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)的高速公路收費站設(shè)備種類繁多,欄桿機、費額顯示、車道攝像機等相關(guān)設(shè)備是單獨布置的,收費站車道各自獨立、形成“數(shù)據(jù)孤島”,臨道干擾無從解決。收費網(wǎng)絡通道復雜、數(shù)據(jù)易積壓死鎖,單點故障容易導致系統(tǒng)性癱瘓,引發(fā)封道處理。收費站車道系統(tǒng)集成度低,收費站現(xiàn)有車道機電設(shè)備數(shù)量、種類多,布局分散,收費機電系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)較復雜,車道機電設(shè)備接口不一;簡潔、美觀度有待提高;設(shè)備施工、調(diào)試、維護保養(yǎng)難度較大。收費站車道智能化水平低。缺少有效手段發(fā)揮外場設(shè)備完整性能,車道應用智慧化程度較低,業(yè)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(tǒng)的標準化、無人化、智慧化發(fā)展需要,本文提出適合當前路網(wǎng)運行環(huán)境的新一代高速公路收費系統(tǒng)解決方案,即ETC車道智能一體機。該設(shè)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(shè)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(shè)備安裝調(diào)試的工作量。設(shè)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(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

ETC車道智能一體機集成化控制中樞由嵌入式工業(yè)控制機、智能節(jié)點控制器、智能車道IO控制器、全設(shè)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(huán)監(jiān)測模塊組成。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 智能一體機系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

由圖1可知,智能一體機內(nèi)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(shè)備智能運維終端、智能外設(shè)控制器、嵌入式工控機、柜內(nèi)空調(diào)以及動環(huán)監(jiān)測主機等設(shè)備。系統(tǒng)具有如下特點:

(1)設(shè)備根據(jù)交通運輸部最新高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)優(yōu)化升級方案研制,智能節(jié)點控制器實時采集收費數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài),實現(xiàn)車道與收費服務平臺系統(tǒng)交互,適應云收費需求。

(2)設(shè)備外部通信IP化,支持遠程監(jiān)測、范圍管理、控制與維護,提升收費站系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,降低運維復雜度,實現(xiàn)站級統(tǒng)一管理、便利運維。

(3)通過車道智能自助設(shè)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(zhì),減少現(xiàn)場特情處理,改善收費員工作和安全防護環(huán)境。

2 系統(tǒng)的集成化設(shè)計

智能一體機采用集成化系統(tǒng)設(shè)計理念,設(shè)計外觀簡潔大方,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)一標準通信協(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

嵌入式工業(yè)控制機是集成系統(tǒng)的重要組成部分。工業(yè)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(xiàn)遠程狀態(tài)檢測、故障反饋以及遠程控制,兼容現(xiàn)有車道設(shè)備接口。工控機監(jiān)測運行狀態(tài),包括電壓、電流、功率、溫濕度、環(huán)境亮度、欄桿機的位置狀態(tài)線圈運行的狀態(tài)以及外部各種設(shè)備的運行狀態(tài)等。工控機使用TCP/IP協(xié)議與遠程的系統(tǒng)進行通信,能夠?qū)崿F(xiàn)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(guān)機、設(shè)備運行狀態(tài)查詢以及全彩廣告屏遠程信息發(fā)布等功能,極大提高了高速公路服務效率[2]。

2.2 智能節(jié)點控制器

智能節(jié)點控制器通過網(wǎng)絡與收費軟件通信,根據(jù)指令獲取狀態(tài)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(shè),并控制副機及關(guān)道機。若收費站或者某條車道發(fā)生特殊情況,上級交通部門得知消息之后可以通過網(wǎng)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(jié)點通過車道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腐蝕的檢測環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢,更加適合在惡劣的環(huán)境下工作;同時在對微弱信號的處理上可以實現(xiàn)實時處理和長距離精確傳輸;光纖光柵傳感頻帶寬、動態(tài)范圍大而且測量精度和靈敏度高,易于埋入或附著結(jié)構(gòu)體表面,可以實時提供結(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機架式外殼設(shè)計,通過串口或者25P IO接口接入智能節(jié)點控制器通信,將費顯數(shù)據(jù)、欄桿機抬落次數(shù)、線圈反饋信號、車牌識別觸發(fā)信號等數(shù)據(jù)提供給工業(yè)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(tài)反饋若為開關(guān)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(zhuǎn)換。上述設(shè)計保證外設(shè)與車道控制器之間通過有效的物理隔離,起到保護智能一體機效果。

2.4 防砸雷達車檢設(shè)計

根據(jù)《收費用電動欄桿機》(GB/T 24973-2010)規(guī)定的電動欄桿機起落時間,按時間區(qū)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(tǒng)觸發(fā)信號發(fā)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(jīng)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(guān)的僥幸車輛[3]。

為解決這一問題,設(shè)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(yōu)點是: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(shè)備質(zhì)輕小巧,性能穩(wěn)定,檢測高度與寬度均可調(diào)節(jié)或靈活應用,對于超高超寬異形車輛的檢測有絕對優(yōu)勢;對超高超長拖掛貨車有檢測優(yōu)勢,能做到精準區(qū)分不誤判,可替換車道內(nèi)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(huán)智能感知節(jié)點

智能節(jié)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(shè)備的運行狀態(tài),使之成為智慧高速公路的一個智能感知節(jié)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(nèi)設(shè)備的工作環(huán)境。全設(shè)備智能運維終端還預留一組門禁聯(lián)動開關(guān)量,方便整體系統(tǒng)二次擴展。門禁報警支持與機柜門禁聯(lián)動,入侵實時報警,聯(lián)動攝像機進行抓拍。

3 運維管理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 遠程運維管理平臺

遠程運維管理平臺具備對設(shè)備各項數(shù)據(jù)監(jiān)測及統(tǒng)計的功能,運維平臺通過比對數(shù)據(jù),分析出設(shè)備隱患故障及可能存在的安全隱患,進行監(jiān)測異常告警,還可遠程控制單個設(shè)備的重啟。平臺基于B/S架構(gòu),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(xiàn)場圖像。

智能運維平臺可通過組網(wǎng),接收多個全設(shè)備智能運維終端的監(jiān)測數(shù)據(jù),建立車道、收費站、路段等全領(lǐng)域聯(lián)合管控。

3.2 LCD觸摸人機交互屏

全設(shè)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(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)絡通信設(shè)計

傳統(tǒng)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(xiàn)IP化超遠程通信,應使用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時鐘信號,可以驅(qū)動外部以太網(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)運行,采用DP83848作為PHY芯片,可以實現(xiàn)CSMA/CD部分功能。設(shè)備接口同時具備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立管理轉(zhuǎn)變?yōu)檎炯壴诰€統(tǒng)一管理,各設(shè)備通過網(wǎng)絡協(xié)議與站級系統(tǒng)進行信號傳輸,站級系統(tǒng)實時獲取各車道外設(shè)的運行狀態(tài),并可進行相應控制操作。如遇車道系統(tǒng)故障,無法控制外設(shè)使用狀態(tài)時,可由站級系統(tǒng)下發(fā)指令,完成協(xié)管控制操作[4]。

若車道外設(shè)有固件版本升級需求,由站級下發(fā)統(tǒng)一指令和更新數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡協(xié)議即可完成更新,無須運維人員對每臺設(shè)備逐個進行更新,方便快捷,節(jié)省人力和時間成本。

所集成的各個設(shè)備都有相應的網(wǎng)絡接口。LED費額顯示器預留HUB75數(shù)據(jù)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(wǎng)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(jīng)過一段時間的穩(wěn)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(shù)據(jù)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(xiàn)車道與收費服務平臺系統(tǒng)交互,適應云收費需求,如獲取最新的黑名單數(shù)據(jù)包、收費數(shù)據(jù)上傳等,見圖4。

圖4 黑名單同步流程圖

5 智能一體機試運行測試

目前ETC車道智能一體機已經(jīng)完成研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)、試運行階段,并在南寧東站、那馬收費站實現(xiàn)了與收費軟件實車功能測試。該設(shè)備是針對現(xiàn)有收費系統(tǒng)推出的新型全智能無人收費終端,對車道外設(shè)進行集中管理,同時可通過管理平臺對車道設(shè)備進行遠程監(jiān)控,機柜設(shè)計思路先進、性能穩(wěn)定,為實現(xiàn)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(shè)計成果,并通過試運行發(fā)現(xiàn)項目存在的問題,從而進一步完善項目設(shè)計內(nèi)容,確保一體機性能穩(wěn)定性較好,功能性完全滿足設(shè)計需求再做進一步推廣使用。通過實際運行中系統(tǒng)功能與性能的全面考核,檢驗了該系統(tǒng)在長期運行中的整體穩(wěn)定性、可靠性。

6 結(jié)語

本文設(shè)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(jù)現(xiàn)有收費系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,進行科學的設(shè)計,結(jié)合分布式系統(tǒng)云平臺等新技術(shù),建立起一個一體化欄桿機的生態(tài),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(shè)計對極大提高車道資源利用率、降低設(shè)備故障率、提高收費站智能化效果明顯。