高速公路机电运行实时监控系统

　　一、研发背景

　　全国高速公路撤销省界收费站后，建立ETC门架系统、实现ETC车辆和MTC车辆分段计费，出口统一收费的收费模式，提升了车辆的通行速度及司乘人员的驾驶感受。然而，改革后的收费系统软硬件巡检种类繁多，有收费站车道设备、ETC门架系统、机房设备等，传统的人工巡检准确度低、检查时间长，无法及时找到故障点，当这些设备出现故障时，往往只能等下一个巡检周期才能被发现。导致故障点无法得到及时维护及维修，可能造成数据无法存储、收费数据错误及车道拥堵等问题。造成维护人员不减反增，人力资源成本在收费运营成本中占较大比例，且不断攀升的情况。

　　二、解决方案

　　高速公路机电运行实时监控系统使用python编写后端服务系统，结合Flask框架的轻量级和易扩展特性，构建了一个高效、稳定的数据处理和分析系统。同时使用B/S架构设计，其部署、维护更方便快捷，跨平台性更强。系统充分利用现代信息技术，通过数据采集系统、数字孪生等技术手段，实现机电设备在系统的精准映射和实时监测，并自动触发预警机制。系统提供丰富的数据可视化功能，通过图表、图像等形式展示机电设备的运行状态、运行趋势等信息。管理人员可以通过系统实时直观地查看设备运行状态、故障预警等信息，及时进行故障排查和处理，降低设备故障引发的风险。

　　(一)收费站车道机电设备状态监测

　　收费站车道系统主要由栏杆机、车道控制器、通行信号灯、车牌识别摄像机、ETC天线、移动支付设备、读卡器等设备组成。通过对设备状态数据的实时采集，当设备参数超过预警阈值之后，系统会将异常数据做出筛选，以动画形式在数据大屏中展示，同时发出语音提醒，以便运维人员能在第一时间发现并排除故障。收费站车道机电设备状态监测框架如图1所示。

　　
图1

　　(二)ETC门架设备状态监测

　　ETC门架系统机电设备主要由路侧单元RSU、车牌识别摄像机、门架控制器、电源控制器等设备组成。通过对设备状态数据的实时采集，当设备参数超过预警阈值之后，系统会将异常数据以动画形式在数据大屏中展示，同时发出语音提醒，以便运维人员能在第一时间发现故障并排除。ETC门架设备状态监测框架。

　　(三)数据大屏页面

　　系统数据大屏通过Echarts 5.4.3图表功能，能够直观展示当前收费站车道天线、车牌识别、车道心跳、实时故障、车道黑名单、积压数据等软硬件信息。通过实时读取机房服务器日志数据，实现服务器端24小时监测机电设备运行状态信息。对于异常数据，系统可以在数据地图中通过动画提醒，同时实时故障版块中滚动展示设备故障开始的时间、所属站点位置及故障描述等关键信息，以播放语音的形式，提醒维护人员故障设备的准确位置及大致故障情况，使得故障设备得以快速响应修复，很大程度的提高了维护效率，使各项设备运行指标得到了保障。数据大屏页面实况如图2所示。

　　
图2

　　(四)车道(门架)状态实时映射页面

　　在设计该页面的时候，灵山高速公路运营分公司充分考虑了系统的拓展性，通过对后台车道信息的配置，可以将车道及相关设备图像动态拼装，在页面中生成相应车道及车道设备的图像，并非一个固定写死的状态。页面中展示的车道设备便是现场设备的实时运行状态，设备异常时，页面中的设备图像将闪烁并提供文字信息提醒。通过点击对应设备，在弹出的页面中可以查看整个收费站同种设备的名称、厂商、系统版本等信息，页面下方还贴心的展示了以往成功的维修案例供新人学习。

　　三、应用成效

　　(一)经济效益。该系统的使用，使分公司机电维护员由2023年的15人下降到2024年的13人，每四个站可节约0.5个维护员人力成本，共减少维护员人力2人，按每个维护员成本20万/年计算，可减少人力成本约40万元/年。

　　(二)社会效益。该系统于2023年4月1日完成代码编写并上线运行，于2024年9月27日取得计算机软件著作登记证书。目前系统运行良好，截止2025年5月31日，累计识别并准确记录车牌识别异常故障1468次，天线故障3110次，心跳异常1459次，OBU黑名单更新预警2486次，CPC黑名单更新预警9935次，入口未及时上传数据286条，出口未及时上传数据684条。帮助工程师提前发现并解决设备及系统问题，提升故障设备处置率50%，极大降低了收费事故的发生。

　　四、创新点

　　(一)3D建模难度较大，扩展性较低。在做车道数据孪生页面的时候，灵山高速公路运营分公司的原本设想是将现场设备状态，实时映射到三维的动画系统中。考虑到3D建模的难度，结合系统的易用性及扩展性等实际情况，最终放弃3D映射方案，改为简易直观的二维俯视图展示。

　　(二)系统跨平台兼容考虑。灵山高速公路运营分公司考虑到系统的易用性采用了B/S架构，即浏览器和服务器架构模式。B/S结构中每一个客户端只需通过浏览器便可进行各种信息的处理,而不需要安装客户端软件,维护、升级等几乎所有的工作都在服务器端进行,如果系统需要升级,只需要将升级程序安装在服务器端即可。这样避免了一套系统要分别开发多种客户端APP的情况，大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了系统开发的总体成本。

　　(三)数据处理与分析。高速公路机电运行会产生大量的数据，如何高效地存储、管理和分析这些数据是一个技术难题。数据处理算法需要足够快速和准确，以便在实时环境中提供有用的信息和决策支持。经过多方对比，最终选择Python作为系统开发语言，MySQL数据库作为数据存储管理的工具。MySQL拥有高度优化的查询引擎和缓存机制，能够快速地执行复杂的查询和数据操作。它支持多线程处理和并发访问，因此在高负载情况下仍然能够保持良好的性能。此外，MySQL还对各种查询进行了优化，例如全文索引、哈希索引、B-Tree索引等，使得它在处理大数据量的数据库应用方面表现出色。