随着“数字中国”战略及“信创”工程的深入推进，关键行业信息系统国产化替代进程加速。高速公路联网收费系统作为交通关键基础设施，其安全、稳定与自主可控至关重要。然而，当前系统多依赖国外平台，存在受制于人、安全风险及维护困难等问题，亟须实现全栈国产替代并进行技术体系适配优化。

近年来，国产处理器、操作系统、数据库及中间件持续成熟，初步构建了国产软硬件生态，但各厂商产品在架构、接口与能力上存在差异，加之收费系统本身复杂度高、实时性强，适配过程仍面临诸多挑战，需进一步优化。

针对收费系统国产化研究，现有成果已涉及多个方面并提供了重要支撑。

1）系统架构重构：崔雪薇^[1]通过微服务解耦与分布式部署探索了向信创架构的重构路径；惠学云^[2]在国产云平台上构建中间件与数据库组合的部署模型，验证了稳定性；刘成帅^[3]则基于自由流计费系统展示了云网融合部署实践。

2）平台适配与迁移：赵恬等^[4]构建了覆盖软硬件的适配测试体系与标准化流程；陈毓等^[5]提出了规则驱动的自动迁移策略；梁煜华^[6]应用VNC技术提升异构节点运维能力；张天成^[7]总结了应对多厂商差异的工程经验；李飘等^[8]聚焦数据安全提出了分级访问与密钥管理策略。

3）安全稳定性保障：苏文琦等^[9]和郭晓春^[10]分别从网络边界、访问控制、可信计算等角度提出安全控制体系与框架；宫福军等^[11]研究了国密算法的集成应用；李长亮^[12]探索了区块链技术保障数据可追溯与防篡改。

4）智能运维与应急：王阳生等^[13]和沈阳等^[14]构建了面向国产平台的智能运维架构与监控系统；孙健^[15]从应急角度提出了快速部署与切换机制。

综合来看，现有研究在系统设计、平台适配、安全控制及运维能力等方面已建立了初步技术体系。

然而，现有工作多聚焦局部替代或平台验证，缺乏涵盖系统级集成与多维度性能评估的完整流程。为此，本文在前人基础上，提出一套面向国产平台的联网收费系统适配架构，并通过多平台部署、模块化测试与综合性能验证，系统性论证其在功能完整性、平台兼容性与运行稳定性方面的可行性。

为实现高速公路联网收费系统的国产化替代，系统架构的重构和软硬件平台的对接是技术实现的关键，除了要满足已有的业务功能覆盖和性能要求，还需要充分适应信创平台在处理器架构、操作系统内核、数据库语言标准上的差异，因此建立高兼容、高扩展、高安全系统架构是前提基础。其收费系统平台总体设计思路如图1所示。

图1 收费系统平台总体设计思路

1.1  架构设计目标与原则

为保证高速公路联网收费系统在国产平台下的稳定可靠运行和业务连续性，系统架构必须满足自主可控、可替代性强、易于扩展和维护等要求。在满足安全可控的前提下，通过模块化、层次化的设计理念，实现软硬件的解耦，降低对特定厂商及其产品的依赖，从而提升系统的灵活性与可移植性。同时，系统应具备良好的兼容性，能够适应不同国产CPU、操作系统、数据库等软硬件平台的差异，稳定适配信创生态链中的多种技术组合。

基于系统的部署与后期维护，本研究在系统的架构设计中采用了微服务的设计理念，将系统功能拆分成多个服务模块，各个服务间松耦合并通过容器进行封装，各服务间的通信采用轻量级协议，保证业务的无缝运行，同时也方便后期服务模块的替换与升级。系统整体采用国密算法对传输、认证、存储上采用加密机制，保证其安全可靠。

1.2  系统功能结构划分

高速公路联网收费系统功能包括前端交易处理、后端数据清分、平台运维监控、安全审计等子系统。本文将系统分为三个子系统，即车道收费子系统、各省中心系统、统一运维安全平台，使系统的功能更为清晰灵活。

收费车道子系统在收费现场端，承担着车辆识别、名单判别、通行费计费交易等业务功能，对系统实时性、稳定性的要求更高，是系统应用国产版本的关键部分。省级中心系统承担交易数据接收、结算、全网联动和监管联动等，是系统管控中心和数据汇聚中心。统一运维和安全平台主要提供系统运行情况监测、告警、日志审计等系统运维功能，是系统高可用、安全的核心平台。

各个子系统部署时采用加密链路进行互联，构建统一业务链路和闭环，保障稳定性，便于运维和水平扩展。

1.3  国产平台组合方案

在实际使用和实验过程中，本文选取现有信创生态中应用比较成熟的国产软硬件平台进行组合，构造多个典型平台适配方案。经过交叉配对，形成多种系统配置，用于系统部署与兼容及性能的评价。选取的多种系统配置代表了当前主流国产化技术路线，具有可复现性和工程参考价值。

1.4  系统部署模型与运行模式

整体部署模式为“边缘设备+中心端”的分布式架构。各收费站安装边缘设备进行就近业务处理、本地数据处理，并通过专网与省中心平台进行数据交互、远程管理。边缘设备上部署轻量级业务模块，可运行在轻量级硬件设备上，可离线部署、容错运行；中心端部署核心业务、数据分析模块，并发能力高。

在服务发布领域，各系统中的功能模块均以微服务的形式封装在国产Kubernetes容器管理平台中，能够跨平台发布、扩容。系统内的全部模块统一由配置中心管理，并支持线上热发布、离线发布，提升系统运维上线效率。

在高速公路联网收费系统向国产化平台适配的过程中，软硬件平台的兼容性仍面临诸多挑战，面临着操作系统、数据库、中间件、通信标准、安全算法等一系列难题。由于信创生态尚处于发展阶段，各产品在驱动支持、标准规范、接口定义及运行机制等方面存在着差异，在适配过程中需要根据不同的技术栈采取差异化适配和优化的策略。项目技术路线如图2所示。

图2 项目总体技术路线示意图

2.1  操作系统适配策略

针对统信UOS、银河麒麟等国产操作系统，在适配过程中移除了依赖于Windows和第三方闭源库的组件，并调整了接口调用方式以确保兼容性。同时，为满足实时性需求，优化了系统线程分布、I/O设计及缓存配置。

2.2  数据库与中间件适配

在替换原有国外数据库的过程中，选择了金仓KingbaseES和达梦DM8，并成功完成了SQL语法转换和数据迁移。

对于中间件，采用了自研的消息队列和服务调度组件，支持多种编程语言并兼容微服务架构。这些中间件实现了服务动态注册、负载均衡等功能。

2.3  边缘平台适配与资源优化

作为系统前端关键组件，车道系统需在复杂交通环境下实现高频次、低延迟的数据采集、处理与交互响应，对资源与硬件性能要求较高。当前试点部署中，车道系统主要运行在基于海光和兆芯处理器平台的边缘终端上，两类国产CPU架构在兼容性和稳定性方面表现良好，能够支撑车道业务高并发、高可靠运行。

在适配过程中，针对车道系统运行环境中资源受限、实时性强的特点，对原有系统模块进行裁剪与优化，去除非核心功能，精简服务依赖，降低内存占用。同时，通过多线程编排、通信机制优化和异步处理等手段，提升系统并发处理能力和整体吞吐性能。

此外，车道系统选用麒麟高版本操作系统，并结合处理器架构特点（如海光C86、兆芯x86架构），通过配置线程亲和性、绑定硬件中断等方式优化CPU调度效率。实测表明，在高峰期高并发通行场景下，车道交易系统响应时间保持在毫秒级，TPS性能稳定，系统运行无明显瓶颈，满足实际业务对性能和稳定性的要求。

2.4  国密算法集成与安全通信

在高速公路联网收费系统的国产化改造过程中，安全性是一个至关重要的考量因素。为了符合国家信息安全等级保护的要求，系统设计中预先集成了SM2、SM3、SM4等商用密码算法，以确保数据传输、设备认证和交易签名等关键流程的安全性。通过采用统一的密钥管理模块，并结合国产密码卡和安全芯片进行密钥的生成、分发与调用，系统能够在不依赖国外密码算法的前提下实现高水平的安全防护。这一策略不仅增强了系统的整体安全性，同时也确保了系统的自主可控性。

系统集成了主流国密协议库封装成的服务供微服务调用，并考虑性能，对部分加解密采用异步化、前移处理，降低对全交易链路实时性的影响。安全性测试结果表明，完整身份认证链、数据防篡改、异常行为记录符合行业关键基础设施的安全要求。

为全面验证所设计系统在国产软硬件平台上的可用性和可靠性，对多种主流的信创软硬件平台组合进行实验，构建完整的实验环境，从功能性、兼容性、性能、安全性等方面进行实验测试和验证。实验对象涵盖了数据库、中间件、虚拟化平台、操作系统以及网络安全产品等关键组件。测试内容包括系统部署、服务运行、事务处理、性能响应及漏洞扫描等方面，全面评估了系统在国产化环境下的适应能力与稳定表现。

3.1  实验平台与环境配置

为确保国产化收费系统在多类信创平台上的适配效果与运行稳定性，本文构建了覆盖多种国产软硬件组合的实验环境，涵盖网络资源、存储方案、服务器配置与操作系统环境等多个维度，充分模拟实际部署条件下的系统运行场景。

为确保实验环境的完备性与隔离性，测试平台配置了独立的管理网络、业务网络以及用于服务器带外管理的IPMI网络。

存储方面，实验平台支持多种主流存储方案，包括SAN（FC/iSCSI）、NFS以及Ceph分布式存储，以满足不同国产平台组合下的存储需求测试。

服务器资源方面，测试采用来自多家国产硬件厂商的信创服务器，涵盖鲲鹏、龙芯、飞腾、海光等国产主流处理器平台，覆盖X86、Arm64、LoongArch等多种指令架构。各服务器配置信息详如表所示，均安装符合安全可靠测评结果的操作系统，支持实际应用部署所需的软硬件环境。

服务器配置信息表

通过在不同架构与平台组合下部署相同业务系统，本文进一步开展了适配测试、性能验证与兼容性分析，力求真实还原国产化环境下的实际运行表现，为国产化系统部署提供工程化支撑。

3.2  实验过程描述

测试完全按照“测试目标-前提条件-测试步骤-预期结果”的测试用例设计流程，测试内容涵盖：数据库、中间件、云平台、网络平台等多个模块、多种测试用例、功能测试以及性能压力测试。

系统在数据库测试中，分别进行提交、回滚、保存点配置及DDL运行等测试，确保国产数据库满足高速公路收费系统所须具备的标准关系型数据库特性。以事务管理测试用例，对交易的回退、状态恢复等进行多轮事务控制下测试。

中间件测试了SQL语句跟踪、连接池管理、增删改查。测试人员部署了基于JDBC的中间件连接的业务软件并设置慢SQL阈值，模拟高并发量，记录日志响应是否正常。经过测试，国产中间件能打印正确的慢SQL堆栈，能够稳定地应用于数据密集型应用。

虚拟化测试主要是围绕国产云平台在国产芯片服务器上的功能实现展开，包括创建虚拟机、挂载操作系统ISO镜像、管理CPU资源、查看硬件识别结果。测试结果显示，在国产自主可控平台上均可正常创建虚拟机，识别计算节点CPU，系统运行稳定，功能完整。

漏洞扫描测试采用国产漏洞扫描工具，针对统信、银河麒麟操作系统及金仓、达梦数据库进行了全面的安全评估。工具能有效识别系统组件并提供详细的漏洞风险报告，具备良好的安全检测与报告能力，满足关键基础设施的信息安全防护需求。

同时，对系统进行了并发性能测试，模拟了第三方支付请求和抓拍图片自动识别车型等场景，设置了从300并发逐步增加至最大负载的测试流程。测试结果呈现了系统的响应时间和资源利用率，证明系统能够在高并发条件下稳定运行。

3.3  测试内容与验证方法

测试主要围绕三大核心指标展开：功能完备性、平台兼容性以及系统稳定性。其中，功能性测试聚焦于单元级功能测试，例如事务执行、数据查询、服务注册、链接建立等，观察是否符合预期功能要求。兼容性测试则重点观察被测系统在不同平台环境下的适配能力，包括多种操作系统、芯片架构及数据库组合评估运行性能等，同时识别是否发现接口冲突或资源异常等问题。稳定性测试的目标是验证被测系统在高负载压力下的持续运行能力，通过监测被测系统资源占用情况、日志状态及异常率等指标，评估被测系统是否能够稳定长时间运行。

3.4  实验结果与数据分析

在各类国产化软硬件设施的组合下，高速公路联网收费系统在各国产平台上均能正常运行，各重要模块功能逻辑实现完整、数据计算正确，功能实现符合预期。

1）操作系统适配效果：经过适配优化（移除依赖、调整接口、优化线程/I/O/缓存）的统信UOS、银河麒麟等国产操作系统，在处理高吞吐量交易时表现良好，未出现显著延迟或内存问题，验证了其适用于高速公路联网收费系统的能力。

2）数据库测试：金仓KingbaseES和达梦DM8两款国产数据库在事务处理、并发控制等方面表现出色，完全符合联网收费系统的需求。具体测试中，事务控制有效、DDL支持良好、SQL响应满足业务需求。

3）中间件测试：自研的消息队列和服务调度组件连接池维护正常，日志采集完整，异常日志捕获及时，应用可支撑高并发访问场景。国产中间件能打印正确的慢SQL堆栈，能够稳定地应用于数据密集型应用。

4）虚拟化平台：兼容性表现良好，虚拟机创建成功率100%，资源调度合理，具备良好的可用性与可管理性。

5）网络安全方面：系统支持国产主流平台的漏洞模板库，漏洞检出率高，风险等级划分清晰，具备较强的威胁识别与评估能力。漏洞扫描工具能有效识别系统组件并提供详细的漏洞风险报告，具备良好的安全检测与报告能力。

6）并发性能：在模拟高并发业务负载环境（如第三方支付请求和抓拍图片自动识别车型场景，并发量从300逐步增加至最大负载）下，系统运行稳定，响应延迟未超出正常业务预期范围，资源使用情况未出现明显波动或异常，证明系统能够在高并发条件下稳定运行。

3.5  实验结果总结

根据各项测试结果，本文对基于国产平台的收费系统架构在功能完整性、运行可靠性、平台可用性、平台安全性等进行了全面评估，具备较好的部署可行性。尽管各平台测试结果有差异性，可根据具体部署需求进行有针对性的选择和优化。测试结果表明，国产软硬件系统生态基本可满足高速公路关键业务系统的部署需求，为后续规模化应用奠定了坚实基础。

本文在不同国产软硬件平台组合下，完成了高速公路联网收费系统的适配工作，包括功能验证、性能评估等内容。测试结果表明，基于国产平台的收费系统在数据库、中间件、操作系统、虚拟化平台、网络安全等关键组件方面已实现较高的功能适配程度，具备基本运行能力与业务支撑能力，为国产化替代提供了可行工程路径。

1）兼容性适配方面，各主要功能模块在测试中均完成与原有商用平台的功能对齐，未出现因平台差异导致的核心功能缺失或异常终止，初步验证了通过系统重构与接口适配可支持核心业务连续运行。数据库事务、DDL等核心调用逻辑的适配率满足生产系统基本运行要求。

2）性能表现方面，系统在模拟高并发业务负载环境下运行稳定，响应延迟未超出正常业务预期范围，资源使用情况未出现明显波动或异常。从不同平台的系统表现看，各组合在任务调度、资源分配和部署灵活性方面有所差异，可根据业务类型和部署需求选择更合适的软硬件组合，具备一定的“中心-边缘”协同部署潜力。

3）稳定性方面，系统经长时间运行测试未出现服务异常中断或资源异常消耗，支持包括中间件、数据库通信、数据传输等关键环节的国密算法适配，初步满足等级保护的加密传输和审计要求，具备一定的安全合规基础。

4）运维与扩展性方面，系统基于微服务架构设计，支持模块化部署、灰度更新、快速回滚等操作机制，可有效降低版本迭代过程中的风险，有利于系统在未来信创平台更新或异构环境扩展中的持续适应。

综上，本次国产化适配方案在实验环境下具备较好的功能实现、系统兼容与安全控制能力，具有进一步推广与工程化落地的实践价值，能够为高速公路收费系统乃至交通信息基础设施的国产替代路径提供一定参考。

本文针对高速公路联网收费系统国产化替代，提出基于国产软硬件平台的高速公路联网收费系统整体系统架构方案，包括系统功能模块、平台适配模块、关键技术集成模块、安全加固模块，在通过安全可靠测评的软硬件环境下，系统可以正常运转所有功能模块。通过数据库适配、中间件适配、虚化适配、安全适配等多项适配验证，系统在各类国产平台上均表现出良好的兼容性与稳定性，能够满足业务场景下的性能与可靠性要求。

尽管本文研究的实验场景下适配效果良好，但在适配推广方面还存在一些问题，需要后续研究和解决，例如异构平台间的深度性能优化，国产组件间的长期兼容性问题，大规模部署下的运维自动化问题等。

后续工作可考虑从以下角度展开：面向更多应用场景进行适配性尝试，比如ETC、智慧交通运行调度系统等；挖掘国产平台AI辅助运维、安全防护智能等方面深度应用；构建跨平台、跨版本自动化测试部署平台，加快工程落地。