收費站機電系統升級改造實施研究

摘要 收費站是高速公路系統的重要組成部分，隨著新技術的應用需要不斷推進和升級其機電設備。文章梳理了高速公路收費站的基本組成和升級改造設計的原則，并結合相關案例，分析了數字傳輸網絡、ETC 收費系統、欄桿機提前抬桿系統的改進建設方案。項目實踐表明：機電系統改造后，為高速公路實現公眾“ 兩感” 出行，提升交通安全性提供了良好的硬件支持，取得了良好的經濟和社會效益。

關鍵詞 收費站；ETC；機電系統；通信網絡

中圖分類號 TP311.52 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0009-03

0 引言

隨著交通量的不斷增加，高速公路老舊收費站機電系統已經不能滿足現代高速公路的需要[1]。其主要體現為老舊系統無法實現自動化、智能化、信息化的管理和監控，無法及時反饋道路交通狀況、天氣及能見度等信息，不能有效地提高路網的安全性、流暢性及服務水平[2-3]。同時，由于人工收費本身的效率較低，導致高速公路收費口的通行能力受到限制，影響了車輛的行駛速度，還會造成環境污染、交通擁堵和交通事故等問題。

因此，升級改造高速公路老舊收費站機電系統已經成為必要措施。通過引入先進的技術和設備，如高精度車輛識別技術、欄桿機提前抬桿、ETC 等新技術和先進的數據傳輸網絡等，可以實現不停車收費，大大加快了高速公路收費道口的通行能力，實現公眾“ 兩感” 出行，提高了經濟效益和社會效益，同時也降低了車輛管理的成本和投訴率，有利于提高車輛的營運效益[4]。鑒于此，該文總結了高速公路典型機電系統的組成部分，提煉出機電系統升級改造的主要原則，并結合具體的工程案例，分析了數字傳輸網絡和聯網不停車收費系統進行升級改造的方案，以期為相關項目的實施提供參考。

1 高速公路機電系統

1.1 高速公路機電系統的主要組成

高速公路機電系統主要由收費系統、監控系統、通信系統、供配電系統4 個系統組成。其主要系統的結構如圖1 所示。收費系統實現計算機收費管理，準確統計車輛數目，并對收費過程進行實時監控。監控系統對通過車輛進行檢測并計算車道占有率、車頭時距等參數，監測氣象參數和通過車輛的圖像，并發布交通控制和引導信息。通信系統提供無阻塞的話務服務、高速率的傳輸通道和暢通的社會通信。供電與照明系統提供電力供應和照明。主要組成部分的具體功能和組成如下：

1.1.1 監控系統

高速監控系統是通過監控設備和顯示儀器，實現對路況信息和交通信息、環境狀況的實時監測。通過監控設備，管理人員進行科學的交通引導和控制、調整道路交通流、保證路況暢通，避免出現交通事故。

1.1.2 通信系統

高速公路的通信系統是實現傳輸視頻、文字、語音等功能，以及溝通管理部門之間、內部各個管理機構和外界的基礎系統，其包括綜合布線和相關的通信設備、電話、程控交換機、干線ADM 傳輸機、ONU、光纖路終端、服務器等。

1.1.3 收費系統

現在收費系統可以分為半自動收費（MTC）和全自動收費車道（ETC）兩種。由于ETC 自動化程度較高，現在在高速公路上已經實現了基本全覆蓋。所以，ETC系統的設計是收費系統設計的主要部分，該系統主要包括計算機、車牌識別、通行卡管理、收費監控、電源等。另外，近些年也逐漸發展出了智能化的自助車道，該車道是指收費站中裝備有自助設備，系統負責收費和審核等工作的車道。組成部分通常包括自助繳費機、車道指示系統、安全防護設施。

1.2 高速公路機電系統新技術的應用

為提高收費站的管理效率和服務質量，近年來在一崗多能、遠程集中特情處理等技術方面進行了大量的研究和應用。

一崗多能技術是指一個工作人員能夠實現多個工作崗位的職責，從而提高工作效率和管理效果。在高速公路收費站中，一崗多能技術被廣泛應用。例如，收費站工作人員可以通過系統實現收費、車牌識別、安全檢查等多個工作崗位的職責，提高工作效率和服務質量。此外，收費站還可以實現車輛識別、視頻監控、道路信息發布等多個功能的集成，從而提高了管理效果。

遠程集中特情處理技術是指通過遠程監控和數據傳輸等技術手段，實現對特殊情況的快速響應和處理。在高速公路收費站中，遠程集中特情處理技術被廣泛應用，例如收費站可以通過系統實現對車輛違法行為的實時監測和追蹤，并通過遠程處理系統對違法事件進行處理。此外，收費站還可以通過遠程數據傳輸，實現與其他收費站和公路管理部門的信息共享和協同處理，提高了特殊情況的應急處理能力。

除了以上技術，高速公路收費站還應用了其他新的技術手段，如高精度車輛識別技術、ETC 系統技術、智能安全監控技術等。

2 機電系統升級改造的設計目標和原則

對高速公路收費站機電系統進行改造升級時，要充分考慮原有系統的具體情況，根據設計目標制定設計方案。一般的設計目標是建設一套“ 實用、好用、管用”的收費系統，具體來講：

高速公路收費系統要實用，即能夠滿足用戶的需求，提供便捷、高效、準確的收費服務，如通過ETC、自助繳費機、移動支付等方式實現車輛繳費和通行的自動化和無感知，提高了通行效率和服務質量。好用是指能夠方便、快捷、直觀地操作和使用，如通過用戶界面和操作流程的優化和人性化設計，使車主能夠輕松、快速地完成繳費和通行，提高了用戶的滿意度和體驗感。管用是能夠實現對車輛通行和收費的監管和管理，確保公路交通的安全性和合法性，如通過車牌識別技術、違法處理系統、車輛追蹤和監測等手段，實現對車輛通行和違法行為的監管與處理，提高了公路交通的安全性和管理效能。

改造設計中主要應該遵循以下原則：①符合改造和設計標準；②充分利用現有的設備；③采用先進又成熟的技術，降低新技術風險；④系統改造中要保證系統的穩定性，避免業務中斷；⑤考慮到相關土建工程的影響。

3 機電系統升級改造內容及實施

某高速收費站機電工程于2013 年建成運行，已經運行約10 年，現有通信系統設備部分已經停產，備品備件欠缺，設備經過長時間、高負荷地運轉，有些設備板件等出現老化的現象嚴重。計劃對該機電系統的數字傳輸網絡和聯網不停車收費系統進行升級改造的具體方案如下：

3.1 光纖數字傳輸系統

在高速公路通信系統中，光纖數字傳輸系統是其中一個重要的組成部分。該系統的主要目的是傳輸各種通信業務，包括數據、圖像和視頻等。這些業務需要高速、穩定和安全的傳輸通路，以滿足高速公路的各種通信需求。

系統采用SDH 方式傳輸，整個通信系統按照干線傳輸和本地綜合業務接入雙層傳輸體制組網，其中干線傳輸設備包括上級通信分中心的ADM 設備和收費站的REG 設備。為了提高通信設備的性能和穩定性，建議對現有的干線傳輸設備進行更新，增加新型的傳輸設備，傳輸等級維持原有的STM-4 不變。

3.2 高速公路聯網不停車收費系統設計

聯網不停車收費系統的設計目標包括：緩解收費站區擁堵，提高通行效率，協助管理人員管理逃票的情況，增加交通的智能控制。ETC 車道系統的工作流程和設備組成如圖2 所示。

3.2.1 系統主體設計

電子不停車收費系統（ETC）是我國高速公路應用最為先進的收費系統，在提高交通運行效率、減少出入口擁擠方面起到了很好的作用。ETC 的建設已經成為高速公路收費系統建設的主流，且系統的構成相對復雜。

3.2.2 系統硬件設計

組合車道的硬件系統設計主要分為通信子系統、車輛識別系統、視頻監控系統3 部分。

（1）通信子系統設計。根據相關的技術標準和設計規范，ETC 系統一般采用專用的短程通信頻率5.8 GHz的通信標準。另外，路側設備（RSU）完成與車輛的通信、檢測車輛、攝錄等功能，包括ETC 設備及其輔助設備。

（2）車輛自動分類系統設計。由于不同類型車輛的收費標準不同，要實現自動收費，則必須對車輛進行自動分類，具體通過傳感器檢測車輛的高度、軸數、重量等要素完成車輛的分類。分類系統包括前分類系統和后分類系統2 種。前分類系統自動計算車輛需要繳納的費用；后分類系統對車輛信息和交納費用進行復核，確保正確收費。該技術已經廣泛地應用在高速公路的收費站中，硬件也有較多的選擇品牌和型號。

（3）視頻監控系統。視頻監控系統是獨立于ETC電子標簽的另外一種車輛信息識別的系統。視頻監控通過攝錄車輛的車牌號碼和車籍信息，用于事故的責任認定、追繳漏繳費用、協助公安取證等方面。

3.2.3 系統的安全性設計

系統的安全性和可靠性是系統設計的關鍵，在設計中可以采取必要的措施保證收費網絡的安全，軟件設計中需要考慮到異常情況處理機制，數據的保存可以采用熱備份和冷備份，以保證數據不丟失。另外，在其他方面，核心的計算機系統需要采用不間斷電源（UPS）供電，配電箱安裝過電壓保護裝置，機房的接地電阻值應小于0.5 Ω。

3.3 欄桿機提前抬桿系統

高速公路雷達檢測欄桿機提前抬桿技術是一種利用高精度雷達檢測車輛速度、距離等信息，實現欄桿提前抬桿的智能化控制技術。其主要組成部分包括以下幾個方面：

（1）高精度雷達：高速公路雷達檢測欄桿機提前抬桿技術采用高精度雷達檢測車輛的速度、距離等信息，實現車輛的自動識別和欄桿提前抬桿控制。

（2）控制系統：控制系統是高速公路雷達檢測欄桿機提前抬桿技術的核心部分，通過對車輛的速度、距離等信息進行分析和計算，實現欄桿的自動控制和提前抬桿。

（3）欄桿機構：欄桿機構是高速公路雷達檢測欄桿機提前抬桿技術的執行部分，它通過電機、氣壓等機構實現欄桿的升降，確保車輛的順暢通行。高速公路雷達檢測欄桿機提前抬桿技術主要具有智能化、自動化、高效性、安全性的特點，實現了對車輛的準確識別和欄桿的自動控制，提高了車輛的通行效率和道路的通行能力，確保了車輛的安全通行和道路的安全管理。

3.4 升級改造后的情況

經過對高速公路收費站的機電設備系統升級改造，明顯提高了工作效率，具體表現在：

3.4.1 提升高速形象

機電設備升級改造后，公路收費站的外觀和設備得到了改善，如使用LED 顯示屏、高速ETC 通道等等，使收費站的形象得到提升。此外，收費站的通行效率也得到了顯著提高，通行車輛能夠快速通過，不會出現擁堵現象，提高了用戶的出行體驗和滿意度。

3.4.2 交通安全提升

收費站的設備得到更新，如自動開閘、車牌識別等使車輛能夠快速通行，減少了車輛停留的時間，從而降低了發生交通事故的風險。此外，收費站的設備和工作人員也能夠更加高效地進行交通管控和應急處理，提高了公路交通的安全性。

3.4.3 投資運營成本節省

收費站的設備能夠更加高效地工作，減少了人力和時間的浪費，從而節省了運營成本。同時，機電設備的升級改造也能夠提高收費站的通行效率，降低了車輛通行的時間成本，提高了用戶的使用體驗和滿意度。

3.4.4 環保節能

采用的新型設備更加節能環保，如LED 顯示屏、智能控制系統等，能夠減少能源消耗，減少環境污染。此外，ETC 系統的推廣也能夠減少車輛的排隊等待時間，降低了車輛的二氧化碳排放量，利于環保和節能。

4 結語

綜上所述，機電設備的升級改造不僅能夠提高用戶的出行體驗和滿意度，還能夠對公路管理企業的管理和運營帶來實際的經濟效益和環保效益。因此，在未來的公路建設和運營中，應繼續加強機電設備的技術改造和升級，以實現更加高效、便捷、安全、環保和節能的收費和通行服務。

參考文獻

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[3] 盧茜. 高速公路收費站機電系統升級改造系統設計[J].交通世界， 2017（16）： 166-167.

[4] 梁冰， 馬曉忠. 高速公路收費站入口治超系統機電設備安裝分析[J]. 北方交通， 2023（3）： 65-67+71.