基于开源鸿蒙系统的高速公路智慧收费站建设方案研究

袁辉　谢庆　计明军　吴炜昌　曾斌

摘要 自从全国高速公路“一张网”正式运营以来，高速公路收费、稽核等业务系统正式驶入数字化转型升级的“高速路”。作为高速公路服务“最后一公里”，收费站的变革升级尤为重要，收费站的集约化、数字化和智能化是大势所趋。为推动高速公路智慧收费站建设，文章基于开源鸿蒙操作系统的技术优势，结合物联网、边缘计算、人工智能等新技术，提出一系列高速公路智慧收费站建设方案，实现高速公路收费站的快速通行、智能收费、降本增效、信息互联，推动高速公路系统的智能化发展。

关键词 智慧收费站；开源鸿蒙；云收费系统

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0001-04

0 引言

目前，我国高速公路收费站主要依赖于传统的人工管理方式运营，这种模式面临着运营成本高、通行效率低等诸多挑战。在现代科技迅速发展的背景下，对高速公路收费站进行数字化和智慧化升级已成为必然趋势[1]。在此背景下，开源鸿蒙系统以其分布式架构、高度的互联互通性、高效的处理能力以及卓越的安全性能[2]，为智慧收费站的建设提供了一种创新的解决方案。该文基于开源鸿蒙系统的技术优势，提出一套科学合理的高速公路智慧收费站建设方案，旨在通过技术创新提高收费站的运营效率和服务水平，推动我国高速公路的智能化、高效化发展。

1 我国高速公路收费站运营现状

随着我国高速公路通行量的持续增长以及ETC覆盖范围的迅速扩大，高速公路收费站的通行能力也被提出了更高的要求[3]，高速公路收费站面临着以下几点现实问题：

1.1 运营成本偏高

一是人工成本高。高速公路收费站的运营涉及大量的人力资源[4]，包括收费人员、安全巡查员、客户服务人员、管理和后勤支持团队等，收费人员不仅需要24 h轮班工作，还必须具备良好的服务态度和处理紧急情况的能力，岗位工作强度大、专业性要求高、流动性高，形成了高昂的成本支出。二是维护成本高。维护工作包括对收费亭、自动收费设备、监控设备、照明、路面以及相关基础设施的定期检查和修复维护，以确保设施设备的正常运作，这些维护工作不仅需要专业技术人员进行操作，还需要购买相关的维护材料和设备。

1.2 通行效率低下

一是受基础设施的限制。许多高速公路收费站的设计和建设年代较早，未能有效适应当前的车流量，部分收费站存在车道数量不足、布局不合理或技术设施过时等问题，从而影响整体通行效率。二是受人工收费模式影响。目前仍有相当数量的收费站依赖人工收费，整个过程涉及车辆停车、司机与收费员交互、现金或卡片交易等多个环节，增加了车辆过站的时间。三是由于车流量波动。在某些节假日、上下班高峰期等特定时段，车流量激增导致通行效率变低[5]。四是由于技术或设备故障。虽然自动收费系统提高了通过效率，但也可能出现因技术故障或设备问题导致收费站通行缓慢的状况。

1.3 存在安全隐患

一是车辆拥堵和排队造成的风险。收费站在高峰时段或节假日常常出现严重的交通拥堵，这种拥堵不仅导致车辆延迟，还增加了交通事故的风险[6]，特别是在排队等待过程中，车辆需要频繁地减速、停车和重新加速起步，容易发生追尾碰撞。二是设施设计不足造成的风险。许多高速公路收费站的设计并未完全考虑高峰时段车流量的激增，导致车道数量不足、排队区域狭窄或车道划分不合理，设计的缺陷可能导致车辆在进入或离开收费站时出现混乱。

1.4 缺乏事件预警和预防机制

一是交通高峰应对能力不足。在节假日或特殊事件期间，车流量急剧增加，缺乏预警机制的收费站可能无法及时调整通行策略，如增开收费车道、实施交通管制等，这种缺乏灵活应对的状态会导致严重的交通拥堵，甚至可能引发交通事故。二是紧急事件反应迟缓。在极端天气、交通事故或其他紧急情况时，收费站工作人员由于缺乏明确的行动指导和协调机制，导致处理延误和混乱。例如，一起突发的交通事故如果没有及时得到有效处理，不仅会影响受事故影响车道的通行效率，還可能导致次生事故。

由上述分析可知，传统的高速公路收费站在运营效率和安全管理方面存在显著不足，对收费站进行集约化、数字化改造，进而推进智能化的转型，已成为当务之急。建立智慧收费站不仅是对现有交通基础设施进行优化的必要步骤，更是推动交通行业向现代化迈进、提升公共服务品质的关键策略。

2 高速公路智慧收费站建设内容及技术要点分析

根据《广东省智慧高速公路建设指南（2023年版）》对高速公路智慧收费业务场景的相关说明和要求，凝练出高速公路智慧收费站方案应涵盖的五项主要内容，如图1所示：

2.1 引入自助智能收费设备，推进少人化、无人化运营

在收费站设置自助智能收费设备，为ETC车辆及持CPC卡的车辆提供自助缴费通行及电子发票服务。智能收费设备主要包括自主发卡机、自主缴费机、ETC特情处置等设备。为了提高实行少人化、无人化后收费站的特情处置能力与效率，在ETC专用出口车道的栏杆前加装ETC特情处置终端，可用于未缴费成功的车辆再次申请缴费。此外，工作人员可手持天线配合使用手持式收费机，进行人工特情处理，进一步提升特情处置能力。

为了实现上述自主服务及自动化管理等收费举措，首先需要引进先进的车辆识别技术，如高精度的车牌识别系统和RFID技术，以提高对ETC车辆及持CPC卡车辆的识别效率和准确度。为了应对各种天气和光照条件，设备需要具备强大的适应能力和高度的可靠性。此外，还需构建稳定、健全的运营管理系统，用于监控、控制和管理所有自助智能收费设备。

2.2 优化集约设备实现一体多能，提高车道通行能力

为了进一步提升收费站的空间效率，可实施集约设备方案，以实现外部设备的简化和集中化。可在收费站试点引入2合1和3合1的集约设备，2合1设备将车牌识别和费额显示器的功能集成在一起，而3合1设备则在2合1的基础上增加了自动栏杆机。这种设计为实现窄岛化和无岛化处理提供了必要的空间条件，可以在不扩展土地的前提下，为增设额外的通行车道创造空间，从而显著提升车辆的通行能力。

为保障上述集约设备方案的成功应用，需要依赖于一系列技术和管理上的保障措施：

（1）技术创新和集成。设备集成需要高水平的工程设计，以确保多功能设备的稳定运行和长期耐用性。

（2）高效的数据处理能力。利用强大的数据处理和分析系统，实时处理和分析通过集约设备的车辆数据，提高决策和响应速度。

（3）可靠的网络和通信基础设施。建立稳定的网络连接，确保设备之间和设备与中心控制系统之间的实时通信。

2.3 搭建智能云收费系统，实现集中控制、管理与监测

搭建智能云收费系统，将收费业务处理迁移到云端，实现车道系统的轻量化，同时确保收费站级基础支撑、收费交易服务及站级运营管理系统的全面云化。涵盖如下关键步骤：

（1）实现收费设备和设施的标准化，确保系统的互操作性和长期的可持续发展。

（2）通过云平台实现数据和应用的中央集中，提高资源利用效率，降低维护成本。

（3）利用先进的通信技术，实现对车道操作的远程和自动化控制，减少现场管理的需求。

（4）建立一个综合性的管理平台，提供实时监控、数据分析和决策支持功能。

該方案的实施将极大提升收费站的运营效率，确保系统稳定运行，并降低收费业务及机电运维人员的工作压力。然而，部署在不同车道的收费软件都是数据和业务的孤岛，收费站呈现出“人退机进”等发展大趋势，随着车道设备的智能化，业务处理需求变得更加复杂，这就需要端侧满足“大连接、低时延、大带宽”的云资源需求。解决这一挑战，将是确保系统高效运行和维持优质服务的关键。

2.4 融合“ETC+北斗系统”，实现高速公路自由流收费

融合ETC和北斗高精度定位系统以实现高速公路自由流收费，是一个具有创新性和前瞻性的方案。该方案可分为近期和远期两个阶段实施：

（1）近期实施：多车道自由流收费试点。在现有的ETC门架基础上，开展多车道自由流收费试点，使车辆无须在收费站停车即可实现快速通行。这需要强化现有ETC系统的处理能力，确保它能够处理更大的车流量，并准确地进行自动收费。

（2）远期发展：开放式自由流收费试点。结合ETC门架与北斗高精度定位技术，进一步发展开放式自由流收费系统。这种融合将实现更精确的车辆定位和跟踪，以及更灵活的收费模式，例如基于行驶距离的收费。

为推进上述方案，需要满足如下基础技术要求：

（1）技术集成与优化：需要高效地集成ETC和北斗系统，优化它们的数据处理和通信能力，以支持高速、高精度的交易处理。

（2）系统安全与稳定性：必须确保系统的高度安全和稳定，包括数据加密、防欺诈机制和故障恢复策略等。

（3）用户界面和体验：为了提升用户体验，应设计直观易用的用户界面，并提供清晰的费用信息和支持服务。

2.5 构建收费站数字化孪生模型，实现全数字化运营与管理

基于高精度地图数据，构建出一个立体的三维场景，精确地复刻收费广场及其基础设施，也将周边环境纳入考量，形成一个全面的静态数字孪生环境。此外，通过运用激光雷达、高清摄像机等高端设备，全方位感知收费站的各个要素。结合边缘计算、数字孪生引擎以及时空同步技术，动态地模拟交通状态，从而在数字空间中实现实体收费站的实时复刻。通过数字孪生模型实现车辆的高精度定位和跟踪，以及实时监测和预警，显著提升对特殊情况进行预判和预处置的能力。

该方案的实施需要满足如下技术要求：

（1）高精度地图数据与三维建模技术，以精准复刻收费站及其周边环境。

（2）引入边缘计算和数字孪生引擎技术，加快数据处理速度，减少延迟，实现交通状态的实时动态模拟和更新，确保数字孪生环境与现实世界的同步。

（3）具备高精度定位与综合数据分析系统，这包括实现车辆的精确定位和跟踪，以及通过数字孪生平台对收费站数据进行深度分析和预测，为决策制定和特殊情况处理提供强有力的数据支撑。

通过上述分析，该文将建设高速公路智慧收费站所需的技术要素及其面临的挑战进行概括，并呈现在图2中。从该图中可以看出，智慧收费站的搭建依赖于多种关键技术的综合支持。开源鸿蒙系统携其分布式架构、微内核设计、高性能的进程间通信（IPC）技术及跨终端无缝协同等功能，可为智慧收费站的构建提供切实可行的技术路径。

3 基于开源鸿蒙的高速公路智慧收费站解决方案

在高速公路智慧收费站的构建过程中，该文结合开源鸿蒙系统的技术优势，提出了以下创新的解决方案，以应对现有挑战并实现智能化升级。

3.1 基于开源鸿蒙系统的自助智能收费设备管理方案

3.1.1 实现多设备的统一管理与监测

借助鸿蒙系统的分布式特性，开发一个中央管理平台，这个平台可以实时与收费站的所有智能设备连接，以提供统一的操作界面。这一平台将集成鸿蒙系统的轻量级服务，利用其微服务架构，将设备状态监测、故障预警以及性能分析等功能模块化，便于扩展和维护。

3.1.2 实现设备应用的高效部署与系统的自动升级

结合鸿蒙系统的快速迭代能力，创建一个自动化的OTA（空中下载技术，Over-the-Air）更新机制。该机制可以跟踪每个设备的软件版本和配置状态，确保在最佳时间自动推送更新包，同时保障更新过程的平稳性和数据的一致性。

3.1.3 实现数据的快速响应与高效处理

鸿蒙系统的边缘计算优势可以用来在收费站本地处理大量的实时数据。通过在每个收费终端部署边缘计算节点，实现数据的快速处理和响应。这些节点能够运行鸿蒙系统提供的AI推理和数据分析服务，对交通流量和用户行为进行即时分析，从而提前预测和调节收费策略，减少拥堵。

3.1.4 降低出错概率以及维护的复杂性

鸿蒙系统的微内核架可为收费站提供一个安全、可靠的运行环境，最小化系统崩溃的风险。利用鸿蒙系统的安全隔离和权限控制机制，有效地避免单点故障，提高系统的整体稳定性。自愈機制和容错设计将确保系统在检测到异常时自动采取恢复措施，维护团队则可以通过鸿蒙系统提供的详细日志和诊断工具快速响应问题。

3.2 基于开源鸿蒙系统的云收费系统建设方案

3.2.1 云层建设方案

在云层中，鸿蒙系统的可扩展性和强大的安全特性将被充分利用，以管理和处理来自各收费站的大量数据。云平台的微服务架构也将基于鸿蒙系统，使得云层可以灵活地部署和管理多种服务，如收费处理、用户管理和大数据分析等。

3.2.2 边缘层建设方案

鸿蒙系统在边缘层中的应用，将重点放在提供快速的数据处理和实时的决策能力上。利用鸿蒙系统的轻量级和高效率特性，边缘层将负责处理即时的交通流量数据和收费信息。同时，鸿蒙系统的分布式特性使得边缘节点能够与云层和终端层无缝对接，实现数据和服务的实时同步，确保整个系统的数据一致性和操作的协调性。

3.2.3 终端层建设方案

在终端层，鸿蒙系统的多设备协同能力和模块化设计将在收费站的各种终端设备中得到应用。自助收费机、监控摄像头、传感器等设备将在统一的鸿蒙操作系统框架下运行，实现数据共享和功能协同。同时，系统层面的持续更新和维护将确保设备运行的最新安全标准和功能，从而提高系统的整体性能和用户体验。

3.3 基于开源鸿蒙系统的设备集约设计方案

3.3.1 技术创新和集成

利用鸿蒙系统的高性能计算能力，集成先进的车牌识别技术，以实现对车辆的快速和精确识别。开发一系列基于鸿蒙系统的多功能智能设备，如集成交通监控、数据分析和自动收费功能的终端。这些设备的设计将注重模块化，方便未来升级和维护，同时保证系统运行的稳定性和长期耐用性。

3.3.2 数据高效传输与处理

开发一个基于鸿蒙系统的数据管理平台，确保收费站设备能够与中央数据库和云平台实现高效的数据同步和共享。该平台将支持多种数据格式和通信协议，确保数据的快速传输和准确性。利用鸿蒙系统的边缘计算能力，在收费站本地进行数据预处理和分析，减少对中央服务器的依赖，同时提高数据处理的响应速度和效率。

3.3.3 可靠网络链接与通信

对收费站的网络基础设施进行升级，包括增强网络信号覆盖和带宽，确保设备在线状态和高速数据传输的稳定。结合鸿蒙系统的安全特性，应用加密技术和安全协议，保护数据传输过程中的安全性，防止数据泄露和网络攻击。

3.4 基于开源鸿蒙系统的数字孪生收费站搭建方案

3.4.1 构建数字孪生模型

基于鸿蒙系统的强大数据处理能力，构建一个详尽的数字孪生模型，包括基础设施、运营流程和交通动态等方面。通过模型对收费站进行多方面的模拟和分析，从而优化管理策略和提高效率。后续可依托数字孪生技术，基于高精度地图，通过全景摄像机、事件检测设备、雷达设备等全域感知设备，将收费广场运营管理场景、设备设施运行状态采用一张图展示，并叠加数据、视频等动态信息，形成“虚拟+现实”的双向互动，以支撑运营管理决策。

3.4.2 实时数据同步与分析

利用鸿蒙系统的分布式架构，可以实现实体收费站与其数字孪生之间的实时数据同步，包括车流量、收费记录和设备状态等，这为收费站的运营提供了即时的数据支持，使得管理决策更加精准和及时。

3.4.3 虚拟训练和模拟演练

鸿蒙系统的交互功能可用于创建一个虚拟的训练环境，使员工能够在模拟的收费站环境中进行各种操作训练和应急响应演练。这种模拟训练有助于提高员工的操作技能和应急处理能力，同时也为收费站的应急预案提供测试和验证。

3.4.4 预测性维护和远程监控

结合鸿蒙系统的边缘计算能力，实施预测性维护策略。系统可以通过分析收集的运行数据预测潜在的设备故障，从而实现设备的及时维护和修复。同时，数字孪生模型的运用使得可以在虚拟环境中对设备状态进行更加精准的监控和诊断。

4 结束语

智能化高速公路正稳步向着以“安全+效率”为核心的服务模式发展，致力于建立一个全面的体系，实现全息感知、智能决策和实时服务。该文深入分析了我国收费站的当前状况，并对智慧收费站的建设内容及其关键技术进行了深入探讨。考虑建设智慧收费站面临的技术挑战，该文结合鸿蒙系统的核心技术优势，提出了一系列切实可行的建议。这些建议旨在推动高速公路收费站的智慧化转型，创建一个既互联互通又高效、友好的智慧交通环境，从而为智慧交通的发展贡献力量，提升整体交通系统的运行效率和服务质量。

参考文献

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