高速公路ETC门架后时代的发展及应用探究

夏法刚

（中咨泰克交通工程集团有限公司,北京 100083）

0 引言

根据《高速公路省界收费站取消整体技术方案》（交路函〔2019〕320号）文件，2019年取消高速公路省界收费站，设置了ETC门架系统。该系统通过车载单元（OBU）及后台记账形式，实现所有车辆（含ETC车辆及MTC车辆）分段计费、扣费自动完成功能，MTC车辆通过使用5.8 GHz复合通行卡（CPC卡）作为通行介质，实现分段计费、出口计费，并保留进/出口匝道收费站[1]。对ETC车道数量进行合理设置，确保ETC车辆不停车快速通过；对未安装OBU车辆及特殊车辆使用MTC车道完成收费；货车由计重收费调整为按车（轴）型收费，安装OBU实现不停车快速收费，入口治超同步实施，收费广场右侧适当位置设置了新的称重检测设施（设备），并与收费车道协调联动进入口称重检测数据。

1 ETC门架现状分析

2019年起，随着全国高速公路取消省界收费站，ETC门架系统成为高速公路建设中必备的重要基础设施，在高速公路省界区域、各立交匝道互通、收费站入/出口之间设置了ETC门架系统，实现ETC车辆与MTC车辆分段计费和出口计费功能，并生成ETC/MTC车辆交易流水和能行记录（或通行凭证），实时将ETC/MTC车辆信息上传至部联网中心和省联网中心。现阶段ETC门架的设立仅用于高速公路收费，对于门架系统功能的使用存在着单一性，ETC门架的开发利用还存在着巨大的潜力。图1为ETC门架设备安装状态。

图1 ETC门架设备安装状态

图1门架结构采用桁架式，所有构件均采用闭口截面，桁架下弦杆中心距离路面最高点间的高度不小6 m；桁架满足人员检修通行需要，其前后弦管中心宽度为1 m，上下弦管中心高度为1.8 m，栏杆高度1.2 m，在风荷载作用下，ETC门架结构水平方向形值点不大于ETC门架顶部高度的1/100，设备安装后可正常工作，门架在安装时已经减少了对高速公路的使用影响。

结合现有ETC门架的安装状态，可以看出ETC门架的设备空余空间很富足，还存在着很大的升级改造空间，完全可以进行二次利用。由此可以分析出各高速公路运营企业可以根据自身高速公路的特点和要求，在门架地理位置满足的条件下进行改造升级，对已有门架进行设备附着安装，对于新建高速公路可以根据需求对ETC门架进行升级改造，从而实现将ETC门架的单一功能转换为综合功能。

2 ETC门架升级改造

发生在道路上的交通事件可以分为两大类，一类是以不可预测事件为主的偶发事件，另一类是以运量饱和、服务水平降低等原因居多的常发事件[2]。偶发事件多为意外事故和车辆故障，导致车辆拥堵、堵塞，如果不及时处理，很有可能引发二次意外。气象异常、道路施工、车辆性能、司机因素等都可能是偶发事件的诱因。气象异常可通过加强气象预报、向驾驶员及时提供气象信息等方式降低气象对交通的影响。偶发事件诱发因素中汽车机械故障和司机的工作状态都是具有不可预见性和偶然性的随机因素，同时又易受不可控因素的影响。在一些重点路段，例如大桥、长坡路段和变坡点为监控重点，在设计方案前期可以通过流动的指示牌，配合固定的情报板进行预知。根据以上方案，一旦确定发生交通事故，应迅速调集相关人员和车辆，及时救助受伤人员，快速发布交通信息，避免二次事故的发生，最终将事故造成的影响如事故处理、清障等排除在外，使交通的正常通行迅速恢复。在以上方案的基础上可以利用ETC门架现有条件安装监控设备、气象信息显示屏等设备。图2为门架上弦平面图，ETC门架安装位置的位置点和覆盖面完全可以满足监控设备的安装要求。

图2为ETC门架与情报板共杆示意图，满足40 m/s风压条件下2 t静态荷载和18 m2风载要求，门架跨度可按照实际道路尺寸调整，调整时需要注意横梁连接法兰相邻腹盘的距离，方便螺栓固定，门架高度尺寸需保证门架下方净高不低于6 m，不影响ETC门架的正常使用功能。

图2 门架上弦平面（单位：mm）

实现气象设备与ETC门架共杆，气象检测器检测对象为：温湿度、能见度、风速风向雨量等。对高速公路局部地区的气象环境进行检测，起到及时发布气象信息的功能。常见气象检测器的安装方式如图3所示。

通过图3可以清晰地看出现有的安装方式需要进行独立的标件和基础气象设备的安装，最顶端设备距地面为3 m即可满足设备要求。然而ETC门架底端设备距地面要求为6 m，由此可以得出将气象设备与ETC门架共杆的方案需要将设备安装于门架侧面立柱位置，与共杆大屏实现联动，及时更新此区域的气象环境数据。

图3 气象检测器的安装方式（单位：mm）

门架安装其他设备后必然会造成用电功率的升高，在供电方案的选择上也要进行相关的升级和调整。

3 ETC门架在安全出行方面的应用

随着2019年省界收费站的拆除，ETC门架在高速公路上的覆盖率达到了较高的程度，为智慧高速的应用和发展打下了良好的基础。而在智慧高速安全出行方面一直进行着各种创新和应用，ETC门架后时代的拓展应用迎来了一个全新的时代。中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》对综合应用门架数据做出明确要求，交通部在《数字交通发展规划纲要》中也提出构建数字化的采集体系、网络化的传输体系和智能化的应用体系，加快交通向数字化、网络化、智能化发展，在2021年国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中也对数据分析数字赋能提出了明确要求。

交通流量调查方面的应用。以往高速公路交调外场监控设备覆盖率较低，现有高速或新建高速布设ETC门架之后，基本实现了全覆盖。将交通流量调查设备与ETC门架相融合从全覆盖的角度提升交调数据的准确度和完整性，还可以利用门架已有数据转化为交通流量调查数据，可以节约建设和维护成本。同时还可以提升高速公路路网运行状态感知设备的全覆盖，依据ETC门架数据，可以准确得到车辆的行驶时间、交通流量、车辆速度等，对一些反常数据流量发出警告，解决事故多发点流量较大路段的难题。

交管方面数据的融合应用。现有ETC门架可以搭载交管方面的设备（例如违法抓拍、事件检测等），从而可以提高违法抓拍点位的覆盖率，也可以通过ETC门架现有抓拍设备将违法行驶的车辆信息直接推送至交管部门，利用现有门架布设视频事件检测设备，对车道内洒落物、行人闯入、车辆逆行、坏车占道等异常交通状况实时检测，准确打击，实现高速公路收费中心与交管部的联合，为车辆安全行驶创造良好的环境。

4 ETC门架车路协同方面的应用

2020年8月，交通运输部发布了《关于推进交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，在智慧公路方面的主要任务中，提出“深化高速公路电子不停车（ETC）门架应用，推进车路协同等设施建设，丰富车路协同应用场景”，将深化ETC门架应用和发展车路协同都列为新基建的任务。将智能公路、智慧高速与普通公路相比较，应用车路协同在高速公路上的优势在于：高速公路多为封闭状态，车辆单向行驶场景比较单一，基本遏制了人对交通的不良影响，具有较高等级公路建设和较好的路况条件，经营主体具有相对明确的权责关系及机电设施比较齐全。

ETC门架在车路协同领域的探索。充分利用现有ETC门架的天线和路侧天线，融合ETC技术的车路协同应用，通过ETC通信与车路协同通信融合，构建面向驾驶员的低延时车路通信网络。通过新一代车载OBU终端提供全天候高品质的出行服务，根据ETC门架覆盖广的特点，在现有ETC门架搭建车路协同所需的5G信号和边缘传感设备，基于云计算、物联网、5G通信等技术，开展车路协同建设，将物理链路迁移至云端，实现系统的轻量化，车端与路侧的通信、路侧与中心的通信应采用国密技术进行加密，确保通信安全。

ETC门架与车路协同系统的集成。主要是利用ETC门架基础设施作为路侧感知装置的载体，通过感知装置对安装了OBU的车辆进行识别，对交通异常事件进行信息获取。通过现有的ETC门架数据传输网络，在获取信息后将数据传输到路侧感知设备上，经过云控制平台实时处理数据，将异常交通信息通过路侧感知设备发布给过往车辆，从而提升公路的通行能力和管理水平。基于高速公路ETC门架与车路协同系统的融合，通过升级现有ETC门架系统的软硬件，基本可以实现除车间内无法沟通外的其他场景。

ETC门架设置于各省界边界、出入口匝道收费站及高速相交交流道。全国高速公路共设置门架24 588个。目前，高速公路上除了设有ETC门架外，在需要安装车路协同边缘设备的其它路段，也设有交管部门或高速部门设置的其他功能的门架或立柱，也可以借用现有路侧边缘设备的门架或立柱。设置在ETC门架上的RSU是面向来车方向布置的，配合设置在路侧的车路协同装置完成信息的收集和互动。系统还应综合考虑ETC门架的使用效果、通信方式、电源传输等冗余情况。相关立柱、门架应根据实际情况适当增加，充分考虑车路协同的应用场景。

5 结束语

ETC门架的后时代应用中可以融合和升级改造的方案有很多，给高速ETC门架带来颠覆性的升级，在应用上将会体现出真正的价值，可以降低建设成本，使其增加更多的功能。