微服务在智慧高速公路收费系统中的应用研究

文｜福建省三明高速公路有限公司 阳盛庆

1.福建省高速公路联网收费现状

截止2021年为止，福建省在全国联网收费建设运营工作取得了突出成就。各项指标名列前茅。全省一共建立了929 套ETC 门架系统、1626 条收费站ETC 车道改造以及321 出入口称重检测系统，ETC 车道覆盖率达 100%，各项工作排名全国前列。同时也建立了完善的路网运行监测系统。整个福建省共安装了2.3 万多套摄像机、62套一类交调站、573 套车辆检测器。60 个交通气象自动观测站点、4 套“交通安全预警系统”搭建路网管理可视化平台，实现了运营业务数据信息资源跨部门、跨区域的有效联系。

福建省高速公路联网收费系统在经历人工收费、半自动收费以及全国一张网收费三个阶段后，正处于以ETC 收费系统为主的全国联网收费阶段。虽然建立了比较完善的收费系统，但仍然存在着一定问题，具体现状如下：

1.1 收费系统架构契合度较高

在福建省高速公路系统架构中，包括核心收费模块、收费应用模块以及联网搜查模块等多种系统功能，这些系统功能虽然能够丰富收费系统的内容，使收费系统处于合理的管辖下，但这些功能模块在同一个体系架构内，起到了互相牵制以及影响的效果，使得收费系统业务逻辑比较复杂，影响了整体的收费效率。

1.2 收费系统本地化部署

目前福建省高速公路收费系统中计费模块完全集成于车道软件中，主要被内部的函数所调用。而收费系统在信息技术发展的影响下，处于不断的升级当中，增加了各种新的功能，因此需要投入的资源成本越来越多，系统部署工作也比较复杂，出现了成本较高、运营管理难度较大的问题[1]。

1.3 系统集成商数量较多，管理难度较大

目前在福建省高速公路路网中，存在多个系统集成商，并且每个集成商有着独立的计费方式以及收费流程，导致出现管理复杂，对同一功能需求理解不统一从而产生收费异常的现象，不仅提高了建设周期，同时也增加了运营成本。

1.4 收费系统架构主要以C/S 为主

由于注重集中式的软件服务体系，使得现有的收费系统无法对信息集成技术进行有效应用，严重制约了全省高速公路收费系统的标准化、模块化以及信息化的发展的方向，同时也直接影响着高速公路“营改增，精确路径”等项目的设计[2]。

2.微服务架构特点与基本类型

2.1 微服务架构特点

目前在高速公路收费系统中，对于微服务的应用处于初级阶段，同时对微服务还没有形成统一、标准的定位。一般来讲微服务架构属于一种架构模式，其主要目的是将软件中各种单一的应用程序直接划分成不同的服务功能，并且每一个服务功能都有着不同的内容，有着独立的进程，彼此之间起到相互配合、协调的作用。另外各个服务功能之间采用着轻量级的通信机制，以便进行更好的沟通。在HTTP 中的RESTFUL APL 系统软件的影响下，不同服务模块之间需要围绕着具体业务内容进行构建，才能更好的应用到高速公路收费系统中。最后在对收费系统进行设计时，尽量避免出现统一集中的服务管理机制，防止降低信息处理的效率。结合高速公路收费系统的实际情况，选择更加合适的功能内容，然后采用不同的软件系统进行构建，或者使用轻量级的集中式管理去协调这些服务功能，具体特点内容如图1所示。

图1 微服务架构特点图

从图中可以看出，微服务在小服务范围中并没有特定的标准以及规范，但是各个服务内容在总体规模上一定最小，为了保证进程能够独立，要求每个服务内容都是独立运行的，并且通过进程方式，不断横向扩展整个服务内容。以往的系统软件会经常考虑到各种各样的依赖关系，而微服务架构的应用更加重视系统业务的逻辑开发。另外最重要一点微服务架构模式的应用更加体现出无集中式管理的特点，以往软件功能中的企业级SOA 服务功能模块较大，不容易进行统一管理，并且开发成本相对较高。微服务的应用可以让各种信息技术得到有效利用，不同服务功能可以根据不同地区的需要，去选择更加合适的技术来实现其业务逻辑。由于不同服务分配到多个不同的独立进程执行，因此对集中管理服务的应用意义不大，只需要提供好各个服务模块的监控即可[3]。

2.2 微服务选择类型

实现微服务的软件架构有许多种，其中最为常见的为Spring Cloud 平台，Spring Cloud 主要为分布式系统，能够为微服务提供更加简单的编程模型，操作性上更加简单，可以直接帮助技术人员建立起有效的应用程序，为后续工作开展打下良好基础。Spring Cloud 主要由服务注册中心集群、配置中心集群以及服务提供方集群所组成，服务注册中心集群一般是对来往车辆进行注册，配置中心集群主要对车辆信息进行配置，而服务提供方集群主要为各类服务提供实例。

3.微服务在高速公路收费系统中的具体应用

3.1 微服务在高速公路收费系统中的优势

（1）提高对复杂程度的控制

通过对微服务架构的应用，在很大程度上解决了高速公路收费比较复杂的现象，将收费系统中的整体应用程序分解成不同的服务功能，虽然整体的功能数量以及内容保持不变，但应用程序已经被划分不同的管理模块和服务模块，并且每一个服务模块都通过RPC 以及API 的形式进行固定，形成了一种明确的边界，将整个收费系统的整体复杂程度进行降低[4]。

（2）独立性较强

在整个微服务架构中，每个服务功能都能够进行独立开发，同时技术人员可以根据当地的实际状况，对任何有用的技术进行合适选择，只要保证该服务类型能够符合API 技术的规则要求即可。

（3）技术性更加灵活

微服务之间的耦合程度较低，需根据不同的特点，选用最合适的技术，技术人员可以使用当前先进的技术手段，保持良好的固定性，并且在技术类型选择方面也更加的灵活。

（4）实用性更强

微服务架构模式的应用可以使系统中的各个模块独立进行扩展，根据不同服务功能模块的实际规模进行重新配置，然后再满足不同需求的规模。或者可以使用更加适合于服务资源需求的硬件设备，为系统功能的提升创造良好条件。

3.2 高速公路收费系统的总体架构

通常高速公路收费系统基本构架如图2所示。

图2 高速公路收费系统基本架构

从图中可以看出，网络传输速度在满足最基本要求的前提下，并且保证传输速度足够稳定，就能够将多级系统直接转化成云中心以及车道两级系统。为了进一步解决车道系统可能存在计算压力过大的现象，在保证信息充足的情况下，技术人员需要将所有车辆路径以及收费费率进行推算，使车道系统能够一直保持着较为复杂的计算功能，然后再输送到中心端去完成。当车道系统需要利用该功能时，便会迅速对信息数据展开查询，在取得最终结果后进行交易。

一般情况下大部分数据信息会直接储存在车辆ETC 卡中，利用车道系统完成本地的处理。由于行驶的车辆较多，导致每天的交易数量较大，车辆在行驶的过程中又会和当地多个门架进行交互，因此有相当一部分数量的交易信息不够完整，从而无法完成对车道的计算，因此在这种环境下必须通过云计算服务的形式进行查询，以保证信息的完整程度。

通过对云计算服务的应用，可以根据车道系统所上传的ETC 卡信息，去寻找近一段时间内所有相同卡号以及车牌相同的行车记录，通过一定的排列组合关系去模拟出不同车辆的行车路径，然后再从费率表中去仔细查询所收取的金额，在去寻找其他的数据信息，最终计算出收费记过。

3.3 微服务在高速公路收费系统中的具体设计

（1）路径拟合功能设计

路径拟合功能设计主要有两种不同计算方案，首先是根据门架的连接关系进行算法拟合。利用收费系统中的计算功能模块对车辆的入口信息进行收集，然后计算出车辆前一门架到当前门架经过的路径信息。如果存在门架丢失的现象，需要根据门架之间的连接关系进行路径还原，保证整个计算过程能够顺利进行。在计算出每个车辆的最优路径后，需要储存到系统当中，在计算费用时需要判断前一个门架和当前门架之间是否存在遗漏的现象，如果不存在遗漏的现象，则可以直接进行计算。利用门架连接关系进行计算，能够及时处理封闭路段、特殊路段的交通信息。

其次是利用计费表进行拟合，利用现有的计费表提前增加当前门架和前三个门架之间的关系，以此确认门架是否存在遗漏现象，如果存在遗漏现象则要立即进行补充，防止出现交易金额缺失的现象。利用计算变量进行算法拟合，最大优点就是使用更加方便，对于模块算法不需要做出过多的调整，但是在面对反向标识、枢纽标识等异常现象时，门架关系表的生成需要进行反复测试，以此来保证关系表的准确程度。

（2）基础支撑算法设计

基础支撑算法设计需要对图形结构有着一定了解与掌握，在图形结构的基础上对车辆通行费用进行快速处理，在保证路径还原以及处理计算的过程中，面对车辆最佳路径的选择，一般是通过对广度优先搜索算法的应用，得到车辆的最佳路径。比较常用的是Floyd算法以及Dijlkstra算法，Dijlkstra 算法一般都是选择车辆里程中的最小节点进行处理，从而产生最优的路径解。Floyd 算法通常应用于路径拟合的过程中，并需要反复的进行使用，以收费站、门架作为顶点，计算得出收费站与门架、门架与门架之间的最佳路径。

4.结语

综上所述，本文结合福建省高速公路收费系统，对微服务在智慧高速公路收费系统中的应用进行分析，现如今在高速公路运营服务的发展过程中，最为关键的是高速公路收费系统的完善，并要保证收费系统的精确化程度。随着信息技术的不断发展，高速公路手段未来将和金融服务系统保持一致，提供实时收费服务，从而更加方便人们的出行。