基于Linux系统的公路收费系统信息化研发与应用

许乐 路璞 郭建飞

摘要 随着交通运输的不断发展，公路收费系统在我国被广泛应用于高速公路和收费站。然而，以往的收费系统中存在信息化程度低、效率低下、运营成本高等问题。因此，文章研发了一套基于Linux系统的信息化公路收费系统。首先，通过调查和分析用户的需求以及现有系统的未完善之处，确定了改进公路收费系统的需求。其次，基于Linux系统进行了公路收费系统的研发，通过对Linux系统的深入了解和研究，设计了适用于公路收费系统的硬件和软件架构。最后，对新开发的公路收费系统进行了验证。通过实验和数据分析，证明了新系统能够提高收费效率和準确度，为公路收费系统的信息化发展提供了一种有效的解决方案。

关键词 Linux系统；公路收费系统；信息化研发；应用

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0019-03

0 引言

随着交通运输的不断发展，公路收费系统的信息化需求日益增长。公路收费系统在我国的高速公路和收费站广泛应用，但在以往的系统中存在信息化程度低、效率低下、运营成本高等问题[1]。因此，该文旨在研发一种基于Linux系统的公路收费系统信息化方案，并应用于现在的公路收费系统中，提高公路收费系统的运行效率和服务质量。通过对用户需求和现有系统不满意之处的调查与分析，将现有的人工操作转变为电子化操作，提高收费效率和精确度[2]。Linux系统因其开放性和灵活性而成为本系统的最佳选择。通过对Linux系统的深入了解和研究，构建了适用于公路收费系统的硬件和软件架构。

1 公路收费系统的问题与需求分析

1.1 现有公路收费系统存在的问题

通过调查用户的需求和对现有系统的缺点，以往的收费系统中存在信息化程度低、效率低下、运营成本高等问题。需要确定改进公路收费系统的关键点，即提高信息化程度。具体主要存在的问题如下[3]：

（1）由于现有收费系统仅能依赖于早期操作系统，受到Windows平台本身的限制，导致安全性差、费用高、维护困难等问题普遍存在，加之软件底层开发语言和依赖环境的局限性，使软件对现有主流操作系统和硬件配置兼容性不强，造成维护成本高。如何实现收费系统面向Linux和Windows跨平台设计兼容，切换解决系统安全应用风险，解决维护困难，降低运营成本，成为现在系统设计的主流。

（2）现有收费系统一直沿用以前的软件架构及底层代码逻辑，导致系统交易效率低、运行不稳定，如何应对现有收费系统全场景运用，优化操作流程、提升系统交易效率，是面临的关键问题。

（3）针对收费系统节点多、覆盖广的特点，需要切实解决全范围升级实施工期长、难度大的问题，降低实施运维成本，提升服务品质。

1.2 公路收费系统的信息化需求分析

面对现有收费软件对主流操作系统和硬件配置兼容性不强、养护成本高、运行效果不佳等缺点，采用跨平台开发工具，结合操作系统平台差异，创新提出双平台智能兼容策略，实现了面向双系统的跨平台设计，通过基于收费系统全场景应用模型，结合高速公路多样化车流结构，智能预判最优收费模式，实现收费全场景模式无缝切换，精准匹配调用不同设施组合，提高收费系统的工作效率。其次，采用模块化结构设计，将系统模块按功能做到了细分，降低了彼此之间的耦合性，结合一键式智能升级理念，依托收费专网，实现全网收费系统在线自动化升级，降低实施运维成本，提升服务品质[4]。

1.3 面向公路收费软件的Linux系统及优势

该文的公路收费系统软件采用Linux操作系统作为软件开发平台，相比于Windows、FreeRTOS、μC/OS-Ⅱ等其他操作系统来说，Linux操作系统具有以下优势：①高可用性；②易于维护；③免费开源。公路收费系统软件通过PCIE驱动程序控制硬件实现数据分析处理、人机交互、接口调用等功能。因此该软件应具备实时分析和数据处理能力，并保证软件运行稳定及操作简便。为满足这些要求，该系统软件采用Qt Creator开发工具和C++语言进行上层软件的开发[5]。

2 基于Linux系统的公路收费系统研发

2.1 整机与硬件设计

该文采用硬件平台化和软件模块化的总体设计方法，搭建了系统整机平台，该平台通过使用统一软件接口进行数据接收和处理，可以实现对数据的采集、分析和识别等功能。为了建立高速公路硬件设施适配率测试模型，收集全省高速公路收费节点硬件设施品牌及参数，收集设备类型涵盖收费车道工控机厂家、内存、磁盘、操作系统、I/O控制器、外接多串口卡、车牌识别摄像机、RSU天线、费显、读卡器、打印机以及计重设备。硬件设备如表1所示，硬件设备需要确保以下四个方面：

①硬件一定要确保稳定运作；②获取的信息应当确保不会掉帧；③结果显示及界面设计要更加适当以确保结论能够合理显现；④程序不能占用太多内存，防止软件附载的操作程序不能稳定运作，从而无法精确刷新显示结果。

2.2 软件整体功能架构

采用跨平台研发工具，结合双操作系统平台差异，模拟搭建双平台模拟试验场景，满足能够同时基于双操作系统进行部署实施，Linux环境下支持内核6.5以上版本，Windows环境应支持XP、Windows2003及以上操作系统。如图1所示，系统业务架构主要包含以下几方面[6]：

（1）系统通过统一接口与车道外接设备进行交互。

（2）业务层是系统的核心层，主要承载的业务包括：车道流程控制、移动支付、密钥服务、设备控制、数据传输、工班管理、参数和配置管理、日志管理、系统管理、异常告警和辅助功能。

（3）系统在外部接口层为以后的扩展应用预留接口。

（4）系统主程序作为一个总协调的服务机制，对各层级的业务进行控制，并把控制的结果反馈到发出指令的功能模块，实现车道系统总体的处理逻辑。

（5）配置管理进程，通过可视化的配置窗口来实现跨平台混合车道系统的配置。

（6）安全防护机制全面保护车道系统的信息安全。

2.3 公路收费系统跨平台智能兼容运用设计

根据跨平台智能兼容的需求，满足各种业务的便捷扩展接入，按多进程的方式进行总体架构设计，设计说明如下：

（1）设备控制层针对不同的设备进行模块化设计，比如读卡器控制模块、天线设备控制模块、计重设备控制模块等，并通过统一的接口与硬件设备进行交互。

（2）车道主程序通过接收上位层的指令控制设备控制层，以达到外围设备控制的目的。

（3）车道控制层和上位层通过网络通信或者内存共享的形式进行数据同步。通过网络通信形式，车道控制层部署在车道工控机，上位层部署在上一级系统；通过共享内存形式，车道控制层和上位层都部署在车道工控机，以达到灵活部署的效果。

（4）车道系统的业务处理逻辑和服务管理都处于上位层，如流程控制处理、业务流程控制、移动支付服务、密钥服务等，上位层把处理的结果下发到车道主程序，从而实现车道系统的所有业务处理。

（5）设备控制层和上位层都有配置管理进程，通过可视化的配置窗口，辅以智能化的参数配置策略来实现系统的配置。

3 基于Linux系统的公路收费系统的应用

3.1 应用案例分析

山西省收费系统建设虽取得了不俗的成绩，但随着取消省界收费站工程启动，全国联网收费系统形成“一张网”收费模式后，对收费系统运行保障和网络安全、系统协调一致性与更新频次要求更加严格，而山西省收费系统沿用多年的架构设计，仅能依赖于早期操作系统，由于Windows平台本身的限制，导致安全性差、费用高、维护困难等问题普遍存在，加之软件底层开发语言和依赖环境的局限性，使软件对现有主流操作系统和硬件配置存在兼容性不强，造成维护成本高，运行效果不佳等问题。

如图2所示，基于Linux系统建立公路收费系统全场景智能匹配模型，其模型如下：

（1）创建基于收费系统全场景应用模型，模型场景涵盖ETC专道、混合车道、人工收费车道三种车道收费场景，支持ETC、移动支付、现金全支付方式，覆盖设备精准计费、省部级在线计费、全网最短兜底计费全计费类型，16类客货车型结构，以及军警、绿通、牵引拖挂车等几十类特殊收费场景的模拟分析。

（2）通过全省收费数据后台大数据模拟分析，结合高速公路多样化车流结构与硬件环境，智能预判针对不同收費场景下的最优收费模式。

（3）通过系统智能选择不同收费场景下的最优收费模式，实现收费全场景模式无缝切换，精准匹配调用不同硬件设施组合响应，提高收费系统的工作效率。

3.2 方案应用前景和价值

在现有收费模式与硬件环境不变的条件下，公路收费系统预期效果主要是构建一套基于Linux系统的跨平台全场景收费系统，提升收费通行效率，人工收费效率提升30%，车辆通行时间降低至15 s内。

目前基于Linux下的收费系统应用还处于探索阶段，国内仅有的几款产品由于硬件兼容情况单一、系统流程地方个性化定制严重等问题限制了该系统的推广应用。该项目在前期研究工作的基础上，融合Linux系统跨平台的硬件支持、完善的网络功能、良好的稳定性、可靠的安全性等优点，克服了原有Windows系统安全性差、费用高、维护困难等问题，加之采用模块化结构设计，优化软件底层开发语言和依赖环境的局限性，从而使跨平台全场景智能收费成为可能。因此，开展该项目的应用研究具有很强的前瞻性，将产生较强的技术领先优势，随着系统性能的完善，兼容硬件的不断增加，该项目研究成果将在未来的市场竞争中处于优势地位。

4 结论

公路收费系统是交通管理领域的重要组成部分，信息化发展是提高公路收费系统工作效率和服务质量的重要手段。Linux系统作为一种开源的操作系统，在安全性和稳定性方面具有优势，因此选择Linux系统作为公路收费系统的基础平台，提高了公路收费系统的信息化程度、收费效率和服务质量。未来可以进一步探索Linux系统在公路收费系统中的其他应用场景，并对相关技术进行进一步优化和改进。

参考文献

[1]沈廉锋. 高速公路收费系统的维护与维修技术[J]. 智能城市， 2021（16）： 109-110.

[2]张泽民. 全景一体化车型识别器在高速公路收费系统的应用[J]. 智能城市， 2021（19）： 122-123.

[3]段涛. 新收费体制下高速公路传统稽核的缺陷与新系统的应用[J]. 黑龙江交通科技， 2023（9）： 180-182.

[4]李子伦. 高速公路收费数据人工匹配作业系统的设计与开发[D]. 北京：首都经济贸易大学， 2022.

[5]樊升印. 基于视频车牌识别技术高速公路联网收费路径识别系统的设计与实现[D]. 西安：长安大学， 2018.

[6]苏鹏. 太佳高速公路收费管理系统的设计与实现[D]. 大连：大连理工大学， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者简介：许乐（1980—），男，本科，工程师，研究方向：公路信息化建设。

基金项目：山西交通控股集团有限公司科技项目“基于Linux系统的跨平台全场景收费系统研发与工程应用”（2021-JKKJ-18）。