新型便携机在高速收费车道上的应用

(福建省高速公路永安监控分中心，永安 366000)

新型便携机在高速收费车道上的应用

■吴健

(福建省高速公路永安监控分中心，永安 366000)

本文基于SoC架构，对原有无法满足高速公路收费系统自动化和智能化发展需要的便携机进行改造，设计出新型工控机技术改造方案，此方案不仅有效提升设备在高速高温、高粉尘恶劣环境下运行的稳定性，还能大大节省升级改造及维护成本。

新型便携机 机构设计 性能测试 调试应用

1 引言

目前福建省内高速公路收费系统在车道应急设备上主要使用便携式车道控制器和一体化便携式收费机。便携式车道控制器外观与超市收银刷卡POS机类似，非常便携。但该设备启用程序复杂，功能简单，续航能力差，使用也不方便，且与车道称台设备无通信接口，无法进行计重收费。而一体化便携式收费机采用与笔记本Baytrail-M平台类似的技术，但它集成了IC卡读卡器和票据打印机体，从而导致设备质量重、体积大携带不太方便，加上售价高，每个路段按分中心只配置一台，无法真正满足应急使用的需求。为保障高速公路收费站通行效率，需要一款功能强大，适应性能强而且使用及携带方便的产品。

2 便携机的设计分析

2.1 设备机构设计

按照现有系统自动化和智能化发展需求，道口便携收费机系统必须具备高靠性且能在7X24小时环境下运行。由于运行在恶劣的环境下，需选择具有易维护、散热好、防尘、防潮、抗电磁干扰能全天候运行的工控型产品。一般情况下，工控产品考虑的更多的是机构的设计，然后才是对性能等的考虑。

2.1.1 便携机尺寸及外观设计

基于便携性和实际使用空间的考虑，将便携机的机壳设计的与8V视频光端机大小相当。受机箱体积的限制，需取消机内风扇设计。为加速机内热量扩散，我们将鳍片波纹散热全铝机箱作为便携机外壳。这种无风扇嵌入式机壳，降低了设备重量，使得设备运行低噪音、低功耗，同时整机温控比大量有风扇电脑强。外观尺寸规格如图1所示。

图1 机壳规格尺寸(单位:mm)

2.1.2 整机设计

依据便携机外壳尺寸，尺寸规格定制为 170mm× 170mm的MINI ITX型工控主板，如图2所示。本主板为开纤维材质PCB板设计，能减少湿气对电路板的侵蚀，从而降低因湿气所造成未知主板短路的可能。而板上全固态电容及超低电阻式晶体管全固态电容，不但可以降低主板的温度，更具有较好的耐高温效果。在低电阻式晶体管的支持下，让计算机比采用传统晶体管及电容的计算机更稳定、更耐久更低温。抗突波防护芯片和减少电磁辐射(EMI)阻抗设计，增强了系统的稳定性。此外，引入看门狗技术，支持硬件复位功能(256级，0-255s)，可防止程序由于干扰而进入死循环，使系统更可靠。

图2 便携机整机和主板

为了适宜主板的高度集成化，CPU选用基于SoC架构的Baytrail-D处理器，如图3所示。该架构的处理器拥有更好的性能和更低的功耗，其优点主要有：第一，更小的封装方式可以融合在更小的主板上；第二，处理器体积的缩小，也让平台的散热配备有了更多选择，可以搭配无风扇设计的散热片，正常使用不成问题；第三，SoC系统带来的高集成度，还能有效的降低平台的制造供货成本；第四，就是可以支持更多设备，性能可以满足更多的应用程序。

考虑到道口收费的实际需求，便携机主机即要能与费显、IC卡读卡器、车牌识别、计重等设备的通信,还要实现与票据打印机和收费键盘的连接，如图4所示。这就要求其不仅有多串口设计，还要有LPT口与PS/2接口。此外，为增强主机扩展性能，主板还有双网口、多USB口及PCI扩展插槽配置，如图5所示。尤其是PCI插槽能加装研华1730的IO卡，可用于控制车道通行信号灯和收费天棚灯的开关，还能控制栏杆机的升降，该功能彻底解决了前两代便携机无法控制车道通行外设的问题。在机子抗震性能方面，结合主板规格，对收费数据的存储采用了MSATA接口的固体硬盘。

图3 基于SoC架构的CPU

图4 便携机设连接示意图

图5 便携机主要外设接口

2.2 系统性能测试

2.2.1 CPU性能

便携机主板搭载直接板载了的Intel Atom D2550处理器，该处理器主频为1.86GHz，并采用了双核四线程设计，这样能够更好的应付多任务的运行。此外，处理器集成有 x86、MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3和 EM64T指令集。性能较便携一体机N270的CPU有了明显提升。CPU参数如图6所示。

默认状态下CPU占用率为2%。而运行二代收费软件、MYSQL数据库、VNC软件的情况下CPU占用率为23%左右，如图7所示。

2.2.2 整机功耗

机子采用额定电压12V，最大输出电流为5A的直流适配器供电，能使用笔记本电脑移动电源充电宝做为后备电源使用，如图8所示。该平台功耗小，适合全天候运行。经测试主机空载运行功耗为12W，满载为18W。

2.2.3 散热性能

图6 CPU参数

图7 CPU运行软件前后占有率对比图

便携机内部采用进口含银导热膏、紫铜片等导热材料，外部使用鳍片散热全铝机箱，整机温控比有风扇电脑要强。在室温27.8℃环境中，连续进行收费8个小时后，使用红外线测温仪，测得主机处最高温度为33.6℃，如图9所示。

图8 设备后备电源使用

图9 设备运行温度

3 高速收费中的实际应用

由于体积小巧，价格适中，在高速公路收费系统中，各收费站均可配备。当道口系统出现紧急情况导致暂时车流量高峰时，使用该设备会有效缓解车道通行压力，避免车辆拥堵造成不良社会影响。目前高速公路采用计重收费方式，该便携机自带多串口，能直接与称重设备进行连接，实现货车计重收费。此外，还可根据系统网络情况，通过千兆以太网口采取联网或者离线方式快速上传收费相关数据。综合来说，此设备在高速公路收费系统中的应用有以下几个方面：

3.1 提升高速车道的应急保障能力

应急保障应用是机子的设计初衷，作为便携式应急收费设备，将其拿至道口，插上电源并依据现场实际情况接上外设即可实现收费或发卡。紧急情况下，几分钟内就能安装到位立竿见影，为收费站的保障工作起到重要作用。与前两代产品相比，新型机接口丰富，布局合理，安装方便，部署快。同时性能强，适应性好，最快能在5分钟内完成启用工作，极大提升了车道应急保障能力。各类便携机性能比较见表1。

3.2 车道工控机替换备件

因设备与车道收费系统工控机具有相同的接口，当遇到工控机硬件或软件故障导致无法使用时，可毫无压力地直接将此机作为替换备件，连接道口相关通行设备，维持正常过车收费。在车道通行压力较大的收费站，能让故障车道快速恢复，减缓相邻车道的通行压力，避免堵车现象的发生。同时也为故障设备的维修提供便利，赢得宝贵的维修时间。

3.3 快速搭建临时收费系统

对于有土建预留但无机电设备的车道，在收费站遇到交通事故需要车辆分流或节假日期间暂时性车流高峰导致的通行压力时，可用便携机快速搭建无需通讯布线的临时客车通行收费系统。机子板载的WIFI模块使其可以无线轻松接入收费系统，不仅确保了收费安全，还缩短了临时系统的安装周期。通行压力解除后，又可将其快速收回作为收费站的常用备件使用，节省了道口日常使用的成本。

3.4 当后台收费工作站使用

集工业级PC性能于一身的新型便携机凭着优异的性能，在不增加硬件的情况下，接入标准键盘和鼠标后可将其拓展为工作站使用。经安装统一收费监控和收费管理软件测试，该机完全具备替代收费站、分中心各类型工作站的能力，可作为普通PC备件使用。

表1 各类便携机性能对比

3.5 收费培训测评的理想设备

可用于新进收费人员岗前培训，在职收费人员业务等级考试、技能比武使用。既减少了投入费用，还使得培训测评地点灵活，最关键的是排除培训测评过程中出现的误操作对正常收费业务的影响。该设备特别是作为培训使用，能让培训达到更好效果，能使培训效率得到更好的提高，从而使新收费员快速掌握业务技能，尽快投入工作。

4 结束语

新研发的车道收费一体化便携机是一款移动式车道收费应急系统，它将一套完整的收费系统工控机经过小型化、精简化，高度集成到一台小型的设备中，在紧急情况下用于车道通行费用的收取。该设备系统稳定性高，兼容性好，体积小巧，接口丰富便于现场安装调试，且单套设备的采购费用比便携一体机节省50%以上。由于能流畅运行福建高速第二代收费软件，是省内三百多个收费站现有便携产品的升级换代的首选。产品若能投入批量生产使用，不仅能提升收费系统可靠性，还能大幅提高收费道口服务质量，对提升高速窗口形象也具有积极的意义。

[1]郭敏.高速公路收费系统[M].北京：人民交通出版社,2002.7.

[2]福建省公路建设总指挥部.福建省高速公路机电工程施工标准化管理指南(收费系统)[M].北京：人民交通出版社，2012.6.

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