高速公路人工收費車道防跟車沖卡方案設計

蔣文政

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

貴梧高速公路梧州至貴港段是《廣西高速公路網規劃修編(2010—2020)》布局方案中“橫4”與“縱3”的重要組成部分，途經藤縣、大安、社坡、桂平、石龍、武樂圩，終于貴港市瓦塘鄉，全線設塘步、藤縣、新慶、大安、平南、社坡、桂平、蒙圩、貴港北、貴港南10個閘道收費站[1]。高速公路收費站跟車沖卡逃費現象在貴梧高速公路人工收費窗口時有發生。跟車沖卡逃費即后車與前車跟車距離較近，當前車交費完成收費欄桿抬起時，跟車沖過收費欄桿，逃避通行費。跟車沖卡逃費是諸多逃費手段中情節極為惡劣的一種，其妨礙高速公路正常秩序的運行，不僅給國家帶來經濟損失，同時也損害了高速公路投資業主的利益。針對這種現象，本文對高速公路人工收費車道(MTC)防跟車沖卡方案進行了設計。

1 研究現狀

在取消省界收費站的背景下，全國針對MTC車道防跟車沖卡的車道設計研究比較少，更多的研究轉向于MTC車道改造為ETC車道或ETC/MTC混合車道。對于各類防范沖卡逃費的對策大致有三種：(1)裝置破胎器在沖卡多發的收費站防沖卡，或采用“出口沖卡，破胎自負”等警示性標語進行防范；(2)運用AI稽核技術智能識別出有門架記錄卻沒有駛出高速公路收費站出口記錄的車輛，并找出跟車沖卡的視頻證據打擊跟車沖卡逃費行為；(3)通過完善法律法規的方式，提高犯罪違規成本，高速公路運營方聯合公安、交警等部門破獲逃費案件，遏制跟車沖卡逃費行為[1-3]。這三種對策未能從源頭上阻斷跟車沖卡逃費行為，因此通過在收費站的設施設備上進行改進，從源頭上防止跟車沖卡逃費是一種創新的方法。

2 方案設計

2.1 在島頭稱重系統外安裝線圈及限流欄桿

由于貴梧高速公路收費站采用整車道稱重系統，在不影響稱重系統的基礎上，在原有收費系統上增加相關設備達到防跟車沖卡的目的。在島頭以外安裝車輛檢測線圈及欄桿機對車輛進行檢測及限流：在島頭稱重系統外安裝通過線圈，通過線圈上方安裝限流欄桿，距離通過線圈約2.5 m外安裝檢測線圈。如圖1所示。

圖1 在島頭稱重系統外安裝線圈及欄桿示意圖

2.1.1 檢測線圈工作原理

車輛在收費車道中行駛引起車輛檢測線圈電感量的變化檢測到車輛[4]。檢測線圈是基于法拉第電磁感應原理，目前技術相對成熟、國內外應用最廣泛的一種車輛檢測器，根據法拉第電磁感應原理可計算電壓和磁通量的變化：

Vi=dΦ/dt

(1)

Φ=NAcμ0μcH

(2)

式中：Vi——檢測線圈感應電壓；

Φ——磁通量；

N——線圈的匝數；

Ac——線圈橫截面積；

H——線圈周圍磁場強度；

μc——線圈中的磁芯相對磁導率。

檢測線圈埋在車道路面之下，線圈通電時周圍會產生磁場。由式(1)、式(2)可知，埋在車道路面下的檢測線圈具有固定的線圈匝數、橫截面積等，磁通量只隨磁場強度的變化而變化。當產生磁場的線圈路面上有導磁體(金屬)如車輛經過時，檢測線圈中磁場強度、磁通量都會發生變化，由此檢測線圈中產生高頻諧振感應電壓而檢測到車輛的存在[5-6]。

2.1.2 設計方案中新增的檢測線圈及限流欄桿

普通MTC車道僅在收費崗亭處和防砸收費欄桿處安裝線圈，給沖卡逃費產生了可乘之機。本文設計的在島頭稱重系統外安裝線圈及欄桿，能起到防跟車沖卡的作用。

2.2 設計方案功能描述

檢測線圈聯動限流欄桿和原有設施設備新增檢測線圈后詳細運作流程圖如圖2所示。具體流程可分為以下三個步驟：

圖2 新增檢測線圈后詳細運作流程圖

(1)初始狀態：當沒有車輛進入車道時，車道處于初始狀態。此時，雨棚信號燈顯示綠色箭頭，車道處于開通狀態；收費欄桿及限流欄桿均處于落下狀態，限流欄桿未鎖定，車道通行燈均為紅色；所有線圈/光幕均處于工作狀態，且未檢測到車輛。

(2)檢測有無車輛進入階段：當檢測線圈/光幕未檢測到車輛時，系統判定沒有車輛駛入，系統處于前一狀態中；當檢測線圈/光幕檢測到車輛時，系統判定有車輛駛入，此時判定限流欄桿的鎖定狀態，若限流欄桿未鎖定，車道通行燈1變為綠色，限流欄桿抬起；車輛駛過檢測線圈/光幕及通過線圈/光幕，進入收費區域；車輛駛離通過線圈/光幕時，限流欄桿落下，此時有車輛位于收費區域，限流欄桿鎖定。

(3)車輛進入收費區域：車輛進入收費區域，收費欄桿未抬起前，限流欄桿不能再抬起，為鎖定狀態，限流欄桿外的車輛在外等候；車輛進入稱重車道，稱重信息傳至崗亭計算機；車輛駛至收費區域中的存在線圈，觸發車道攝像機自動捕獲一幀車輛的靜態圖像；司機將IC卡交至收費員處，計算機根據車輛稱重信息、車型信息、IC卡信息等計算通行費額，顯示在收費員的計算機及費額顯示屏上，IC卡中的信息同時被清除，IC卡回收；收費員向司機收取通行費，收費完成確認無誤后按“確認”鍵，車道通行燈2變為綠色，收費欄桿抬起，同時解鎖限流欄桿；交易流水上傳至數據庫；車輛駛離防砸線圈時，收費欄桿落下；此時若檢測線圈檢測到有車輛，則欄桿旁的車道通行燈顯示綠色，限流欄桿抬起，重復第三個步驟；此時若檢測線圈沒有檢測到車輛，則限流欄桿保持落下，但未鎖定，進入步驟一，等待車輛進入。

3 設計方案在現實場景中的分析

3.1 設計方案與原收費系統的協同分析

本設計方案取得相關部門的審批同意后，在貴梧高速公路的藤縣收費站MTC車道進行了試點，取得良好的效果。本設計方案運用在試點收費站后與原有MTC車道設施設備銜接良好，在長期的實踐過程中未出現系統問題。如表1所示，高速行駛車輛從進入MTC收費車道到駛離車道以及有無后車情況下，車道島頭外新增的檢測線圈和限流欄桿與原車道收費系統中的車道通行燈、聲光告警器、通過線圈、收費欄桿、防砸線圈等軟硬件協同反應表現良好，同時起到了防止跟車沖卡逃費的理想效果。

表1 島頭外安裝線圈和限流欄桿與原系統的協同效果分析表

3.2 防跟車沖卡的功能分析

在收費站中，出現車輛倒車的情況遠小于車輛排隊的情況，故當兩種情況無法辨別時，優先考慮有后車跟車排隊的情況。如圖3所示，為防跟車沖卡狀態圖，圖中S2(100000)→S3(110000)，為車輛前進時，由檢測線圈檢測到車輛轉換為檢測線圈、通過線圈同時檢測到車輛；過程S3(110000)→S2(100000)，只能出現在車輛倒車的情況中，若是由一輛車同時壓檢測線圈、通過線圈，轉變為前車壓通過線圈、后車壓檢測線圈，因為線圈寬度約為1 m，難以完成兩輛車的“無縫銜接”，則必須有中間過程S4(010000)，即S3→S4→S3，再給信號Pass1=0。故當系統到達S3狀態且下一信號是Pass1=0時，應檢查前一狀態，若前一狀態為S2，判定為車輛倒車，回到S2狀態，不對限流欄桿進行鎖定處理；若前一狀態為S4，則判定為有后車跟隨，轉到S10(101000)狀態，限流欄桿落下且鎖定。

圖3 防跟車沖卡狀態圖

3.3 優缺點討論

該設計方案是利用線圈對車輛進行判斷，技術上很成熟，錯誤率低。缺點方面主要有兩點：(1)由于貴梧高速公路收費站采用整車道稱重系統，線圈及欄桿機必須安裝在稱重車道之外，即安裝在島頭以外，收費區域未能充分利用，車輛從限流欄桿行駛到崗亭的時間也更長，增加了車輛等待的時間及收費窗口的空余時間，當交費的車輛較多時，在收費站外會造成排隊現象，一定程度上降低了收費效率；(2)在設計方案施工過程中，埋設線圈需要對車道進行挖掘，需要3～7 d的施工期，影響車道的正常通行。

4 效益討論

4.1 經濟效益

MTC車道防跟車沖卡方案，造價低，安裝調試方便，不影響原有收費系統的正常運行，增加設備即可使用。MTC車道防跟車沖卡系統中，島頭外安裝線圈及欄桿機的方案新增的軟硬件有：更新的收費軟件、高速欄桿機、地感線圈、車道通行燈等，新增的軟硬件投入成本估算如表2所示。單條MTC收費車道設計方案投入成本在12萬元左右，方案能夠減少不法分子鋌而走險帶來的不必要的損失。對于高速公路收費與管理來說，該系統的應用具有一定的積極意義。

表2 新增軟硬件投入成本估算表

4.2 社會效益

隨著高速公路通車里程的迅猛增長和聯網規模的不斷擴大，部分人員在既得利益的驅動下，鋌而走險，想方設法采取各種手段逃交通行車費，從法律角度看這是一種犯罪行為，對高速公路正常的運營秩序帶來較大的沖擊。本文提出的方案有利于維護高速公路的運營秩序和設施的完整性，維護高速公路運營及管理部門的權威，對國家高速公路收費制度的鞏固具有社會意義。

5 結語

在我國基礎設施建設大力加強的導向下，高速公路迅猛發展，高速公路收費站點數量不斷上升。在高速公路收費站中，MTC車道作為必不可少的一種人工車道，時常發生跟車沖卡逃費現象。本文針對MTC車道提出的防跟車沖卡設計方案，經過對該設計方案進行理論分析與現實場景的應用，表明該設計方案具有良好的防跟車沖卡逃費實際功能，同時該方案造價低、安裝調試方便、不影響原有收費系統的正常運行、具有良好的經濟和社會效益。因此，對于高速公路收費與管理來說，該設計方案在全國MTC車道上具有一定的推廣價值。