ETC车道智能一体机设计与应用

刘书陶

(广西智能交通科技有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

传统的高速公路收费站设备种类繁多,栏杆机、费额显示、车道摄像机等相关设备是单独布置的,收费站车道各自独立、形成“数据孤岛”,临道干扰无从解决。收费网络通道复杂、数据易积压死锁,单点故障容易导致系统性瘫痪,引发封道处理。收费站车道系统集成度低,收费站现有车道机电设备数量、种类多,布局分散,收费机电系统网络架构较复杂,车道机电设备接口不一;简洁、美观度有待提高;设备施工、调试、维护保养难度较大。收费站车道智能化水平低。缺少有效手段发挥外场设备完整性能,车道应用智慧化程度较低,业务弹性较差,升级维护困难。特情异常处理主要以人工处理为主,需要人员多,效率低,造成车道拥堵[1]。

为服务高速公路高效安全通行、收费系统的标准化、无人化、智慧化发展需要,本文提出适合当前路网运行环境的新一代高速公路收费系统解决方案,即ETC车道智能一体机。该设备集成了ETC天线、费额显示屏、语音提醒装置、爆闪灯、高清车牌识别相机,接口大大减少,设备可以直接连接收费车道控制机,很大程度上减少了施工管线预留与设备安装调试的工作量。设备智能化集成度高,对车道的资源利用率高,塑造了智能、便捷高效的收费站形象。

1 系统总体架构设计

ETC车道智能一体机集成化控制中枢由嵌入式工业控制机、智能节点控制器、智能车道IO控制器、全设备智能运维终端集成的车辆控制器单元、防砸雷达车检模块和动环监测模块组成。高度集成化控制中枢给外部的设备,外部的网络提供接口,将信息收集处理。设备的整体架构如图1所示。

图1 智能一体机系统架构示意图

由图1可知,智能一体机内部集成了高速栏杆机、全彩信息广告屏、LED费额显示器、高清车牌识别相机、声光报警器、防砸雷达车检、全设备智能运维终端、智能外设控制器、嵌入式工控机、柜内空调以及动环监测主机等设备。系统具有如下特点:

(1)设备根据交通运输部最新高速公路联网收费系统优化升级方案研制,智能节点控制器实时采集收费数据和设备工作状态,实现车道与收费服务平台系统交互,适应云收费需求。

(2)设备外部通信IP化,支持远程监测、范围管理、控制与维护,提升收费站系统运行稳定性,降低运维复杂度,实现站级统一管理、便利运维。

(3)通过车道智能自助设备,提升收费站应急处置能力、智能化管理水平和客户自助服务品质,减少现场特情处理,改善收费员工作和安全防护环境。

2 系统的集成化设计

智能一体机采用集成化系统设计理念,设计外观简洁大方,系统内部通过将各智能模块合理布局,各模块功能相互配合,优化布线,统一标准通信协议等最终形成集成化控制中枢。各智能模块分析介绍如下。

2.1 嵌入式工业控制机

嵌入式工业控制机是集成系统的重要组成部分。工业控制机集成度高,机身体积小,逻辑功能强大,搭载32位高性能、高可靠性处理器,可实现远程状态检测、故障反馈以及远程控制,兼容现有车道设备接口。工控机监测运行状态,包括电压、电流、功率、温湿度、环境亮度、栏杆机的位置状态线圈运行的状态以及外部各种设备的运行状态等。工控机使用TCP/IP协议与远程的系统进行通信,能够实现如远程控制栏杆机抬落杆、远程重启各个单元模块、远程开关机、设备运行状态查询以及全彩广告屏远程信息发布等功能,极大提高了高速公路服务效率[2]。

2.2 智能节点控制器

智能节点控制器通过网络与收费软件通信,根据指令获取状态并控制自动栏杆机、通行灯、雾灯、雨棚灯、声光报警器、费额显示屏、光栅/线圈等外设,并控制副机及关道机。若收费站或者某条车道发生特殊情况,上级交通部门得知消息之后可以通过网络,精确地对其进行交通信号灯控制,也可以控制声光报警器提示报警信息。

智能节点通过车道IO控制器获取车道状态数据,如栏杆升降状态、车检器过车状态等,其中光纤光栅传感器作为一种新型技术车检器,较普通传感器在抗干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势,更加适合在恶劣的环境下工作;同时在对微弱信号的处理上可以实现实时处理和长距离精确传输;光纤光栅传感频带宽、动态范围大而且测量精度和灵敏度高,易于埋入或附着结构体表面,可以实时提供结构体安全性等方面的信息。其内部电路接线图见图2。

图2 光栅内部接线图

2.3 智能车道IO控制器

智能车道IO控制器采用1U机架式外壳设计,通过串口或者25P IO接口接入智能节点控制器通信,将费显数据、栏杆机抬落次数、线圈反馈信号、车牌识别触发信号等数据提供给工业控制机(见图3)。

图3 智能车道IO控制器电路原理图

由图3可知,IO板控制输出全部采用继电器隔离,光栅栏杆机状态反馈若为开关量信号,则通过光电耦合器隔离;若光栅输出信号为电压量则使用继电器进行转换。上述设计保证外设与车道控制器之间通过有效的物理隔离,起到保护智能一体机效果。

2.4 防砸雷达车检设计

根据《收费用电动栏杆机》(GB/T 24973-2010)规定的电动栏杆机起落时间,按时间区分为F级、O级、S级三种,分别对应起落时间为<1.4 s、1.4～4 s、4～5 s。栏杆机的起落时间是指从控制系统触发信号发出开始,至栏杆下落到水平位置的这段时间。

栏杆机的检测机制是通过车道下方所埋的线圈进行检测是否有车辆驶近,如果感应到了,那就令栏杆弹起。那么,安全的防撞距离就等于车速乘以落杆时间加上线圈宽度:

d=v·t+s

(1)

式中:d——安全距离;

v——车速;

t——落杆的时间;

s——感应线圈的宽度。

但是感应线圈在当经过的车辆地盘较高时很可能会检测不到,从而判定为没有车,栏杆就不会抬起,或者两车相距很近,一起驶过感应线圈的时候,只能判定出一辆车,无法分辨后面的那一辆。这样也就无法避免碰撞事故和拦下闯关的侥幸车辆[3]。

为解决这一问题,设计在一体机前方安装电磁脉冲波车检器,其可以弥补其他车辆检测器的不足之处,其优点是:利用电磁脉冲波技术7×24 h全天候不间断工作,不受声波与环境因素影响(酸、烟、雾、雨、雪、冰),超强抗干扰,多套电磁脉冲波车检器同时使用于同一车道或都相邻车道具备间频防干扰功能。检测设备质轻小巧,性能稳定,检测高度与宽度均可调节或灵活应用,对于超高超宽异形车辆的检测有绝对优势;对超高超长拖挂货车有检测优势,能做到精准区分不误判,可替换车道内其他类型检测器,或弥补其他车辆检测器的功能缺陷。

2.5 动环智能感知节点

智能节点控制器集成了电压、电流、温湿度等大量传感器,实时收集和上报各个设备的运行状态,使之成为智慧高速公路的一个智能感知节点。智能运维终端还可外接门禁、水位、烟感毫秒级传感器,高采集频率,时刻感知机柜内设备的工作环境。全设备智能运维终端还预留一组门禁联动开关量,方便整体系统二次扩展。门禁报警支持与机柜门禁联动,入侵实时报警,联动摄像机进行抓拍。

3 运维管理系统的设计

3.1 远程运维管理平台

远程运维管理平台具备对设备各项数据监测及统计的功能,运维平台通过比对数据,分析出设备隐患故障及可能存在的安全隐患,进行监测异常告警,还可远程控制单个设备的重启。平台基于B/S架构,集成GIS地图功能。所有前端点位均能通过GIS地图进行标注,点击相应点位后可以显示该点位当前的上下行车流量、温度、湿度和高清抓拍车辆通行的现场图像。

智能运维平台可通过组网,接收多个全设备智能运维终端的监测数据,建立车道、收费站、路段等全领域联合管控。

3.2 LCD触摸人机交互屏

全设备智能运维终端采用LCD显示屏,通过屏幕可清晰查看实时输入电量参数、输出电流、输入输出状态、温湿度、故障信息等。

4 系统的网络通信设计

传统机柜通信接口仅支持RS485/RS232两种方式与计算机通信,一体化栏杆机要实现IP化超远程通信,应使用TCP/IP。控制器MCUSTM32F107内部集成了MAC控制器,可以输出25 MHz或50 MHz时钟信号,可以驱动外部以太网物理层(PHY)芯片,并支持MII和RMII两种通信模式,提高了设计人员选择最佳的PHY芯片的灵活性。为了与总线式车道控制器或与其他系统联网运行,采用DP83848作为PHY芯片,可以实现CSMA/CD部分功能。设备接口同时具备BNC视频输出接口和RJ45百兆以太网口。

车道外设的管理模式由原车道离线独立管理转变为站级在线统一管理,各设备通过网络协议与站级系统进行信号传输,站级系统实时获取各车道外设的运行状态,并可进行相应控制操作。如遇车道系统故障,无法控制外设使用状态时,可由站级系统下发指令,完成协管控制操作[4]。

若车道外设有固件版本升级需求,由站级下发统一指令和更新数据,通过网络协议即可完成更新,无须运维人员对每台设备逐个进行更新,方便快捷,节省人力和时间成本。

所集成的各个设备都有相应的网络接口。LED费额显示器预留HUB75数据接口,车牌识别相机通信接口使用两路100 M/1 000 M自适应网口。

随着2020年全国取消省界收费站之后,极大程度提高了高速公路的通行效率,在经过一段时间的稳定运行之后,高速公路的稽查运营管理,如黑名单车辆的管控,是由云上大数据进行管理的。智能一体机通过TCP/IP与各自的站级服务器通信后,实现车道与收费服务平台系统交互,适应云收费需求,如获取最新的黑名单数据包、收费数据上传等,见图4。

图4 黑名单同步流程图

5 智能一体机试运行测试

目前ETC车道智能一体机已经完成研发设计、生产、试运行阶段,并在南宁东站、那马收费站实现了与收费软件实车功能测试。该设备是针对现有收费系统推出的新型全智能无人收费终端,对车道外设进行集中管理,同时可通过管理平台对车道设备进行远程监控,机柜设计思路先进、性能稳定,为实现全面智能无人收费提供重要支持。

通过既定时间段的试运行,全面考察设计成果,并通过试运行发现项目存在的问题,从而进一步完善项目设计内容,确保一体机性能稳定性较好,功能性完全满足设计需求再做进一步推广使用。通过实际运行中系统功能与性能的全面考核,检验了该系统在长期运行中的整体稳定性、可靠性。

6 结语

本文设计ETC智能一体机智能化集成度高,布局简洁美观。该一体机根据现有收费系统的结构特点,进行科学的设计,结合分布式系统云平台等新技术,建立起一个一体化栏杆机的生态,提高收费站的工作效率和安全性。通过实际应用案例证明,本设计对极大提高车道资源利用率、降低设备故障率、提高收费站智能化效果明显。