鄭祖恩， 周 進， 戴劍軍， 方 偉

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

我國高速公路通車里程持續(xù)增長，交通擁堵日趨嚴峻，隨之對高速收費管理、交通流量控制、安全隱患管理等的要求不斷提高，提高交通運輸管理效率、降低運輸成本的戰(zhàn)略要求日益迫切。

2019年，全國開展的取消省界公路收費站項目，ETC門架系統(tǒng)是該項目的重要核心支撐系統(tǒng)，其正常穩(wěn)定安全運行尤為關(guān)鍵。

1 門架系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

ETC門架系統(tǒng)是高速公路實現(xiàn)自由流收費的重要組成部分，是取消高速路省界收費站工程項目的必備重要硬件基礎設施，也是對原有高速省界公路收費站門架物理結(jié)構(gòu)拆除后的必要技術(shù)補充。其主要設置于互通樞紐匝道、沿線各收費站匝道處，建設位置一般遠離周邊城鎮(zhèn)[1]，要求該系統(tǒng)具備穩(wěn)定運行的能力，對相關(guān)技術(shù)提出了較高的要求。ETC門架系統(tǒng)主要由車道控制系統(tǒng)、ETC天線、高清車牌識別單元、補光設備、高清行車監(jiān)控攝像機等部分組成。智能控制柜作為關(guān)鍵組成，能夠滿足高速公路體量龐大的物聯(lián)網(wǎng)設備接入、傳輸、安全防護等方面的管理業(yè)務需求，可有機融合物聯(lián)網(wǎng)感知、邊緣計算、光纖通訊、網(wǎng)絡交換、網(wǎng)絡安全管理和云端數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，具備行業(yè)前瞻性和應用領先性。圖1為ETC系統(tǒng)布局示意圖。

圖1 ETC系統(tǒng)布局示意圖

1.2 需求分析

1) ETC門架系統(tǒng)的持續(xù)正常運行，需要不間斷供電保障。在市電意外斷電時，需要緊急備用電源保障系統(tǒng)的全天候正常運轉(zhuǎn)。

2) ETC門架系統(tǒng)大多在野外環(huán)境，高低溫、潮濕等嚴酷條件對設備正常工作造成巨大的負擔，需要為設備提供一個適宜的運行環(huán)境。

3) 為避免因戶外環(huán)境和人為因素對設備帶來的損害，需要從結(jié)構(gòu)、制作工藝等角度考慮，為設備提供安全可靠的空間環(huán)境。

4) ETC門架系統(tǒng)涉及設備眾多，地理位置偏遠，需要對設備運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控，發(fā)生異常情況時，進行告警通知。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能供配電技術(shù)

持續(xù)穩(wěn)定的供電是ETC門架系統(tǒng)正常運行的先決條件，針對目前ETC門架供電線路存在的突發(fā)斷電無保障、排除故障難、維護成本高等諸多問題，需對門架系統(tǒng)供配電進行改進優(yōu)化。

1) 將收費站內(nèi)箱變?nèi)‰娢恢迷黾与p電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，并將雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)主輸入口與市電相連，備用輸入口與站內(nèi)后備發(fā)電機相連，當市電突發(fā)性停電時，可啟動發(fā)電機對ETC門架系統(tǒng)進行持續(xù)供電。

2) 在收費站發(fā)電機房內(nèi)增加雙電源接入柜，若市電長時間停電，收費站內(nèi)固定發(fā)電機長時間工作需要停歇或站內(nèi)固定發(fā)電機突發(fā)故障無法啟動時，可以調(diào)配移動發(fā)電車。保證收費站內(nèi)機電設備以及外場ETC門架設備持續(xù)供電[2]。

3) 智能控制柜內(nèi)增加便攜式發(fā)電機快速接入口。在收費站與ETC門架之間的供電電纜發(fā)生故障且不能在4 h內(nèi)及時修復情況下，可以將便攜式發(fā)電機運送到外場智能控制柜處，通過快速接入口，5 min內(nèi)即可恢復系統(tǒng)供電。較傳統(tǒng)接線方式，可節(jié)省3倍以上的時間。

4) 通過監(jiān)測設備對ETC門架系統(tǒng)各設備工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實時監(jiān)測供配電系統(tǒng)的供電狀態(tài)，當存在斷電故障時，可通過遠程實時監(jiān)測及時得到報警反饋，為維護人員發(fā)現(xiàn)處理故障、維護系統(tǒng)提供便利，縮短系統(tǒng)恢復時間。

2.2 ETC門架系統(tǒng)防雷技術(shù)

防雷接地是ETC門架系統(tǒng)建設中的關(guān)鍵部分，防雷設備在確保ETC系統(tǒng)設備正常穩(wěn)定運行方面起著至關(guān)重要的作用，關(guān)系著車輛通行費收繳、全國路網(wǎng)中心營運等工作。在完善ETC門架系統(tǒng)地網(wǎng)的基礎上有必要加強防雷監(jiān)測工作，加強系統(tǒng)的在線監(jiān)測，通過雷電數(shù)據(jù)信息采集終端、智能空氣開關(guān)、極速切斷裝置、微處理系統(tǒng)等監(jiān)測或管理模塊的組合使用，對瞬態(tài)電流、接地狀態(tài)、防雷器運行狀態(tài)、微安級漏電流等遠程實時在線監(jiān)測。依托有線、無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，通過數(shù)據(jù)處理、多維度分析，可以精確獲取特定門架區(qū)域雷電發(fā)生的狀態(tài)參數(shù)，為完善現(xiàn)有防雷系統(tǒng)設施提供可靠的數(shù)據(jù)參考，為門架防雷實現(xiàn)預防性養(yǎng)護目標。實現(xiàn)安裝環(huán)境內(nèi)的多元素隱患早發(fā)現(xiàn)、早處理，及時對運行異常的硬件設備設施進行檢修維護。

2.3 智慧運維技術(shù)

高速公路ETC門架系統(tǒng)機電設備種類較多，包括門架、車道控制、供配電、網(wǎng)絡安全、視頻監(jiān)控、動環(huán)等功能模塊。通過將各機電設備的實時運行狀態(tài)、報警信息、故障診斷等環(huán)節(jié)的數(shù)字化后數(shù)據(jù)融合匯集到服務器，在運維服務器上經(jīng)大數(shù)據(jù)分析、AI算法，對系統(tǒng)內(nèi)各設備的資源瓶頸周期、使用壽命進行預判，并實時監(jiān)測通信網(wǎng)絡安全、電力供應等子系統(tǒng)的可能風險，運用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析設備、系統(tǒng)間的故障內(nèi)在聯(lián)系，最終實現(xiàn)ETC門架系統(tǒng)故障的智能預警，以及故障原因的精準定位，提升門架系統(tǒng)智慧化運維水平。

運用苗頭預測法是解決勞動爭議“防調(diào)結(jié)合，以防為主”工作方針的具體要求。要做到“防調(diào)結(jié)合，以防為主”。必須及時掌握糾紛發(fā)展、變化的客觀規(guī)律，發(fā)現(xiàn)糾紛發(fā)展和深化的苗頭，洞察糾紛當事人思想和行為不斷變化的蛛絲馬跡，及時有針對性地采取措施．進行積極的疏導，把矛盾解決在萌芽狀態(tài)，防止其擴大和激化。

3 應用實現(xiàn)

3.1 設計思路

1) 結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新: 智能控制柜采用模塊化的拼接結(jié)構(gòu)設計，安裝簡易，同時為各個功能模塊預留線槽、插孔、接線端等。使用、維護便捷，布局、外形美觀[3]。

2) 模組化設計: 智能控制柜將供配電、采集終端、報警單元、攝像機、動環(huán)等多個功能模塊進行集成應用，功能分區(qū)明顯，模塊更換維護便捷。

3) 自動化遠程監(jiān)測: 可通過云管理平臺遠程監(jiān)測功能，實時監(jiān)測控制柜內(nèi)所有設備的在線狀態(tài)、供電狀態(tài)、環(huán)境信息、柜門開關(guān)狀態(tài)等，處理設備故障報警與防闖入報警等異常信息[4-5]。通過北斗定位，主動上傳故障位置，快速定位故障點，可利用遠程信息查詢、指令下發(fā)實現(xiàn)故障遠程診斷。

3.2 柜體結(jié)構(gòu)

智能控制柜為ETC門架系統(tǒng)提供整體設備收容管理及預留空間，滿足多制式電壓輸出設備的高效節(jié)能管理，24 h持續(xù)高可靠的供電能力，支持部、省級平臺分級分區(qū)域統(tǒng)一可視化管理。柜體內(nèi)部設備拓撲圖見圖2。

圖2 柜體內(nèi)部設備拓撲圖

智能控制柜為各機電設備提供防水、防塵、抗風蝕、抗老化、防盜、防銹的適宜運行環(huán)境?？刂乒駜?nèi)空間采用標準的48 cm面板，UPS電源、防雷設備、供配電模塊、動環(huán)監(jiān)測、攝像監(jiān)控、空調(diào)等功能模塊均可獨立安裝拆卸、更換方便。

3.3 供配電模塊

供電電路模塊總體拓撲如圖3所示，系統(tǒng)中設計2個電源切換器，ATS1負責市電與發(fā)電機之間的切換，ATS2負責UPS1與UPS2之間的切換。動力控制板可實現(xiàn)配電箱每一回路的供電與斷電。系統(tǒng)含2路防雷器，分別用于防止來自市電和門架的浪涌。

圖3 供電總體拓撲圖

圖4 主配電箱設計圖

2) 分配電箱設計: 分配電箱采用火線空開與零地端子組合排列，便于維護與接線?？臻_采用1A/2A微型斷路器，在各子供電回路異常時斷開。分配電箱可為門架設備提供便利的接入方式，其設計如圖5所示。

圖5 分配電箱設計圖

3.4 動環(huán)監(jiān)控模塊

動力環(huán)境監(jiān)控模塊拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，由總控、IO、顯示器鍵盤、直流電源等集成在一個綜合的空間，具有集成度高、用戶線路少、理線方便、便于維護等優(yōu)點。動力環(huán)境總控板負責以RS232和RS485方式與柜內(nèi)設備通訊，并通過以太網(wǎng)口實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時也實現(xiàn)有關(guān)柜內(nèi)的控制邏輯。主IO實現(xiàn)對動力環(huán)境變量的監(jiān)測及柜內(nèi)設備的IO控制，分IO板實現(xiàn)對門架設備的監(jiān)控，串口顯示屏使現(xiàn)場維護人員直觀地觀察關(guān)鍵設備運行狀態(tài)。電力計量表記錄UPS狀態(tài)以及相關(guān)設備用電情況。

圖6 動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.5 應用實例

根據(jù)我國“交通強國”的總體建設目標，大力推進高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型。智能控制柜作為門架系統(tǒng)機電設備的重要載體，大規(guī)模應用于2019年湖南省取消省界收費站工程項目，結(jié)合云管理平臺，可全面監(jiān)測ETC門架系統(tǒng)中的機電設備，實時獲取設備的在線狀態(tài)、故障報警、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，向高速公路管理者提供基于數(shù)據(jù)分析的輔助決策服務。做到真正的自動化監(jiān)測、數(shù)字化管理，智慧化維護(見圖7)。

a) 智能控制柜

4 結(jié)語

通過對高速公路ETC門架系統(tǒng)的實際需求分析，開展了智能供配電技術(shù)、防雷技術(shù)、智慧運維技術(shù)的理論研究，設計改進優(yōu)化的智能控制柜，配套云管理平臺，在湖南省取消省界收費站項目中得到應用與驗證。研究成果通過工程應用，滿足室外各種惡劣環(huán)境的工作要求，同時降低了人工運維成本，提高了業(yè)務效率，提升了ETC門架系統(tǒng)的智能化水平，為高速公路自由流收費系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了保障，為湖南省交通運輸高質(zhì)量發(fā)展打下了夯實的基礎。