高速公路ETC门架系统运行维护管理研究

蔡东升

（福建省高速公路集团有限公司泉州管理分公司机电维护中心泉州西维护站，福建 泉州 362005）

0 引言

设立高速公路ETC 门架系统是我国交通领域的一项重大改革举措，旨在优化交通流量、提高通行效率、减少交通拥堵。基于这一改革，车辆无须再停车缴费，实现不间断、无感知的收费。ETC 门架系统利用射频识别（RFID）技术，通过车载设备（OBU）和道路设备（门架、天线等）之间的无线通信，实现车辆的自动识别和电子收费。ETC 门架系统的稳定运行和有效维护是保证交通持续性的关键。本文旨在研究高速公路ETC 门架系统的运行维护管理策略，并探讨大数据和物联网技术在ETC 门架系统中的应用，从而实现精确的系统设备维护和监测，进一步提升系统的可靠性、维护效率和服务质量。

1 高速公路ETC 门架系统的组成与作用

1.1 高速公路ETC 门架系统的硬件组成

高速公路ETC 门架系统的硬件组成主要包括工控机、RSU 天线及控制器、车牌图像识别设备、高清摄像机、站级服务器、防雷接地设施、补光灯、通信设备、供电设备等[1]。

工控机安装交易软件与RSU 天线及控制器、车牌图像识别设备进行交互，生成通行数据、接收图片数据并上传至后台服务器，协调车辆的通行流程。RSU天线及控制器是ETC 门架系统的核心部分，RSU 天线用于与车载单元（OBU）进行无线通信，接收OBU发出的射频信号[2]；RSU 控制器负责处理天线接收到的数据，与前端工控机通信，实现车辆的身份验证、收费计算等功能。车牌图像识别设备用于捕捉和识别车辆的车牌信息，通过高清摄像机拍摄车辆的车牌照片，并利用图像处理和识别算法提取车牌号码，以便与其他车辆信息进行匹配。站级服务器则用于接收从前端工控机传输的数据，并根据车辆信息进行收费计算、数据记录和账户管理等操作。防雷接地设施具备防雷击和防浪涌冲击的能力，确保操作人员和设备的安全。补光灯是为了在夜间或光线不足的情况下提供光照的设备，确保高清摄像机能够清晰拍摄车辆的图像，提高车牌图片的质量和识别准确性。通信设备主要通过交换机及光缆路由实现门架与收费站之间数据的高效、稳定传输，实现附近门架之间成环连接，保障数据可靠上传[3]。供电设备提供市电给门架设备使用，配备一组后备电源及单相发电机插口，确保门架设备不断电。

门架设备共同协作，在车辆识别、通信、计费和安全方面发挥着重要作用，从而实现高效、准确、安全的电子收费服务（见图1）。

图1 车辆信息识别流程

1.2 ETC 门架设备在高速公路收费中的关键作用

ETC 门架设备的出现极大地改变了高速公路的收费方式。其利用先进的无线通信技术，使车辆在通过收费站时无须停车，可以在行驶中直接完成收费，显著提升了高速公路的通行效率。这种无缝收费体验不仅节省司机的时间，同时也有效地缓解了收费站的交通压力，提高了整个高速公路网络的运行效率。此外，ETC 门架设备的自动化特性也为提高收费准确性发挥了关键作用。通过自动读取和处理车辆的交易信息，减少人工操作环节，有效降低了由于人为因素产生的错误，保证了收费的准确性和公正性。

ETC 门架设备还具有提供大量实时数据的能力，这对于高速公路的管理和运营具有重要意义。通过收集和分析这些数据，高速公路管理部门可以对交通流量、路况、收费效率等进行实时监控和分析。这些信息为交通管理决策提供了准确、实时的依据，有助于优化交通管理，提升公路运营效率，同时也能更好地满足驾驶者的需求，提供更高质量的服务[4]。

综上所述，高速公路ETC 门架系统通过自动识别车辆、收集信息、实现无停车收费，以及处理异常情况等功能，大大提升高速公路的通行效率，优化交通流量，改善司机的驾驶体验，为现代化交通管理贡献了重要力量。

2 基于大数据与物联网的ETC 门架系统运行维护管理策略

2.1 大数据在硬件维护与软件更新中的应用

大数据技术是对收集的海量数据进行深度挖掘的重要工具，其在ETC 门架系统的硬件维护与软件更新中具有非常重要的作用，具体体现在设备运行数据收集、预测性维护以及软件优化等多个方面。

在硬件维护方面，设备运行数据是大数据分析的重要资源。ETC 门架设备的工作状态、故障记录以及维护历史等信息可以被系统实时收集并进行存储。这些大规模的数据通过高效的大数据处理技术，可以进行深度分析，从而让管理者在第一时间内观察到设备的运行状况，预测可能发生的问题。比如，通过分析设备的历史故障记录和工作状态数据，可以发现某种特定的状态组合大概率会在故障发生前出现，那么当系统检测到类似状态组合时，就可以提前提示管理者对设备进行维护或更换，有效避免因设备故障带来的交通问题[5]。

在软件更新方面，大数据可以帮助开发者更好地理解用户的需求和使用习惯，从而更有针对性地进行软件优化和更新。例如，通过分析大量用户的收费记录和交通流量数据，开发者发现在某些特定的时间段内，交易处理速度相比其他时段出现明显下降。结合实际情况分析，有可能是因为该时段的交通流量过大，导致系统压力增大，处理速度下降。有了这个发现，开发者就可以针对这一问题进行优化，增加在高流量时段的系统资源分配，或者优化处理算法等。此外，大数据还可以帮助发现软件在实际运行中的性能瓶颈、使用异常等可能存在的问题，这对于软件的持续优化和改进具有非常大的帮助。

总体而言，大数据技术通过对海量数据的收集、分析和处理，为ETC 门架设备的硬件维护和软件更新带来极大的便利和效益。其不仅提升设备的运行效率和稳定性，也大大增强了软件的实用性和用户体验[6]。

2.2 物联网技术在数据管理与设备监控中的应用

物联网技术在ETC 门架设备的数据管理与设备监控中有着广泛且深入的应用。通过物联网技术，ETC 门架设备可以直接与数据中心建立起强大的网络连接，使设备的监控和数据管理可以在大范围内实时进行。

在设备监控方面，物联网技术不仅可以实时采集设备的工作状态，也能即刻传送设备可能出现的故障信息。例如，某个ETC 门架设备的识别天线性能下降，那么这个问题在物联网环境下可以被即刻捕捉到，并且迅速反馈给数据中心。数据中心在收到反馈后，可以立即启动相应的应急方案，调度附近的维护人员前往现场进行维护，或者通过远程控制方式对设备进行复位等操作[7]。此外，物联网技术还可以用于将RFID 读写器与数据中心建立起网络连接，实现数据的实时传输和远程监控。在ETC 门架系统中，RFID 技术主要用于车辆识别和交易记录，每辆车辆都配备了一个RFID 标签，当车辆驶过ETC 门架时，门架上的识别天线会与车辆上的RFID 标签进行无线通信，读取车辆的识别号码，并将交易信息传输到数据中心。通过RFID 技术和物联网技术的结合使用，ETC 门架系统可以实现车辆识别数据的实时管理和交易状态的实时监测（见图2）。

图2 物联网技术在高速公路ETC 门架系统中的应用

在数据管理方面，对于每一次ETC 交易，相关数据可以通过物联网技术，直接实时上传至云端。具体而言，每辆车辆通过ETC 门架时，其车辆识别号、通行时间等交易信息可以立刻被上传至数据中心。这种即时上传的方式，大大减少了因设备故障或者数据传输错误而导致的数据丢失，保证了数据的完整性。同时，数据的云端存储方式也提供了一种高效且安全的备份方案。在数据中心，可以对这些实时收集的交易信息进行深入分析，从而得到交通流量、高峰时段等宝贵信息，有助于高速公路管理决策[8]。

综上所述，物联网技术通过实时的设备监控和高效的数据管理，显著地提升了ETC 门架设备的管理效率和运行稳定性，是高速公路实现智能化、自动化运行的重要技术手段。

2.3 基于大数据和物联网技术的预防性维护策略

基于大数据和物联网技术，预防性维护策略的实施可以更具针对性和精确度。通过大数据技术，可以对ETC 门架设备的历史运行数据进行深度挖掘和解析[9]。不仅可以反映设备的实时运行状况，更可以发现设备的故障模式和预示其未来的性能变化。

以ETC 门架设备的温度为例，设备的工作温度对其性能和寿命有着显著影响。如果设备长时间运行在高温环境，则会导致硬件过热，引发故障，甚至损坏设备。通过对设备运行历史数据进行分析，可以判断设备的工作温度是否存在持续升高的趋势。如果有这种趋势，就需要对设备进行检查，确认散热系统是否出现问题，或者设备工作负荷过大等，并提前进行维护，避免设备因为过热而出现故障。

物联网技术则提供了实时监控设备运行状态的能力。设备的每一个运行状态和交易数据都可以实时地传输到数据中心，使管理者可以实时了解设备的运行情况。一旦设备的运行数据超出正常范围，则管理者可以立即发现该问题，并对设备进行检查和维护，避免问题扩大。此外，物联网技术还可以用来进行设备的远程诊断和优化。例如，设备的处理速度下降，可以通过云平台进行远程诊断，找出问题的原因，然后进行优化，使设备恢复最佳的运行状态[10]。

总体而言，大数据和物联网技术的结合，使预防性维护策略更加科学和精准，提升了ETC 门架设备的运行效率和稳定性，同时也减少了维护成本和难度。

3 结语

通过本文的研究，可以深刻认识到大数据和物联网技术在ETC 门架系统维护管理中的重要性。大数据和物联网技术的应用可以实现设备运行数据的深度分析和实时监控，为预防性维护和故障诊断提供精确的支持，从而极大地提升系统的运行可靠性、维护效率和服务质量。未来，将进一步探索和应用人工智能、边缘计算等新兴技术，以提升ETC 门架系统的维护管理水平，为智慧交通的发展作出更大贡献。