高速公路人工收费车道防跟车冲卡方案设计

蒋文政

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

贵梧高速公路梧州至贵港段是《广西高速公路网规划修编(2010—2020)》布局方案中“横4”与“纵3”的重要组成部分，途经藤县、大安、社坡、桂平、石龙、武乐圩，终于贵港市瓦塘乡，全线设塘步、藤县、新庆、大安、平南、社坡、桂平、蒙圩、贵港北、贵港南10个闸道收费站[1]。高速公路收费站跟车冲卡逃费现象在贵梧高速公路人工收费窗口时有发生。跟车冲卡逃费即后车与前车跟车距离较近，当前车交费完成收费栏杆抬起时，跟车冲过收费栏杆，逃避通行费。跟车冲卡逃费是诸多逃费手段中情节极为恶劣的一种，其妨碍高速公路正常秩序的运行，不仅给国家带来经济损失，同时也损害了高速公路投资业主的利益。针对这种现象，本文对高速公路人工收费车道(MTC)防跟车冲卡方案进行了设计。

1 研究现状

在取消省界收费站的背景下，全国针对MTC车道防跟车冲卡的车道设计研究比较少，更多的研究转向于MTC车道改造为ETC车道或ETC/MTC混合车道。对于各类防范冲卡逃费的对策大致有三种：(1)装置破胎器在冲卡多发的收费站防冲卡，或采用“出口冲卡，破胎自负”等警示性标语进行防范；(2)运用AI稽核技术智能识别出有门架记录却没有驶出高速公路收费站出口记录的车辆，并找出跟车冲卡的视频证据打击跟车冲卡逃费行为；(3)通过完善法律法规的方式，提高犯罪违规成本，高速公路运营方联合公安、交警等部门破获逃费案件，遏制跟车冲卡逃费行为[1-3]。这三种对策未能从源头上阻断跟车冲卡逃费行为，因此通过在收费站的设施设备上进行改进，从源头上防止跟车冲卡逃费是一种创新的方法。

2 方案设计

2.1 在岛头称重系统外安装线圈及限流栏杆

由于贵梧高速公路收费站采用整车道称重系统，在不影响称重系统的基础上，在原有收费系统上增加相关设备达到防跟车冲卡的目的。在岛头以外安装车辆检测线圈及栏杆机对车辆进行检测及限流：在岛头称重系统外安装通过线圈，通过线圈上方安装限流栏杆，距离通过线圈约2.5 m外安装检测线圈。如图1所示。

图1 在岛头称重系统外安装线圈及栏杆示意图

2.1.1 检测线圈工作原理

车辆在收费车道中行驶引起车辆检测线圈电感量的变化检测到车辆[4]。检测线圈是基于法拉第电磁感应原理，目前技术相对成熟、国内外应用最广泛的一种车辆检测器，根据法拉第电磁感应原理可计算电压和磁通量的变化：

Vi=dΦ/dt

(1)

Φ=NAcμ0μcH

(2)

式中：Vi——检测线圈感应电压；

Φ——磁通量；

N——线圈的匝数；

Ac——线圈横截面积；

H——线圈周围磁场强度；

μc——线圈中的磁芯相对磁导率。

检测线圈埋在车道路面之下，线圈通电时周围会产生磁场。由式(1)、式(2)可知，埋在车道路面下的检测线圈具有固定的线圈匝数、横截面积等，磁通量只随磁场强度的变化而变化。当产生磁场的线圈路面上有导磁体(金属)如车辆经过时，检测线圈中磁场强度、磁通量都会发生变化，由此检测线圈中产生高频谐振感应电压而检测到车辆的存在[5-6]。

2.1.2 设计方案中新增的检测线圈及限流栏杆

普通MTC车道仅在收费岗亭处和防砸收费栏杆处安装线圈，给冲卡逃费产生了可乘之机。本文设计的在岛头称重系统外安装线圈及栏杆，能起到防跟车冲卡的作用。

2.2 设计方案功能描述

检测线圈联动限流栏杆和原有设施设备新增检测线圈后详细运作流程图如图2所示。具体流程可分为以下三个步骤：

图2 新增检测线圈后详细运作流程图

(1)初始状态：当没有车辆进入车道时，车道处于初始状态。此时，雨棚信号灯显示绿色箭头，车道处于开通状态；收费栏杆及限流栏杆均处于落下状态，限流栏杆未锁定，车道通行灯均为红色；所有线圈/光幕均处于工作状态，且未检测到车辆。

(2)检测有无车辆进入阶段：当检测线圈/光幕未检测到车辆时，系统判定没有车辆驶入，系统处于前一状态中；当检测线圈/光幕检测到车辆时，系统判定有车辆驶入，此时判定限流栏杆的锁定状态，若限流栏杆未锁定，车道通行灯1变为绿色，限流栏杆抬起；车辆驶过检测线圈/光幕及通过线圈/光幕，进入收费区域；车辆驶离通过线圈/光幕时，限流栏杆落下，此时有车辆位于收费区域，限流栏杆锁定。

(3)车辆进入收费区域：车辆进入收费区域，收费栏杆未抬起前，限流栏杆不能再抬起，为锁定状态，限流栏杆外的车辆在外等候；车辆进入称重车道，称重信息传至岗亭计算机；车辆驶至收费区域中的存在线圈，触发车道摄像机自动捕获一帧车辆的静态图像；司机将IC卡交至收费员处，计算机根据车辆称重信息、车型信息、IC卡信息等计算通行费额，显示在收费员的计算机及费额显示屏上，IC卡中的信息同时被清除，IC卡回收；收费员向司机收取通行费，收费完成确认无误后按“确认”键，车道通行灯2变为绿色，收费栏杆抬起，同时解锁限流栏杆；交易流水上传至数据库；车辆驶离防砸线圈时，收费栏杆落下；此时若检测线圈检测到有车辆，则栏杆旁的车道通行灯显示绿色，限流栏杆抬起，重复第三个步骤；此时若检测线圈没有检测到车辆，则限流栏杆保持落下，但未锁定，进入步骤一，等待车辆进入。

3 设计方案在现实场景中的分析

3.1 设计方案与原收费系统的协同分析

本设计方案取得相关部门的审批同意后，在贵梧高速公路的藤县收费站MTC车道进行了试点，取得良好的效果。本设计方案运用在试点收费站后与原有MTC车道设施设备衔接良好，在长期的实践过程中未出现系统问题。如表1所示，高速行驶车辆从进入MTC收费车道到驶离车道以及有无后车情况下，车道岛头外新增的检测线圈和限流栏杆与原车道收费系统中的车道通行灯、声光告警器、通过线圈、收费栏杆、防砸线圈等软硬件协同反应表现良好，同时起到了防止跟车冲卡逃费的理想效果。

表1 岛头外安装线圈和限流栏杆与原系统的协同效果分析表

3.2 防跟车冲卡的功能分析

在收费站中，出现车辆倒车的情况远小于车辆排队的情况，故当两种情况无法辨别时，优先考虑有后车跟车排队的情况。如图3所示，为防跟车冲卡状态图，图中S2(100000)→S3(110000)，为车辆前进时，由检测线圈检测到车辆转换为检测线圈、通过线圈同时检测到车辆；过程S3(110000)→S2(100000)，只能出现在车辆倒车的情况中，若是由一辆车同时压检测线圈、通过线圈，转变为前车压通过线圈、后车压检测线圈，因为线圈宽度约为1 m，难以完成两辆车的“无缝衔接”，则必须有中间过程S4(010000)，即S3→S4→S3，再给信号Pass1=0。故当系统到达S3状态且下一信号是Pass1=0时，应检查前一状态，若前一状态为S2，判定为车辆倒车，回到S2状态，不对限流栏杆进行锁定处理；若前一状态为S4，则判定为有后车跟随，转到S10(101000)状态，限流栏杆落下且锁定。

图3 防跟车冲卡状态图

3.3 优缺点讨论

该设计方案是利用线圈对车辆进行判断，技术上很成熟，错误率低。缺点方面主要有两点：(1)由于贵梧高速公路收费站采用整车道称重系统，线圈及栏杆机必须安装在称重车道之外，即安装在岛头以外，收费区域未能充分利用，车辆从限流栏杆行驶到岗亭的时间也更长，增加了车辆等待的时间及收费窗口的空余时间，当交费的车辆较多时，在收费站外会造成排队现象，一定程度上降低了收费效率；(2)在设计方案施工过程中，埋设线圈需要对车道进行挖掘，需要3～7 d的施工期，影响车道的正常通行。

4 效益讨论

4.1 经济效益

MTC车道防跟车冲卡方案，造价低，安装调试方便，不影响原有收费系统的正常运行，增加设备即可使用。MTC车道防跟车冲卡系统中，岛头外安装线圈及栏杆机的方案新增的软硬件有：更新的收费软件、高速栏杆机、地感线圈、车道通行灯等，新增的软硬件投入成本估算如表2所示。单条MTC收费车道设计方案投入成本在12万元左右，方案能够减少不法分子铤而走险带来的不必要的损失。对于高速公路收费与管理来说，该系统的应用具有一定的积极意义。

表2 新增软硬件投入成本估算表

4.2 社会效益

随着高速公路通车里程的迅猛增长和联网规模的不断扩大，部分人员在既得利益的驱动下，铤而走险，想方设法采取各种手段逃交通行车费，从法律角度看这是一种犯罪行为，对高速公路正常的运营秩序带来较大的冲击。本文提出的方案有利于维护高速公路的运营秩序和设施的完整性，维护高速公路运营及管理部门的权威，对国家高速公路收费制度的巩固具有社会意义。

5 结语

在我国基础设施建设大力加强的导向下，高速公路迅猛发展，高速公路收费站点数量不断上升。在高速公路收费站中，MTC车道作为必不可少的一种人工车道，时常发生跟车冲卡逃费现象。本文针对MTC车道提出的防跟车冲卡设计方案，经过对该设计方案进行理论分析与现实场景的应用，表明该设计方案具有良好的防跟车冲卡逃费实际功能，同时该方案造价低、安装调试方便、不影响原有收费系统的正常运行、具有良好的经济和社会效益。因此，对于高速公路收费与管理来说，该设计方案在全国MTC车道上具有一定的推广价值。