基于信创技术的高速公路收费系统建设研究

基于信创技术的高速公路收费系统建设研究

孙振兴吉鉴江

（南京公路发展集团有限公司，江苏 南京 210033）

（南京积图网络科技有限公司，江苏 南京 211101）

摘要：高速公路收费系统采用美国intel公司的X86架构已沿用了20多年，基于当时的计算机性能和通信网络条件设计，按照管理模式分成收费车道、收费站、管理处、路段中心、联网中心多层体系。在收费系统软件层面，从最初的C/S架构，近年逐步增加了B/S应用，但系统关键核心部件长期被国外厂商垄断，一直存在信息安全风险高等问题。为确保所辖路段收费系统能够长期稳定、安全和可靠的运行，2022年中，南京公路集团联合相关单位进行核心技术攻关，开展基于“信创”技术的全国产化高速公路收费系统建设研究工作。

关键词：信创、高速公路；

国内信息化领域长期以来对海外产品的依赖度较高，以Intel Microsoft、Apple、Oracle为首的国外IT厂商在操作系统、芯片、服务器、智能终端等领域占据了国内市场的较大份额，与此同时，近年来信息泄露事件层出不穷，引起了社会的高度关注。2022年3月，交通运输部、科学技术部联合印发了《“十四五”交通领域科技创新规划》，提出了交通行业信息化发展要全面提升自主创新能力，升级信息基础设施，着力突破“卡脖子“技术难题，实现高水平科技自立自强”的具体要求。为贯彻落实相关文件精神，有效提升高速公路收费系统整体抗风险能力，2022下半年，南京公路集团启动了基于信创体系的高速公路收费系统建设研究工作，推动信创技术与交通行业的有机融合，全方位赋能交通信息化发展。

一、高速公路收费系统现状

高速公路收费系统由车道收费控制子系统、计算机子系统、视音频监视子系统、内部对讲子系统、安全报警子系统、UPS供电子系统及附属设施构成。其中收费软件必须具备离线收费的功能。

目前，国内高速公路收费系统均采用美国intel公司的X86架构，收费软件由前端道口收费程序、后台管理程序和数据存储三大部分组成，其中前端道口收费程序分为入口车道发卡程序和出口车道收费程序两类；后台管理程序至少具备通行卡管理、数据统计分析、图像稽查三个功能模块；数据存储分为站端服务器存储和分中心服务器存储两级。

二、现有系统的痛点

（一）信息安全隐患较大

当前系统并未建立在完全自主可控的软、硬平台之上，过度依赖国外厂商，信息安全只能被动防御，存在未知安全威胁随时爆发的风险。

（二）产业链降本增效困难

当前系统底层软、硬件都采购于国外厂商，随时受到国际形势动荡影响且采购、维护以及服务成本较高，且随时面临价格钳制。

（三）日常运维对接复杂

运维方需对接众多设备供应商，平台集成度不高，外设对接复杂，接口不统一，工作界面相互交叉，系统造价高。

三、信创技术研究的基础

2022年以来，国内江苏、陕西等省份高速公路行业率先开展交通信创方面的研究。其中，航天科工706研究所承担了江苏省工信厅关于交通信创先导区的核心项目，主要建设方向为交通行业的“高速公路信创卡口改造”，江苏宁沪高速在南京主线站开展信创技术试点工作，南京公路集团在所属殷巷、东善桥2个站点进行了信创技术的实测应用，通过开展信创基础研究，为接下来的全面替代奠定了基础。

（一）收费应用软件实现平滑迁移

在殷巷收费站顺利完成了高速公路车道收费软件，从美国intel公司的X86平台向ARM平台的适应性改造和迁移，并经过试运行，能够保证其在新平台上的平稳运行。

（二）国产硬件设施具备替代能力

在硬件设备方面，通过在东善桥站的试运行，国产飞腾系列的CPU、国产操作系统的服务器、存储系统、工控计算机等设备已经能够完全替代原有使用进口技术的服务器、存储系统等硬件设备。

（三）国产基础软件具备替代能力

在基础软件方面，国产较为成熟操作系统、数据库、中间件和桌面应用软件成功替代进口的同类产品。

（四）国产网络安全设备配套完善

在安全保障方面，依托现有的安全保障体系，促进完善与安全可靠应用系统相配套的安全防护措施和测评标准，可确保收费应用系统符合国家等级保护、分级保护、密码应用安全保护要求，全面提升安全可靠信息产业的软硬件产品质量和性能、新技术应用、系统集成能力、产业配套服务能力，健全配套政策措施。

图1信创国产软、硬件产品

四、研究的主要内容

（一）研究原则

1、全面提升交通运输自主创新能力，强化基础研究和应用基础研究，突破关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术，实现高水平科技自立自强。

2、聚焦国家战略、经济发展和人民美好生活需要，充分发挥交通运输以应用为主的特性，加快推动新一代信息技术、新能源、新材料等与交通运输融合发展。

3、严格遵守《江苏省高速公路联网收费技术要求》，兼顾前期试点建设成果，统筹考虑，关注产品选型，应用互联互通，保证网络设备、安全设备、应用系统等的兼容性。

4、满足用户单位的实际需求，遵循交通营运管理和标准规范，符合现场人员的使用习惯，体现以人为本的设计思想。

5、按照国家安全保密有关要求，涉密按照分级保护防护标准进行设计，非涉密按照等级保护防护标准进行设计。安全设备和密码设备选择符合相关部门认证的产品。

（二）架构设计

信创收费系统的总体设计架构以“感知、计算存储、通信网络基础设施集约建设、资源共享利用”为根本，总体架构由“五横两纵”构成，“五横”按照功能划分为“国产化软硬件底座、国产数据库、国产中间件、应用系统和系统用户”；“两纵”包括信息安全标准、运营管理和标准规范。

图2收费系统总体架构设计

收费系统业务架构包含收费车道、站端管理、电子值机、交易对账、稽核、数据交互系统等，能够实现卡口前端设备控制、收费缴费、营运数据录入、比对、报表生成、统计分析、图像调取等功能。

以较为成熟的国产操作系统、数据库、中间件替代现状非安全可靠同类产品，实现自主知识产权，提升系统防护能力，保障行业数据和企业经营数据安全，提升抗网络攻击能力。

（三）硬件拓扑

高速公路收费系统硬件设备主要部署在收费岛、收费车道、收费亭以及收费站控制室。其中收费岛主要用于部署各类杆件、摄像头以及显示器等设备。收费车道主要用于部署各类线圈、称重和天线等设备。收费亭主要用于部署各类打印机、IC卡读卡器、收费键盘、对讲器和显示器等设备。收费站控制室主要用于部署服务器、管理机、打印机等设备。

针对服务器、收费管理计算机、工控机等设备进行全国产化升级改造，避免过度依赖国外厂商，避免供应链被限制、被断货等风险，降低系统运行成本。

图3收费系统硬件拓扑图

（四）系统软件设计

1、基于信创软件平台的系统对接工作主要包括：信创开源软件开发、硬件接口开发、异常情况下数据备份机制、基于原有系统数据库的应用研究、安全性研究。

2、收费车道系统软件功能主要包括：记录发卡缴费的操作过程，在收费显示器上显示应收金额；在视频图像上叠加每辆车的收费信息；向网络服务器发送收费员上下班信息及收费数据；自动检测网络故障、IC卡读写器故障；数据多级备份(硬盘、电子盘、虚盘、服务器)；打印通行费票据；控制电动栏杆抬起和落下；对通过车道的车辆计数；对异常车辆报警。

3、车道收费的云边协同管理系统的主要功能包括：建立对系统运行态势、终端外设、票卡存量等实时状态的远程监测能力；收费车道收费信息的实时统计，含过车数、通行费、平均过车时间等；收费车道实时视频监控；车型、车牌、轴重等特情远程在线处置；司乘与远程值守人员音视频互动；提供通行大数据支撑能力，辅助车辆车型、限重等收费要素判定。

4、站级收费软件需要增加的功能包括：基于信创的收费车道报表统计软件；基于信创的收费车道数据监视软件；基于信创的收费车道的特情稽查软件；数据查询检索软件（IC卡的流通路径、汇总、排序）；收费稽查软件（图像查询）；基于信创的收费车道通行卡管理软件；按键查看软件；其他辅助工具（参数下发、收费员管理、操作员管理）。

5、其它软件开发工作包括：北斗授时接口同步开发；外设故障报警监控；信息共享系统等。

五、项目创新

（一）关键核心技术创新

1、国产自主可控

飞腾腾锐D2000是飞腾新一代高效能桌面CPU，集成了8个飞腾自主研发的高性能处理器内核FTC663，兼容64位ARM指令集，主频2.3GHz，功耗25W，集成丰富I/O接口，访存带宽达18.7GB/s。车道智能控制器具备强大算力和丰富的接口，通过串口和USB口可拓展外联控制设备，应对复杂场景下性能、功能和安全可信要求。

2、多场景适配

为实现高速公路收费站全场景下的国产化改造，车道控制器作为最重要的管控设备向上需要兼容各类基础软件与业务系统，向下需要兼容品类众多的外设产品。在基础软硬件方面，车道控制器已与麒麟操作系统、达梦数据库等国产化软件完成适配；在业务系统方面，车道控制器已完成与计费服务系统、数据交互系统、运维检测系统等多类业务系统的适配，能够支撑高速缴费全流程；在外设方面，车道控制器通过多类型、多数量标准化接口设计，实现与摄像机、读卡器、自动栏杆机、雨棚信号灯等绝大多数外设产品的兼容适配。

3、功能扩展可定制

5G通讯功能。增加具有高速率、低时延和大连接特点的5G模块，基于NFV/SDN，实现硬件和软件解耦，实现控制和转发分离，并且支持边缘计算，云计算平台下沉到网络边缘，支持基于应用的网关灵活选择和边缘分流，满足灵活多样的物联网需要。AI处理功能。通过适配RK1808 AI芯片，实现AI处理功能。通过硬件VPU实现1080P H.264视频格式的DEcoder和Encoder；通过硬件VAD实现音频信号输入。

（二）技术先进性水平

1、安全自主可控新高度

全面提升信息安全管理和技术防护能力，保证系统安全性，保障隐私数据的安全、企业经营数据的安全。在车道控制器可靠性方面，具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，外壳材质选用强度、刚度高的硬铝系列，设计合理的厚度，增强外壳整体的刚度和强度，提高整机设备的抗冲击能力。

2、新型技术赋能新服务

在准自由流无感通行、云边协同的收费平台搭建等方面提升服务能力和水平，同时满足精准感知、精确分析、精细管理和精心服务等时代要求。由于车道控制器采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，未来新技术引进时，已为5G通信、边缘计算预留功能接入接口，能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种车道控制器操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

3、综合成本控制新方法

基于国产软硬件系统的升级优化与当前设计方案兼容，具备较高的可推广性。利用现有车道设备进行国产化设备的平滑替代，有效减少车道系统及道路基础设施的改造升级维护成本。

六、结论

（一）经济效益

基于信创技术的高速公路收费系统与原有系统相比，控制与收费业务分离，系统维护起来更便捷。车道级设备的功耗仅为原有设备的十分之一，以6条车道的标准收费站为例，预计年均可节约用电量约1.5万度。另外由于系统运行流畅，通行效率更高，车均可节省约1.5秒。在节能增效的基础之上助力司乘低碳绿色出行。

（二）社会效益

随着我国高速公路建设和管理的不断发展，高速公路已不仅仅是客流和物流的载体，在现代物流、信息流、商业流、金融流和文化流的高速运行中也扮演着越来越重要的角色。高速公路智慧收费系统的建设，对内可以提高高速公路运营企业的管理水平，降低安全风险，对外也能够进一步提升人民群众 “快速畅行体验感”和“品质服务体验感”，产生巨大的社会效益。

（三）综合论证

“交通+信创”是交通强国试点和交通运输现代化示范区建设的重要支撑。通过打造信创技术的新一代收费系统，可有效提高车道通行效率，改善通行环境，提升收费站服务水平，节约运营成本，达到降本增效提质的目标。

参考文献：

[1] 高速公路收费数据管理系统. 林定光;陈俊.中国交通信息化,2021.

[2] 高校收费网络化管理系统的设计. 卢建鸿;李冰.韩山师范学院学报(自然科学),2006.

[3] 广东开阳高速公路有限公司智能化综合管理系统. 杜军.公路,2003.

[4] 云南省高速公路电子不停车收费数据清分结算管理系统（CSS）的研究与分析. 崔雪梅.云南大学,2017.

[5] 测试收费系统的设计与实现. 戴莹莹.吉林大学,2016.