高速公路收费电子融合支付系统研究

卢琛琛 曾宇凡 潘洪强

摘要：文章通过微服务架构体系设计将ETC支付及移动支付应用进行整合，重点设计了通用组件服务、支付服务、用户中心服务、通行交易服务等微服务应用，通过容器平台部署模式实现快速部署与扩展，减少微服务系统运维压力，并通过性能测试验证该高速公路收费电子融合支付系统可提供可靠、高效、灵活的高速公路收费服务支撑。

关键词：ETC支付；移动支付；融合支付；微服务；容器

中图分类号：U412.36+6A541823

0引言

高速公路不停车通行费电子支付系统（ETC）［1］是目前世界上先进的电子支付系统，是促进国家、区域经济社会发展和交通一体化的需要，是解决高速公路收费站交通拥堵，促进节能减排，构建畅通、便捷、安全、高效、绿色的公路交通运输服务体系的重要举措。移动支付［2］是指客户利用手机等电子设备来通过互联网将终端设备、交易数据、金融账户有效地融合起来，形成一个复杂多元化的支付体系。根据国务院《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》与交通运输部《关于大力推动高速公路ETC发展应用工作通知》要求，2020年全国已经依托ETC收费系统实现高速公路联网收费，同时实现手机移动支付在混合收费车道的全覆盖。为此高速公路收费系统正在探索ETC和移动支付融合［3］，以适应更多客户支付需求，提升高速公路收费管理水平。为实现高速公路ETC和移动支付融合，需要建立一套高速公路收费电子融合支付系统，以支撑不同支付场景下的业务需求。当前高速公路收费电子支付存在的最大问题是面对不同的支付场景和支付渠道业务背景下，支付体系的融合度不高，各种支付系统和高速公路通行交易系统的对接分散杂乱，没有形成统一的高速公路收费电子支付架构体系；高速公路收费电子支付服务应用没有能够很好地满足高速公路运营管理单位的业务需求；高速公路收费电子支付的部署和拓展性能不足，不能很好地满足当前高速公路收费电子支付发展需求和高并发的业务需求。

因此，本文将从高速公路收费电子融合支付系统的架构设计、关键微服务模块设计开发、容器平台部署及性能调优等几个方面搭建高速公路收费电子融合支付系统，实现高速公路收费电子支付统一的架构系统，满足当前业务需求和未来发展需要，达到当前及未来一段时间内的高速公路收费电子支付的高并发性能要求。

1系统架构体系

高速公路收费电子融合支付系统通过将高速公路ETC支付及移动支付两种业务场景，在用户在高速公路清分交易系统产生交易业务时需要的记账、请款、扣款等处理流程通过统一的电子融合支付系统进行整合。高速公路收费电子融合支付系统如图1所示。

本文融合支付系统采用了微服务框架进行设计。微服务架构设计是把系统中的应用进行细化拆分，构建出不同的服务套件进行组合，由一組微型的服务程序组成单体应用，里面的每个微服务都是独立运行在进程中，微服务与微服务之间采用轻量级的通信机制来进行沟通。每一个服务都是围绕具体的业务进行构建，每个微服务都是独立部署和独立扩展，每个微服务还遵循低耦合原则对外提供接口，不同的微服务甚至可以使用不同的编成语言。用户发起交易时经由高速公路清分交易系统发行支付扣款请求至高速公路收费电子融合支付系统中的API网关［4］，进行认证鉴权、负载均衡分配、限流控制、熔断控制等逻辑处理。本文设计的主要微服务架构、微前端、微后端分离等架构如图2所示。系统主要包括支付业务接入网关、多个通用服务组件、统一权限管理、支付服务应用、用户中心服务、通行交易服务、查询服务、数据存储、关系数据库、文件服务器、缓存数据库、日志存储等。

通过本文中的高速公路收费电子融合支付系统架构设计的实现，微服务架构整合不同应用服务系统将高速公路收费电子支付服务应用场景中的银行系统、互联网合作方、微信、支付宝、银联、自有账户等多种支付场景和系统对接进行了统一管理及接入归并，将不同渠道不同场景的支付应用进行了融合。

2关键微服务模块设计开发

通用组件［5］是指在系统应用服务中比较稳定的高复用模块，主要包括：（1）common-core，提供共用配置和工具类，包括web配置、json序列化配置、文本处理工具等；（2）common-uid，全局分布式ID生产器，基于snowflake算法，支持自定义时间戳、工作机器id和序列号等各部分的位数，以应用于不同场景；（3）common-api，提供公共远程调用，包括获取用户基础信息、授权信息、应用信息接口；（4）common-security，公共认证、授权服务；（5）common-log，通用日志拦截，远程存储；（6）common-jpa，通用JPA实体配置，统一命名规则，统一ID、创建人、创建时间、最后修改人、最后修改时间字段名称。

支付服务作为高速公路收费电子融合支付系统的核心服务，需要实现多样化的支付体系对接，支付渠道对接需实现可配置，支付订单分类汇总，上游支付渠道交易订单实现自动化对账、结算等主要功能。还需要对接各种业务支撑系统，如账户体系、用户体系支撑系统、通行交易系统等其他核心支撑系统。为确保通行交易数据和资金的正常流程，降低资金交易存在的风险，支付服务同时还需要提供统一的支付接口，为其他相关业务系统的支付业务进行调用。

账户体系、用户体系支撑系统负责针对不同接入渠道的用户数据进行管理，包括用户个人隐私信息数据、用户通行交易数据等，并能够标记分类不同接入渠道，选取用户ID作为主键唯一标识，用户身份证号、联系方式作为数据表中的关联字段，统一实现用户可用一套账户体系在多个系统端单点登录。还能够实现统一的查询接口，支撑其他获得授权的应用系统进行用户数据查询。

通行交易系统负责根据不同类型的交易业务，生成交易订单数据，可以根据不同的用户ID、不同的业务分类进行处理。以交易订单ID作为主键，以时间戳信息字段作为关联查询字段，保证用户交易订单通过不同渠道进行支付，均可在全系统内部实现查询及处理，还需要为管理后台和前端服务提供订单查询接口，满足前后台的管理和服务需求。

对账结算系统主要是实现支付渠道实收数据和业务系统交易订单数据进行汇总校对，实现对账结果自动反馈及异常提示，能够对正常的对账结果和异常的对账结果进行分类处理，实现对账报表自动生成，提高业务人员和财务管理人员的核对工作效率。

日志服务［6］将接收到的日志存储到Kafka集群，由Logstash去消费Kafka队列中的消息，解析之后存入ElasticSearch集群中，通过Kafka消息队列的方式缓解系统高并发的数据存储压力，使用ElasticSearch集群存儲、搜索和分析大量日志数据。日志服务实现如图4所示。

高速公路收费电子融合支付系统将支付服务、账户体系、用户体系支撑系统、通行交易系统、对账结算系统、日志服务等业务服务应用进行重新梳理，根据高速公路运营管理单位的业务需求进行重新优化，实现了更加优化高效的高速公路收费电子支付应用服务功能。

3容器平台部署

本文设计的高速公路收费电子融合支付系统采用微服务容器平台部署模式。容器部署具有极大的方便性，能够实现快速部署与扩展，减少微服务系统运维压力。本文设计的系统采用的容器平台基于Kubernetes［7］构建，根据Kubernetes系统架构主节点至少部署两台服务器。主节点：管理节点，主要实现容器集群中的资源调度，节点状态监测、更新、回滚以及自动扩展等。工作节点：容器运行的主机，主要实现镜像管理和pod以及容器的正在运行，还需要负责容器内的负载均衡资源支撑。存储：关系数据库基于原有数据库，采用集中存储。日志、图片、文档等文件存入分布式数据库。

通过将高速公路收费电子融合支付系统采用微服务容器平台部署模式，满足了高速公路收费电子支付系统的快速部署和灵活调度的需求。

4系统测试与结果分析

系统测试是验证系统设计功能是否满足需求，系统技术性能是否达到指标要求，本文主要是针对多渠道多场景高速公路收费融合支付功能前提下的性能测试。性能测试的重点是以Nginx和Spring Cloud网关的性能测试进行分析。Nginx是一个轻量级高性能、高并发、高可用的代理服务器，可作为网关服务器承载整个支付系统的访问流量，因此Nginx的性能配置和优化至关重要。

本文采用模拟广西高速公路收费交易并发量，请求交易数据通过HTTP协议POST方式发送支付请求，按照广西高速公路收费交易100万笔测算，平均每秒并发交易数据超过12笔，高峰期每秒并发交易数据超过50笔。为充分验证系统性能本文测试中采用Apache JMeter［8］测试工作进行性能压力测试，模拟请求每秒100、1 000、2 000并发压力测试。压力测试结果如表1所示。

性能测试结果证明，本文设计实现的高速公路收费融合支付系统能够充分满足广西全区高速公路收费交易的并发量。

5结语

当前我国高速公路通行费交易支付已经开始进入电子化时代，依托ETC收费系统实现全国高速公路一张网运行的格局已经基本成型，以移动支付为补充支付手段的MTC收费也已经成为高速公路收费电子支付的重要组成部分。本文设计实现的可靠、高效、灵活、集成的高速公路收费电子融合支付系统统一了多场景多渠道下的高速公路收费电子支付应用架构，能够充分适应当前高速公路收费电子化发展的要求，达到了高速公路运营管理单位的业务要求，拓展了高速公路收费的服务场景，显著提升了高速公路收费系统资金支付的集成化水平和工作效率。

参考文献

［1］交通部公路科学研究院，北京交科公路勘察设计研究院.全国高速公路电子不停车收费联网总体技术方案［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［2］中国支付清算协会.中国支付清算行业运行报告（2017）［M］.北京：中国金融出版社，2017.

［3］蔡亚楠.基于微服务的软件体系结构设计方法研究与应用［D］.北京：北京邮电大学，2019.

［4］刘金秀，陈怡华，谷长乐.基于Nginx的高可用Web系统的架构研究与设计［J］.现代信息科技，2019，3（11）：94-97.

［5］马雄.基于微服务架构的系统设计与开发［D］.南京：南京邮电大学，2017.

［6］巫辉强.基于ELK与kafka的分布式工业日志系统的设计与实现［D］.广州：华南理工大学，2019.

［7］严丽云，何震苇，杨新章，等.基于Kubernetes的容器化数据库及其集群方案［J］.电信科学，2018，34（12）：163-171.

［8］佘青.利用Apache Jmeter进行Web性能测试的研究［J］.智能计算机与应用，2012，2（2）：55-57.

作者简介：卢琛琛（1980—），在职研究生，高级工程师，主要从事高速公路智能收费系统、智慧交通信息化建设、ETC应用与拓展等领域的研究、设计和管理工作。