛應用于高速公路和收費站。然而，以往的收費系統中存在信息化程度低、效率低下、運營成本高等問題。因此，文章研發了一套基于Linux系統的信息化公路收費系統。首先，通過調查和分析用戶的需求以及現有系統的未完善之處，確定了改進公路收費系統的需求。其次，基于Linux系統進行了公路收費系統的研發，通過對Linux系統的深入了解和研究，設計了適用于公路收費系統的硬件和軟件架構。最后，對新開發的公路收費系統進行了驗證。通過實驗和數據分析，證明了新系統能夠提高收費效率和準確度，為公路收費系統的信息化發展提供了一種有效的解決方案。

關鍵詞 Linux系統；公路收費系統；信息化研發；應用

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0019-03

0 引言

隨著交通運輸的不斷發展，公路收費系統的信息化需求日益增長。公路收費系統在我國的高速公路和收費站廣泛應用，但在以往的系統中存在信息化程度低、效率低下、運營成本高等問題[1]。因此，該文旨在研發一種基于Linux系統的公路收費系統信息化方案，并應用于現在的公路收費系統中，提高公路收費系統的運行效率和服務質量。通過對用戶需求和現有系統不滿意之處的調查與分析，將現有的人工操作轉變為電子化操作，提高收費效率和精確度[2]。Linux系統因其開放性和靈活性而成為本系統的最佳選擇。通過對Linux系統的深入了解和研究，構建了適用于公路收費系統的硬件和軟件架構。

1 公路收費系統的問題與需求分析

1.1 現有公路收費系統存在的問題

通過調查用戶的需求和對現有系統的缺點，以往的收費系統中存在信息化程度低、效率低下、運營成本高等問題。需要確定改進公路收費系統的關鍵點，即提高信息化程度。具體主要存在的問題如下[3]：

（1）由于現有收費系統僅能依賴于早期操作系統，受到Windows平臺本身的限制，導致安全性差、費用高、維護困難等問題普遍存在，加之軟件底層開發語言和依賴環境的局限性，使軟件對現有主流操作系統和硬件配置兼容性不強，造成維護成本高。如何實現收費系統面向Linux和Windows跨平臺設計兼容，切換解決系統安全應用風險，解決維護困難，降低運營成本，成為現在系統設計的主流。

（2）現有收費系統一直沿用以前的軟件架構及底層代碼邏輯，導致系統交易效率低、運行不穩定，如何應對現有收費系統全場景運用，優化操作流程、提升系統交易效率，是面臨的關鍵問題。

（3）針對收費系統節點多、覆蓋廣的特點，需要切實解決全范圍升級實施工期長、難度大的問題，降低實施運維成本，提升服務品質。

1.2 公路收費系統的信息化需求分析

面對現有收費軟件對主流操作系統和硬件配置兼容性不強、養護成本高、運行效果不佳等缺點，采用跨平臺開發工具，結合操作系統平臺差異，創新提出雙平臺智能兼容策略，實現了面向雙系統的跨平臺設計，通過基于收費系統全場景應用模型，結合高速公路多樣化車流結構，智能預判最優收費模式，實現收費全場景模式無縫切換，精準匹配調用不同設施組合，提高收費系統的工作效率。其次，采用模塊化結構設計，將系統模塊按功能做到了細分，降低了彼此之間的耦合性，結合一鍵式智能升級理念，依托收費專網，實現全網收費系統在線自動化升級，降低實施運維成本，提升服務品質[4]。

1.3 面向公路收費軟件的Linux系統及優勢

該文的公路收費系統軟件采用Linux操作系統作為軟件開發平臺，相比于Windows、FreeRTOS、μC/OS-Ⅱ等其他操作系統來說，Linux操作系統具有以下優勢：①高可用性；②易于維護；③免費開源。公路收費系統軟件通過PCIE驅動程序控制硬件實現數據分析處理、人機交互、接口調用等功能。因此該軟件應具備實時分析和數據處理能力，并保證軟件運行穩定及操作簡便。為滿足這些要求，該系統軟件采用Qt Creator開發工具和C++語言進行上層軟件的開發[5]。

2 基于Linux系統的公路收費系統研發

2.1 整機與硬件設計

該文采用硬件平臺化和軟件模塊化的總體設計方法，搭建了系統整機平臺，該平臺通過使用統一軟件接口進行數據接收和處理，可以實現對數據的采集、分析和識別等功能。為了建立高速公路硬件設施適配率測試模型，收集全省高速公路收費節點硬件設施品牌及參數，收集設備類型涵蓋收費車道工控機廠家、內存、磁盤、操作系統、I/O控制器、外接多串口卡、車牌識別攝像機、RSU天線、費顯、讀卡器、打印機以及計重設備。硬件設備如表1所示，硬件設備需要確保以下四個方面：

①硬件一定要確保穩定運作；②獲取的信息應當確保不會掉幀；③結果顯示及界面設計要更加適當以確保結論能夠合理顯現；④程序不能占用太多內存，防止軟件附載的操作程序不能穩定運作，從而無法精確刷新顯示結果。

2.2 軟件整體功能架構

采用跨平臺研發工具，結合雙操作系統平臺差異，模擬搭建雙平臺模擬試驗場景，滿足能夠同時基于雙操作系統進行部署實施，Linux環境下支持內核6.5以上版本，Windows環境應支持XP、Windows2003及以上操作系統。如圖1所示，系統業務架構主要包含以下幾方面[6]：

（1）系統通過統一接口與車道外接設備進行交互。

（2）業務層是系統的核心層，主要承載的業務包括：車道流程控制、移動支付、密鑰服務、設備控制、數據傳輸、工班管理、參數和配置管理、日志管理、系統管理、異常告警和輔助功能。

（3）系統在外部接口層為以后的擴展應用預留接口。

（4）系統主程序作為一個總協調的服務機制，對各層級的業務進行控制，并把控制的結果反饋到發出指令的功能模塊，實現車道系統總體的處理邏輯。

（5）配置管理進程，通過可視化的配置窗口來實現跨平臺混合車道系統的配置。

（6）安全防護機制全面保護車道系統的信息安全。

2.3 公路收費系統跨平臺智能兼容運用設計

根據跨平臺智能兼容的需求，滿足各種業務的便捷擴展接入，按多進程的方式進行總體架構設計，設計說明如下：

（1）設備控制層針對不同的設備進行模塊化設計，比如讀卡器控制模塊、天線設備控制模塊、計重設備控制模塊等，并通過統一的接口與硬件設備進行交互。

（2）車道主程序通過接收上位層的指令控制設備控制層，以達到外圍設備控制的目的。

（3）車道控制層和上位層通過網絡通信或者內存共享的形式進行數據同步。通過網絡通信形式，車道控制層部署在車道工控機，上位層部署在上一級系統；通過共享內存形式，車道控制層和上位層都部署在車道工控機，以達到靈活部署的效果。

（4）車道系統的業務處理邏輯和服務管理都處于上位層，如流程控制處理、業務流程控制、移動支付服務、密鑰服務等，上位層把處理的結果下發到車道主程序，從而實現車道系統的所有業務處理。

（5）設備控制層和上位層都有配置管理進程，通過可視化的配置窗口，輔以智能化的參數配置策略來實現系統的配置。

3 基于Linux系統的公路收費系統的應用

3.1 應用案例分析

山西省收費系統建設雖取得了不俗的成績，但隨著取消省界收費站工程啟動，全國聯網收費系統形成“一張網”收費模式后，對收費系統運行保障和網絡安全、系統協調一致性與更新頻次要求更加嚴格，而山西省收費系統沿用多年的架構設計，僅能依賴于早期操作系統，由于Windows平臺本身的限制，導致安全性差、費用高、維護困難等問題普遍存在，加之軟件底層開發語言和依賴環境的局限性，使軟件對現有主流操作系統和硬件配置存在兼容性不強，造成維護成本高，運行效果不佳等問題。

如圖2所示，基于Linux系統建立公路收費系統全場景智能匹配模型，其模型如下：

（1）創建基于收費系統全場景應用模型，模型場景涵蓋ETC專道、混合車道、人工收費車道三種車道收費場景，支持ETC、移動支付、現金全支付方式，覆蓋設備精準計費、省部級在線計費、全網最短兜底計費全計費類型，16類客貨車型結構，以及軍警、綠通、牽引拖掛車等幾十類特殊收費場景的模擬分析。

（2）通過全省收費數據后臺大數據模擬分析，結合高速公路多樣化車流結構與硬件環境，智能預判針對不同收費場景下的最優收費模式。

（3）通過系統智能選擇不同收費場景下的最優收費模式，實現收費全場景模式無縫切換，精準匹配調用不同硬件設施組合響應，提高收費系統的工作效率。

3.2 方案應用前景和價值

在現有收費模式與硬件環境不變的條件下，公路收費系統預期效果主要是構建一套基于Linux系統的跨平臺全場景收費系統，提升收費通行效率，人工收費效率提升30%，車輛通行時間降低至15 s內。

目前基于Linux下的收費系統應用還處于探索階段，國內僅有的幾款產品由于硬件兼容情況單一、系統流程地方個性化定制嚴重等問題限制了該系統的推廣應用。該項目在前期研究工作的基礎上，融合Linux系統跨平臺的硬件支持、完善的網絡功能、良好的穩定性、可靠的安全性等優點，克服了原有Windows系統安全性差、費用高、維護困難等問題，加之采用模塊化結構設計，優化軟件底層開發語言和依賴環境的局限性，從而使跨平臺全場景智能收費成為可能。因此，開展該項目的應用研究具有很強的前瞻性，將產生較強的技術領先優勢，隨著系統性能的完善，兼容硬件的不斷增加，該項目研究成果將在未來的市場競爭中處于優勢地位。

4 結論

公路收費系統是交通管理領域的重要組成部分，信息化發展是提高公路收費系統工作效率和服務質量的重要手段。Linux系統作為一種開源的操作系統，在安全性和穩定性方面具有優勢，因此選擇Linux系統作為公路收費系統的基礎平臺，提高了公路收費系統的信息化程度、收費效率和服務質量。未來可以進一步探索Linux系統在公路收費系統中的其他應用場景，并對相關技術進行進一步優化和改進。

參考文獻

[1]沈廉鋒. 高速公路收費系統的維護與維修技術[J]. 智能城市， 2021（16）： 109-110.

[2]張澤民. 全景一體化車型識別器在高速公路收費系統的應用[J]. 智能城市， 2021（19）： 122-123.

[3]段濤. 新收費體制下高速公路傳統稽核的缺陷與新系統的應用[J]. 黑龍江交通科技， 2023（9）： 180-182.

[4]李子倫. 高速公路收費數據人工匹配作業系統的設計與開發[D]. 北京：首都經濟貿易大學， 2022.

[5]樊升印. 基于視頻車牌識別技術高速公路聯網收費路徑識別系統的設計與實現[D]. 西安：長安大學， 2018.

[6]蘇鵬. 太佳高速公路收費管理系統的設計與實現[D]. 大連：大連理工大學， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者簡介：許樂（1980—），男，本科，工程師，研究方向：公路信息化建設。

基金項目：山西交通控股集團有限公司科技項目“基于Linux系統的跨平臺全場景收費系統研發與工程應用”（2021-JKKJ-18）。