基于高速公路ETC门架系统的智能化研究与应用

郑祖恩， 周 进， 戴剑军， 方 伟

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

我国高速公路通车里程持续增长，交通拥堵日趋严峻，随之对高速收费管理、交通流量控制、安全隐患管理等的要求不断提高，提高交通运输管理效率、降低运输成本的战略要求日益迫切。

2019年，全国开展的取消省界公路收费站项目，ETC门架系统是该项目的重要核心支撑系统，其正常稳定安全运行尤为关键。

1 门架系统

1.1 系统原理

ETC门架系统是高速公路实现自由流收费的重要组成部分，是取消高速路省界收费站工程项目的必备重要硬件基础设施，也是对原有高速省界公路收费站门架物理结构拆除后的必要技术补充。其主要设置于互通枢纽匝道、沿线各收费站匝道处，建设位置一般远离周边城镇[1]，要求该系统具备稳定运行的能力，对相关技术提出了较高的要求。ETC门架系统主要由车道控制系统、ETC天线、高清车牌识别单元、补光设备、高清行车监控摄像机等部分组成。智能控制柜作为关键组成，能够满足高速公路体量庞大的物联网设备接入、传输、安全防护等方面的管理业务需求，可有机融合物联网感知、边缘计算、光纤通讯、网络交换、网络安全管理和云端数据处理等技术，具备行业前瞻性和应用领先性。图1为ETC系统布局示意图。

图1 ETC系统布局示意图

1.2 需求分析

1) ETC门架系统的持续正常运行，需要不间断供电保障。在市电意外断电时，需要紧急备用电源保障系统的全天候正常运转。

2) ETC门架系统大多在野外环境，高低温、潮湿等严酷条件对设备正常工作造成巨大的负担，需要为设备提供一个适宜的运行环境。

3) 为避免因户外环境和人为因素对设备带来的损害，需要从结构、制作工艺等角度考虑，为设备提供安全可靠的空间环境。

4) ETC门架系统涉及设备众多，地理位置偏远，需要对设备运行状态进行远程实时监控，发生异常情况时，进行告警通知。

2 关键技术

2.1 智能供配电技术

持续稳定的供电是ETC门架系统正常运行的先决条件，针对目前ETC门架供电线路存在的突发断电无保障、排除故障难、维护成本高等诸多问题，需对门架系统供配电进行改进优化。

1) 将收费站内箱变取电位置增加双电源转换开关，并将双电源转换开关主输入口与市电相连，备用输入口与站内后备发电机相连，当市电突发性停电时，可启动发电机对ETC门架系统进行持续供电。

2) 在收费站发电机房内增加双电源接入柜，若市电长时间停电，收费站内固定发电机长时间工作需要停歇或站内固定发电机突发故障无法启动时，可以调配移动发电车。保证收费站内机电设备以及外场ETC门架设备持续供电[2]。

3) 智能控制柜内增加便携式发电机快速接入口。在收费站与ETC门架之间的供电电缆发生故障且不能在4 h内及时修复情况下，可以将便携式发电机运送到外场智能控制柜处，通过快速接入口，5 min内即可恢复系统供电。较传统接线方式，可节省3倍以上的时间。

4) 通过监测设备对ETC门架系统各设备工作状态进行实时监测，实时监测供配电系统的供电状态，当存在断电故障时，可通过远程实时监测及时得到报警反馈，为维护人员发现处理故障、维护系统提供便利，缩短系统恢复时间。

2.2 ETC门架系统防雷技术

防雷接地是ETC门架系统建设中的关键部分，防雷设备在确保ETC系统设备正常稳定运行方面起着至关重要的作用，关系着车辆通行费收缴、全国路网中心营运等工作。在完善ETC门架系统地网的基础上有必要加强防雷监测工作，加强系统的在线监测，通过雷电数据信息采集终端、智能空气开关、极速切断装置、微处理系统等监测或管理模块的组合使用，对瞬态电流、接地状态、防雷器运行状态、微安级漏电流等远程实时在线监测。依托有线、无线网络进行数据传输，通过数据处理、多维度分析，可以精确获取特定门架区域雷电发生的状态参数，为完善现有防雷系统设施提供可靠的数据参考，为门架防雷实现预防性养护目标。实现安装环境内的多元素隐患早发现、早处理，及时对运行异常的硬件设备设施进行检修维护。

2.3 智慧运维技术

高速公路ETC门架系统机电设备种类较多，包括门架、车道控制、供配电、网络安全、视频监控、动环等功能模块。通过将各机电设备的实时运行状态、报警信息、故障诊断等环节的数字化后数据融合汇集到服务器，在运维服务器上经大数据分析、AI算法，对系统内各设备的资源瓶颈周期、使用寿命进行预判，并实时监测通信网络安全、电力供应等子系统的可能风险，运用数据挖掘、数据分析技术，分析设备、系统间的故障内在联系，最终实现ETC门架系统故障的智能预警，以及故障原因的精准定位，提升门架系统智慧化运维水平。

运用苗头预测法是解决劳动争议“防调结合，以防为主”工作方针的具体要求。要做到“防调结合，以防为主”。必须及时掌握纠纷发展、变化的客观规律，发现纠纷发展和深化的苗头，洞察纠纷当事人思想和行为不断变化的蛛丝马迹，及时有针对性地采取措施．进行积极的疏导，把矛盾解决在萌芽状态，防止其扩大和激化。

3 应用实现

3.1 设计思路

1) 结构化创新: 智能控制柜采用模块化的拼接结构设计，安装简易，同时为各个功能模块预留线槽、插孔、接线端等。使用、维护便捷，布局、外形美观[3]。

2) 模组化设计: 智能控制柜将供配电、采集终端、报警单元、摄像机、动环等多个功能模块进行集成应用，功能分区明显，模块更换维护便捷。

3) 自动化远程监测: 可通过云管理平台远程监测功能，实时监测控制柜内所有设备的在线状态、供电状态、环境信息、柜门开关状态等，处理设备故障报警与防闯入报警等异常信息[4-5]。通过北斗定位，主动上传故障位置，快速定位故障点，可利用远程信息查询、指令下发实现故障远程诊断。

3.2 柜体结构

智能控制柜为ETC门架系统提供整体设备收容管理及预留空间，满足多制式电压输出设备的高效节能管理，24 h持续高可靠的供电能力，支持部、省级平台分级分区域统一可视化管理。柜体内部设备拓扑图见图2。

图2 柜体内部设备拓扑图

智能控制柜为各机电设备提供防水、防尘、抗风蚀、抗老化、防盗、防锈的适宜运行环境。控制柜内空间采用标准的48 cm面板，UPS电源、防雷设备、供配电模块、动环监测、摄像监控、空调等功能模块均可独立安装拆卸、更换方便。

3.3 供配电模块

供电电路模块总体拓扑如图3所示，系统中设计2个电源切换器，ATS1负责市电与发电机之间的切换，ATS2负责UPS1与UPS2之间的切换。动力控制板可实现配电箱每一回路的供电与断电。系统含2路防雷器，分别用于防止来自市电和门架的浪涌。

图3 供电总体拓扑图

图4 主配电箱设计图

2) 分配电箱设计: 分配电箱采用火线空开与零地端子组合排列，便于维护与接线。空开采用1A/2A微型断路器，在各子供电回路异常时断开。分配电箱可为门架设备提供便利的接入方式，其设计如图5所示。

图5 分配电箱设计图

3.4 动环监控模块

动力环境监控模块拓扑结构如图6所示，由总控、IO、显示器键盘、直流电源等集成在一个综合的空间，具有集成度高、用户线路少、理线方便、便于维护等优点。动力环境总控板负责以RS232和RS485方式与柜内设备通讯，并通过以太网口实现远程监控，同时也实现有关柜内的控制逻辑。主IO实现对动力环境变量的监测及柜内设备的IO控制，分IO板实现对门架设备的监控，串口显示屏使现场维护人员直观地观察关键设备运行状态。电力计量表记录UPS状态以及相关设备用电情况。

图6 动环监控系统拓扑结构

3.5 应用实例

根据我国“交通强国”的总体建设目标，大力推进高速公路数字化转型。智能控制柜作为门架系统机电设备的重要载体，大规模应用于2019年湖南省取消省界收费站工程项目，结合云管理平台，可全面监测ETC门架系统中的机电设备，实时获取设备的在线状态、故障报警、环境参数等数据，向高速公路管理者提供基于数据分析的辅助决策服务。做到真正的自动化监测、数字化管理，智慧化维护(见图7)。

a) 智能控制柜

4 结语

通过对高速公路ETC门架系统的实际需求分析，开展了智能供配电技术、防雷技术、智慧运维技术的理论研究，设计改进优化的智能控制柜，配套云管理平台，在湖南省取消省界收费站项目中得到应用与验证。研究成果通过工程应用，满足室外各种恶劣环境的工作要求，同时降低了人工运维成本，提高了业务效率，提升了ETC门架系统的智能化水平，为高速公路自由流收费系统安全稳定运行提供了保障，为湖南省交通运输高质量发展打下了夯实的基础。