楊 猛,孫立明,王雪梅

(黑龍江省交通運輸信息和科學研究中心,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引 言

1.1 數(shù)據(jù)傳輸在公路收費系統(tǒng)中的重要性和發(fā)展趨勢

數(shù)據(jù)傳輸在公路收費系統(tǒng)中具有極其重要的作用。公路收費系統(tǒng)需要實時地獲取、傳輸和處理各種數(shù)據(jù),以確保高效的運營、良好的用戶體驗以及安全性。在外場設(shè)備控制、實時監(jiān)控與管理、系統(tǒng)參數(shù)更新、行駛路徑確認、非現(xiàn)金支付和遠程系統(tǒng)維護等方面,實時數(shù)據(jù)傳輸必不可少。

隨著科技的不斷進步,數(shù)據(jù)傳輸在公路收費系統(tǒng)中的發(fā)展也呈現(xiàn)出一些趨勢。

(1)物聯(lián)網(wǎng)整合:公路收費系統(tǒng)將更多地整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)車輛、設(shè)備、傳感器等的互聯(lián)互通,進一步提升數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)智能化。

(2)數(shù)據(jù)安全:隨著數(shù)據(jù)傳輸量的增加,數(shù)據(jù)隱私保護將更加重要,加密、認證等安全措施將進一步加強。

(3)高性能網(wǎng)絡(luò):高速、低延遲的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將得到不斷改進,以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

數(shù)據(jù)傳輸在公路收費系統(tǒng)中的重要性日益凸顯,隨著技術(shù)的發(fā)展,將迎來更多智能化、自動化的趨勢,以提高公路收費系統(tǒng)的效率、準確性和服務(wù)質(zhì)量。

1.2 引入MQTT技術(shù)作為改進和優(yōu)化的關(guān)鍵因素

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)作為一種高效、輕量級的通信協(xié)議,具有適應實時數(shù)據(jù)傳輸和處理需求的特點,可以在公路收費系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

引入MQTT技術(shù)的目的是通過其發(fā)布/訂閱模型、異步通信、實時性等特點,應對公路收費系統(tǒng)中的諸多挑戰(zhàn),如高并發(fā)、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備管理等。這項技術(shù)的應用將有助于實現(xiàn)以下方面的改進和優(yōu)化。

(1)實時數(shù)據(jù)傳輸:MQTT的實時性和異步通信特性使得公路收費系統(tǒng)能夠高效地傳輸車輛流量、交易數(shù)據(jù)等實時信息,支持即時決策和快速響應。

(2)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控:MQTT的發(fā)布/訂閱模型可用于實時監(jiān)控收費站設(shè)備的狀態(tài),包括閘口、傳感器等,有助于及時發(fā)現(xiàn)故障并采取措施。

(3)高并發(fā)處理:MQTT的輕量級設(shè)計和異步通信使得系統(tǒng)能夠處理高并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸,有效避免交通擁堵和排隊延誤。

(4)靈活性與擴展性:引入MQTT技術(shù)能夠支持系統(tǒng)的靈活擴展和整合,適應未來可能的變化和增加的收費站數(shù)量。

通過引入MQTT技術(shù),公路收費系統(tǒng)可以邁向更智能化、高效化和實時化的方向,滿足日益增長的交通流量和實時數(shù)據(jù)處理需求。這將有助于提升系統(tǒng)的可靠性、用戶體驗和運營效率。

2 MQTT技術(shù)概述

2.1 MQTT的定義和背景

MQTT是一種精簡、高效的通信協(xié)議,旨在實現(xiàn)設(shè)備間的可靠消息傳遞。MQTT最初由IBM開發(fā),主要用于支持遙測和遠程控制應用[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起,MQTT成為連接各類物聯(lián)設(shè)備的首選通信協(xié)議之一。

在物聯(lián)網(wǎng)背景下,日益增多的設(shè)備需要實時通信、數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制能力。然而,傳統(tǒng)通信協(xié)議如HTTP等在這種環(huán)境下表現(xiàn)不佳。MQTT應運而生,填補了這一通信需求的空白。它采用發(fā)布/訂閱模式,允許設(shè)備(發(fā)布者)發(fā)布消息到特定主題(Topic),其他設(shè)備(訂閱者)可以訂閱這些主題以接收相關(guān)消息。這種模式有效地減少了頻繁連接的需求,提供了更高效的消息傳遞機制。

2.2 MQTT的工作原理和核心特點

MQTT采用發(fā)布/訂閱模型,通過中間代理(Broker)來協(xié)調(diào)消息傳遞。其工作流程如下。

(1)發(fā)布者(Publisher):發(fā)布者將消息發(fā)布到特定主題(Topic)上。

(2)代理(Broker):代理接收發(fā)布者的消息,并將其分發(fā)給訂閱了相同主題的訂閱者。

(3)訂閱者(Subscriber):訂閱者訂閱感興趣的主題,接收相關(guān)消息。

這種模式實現(xiàn)了設(shè)備之間的松耦合通信,允許靈活地添加發(fā)布者和訂閱者,同時降低了通信開銷。MQTT通訊具備以下核心特點。

(1)輕量級:MQTT協(xié)議頭部精簡,通信開銷低,適用于資源受限設(shè)備和低帶寬環(huán)境。

(2)發(fā)布/訂閱模型:發(fā)布者發(fā)布消息到主題,訂閱者訂閱主題以接收消息,實現(xiàn)異步通信。

(3)QoS級別:提供不同的服務(wù)質(zhì)量級別,從0～2,滿足不同可靠性需求。

(4)保留消息:代理可保留最新消息,新訂閱者可立即獲取最新數(shù)據(jù)。

(5)持久性會話:客戶端可保持與代理的會話狀態(tài),確保斷開重連后繼續(xù)接收之前訂閱的消息。

(6)安全性:支持SSL/TLS加密和認證,確保通信安全。

(7)廣泛應用:在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應用。

(8)適應性:可應對網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、帶寬有限等復雜環(huán)境。

(9)高效性:通過減少連接建立和關(guān)閉,降低通信開銷。

(10)靈活性:允許動態(tài)添加和移除發(fā)布者和訂閱者,適應系統(tǒng)變化。

3 公路收費系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)傳輸需求

在公路收費系統(tǒng)中,有許多場景需要實時數(shù)據(jù)傳輸,以確保系統(tǒng)高效、安全和可靠地運行。以下是一些需要實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫蛨鼍啊?/p>

(1)車輛流量監(jiān)測:實時傳輸各收費車道和各門架的車輛流量數(shù)據(jù)。

(2)收費情況監(jiān)控:實時傳輸支付和交易數(shù)據(jù),幫助管理人員監(jiān)控實時的收費情況,確保交易的準確性和可靠性。

(3)收費設(shè)備狀態(tài):實時傳輸收費站和門架的收費設(shè)備的狀態(tài)信息,有助于快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并采取措施。

(4)系統(tǒng)監(jiān)控:實時傳輸系統(tǒng)性能數(shù)據(jù),如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、服務(wù)器負載等,幫助管理人員監(jiān)測整體系統(tǒng)健康狀況。

實時數(shù)據(jù)傳輸在公路收費系統(tǒng)中涵蓋了車輛流量、交易數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、安全情況等多個方面,是系統(tǒng)的高效、安全和良好用戶體驗的基礎(chǔ)。

4 MQTT技術(shù)在公路收費系統(tǒng)中的應用

4.1 與收費設(shè)備的通信

在公路收費系統(tǒng)中,設(shè)備通信有逐漸向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢,傳統(tǒng)的模擬圖像采集、串口費顯、I/O設(shè)備等都發(fā)展出支持網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備品類。這種網(wǎng)絡(luò)化趨勢帶來了許多優(yōu)勢,包括實時數(shù)據(jù)傳輸、遠程監(jiān)控、集中管理等。

這種通信網(wǎng)絡(luò)化的趨勢使得MQTT技術(shù)在公路收費系統(tǒng)中的主機-設(shè)備和設(shè)備-設(shè)備之間的通信應用更加切合其需求。MQTT以其輕量級的本質(zhì),可被輕易部署在低配置的設(shè)備終端和車道計算機中;其支持的QoS級別特性,能夠針對不同設(shè)備的通信需求,精準選用適當?shù)腝oS級別,以更好地平衡通信可靠性與效率;此外,MQTT的“will topic”機制,更增其獨特魅力,使得監(jiān)控主機能夠?qū)崟r感知設(shè)備網(wǎng)絡(luò)斷開的狀況,從而作出迅速、精準的應對。

對于車輛檢測器,作為發(fā)布者的設(shè)備可以通過向代理(Broker)發(fā)布消息,將其狀態(tài)信息傳遞,包括加電啟動、車輛駛?cè)爰榜傠x等關(guān)鍵信息,并通過“will topic”機制使上位機能及時獲取設(shè)備斷線消息。車道計算機作為Subscriber,可實時獲取車輛檢測器的加電、斷線、車輛駛?cè)牒婉傠x等狀態(tài)信息。此時的QoS級別可設(shè)置為2,確保車輛駛?cè)?駛離信息成功發(fā)送且只發(fā)送一次。

在與欄桿機的通信中,設(shè)備作為Publisher,可向Broker發(fā)布設(shè)備狀態(tài)信息,包括加電啟動、欄桿水平/豎直狀態(tài)等,并通過“will topic”機制將斷線狀態(tài)及時通知上位機;同時,設(shè)備作為Subscriber,可實時獲取上位機下達的抬起/落下指令并做出響應。而在車道計算機端,作為Subscriber,可實時獲取欄桿機的工作和在線狀態(tài);同時,作為Publisher,可向欄桿機發(fā)送抬起/落下等指令。

其他收費系統(tǒng)設(shè)備,如費額顯示器、雨棚信號燈以及收發(fā)卡設(shè)備等,在經(jīng)過適當?shù)呐渲煤驼{(diào)整后,同樣可以利用MQTT技術(shù)來滿足其通信需求。這些設(shè)備可以通過MQTT的靈活性和適應性,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)監(jiān)控,在此不再詳細贅述。

4.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的實時監(jiān)控

收費車道計算機作為發(fā)布者連接MQTT代理,能夠發(fā)布實時收費業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),包括通行時間、通行卡/ETC卡號、行駛路徑和交易結(jié)果等信息,其通過“will topic”機制,得以及時通知代理可能出現(xiàn)的斷線狀況。作為訂閱者的收費監(jiān)控終端,則能夠?qū)崟r接收前述的收費業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及車道狀態(tài)信息,使得監(jiān)控人員能實時掌握各收費車道的運行狀態(tài)和業(yè)務(wù)流程。

進一步延伸,收費站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以發(fā)布者角色,將收費業(yè)務(wù)流水數(shù)據(jù)的入庫情況傳送至MQTT代理,并通過“will topic”機制及時通報連接狀態(tài)的變化。收費監(jiān)控終端再次擔當訂閱者角色,實時掌握數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的狀態(tài)和業(yè)務(wù)流水數(shù)據(jù)的接收情況,并在異常情況發(fā)生時迅速報警。

不僅如此,各級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)也可透過將數(shù)據(jù)傳輸情況和斷線消息發(fā)送至代理,使得收費監(jiān)控終端能夠?qū)崟r展示收費業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的傳輸狀態(tài)。對系統(tǒng)維護人員而言,能夠隨時察覺數(shù)據(jù)傳輸中的異常狀況,并做出迅速響應。

此外,借助MQTT Bridge技術(shù),多個代理能夠以“橋接”的方式相連,從而實現(xiàn)發(fā)布者僅需向一個代理發(fā)布信息,而訂閱了參與“橋接”的代理的相關(guān)主題的所有訂閱者——此處特指收費站、分中心和收費中心的各級收費監(jiān)控終端——都能同步獲得相同的信息。這不僅滿足了對收費數(shù)據(jù)流的多點同步監(jiān)控的要求、避免了信息的重復發(fā)送,還簡化了發(fā)布端的應用結(jié)構(gòu):無需額外的開發(fā)工作就能實現(xiàn)多點同步監(jiān)控。

4.3 終端間數(shù)據(jù)與指令的傳輸

以收費車道計算機與收費監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)與指令傳輸為例,車道計算機必須向收費監(jiān)控終端實時發(fā)送信息和指令,涵蓋了車道計算機軟硬件狀態(tài)、車道外設(shè)狀態(tài)、收費軟件業(yè)務(wù)邏輯狀態(tài)、車輛行駛路徑查詢請求、特殊車輛放行請求等多重信息。收費監(jiān)控終端負責接收這些信息,并經(jīng)過相應的處理、查詢和人工干預,再將處理結(jié)果發(fā)送回車道計算機,以完成正常的收費業(yè)務(wù)流程。

車道計算機在這個系統(tǒng)中履行著MQTT發(fā)布者的角色,將上述信息傳送給事先約定的代理。與此同時,作為MQTT的訂閱者,車道計算機從代理中接收各種來自收費監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)和指令,從而完成收費業(yè)務(wù)的全過程。

收費監(jiān)控終端作為MQTT的訂閱者,通過代理獲取所有收費車道的狀態(tài)和業(yè)務(wù)信息。這些信息會經(jīng)過加工處理和人工干預,構(gòu)建車道所需的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和指令,以發(fā)布者的身份,終端將這些信息發(fā)送回代理,以便車道計算機獲取并應用。

通過設(shè)置合適的Keep Alive[2]值,車道計算機和收費監(jiān)控終端不僅在活躍狀態(tài)時進行通信,而且在閑置狀態(tài)下也定期發(fā)送PINGREQ協(xié)議包。這種機制與“will topic”機制相結(jié)合,使得代理能夠在最短的時間內(nèi)了解到車道計算機和收費監(jiān)控終端的連接/斷開情況,并迅速通知彼此。這確保了車道計算機和收費監(jiān)控終端之間的連接狀態(tài)得以被對方即時感知,進而保障車道業(yè)務(wù)邏輯的順暢運行,避免過長的響應時間對車輛通行效率造成影響。

5 MQTT在公路收費系統(tǒng)中應用的益處

在公路收費系統(tǒng)中廣泛使用MQTT技術(shù),可從輕量級特性、內(nèi)建機制、資源豐富性到實時性和靈活性等多個方面帶來了諸多益處,主要體現(xiàn)在。

(1)實時性、高效性、可擴展性和靈活性:MQTT具備出色的實時性與高效性,可實現(xiàn)迅速的數(shù)據(jù)傳輸與即時響應。其卓越的可擴展性和靈活性使系統(tǒng)得以輕松擴展與整合新設(shè)備,以滿足未來發(fā)展需求。

(2)輕量級、適應性佳:作為一款輕量級通信協(xié)議,MQTT的精簡設(shè)計及低資源消耗特性使其能在公路收費系統(tǒng)中廣泛應用。由于其輕量級的特性,幾乎所有設(shè)備皆可輕松安裝和運行MQTT。從外場設(shè)備、車道計算機,到收費應用工作站與收費服務(wù)器,均可毫無困難地納入體系,從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的通信。

(3)協(xié)議內(nèi)建多種機制滿足應用場景:MQTT在協(xié)議層面具備多項機制,以保障數(shù)據(jù)通信的可靠性。例如,“will topic”機制賦予實時感知節(jié)點在線狀態(tài)的能力,確保連接狀態(tài)時刻可知。同時,MQTT提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)級別控制,從0～2,以適應各類數(shù)據(jù)傳輸對可靠性的需求,為公路收費系統(tǒng)提供了多樣且靈活的通信選擇。

(4)資源豐富:MQTT技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應用,因而涌現(xiàn)大量成熟軟件庫供選用。互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于MQTT的豐富資源和工具,使開發(fā)和調(diào)試任務(wù)變得更加簡單。開發(fā)者可借助這些豐富資源,降低開發(fā)難度和工作量,從而更迅速地實現(xiàn)MQTT在公路收費系統(tǒng)中的應用。

6 安全考慮

MQTT通信的加密和認證是確保通信安全性的重要手段。在MQTT中,采用TLS/SSL(傳輸層安全/安全套接字層)協(xié)議來實現(xiàn)通信加密,同時使用用戶名和密碼等憑證進行身份認證。

(1)加密:通信加密是通過TLS/SSL實現(xiàn)的,它在通信的傳輸層提供了加密。TLS/SSL協(xié)議使用公鑰和私鑰體系來加密和解密數(shù)據(jù),確保通信內(nèi)容在傳輸過程中不會被惡意方竊取或篡改,從而保障通信的隱私和完整性。

(2)認證:MQTT在連接時需要進行身份認證以確保連接的合法性?？蛻舳嗽谶B接到MQTT代理(Broker)時,需要提供正確的用戶名和密碼來驗證其身份。只有通過認證的客戶端才能夠與代理進行通信,從而保證了系統(tǒng)的安全性和可信度。除了基本的用戶名和密碼認證,MQTT還支持更高級別的認證機制,如X.509證書認證。這種方式基于數(shù)字證書來驗證客戶端的身份,增加了通信的安全性和可靠性[3]。

總之,MQTT通過TLS/SSL協(xié)議的加密和多種認證機制的應用,確保了通信的保密性、完整性和可信度,為各種應用場景提供了更安全的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。

7 應用展望

MQTT在公路收費系統(tǒng)中的應用前景十分廣闊,下面列舉可以發(fā)揮重要作用的幾個方面。

(1)拓展實時監(jiān)控范圍:MQTT的快速開發(fā)和易于部署的特性,以及對各類平臺的兼容性,使得更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和其中的信息能夠輕松地納入實時監(jiān)控體系。這有助于實現(xiàn)收費系統(tǒng)更全面、更直觀的數(shù)據(jù)展示,提升運行的可控性和效率。

(2)助力系統(tǒng)間通信:MQTT作為一個通用的通信協(xié)議,具有統(tǒng)一的消息格式和傳輸方式,可以極大地簡化不同系統(tǒng)之間的通信建立。在收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)之間,以及不同供應商提供的設(shè)備和軟件之間,MQTT的應用能夠使不同系統(tǒng)之間的集成更加容易和無縫。

(3)促進收費設(shè)備接口網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展:公路收費設(shè)備正朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,MQTT作為優(yōu)秀的通信協(xié)議,為設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供了強有力的支持。其輕量級特性使得各類設(shè)備都能夠連接到網(wǎng)絡(luò),而其強大的通信機制能夠確保設(shè)備之間的高效通信,加速收費設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化進程。

(4)實現(xiàn)多點同步監(jiān)控:利用MQTT的橋接技術(shù),多個監(jiān)控終端可以同時獲取相同的信息,實現(xiàn)多點監(jiān)控和數(shù)據(jù)同步,從而更好地協(xié)調(diào)運營。這種多點同步監(jiān)控能夠提升系統(tǒng)的整體管理效率,確保數(shù)據(jù)的一致性和準確性。

綜上所述,MQTT在公路收費系統(tǒng)中有良好的應用前景。這些應用場景將促進公路收費系統(tǒng)的現(xiàn)代化、智能化發(fā)展,提升運營效率和服務(wù)質(zhì)量。