ETC車道智能一體機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tǒng)的高速公路收費(fèi)站設(shè)備種類繁多,欄桿機(jī)、費(fèi)額顯示、車道攝像機(jī)等相關(guān)設(shè)備是單獨(dú)布置的,收費(fèi)站車道各自獨(dú)立、形成“數(shù)據(jù)孤島”,臨道干擾無從解決。收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)通道復(fù)雜、數(shù)據(jù)易積壓死鎖,單點(diǎn)故障容易導(dǎo)致系統(tǒng)性癱瘓,引發(fā)封道處理。收費(fèi)站車道系統(tǒng)集成度低,收費(fèi)站現(xiàn)有車道機(jī)電設(shè)備數(shù)量、種類多,布局分散,收費(fèi)機(jī)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較復(fù)雜,車道機(jī)電設(shè)備接口不一;簡(jiǎn)潔、美觀度有待提高;設(shè)備施工、調(diào)試、維護(hù)保養(yǎng)難度較大。收費(fèi)站車道智能化水平低。缺少有效手段發(fā)揮外場(chǎng)設(shè)備完整性能,車道應(yīng)用智慧化程度較低,業(yè)務(wù)彈性較差,升級(jí)維護(hù)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(wù)高速公路高效安全通行、收費(fèi)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、無人化、智慧化發(fā)展需要,本文提出適合當(dāng)前路網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的新一代高速公路收費(fèi)系統(tǒng)解決方案,即ETC車道智能一體機(jī)。該設(shè)備集成了ETC天線、費(fèi)額顯示屏、語音提醒裝置、爆閃燈、高清車牌識(shí)別相機(jī),接口大大減少,設(shè)備可以直接連接收費(fèi)車道控制機(jī),很大程度上減少了施工管線預(yù)留與設(shè)備安裝調(diào)試的工作量。設(shè)備智能化集成度高,對(duì)車道的資源利用率高,塑造了智能、便捷高效的收費(fèi)站形象。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

ETC車道智能一體機(jī)集成化控制中樞由嵌入式工業(yè)控制機(jī)、智能節(jié)點(diǎn)控制器、智能車道IO控制器、全設(shè)備智能運(yùn)維終端集成的車輛控制器單元、防砸雷達(dá)車檢模塊和動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)模塊組成。高度集成化控制中樞給外部的設(shè)備,外部的網(wǎng)絡(luò)提供接口,將信息收集處理。設(shè)備的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能一體機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

由圖1可知,智能一體機(jī)內(nèi)部集成了高速欄桿機(jī)、全彩信息廣告屏、LED費(fèi)額顯示器、高清車牌識(shí)別相機(jī)、聲光報(bào)警器、防砸雷達(dá)車檢、全設(shè)備智能運(yùn)維終端、智能外設(shè)控制器、嵌入式工控機(jī)、柜內(nèi)空調(diào)以及動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)主機(jī)等設(shè)備。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

(1)設(shè)備根據(jù)交通運(yùn)輸部最新高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)方案研制,智能節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)時(shí)采集收費(fèi)數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)車道與收費(fèi)服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)交互,適應(yīng)云收費(fèi)需求。

(2)設(shè)備外部通信IP化,支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、范圍管理、控制與維護(hù),提升收費(fèi)站系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,降低運(yùn)維復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)站級(jí)統(tǒng)一管理、便利運(yùn)維。

(3)通過車道智能自助設(shè)備,提升收費(fèi)站應(yīng)急處置能力、智能化管理水平和客戶自助服務(wù)品質(zhì),減少現(xiàn)場(chǎng)特情處理,改善收費(fèi)員工作和安全防護(hù)環(huán)境。

2 系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)

智能一體機(jī)采用集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)外觀簡(jiǎn)潔大方,系統(tǒng)內(nèi)部通過將各智能模塊合理布局,各模塊功能相互配合,優(yōu)化布線,統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)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(yè)控制機(jī)

嵌入式工業(yè)控制機(jī)是集成系統(tǒng)的重要組成部分。工業(yè)控制機(jī)集成度高,機(jī)身體積小,邏輯功能強(qiáng)大,搭載32位高性能、高可靠性處理器,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)、故障反饋以及遠(yuǎn)程控制,兼容現(xiàn)有車道設(shè)備接口。工控機(jī)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài),包括電壓、電流、功率、溫濕度、環(huán)境亮度、欄桿機(jī)的位置狀態(tài)線圈運(yùn)行的狀態(tài)以及外部各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。工控機(jī)使用TCP/IP協(xié)議與遠(yuǎn)程的系統(tǒng)進(jìn)行通信,能夠?qū)崿F(xiàn)如遠(yuǎn)程控制欄桿機(jī)抬落桿、遠(yuǎn)程重啟各個(gè)單元模塊、遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)查詢以及全彩廣告屏遠(yuǎn)程信息發(fā)布等功能,極大提高了高速公路服務(wù)效率[2]。

2.2 智能節(jié)點(diǎn)控制器

智能節(jié)點(diǎn)控制器通過網(wǎng)絡(luò)與收費(fèi)軟件通信,根據(jù)指令獲取狀態(tài)并控制自動(dòng)欄桿機(jī)、通行燈、霧燈、雨棚燈、聲光報(bào)警器、費(fèi)額顯示屏、光柵/線圈等外設(shè),并控制副機(jī)及關(guān)道機(jī)。若收費(fèi)站或者某條車道發(fā)生特殊情況,上級(jí)交通部門得知消息之后可以通過網(wǎng)絡(luò),精確地對(duì)其進(jìn)行交通信號(hào)燈控制,也可以控制聲光報(bào)警器提示報(bào)警信息。

智能節(jié)點(diǎn)通過車道IO控制器獲取車道狀態(tài)數(shù)據(jù),如欄桿升降狀態(tài)、車檢器過車狀態(tài)等,其中光纖光柵傳感器作為一種新型技術(shù)車檢器,較普通傳感器在抗干擾和強(qiáng)腐蝕的檢測(cè)環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),更加適合在惡劣的環(huán)境下工作;同時(shí)在對(duì)微弱信號(hào)的處理上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和長(zhǎng)距離精確傳輸;光纖光柵傳感頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大而且測(cè)量精度和靈敏度高,易于埋入或附著結(jié)構(gòu)體表面,可以實(shí)時(shí)提供結(jié)構(gòu)體安全性等方面的信息。其內(nèi)部電路接線圖見圖2。

圖2 光柵內(nèi)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(jī)架式外殼設(shè)計(jì),通過串口或者25P IO接口接入智能節(jié)點(diǎn)控制器通信,將費(fèi)顯數(shù)據(jù)、欄桿機(jī)抬落次數(shù)、線圈反饋信號(hào)、車牌識(shí)別觸發(fā)信號(hào)等數(shù)據(jù)提供給工業(yè)控制機(jī)(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(jī)狀態(tài)反饋若為開關(guān)量信號(hào),則通過光電耦合器隔離;若光柵輸出信號(hào)為電壓量則使用繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上述設(shè)計(jì)保證外設(shè)與車道控制器之間通過有效的物理隔離,起到保護(hù)智能一體機(jī)效果。

2.4 防砸雷達(dá)車檢設(shè)計(jì)

根據(jù)《收費(fèi)用電動(dòng)欄桿機(jī)》(GB/T 24973-2010)規(guī)定的電動(dòng)欄桿機(jī)起落時(shí)間,按時(shí)間區(qū)分為F級(jí)、O級(jí)、S級(jí)三種,分別對(duì)應(yīng)起落時(shí)間為<1.4 s、1.4～4 s、4～5 s。欄桿機(jī)的起落時(shí)間是指從控制系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)發(fā)出開始,至欄桿下落到水平位置的這段時(shí)間。

欄桿機(jī)的檢測(cè)機(jī)制是通過車道下方所埋的線圈進(jìn)行檢測(cè)是否有車輛駛近,如果感應(yīng)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(shí)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(shí)間;

s——感應(yīng)線圈的寬度。

但是感應(yīng)線圈在當(dāng)經(jīng)過的車輛地盤較高時(shí)很可能會(huì)檢測(cè)不到,從而判定為沒有車,欄桿就不會(huì)抬起,或者兩車相距很近,一起駛過感應(yīng)線圈的時(shí)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(guān)的僥幸車輛[3]。

為解決這一問題,設(shè)計(jì)在一體機(jī)前方安裝電磁脈沖波車檢器,其可以彌補(bǔ)其他車輛檢測(cè)器的不足之處,其優(yōu)點(diǎn)是:利用電磁脈沖波技術(shù)7×24 h全天候不間斷工作,不受聲波與環(huán)境因素影響(酸、煙、霧、雨、雪、冰),超強(qiáng)抗干擾,多套電磁脈沖波車檢器同時(shí)使用于同一車道或都相鄰車道具備間頻防干擾功能。檢測(cè)設(shè)備質(zhì)輕小巧,性能穩(wěn)定,檢測(cè)高度與寬度均可調(diào)節(jié)或靈活應(yīng)用,對(duì)于超高超寬異形車輛的檢測(cè)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì);對(duì)超高超長(zhǎng)拖掛貨車有檢測(cè)優(yōu)勢(shì),能做到精準(zhǔn)區(qū)分不誤判,可替換車道內(nèi)其他類型檢測(cè)器,或彌補(bǔ)其他車輛檢測(cè)器的功能缺陷。

2.5 動(dòng)環(huán)智能感知節(jié)點(diǎn)

智能節(jié)點(diǎn)控制器集成了電壓、電流、溫濕度等大量傳感器,實(shí)時(shí)收集和上報(bào)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),使之成為智慧高速公路的一個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)。智能運(yùn)維終端還可外接門禁、水位、煙感毫秒級(jí)傳感器,高采集頻率,時(shí)刻感知機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的工作環(huán)境。全設(shè)備智能運(yùn)維終端還預(yù)留一組門禁聯(lián)動(dòng)開關(guān)量,方便整體系統(tǒng)二次擴(kuò)展。門禁報(bào)警支持與機(jī)柜門禁聯(lián)動(dòng),入侵實(shí)時(shí)報(bào)警,聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行抓拍。

3 運(yùn)維管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程運(yùn)維管理平臺(tái)

遠(yuǎn)程運(yùn)維管理平臺(tái)具備對(duì)設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)的功能,運(yùn)維平臺(tái)通過比對(duì)數(shù)據(jù),分析出設(shè)備隱患故障及可能存在的安全隱患,進(jìn)行監(jiān)測(cè)異常告警,還可遠(yuǎn)程控制單個(gè)設(shè)備的重啟。平臺(tái)基于B/S架構(gòu),集成GIS地圖功能。所有前端點(diǎn)位均能通過GIS地圖進(jìn)行標(biāo)注,點(diǎn)擊相應(yīng)點(diǎn)位后可以顯示該點(diǎn)位當(dāng)前的上下行車流量、溫度、濕度和高清抓拍車輛通行的現(xiàn)場(chǎng)圖像。

智能運(yùn)維平臺(tái)可通過組網(wǎng),接收多個(gè)全設(shè)備智能運(yùn)維終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立車道、收費(fèi)站、路段等全領(lǐng)域聯(lián)合管控。

3.2 LCD觸摸人機(jī)交互屏

全設(shè)備智能運(yùn)維終端采用LCD顯示屏,通過屏幕可清晰查看實(shí)時(shí)輸入電量參數(shù)、輸出電流、輸入輸出狀態(tài)、溫濕度、故障信息等。

4 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)柜通信接口僅支持RS485/RS232兩種方式與計(jì)算機(jī)通信,一體化欄桿機(jī)要實(shí)現(xiàn)IP化超遠(yuǎn)程通信,應(yīng)使用TCP/IP?？刂破鱉CUSTM32F107內(nèi)部集成了MAC控制器,可以輸出25 MHz或50 MHz時(shí)鐘信號(hào),可以驅(qū)動(dòng)外部以太網(wǎng)物理層(PHY)芯片,并支持MII和RMII兩種通信模式,提高了設(shè)計(jì)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(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,采用DP83848作為PHY芯片,可以實(shí)現(xiàn)CSMA/CD部分功能。設(shè)備接口同時(shí)具備BNC視頻輸出接口和RJ45百兆以太網(wǎng)口。

車道外設(shè)的管理模式由原車道離線獨(dú)立管理轉(zhuǎn)變?yōu)檎炯?jí)在線統(tǒng)一管理,各設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與站級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸,站級(jí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取各車道外設(shè)的運(yùn)行狀態(tài),并可進(jìn)行相應(yīng)控制操作。如遇車道系統(tǒng)故障,無法控制外設(shè)使用狀態(tài)時(shí),可由站級(jí)系統(tǒng)下發(fā)指令,完成協(xié)管控制操作[4]。

若車道外設(shè)有固件版本升級(jí)需求,由站級(jí)下發(fā)統(tǒng)一指令和更新數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即可完成更新,無須運(yùn)維人員對(duì)每臺(tái)設(shè)備逐個(gè)進(jìn)行更新,方便快捷,節(jié)省人力和時(shí)間成本。

所集成的各個(gè)設(shè)備都有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口。LED費(fèi)額顯示器預(yù)留HUB75數(shù)據(jù)接口,車牌識(shí)別相機(jī)通信接口使用兩路100 M/1 000 M自適應(yīng)網(wǎng)口。

隨著2020年全國(guó)取消省界收費(fèi)站之后,極大程度提高了高速公路的通行效率,在經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行之后,高速公路的稽查運(yùn)營(yíng)管理,如黑名單車輛的管控,是由云上大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的。智能一體機(jī)通過TCP/IP與各自的站級(jí)服務(wù)器通信后,實(shí)現(xiàn)車道與收費(fèi)服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)交互,適應(yīng)云收費(fèi)需求,如獲取最新的黑名單數(shù)據(jù)包、收費(fèi)數(shù)據(jù)上傳等,見圖4。

圖4 黑名單同步流程圖

5 智能一體機(jī)試運(yùn)行測(cè)試

目前ETC車道智能一體機(jī)已經(jīng)完成研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試運(yùn)行階段,并在南寧東站、那馬收費(fèi)站實(shí)現(xiàn)了與收費(fèi)軟件實(shí)車功能測(cè)試。該設(shè)備是針對(duì)現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)推出的新型全智能無人收費(fèi)終端,對(duì)車道外設(shè)進(jìn)行集中管理,同時(shí)可通過管理平臺(tái)對(duì)車道設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,機(jī)柜設(shè)計(jì)思路先進(jìn)、性能穩(wěn)定,為實(shí)現(xiàn)全面智能無人收費(fèi)提供重要支持。

通過既定時(shí)間段的試運(yùn)行,全面考察設(shè)計(jì)成果,并通過試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目存在的問題,從而進(jìn)一步完善項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容,確保一體機(jī)性能穩(wěn)定性較好,功能性完全滿足設(shè)計(jì)需求再做進(jìn)一步推廣使用。通過實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)功能與性能的全面考核,檢驗(yàn)了該系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中的整體穩(wěn)定性、可靠性。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)ETC智能一體機(jī)智能化集成度高,布局簡(jiǎn)潔美觀。該一體機(jī)根據(jù)現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì),結(jié)合分布式系統(tǒng)云平臺(tái)等新技術(shù),建立起一個(gè)一體化欄桿機(jī)的生態(tài),提高收費(fèi)站的工作效率和安全性。通過實(shí)際應(yīng)用案例證明,本設(shè)計(jì)對(duì)極大提高車道資源利用率、降低設(shè)備故障率、提高收費(fèi)站智能化效果明顯。