ETC車道智能一體機設計與應用

劉書陶

(廣西智能交通科技有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

傳統的高速公路收費站設備種類繁多,欄桿機、費額顯示、車道攝像機等相關設備是單獨布置的,收費站車道各自獨立、形成“數據孤島”,臨道干擾無從解決。收費網絡通道復雜、數據易積壓死鎖,單點故障容易導致系統性癱瘓,引發封道處理。收費站車道系統集成度低,收費站現有車道機電設備數量、種類多,布局分散,收費機電系統網絡架構較復雜,車道機電設備接口不一;簡潔、美觀度有待提高;設備施工、調試、維護保養難度較大。收費站車道智能化水平低。缺少有效手段發揮外場設備完整性能,車道應用智慧化程度較低,業務彈性較差,升級維護困難。特情異常處理主要以人工處理為主,需要人員多,效率低,造成車道擁堵[1]。

為服務高速公路高效安全通行、收費系統的標準化、無人化、智慧化發展需要,本文提出適合當前路網運行環境的新一代高速公路收費系統解決方案,即ETC車道智能一體機。該設備集成了ETC天線、費額顯示屏、語音提醒裝置、爆閃燈、高清車牌識別相機,接口大大減少,設備可以直接連接收費車道控制機,很大程度上減少了施工管線預留與設備安裝調試的工作量。設備智能化集成度高,對車道的資源利用率高,塑造了智能、便捷高效的收費站形象。

1 系統總體架構設計

ETC車道智能一體機集成化控制中樞由嵌入式工業控制機、智能節點控制器、智能車道IO控制器、全設備智能運維終端集成的車輛控制器單元、防砸雷達車檢模塊和動環監測模塊組成。高度集成化控制中樞給外部的設備,外部的網絡提供接口,將信息收集處理。設備的整體架構如圖1所示。

圖1 智能一體機系統架構示意圖

由圖1可知,智能一體機內部集成了高速欄桿機、全彩信息廣告屏、LED費額顯示器、高清車牌識別相機、聲光報警器、防砸雷達車檢、全設備智能運維終端、智能外設控制器、嵌入式工控機、柜內空調以及動環監測主機等設備。系統具有如下特點:

(1)設備根據交通運輸部最新高速公路聯網收費系統優化升級方案研制,智能節點控制器實時采集收費數據和設備工作狀態,實現車道與收費服務平臺系統交互,適應云收費需求。

(2)設備外部通信IP化,支持遠程監測、范圍管理、控制與維護,提升收費站系統運行穩定性,降低運維復雜度,實現站級統一管理、便利運維。

(3)通過車道智能自助設備,提升收費站應急處置能力、智能化管理水平和客戶自助服務品質,減少現場特情處理,改善收費員工作和安全防護環境。

2 系統的集成化設計

智能一體機采用集成化系統設計理念,設計外觀簡潔大方,系統內部通過將各智能模塊合理布局,各模塊功能相互配合,優化布線,統一標準通信協議等最終形成集成化控制中樞。各智能模塊分析介紹如下。

2.1 嵌入式工業控制機

嵌入式工業控制機是集成系統的重要組成部分。工業控制機集成度高,機身體積小,邏輯功能強大,搭載32位高性能、高可靠性處理器,可實現遠程狀態檢測、故障反饋以及遠程控制,兼容現有車道設備接口。工控機監測運行狀態,包括電壓、電流、功率、溫濕度、環境亮度、欄桿機的位置狀態線圈運行的狀態以及外部各種設備的運行狀態等。工控機使用TCP/IP協議與遠程的系統進行通信,能夠實現如遠程控制欄桿機抬落桿、遠程重啟各個單元模塊、遠程開關機、設備運行狀態查詢以及全彩廣告屏遠程信息發布等功能,極大提高了高速公路服務效率[2]。

2.2 智能節點控制器

智能節點控制器通過網絡與收費軟件通信,根據指令獲取狀態并控制自動欄桿機、通行燈、霧燈、雨棚燈、聲光報警器、費額顯示屏、光柵/線圈等外設,并控制副機及關道機。若收費站或者某條車道發生特殊情況,上級交通部門得知消息之后可以通過網絡,精確地對其進行交通信號燈控制,也可以控制聲光報警器提示報警信息。

智能節點通過車道IO控制器獲取車道狀態數據,如欄桿升降狀態、車檢器過車狀態等,其中光纖光柵傳感器作為一種新型技術車檢器,較普通傳感器在抗干擾和強腐蝕的檢測環境下具有無可比擬的優勢,更加適合在惡劣的環境下工作;同時在對微弱信號的處理上可以實現實時處理和長距離精確傳輸;光纖光柵傳感頻帶寬、動態范圍大而且測量精度和靈敏度高,易于埋入或附著結構體表面,可以實時提供結構體安全性等方面的信息。其內部電路接線圖見圖2。

圖2 光柵內部接線圖

2.3 智能車道IO控制器

智能車道IO控制器采用1U機架式外殼設計,通過串口或者25P IO接口接入智能節點控制器通信,將費顯數據、欄桿機抬落次數、線圈反饋信號、車牌識別觸發信號等數據提供給工業控制機(見圖3)。

圖3 智能車道IO控制器電路原理圖

由圖3可知,IO板控制輸出全部采用繼電器隔離,光柵欄桿機狀態反饋若為開關量信號,則通過光電耦合器隔離;若光柵輸出信號為電壓量則使用繼電器進行轉換。上述設計保證外設與車道控制器之間通過有效的物理隔離,起到保護智能一體機效果。

2.4 防砸雷達車檢設計

根據《收費用電動欄桿機》(GB/T 24973-2010)規定的電動欄桿機起落時間,按時間區分為F級、O級、S級三種,分別對應起落時間為<1.4 s、1.4～4 s、4～5 s。欄桿機的起落時間是指從控制系統觸發信號發出開始,至欄桿下落到水平位置的這段時間。

欄桿機的檢測機制是通過車道下方所埋的線圈進行檢測是否有車輛駛近,如果感應到了,那就令欄桿彈起。那么,安全的防撞距離就等于車速乘以落桿時間加上線圈寬度:

d=v·t+s

(1)

式中:d——安全距離;

v——車速;

t——落桿的時間;

s——感應線圈的寬度。

但是感應線圈在當經過的車輛地盤較高時很可能會檢測不到,從而判定為沒有車,欄桿就不會抬起,或者兩車相距很近,一起駛過感應線圈的時候,只能判定出一輛車,無法分辨后面的那一輛。這樣也就無法避免碰撞事故和攔下闖關的僥幸車輛[3]。

為解決這一問題,設計在一體機前方安裝電磁脈沖波車檢器,其可以彌補其他車輛檢測器的不足之處,其優點是:利用電磁脈沖波技術7×24 h全天候不間斷工作,不受聲波與環境因素影響(酸、煙、霧、雨、雪、冰),超強抗干擾,多套電磁脈沖波車檢器同時使用于同一車道或都相鄰車道具備間頻防干擾功能。檢測設備質輕小巧,性能穩定,檢測高度與寬度均可調節或靈活應用,對于超高超寬異形車輛的檢測有絕對優勢;對超高超長拖掛貨車有檢測優勢,能做到精準區分不誤判,可替換車道內其他類型檢測器,或彌補其他車輛檢測器的功能缺陷。

2.5 動環智能感知節點

智能節點控制器集成了電壓、電流、溫濕度等大量傳感器,實時收集和上報各個設備的運行狀態,使之成為智慧高速公路的一個智能感知節點。智能運維終端還可外接門禁、水位、煙感毫秒級傳感器,高采集頻率,時刻感知機柜內設備的工作環境。全設備智能運維終端還預留一組門禁聯動開關量,方便整體系統二次擴展。門禁報警支持與機柜門禁聯動,入侵實時報警,聯動攝像機進行抓拍。

3 運維管理系統的設計

3.1 遠程運維管理平臺

遠程運維管理平臺具備對設備各項數據監測及統計的功能,運維平臺通過比對數據,分析出設備隱患故障及可能存在的安全隱患,進行監測異常告警,還可遠程控制單個設備的重啟。平臺基于B/S架構,集成GIS地圖功能。所有前端點位均能通過GIS地圖進行標注,點擊相應點位后可以顯示該點位當前的上下行車流量、溫度、濕度和高清抓拍車輛通行的現場圖像。

智能運維平臺可通過組網,接收多個全設備智能運維終端的監測數據,建立車道、收費站、路段等全領域聯合管控。

3.2 LCD觸摸人機交互屏

全設備智能運維終端采用LCD顯示屏,通過屏幕可清晰查看實時輸入電量參數、輸出電流、輸入輸出狀態、溫濕度、故障信息等。

4 系統的網絡通信設計

傳統機柜通信接口僅支持RS485/RS232兩種方式與計算機通信,一體化欄桿機要實現IP化超遠程通信,應使用TCP/IP。控制器MCUSTM32F107內部集成了MAC控制器,可以輸出25 MHz或50 MHz時鐘信號,可以驅動外部以太網物理層(PHY)芯片,并支持MII和RMII兩種通信模式,提高了設計人員選擇最佳的PHY芯片的靈活性。為了與總線式車道控制器或與其他系統聯網運行,采用DP83848作為PHY芯片,可以實現CSMA/CD部分功能。設備接口同時具備BNC視頻輸出接口和RJ45百兆以太網口。

車道外設的管理模式由原車道離線獨立管理轉變為站級在線統一管理,各設備通過網絡協議與站級系統進行信號傳輸,站級系統實時獲取各車道外設的運行狀態,并可進行相應控制操作。如遇車道系統故障,無法控制外設使用狀態時,可由站級系統下發指令,完成協管控制操作[4]。

若車道外設有固件版本升級需求,由站級下發統一指令和更新數據,通過網絡協議即可完成更新,無須運維人員對每臺設備逐個進行更新,方便快捷,節省人力和時間成本。

所集成的各個設備都有相應的網絡接口。LED費額顯示器預留HUB75數據接口,車牌識別相機通信接口使用兩路100 M/1 000 M自適應網口。

隨著2020年全國取消省界收費站之后,極大程度提高了高速公路的通行效率,在經過一段時間的穩定運行之后,高速公路的稽查運營管理,如黑名單車輛的管控,是由云上大數據進行管理的。智能一體機通過TCP/IP與各自的站級服務器通信后,實現車道與收費服務平臺系統交互,適應云收費需求,如獲取最新的黑名單數據包、收費數據上傳等,見圖4。

圖4 黑名單同步流程圖

5 智能一體機試運行測試

目前ETC車道智能一體機已經完成研發設計、生產、試運行階段,并在南寧東站、那馬收費站實現了與收費軟件實車功能測試。該設備是針對現有收費系統推出的新型全智能無人收費終端,對車道外設進行集中管理,同時可通過管理平臺對車道設備進行遠程監控,機柜設計思路先進、性能穩定,為實現全面智能無人收費提供重要支持。

通過既定時間段的試運行,全面考察設計成果,并通過試運行發現項目存在的問題,從而進一步完善項目設計內容,確保一體機性能穩定性較好,功能性完全滿足設計需求再做進一步推廣使用。通過實際運行中系統功能與性能的全面考核,檢驗了該系統在長期運行中的整體穩定性、可靠性。

6 結語

本文設計ETC智能一體機智能化集成度高,布局簡潔美觀。該一體機根據現有收費系統的結構特點,進行科學的設計,結合分布式系統云平臺等新技術,建立起一個一體化欄桿機的生態,提高收費站的工作效率和安全性。通過實際應用案例證明,本設計對極大提高車道資源利用率、降低設備故障率、提高收費站智能化效果明顯。