淺談高速公路5.8GHz多義性路徑標(biāo)識(shí)站設(shè)計(jì)

曾建英

摘 要：截止至2018年3月底我國ETC聯(lián)網(wǎng)歷程超過13萬km，全國ETC用戶達(dá)6400萬。隨著我國高速公路路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)域內(nèi)的環(huán)狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，目前的433MHz級(jí)GSM移動(dòng)通信技術(shù)的多義路徑識(shí)別系統(tǒng)成功識(shí)別率不高，未能達(dá)到交通運(yùn)輸部要求的“單點(diǎn)系統(tǒng)標(biāo)識(shí)成功率不小于99.5%”。而基于5.8GHz的國標(biāo)DERC技術(shù)已經(jīng)非常成熟，多義路徑識(shí)別系統(tǒng)采用基于5.8GHzDSRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)ETC和MTC車輛標(biāo)識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路車輛通行費(fèi)征收、拆分模式由現(xiàn)在的“最短路徑收費(fèi)、交通概率拆分”逐步過渡到“實(shí)際路徑收費(fèi)、精確拆分”。解決各高速公路運(yùn)營管理單位之間的通行費(fèi)拆分矛盾，進(jìn)一步提升聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的科學(xué)性和拆分的準(zhǔn)確性。本文以介紹四川省繞城高速5.8GHz多義性路徑標(biāo)識(shí)站設(shè)計(jì)為例，介紹了標(biāo)識(shí)站的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)流程以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：高速公路 5.8GHz多義性路徑標(biāo)識(shí) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（b）-0001-04

1 工程概括

成都繞城高速公路，編號(hào)為G4201，全長85km，雙向六車道，是成都"環(huán)狀+放射形"公路網(wǎng)的重要組成部分，與成都各條高速、主要干道都有互通立交相通，建成于2001年12月16日，投資43億元。繞城高速將于2018年11月底前完成5.8GHz標(biāo)識(shí)站建設(shè)工作。

原繞城高速433MHz標(biāo)識(shí)站情況如表1所示。

2 設(shè)計(jì)范圍

本次設(shè)計(jì)范圍主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）各外場設(shè)置的5.8GHz標(biāo)識(shí)站設(shè)備的設(shè)計(jì)。

（2）各對(duì)應(yīng)點(diǎn)位卡口設(shè)備的設(shè)計(jì)。

（3）相應(yīng)的門架、設(shè)備機(jī)箱、供電電纜，光纜等配套設(shè)備的設(shè)計(jì)。

3 外業(yè)階段

考慮到四川已建設(shè)有基于433MHz標(biāo)識(shí)站作為多路徑識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精確路徑計(jì)算和清分。本次5.8GHz路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)建設(shè)，從本質(zhì)上不會(huì)改變現(xiàn)有的精確路徑標(biāo)識(shí)點(diǎn)的布設(shè)原則和費(fèi)率計(jì)算規(guī)則，新建的5.8GHz路徑標(biāo)識(shí)站應(yīng)覆蓋現(xiàn)有433MHz標(biāo)識(shí)站。為保證標(biāo)識(shí)的準(zhǔn)確率，提高路徑識(shí)別的精度，保證三角形、四邊形及以上的基本環(huán)路各邊均需設(shè)置1處標(biāo)識(shí)點(diǎn)，原則上，高速公路網(wǎng)兩個(gè)樞紐之間應(yīng)建設(shè)一套5.8GHz標(biāo)識(shí)站。具體的布設(shè)原則如下。

（1）標(biāo)識(shí)站正向離收費(fèi)站、樞紐立交、可掉頭服務(wù)區(qū)、其他標(biāo)識(shí)站等的間距，原則上≥1km，條件受限時(shí)≥0.5km。

（2）同一標(biāo)識(shí)點(diǎn)上下行門架應(yīng)分址建設(shè)，兩個(gè)門架間隔原則上≥200m，條件受限時(shí)≥100m，且不可跨越收費(fèi)站、樞紐立交、可掉頭服務(wù)區(qū)和路段邊界等。兩門架應(yīng)按照車輛正向行駛背靠背建設(shè)（見圖1），即先通過同向標(biāo)識(shí)點(diǎn)，再經(jīng)過逆向標(biāo)識(shí)點(diǎn)。

（3）標(biāo)識(shí)站設(shè)置位置半徑500m區(qū)域內(nèi)，應(yīng)避免同頻干擾（射頻輻射強(qiáng)度應(yīng)≤-65dbm）。

（4）標(biāo)識(shí)站門架應(yīng)避免遮擋現(xiàn)有高速公路標(biāo)志牌，原則上標(biāo)識(shí)站設(shè)置在標(biāo)志牌后方，至少距離標(biāo)志牌100m以上。

（5）標(biāo)識(shí)站必須設(shè)置在直線段區(qū)域，且周邊空曠，無遮擋。

（6）標(biāo)識(shí)站門架應(yīng)設(shè)置在路基段，避免設(shè)置在橋梁、深挖路段以及隧道內(nèi)。

（7）標(biāo)識(shí)站建議設(shè)置在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)。

（8）在滿足以上要求的情況下，盡可能利用已有外場設(shè)施的安裝、供電和通信條件，優(yōu)先選用門架情報(bào)板等，盡量利用其他外場設(shè)備取電。

依據(jù)以上選址原則并結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)識(shí)站設(shè)置情況，結(jié)合道路情況，確定點(diǎn)位情況如表2所示。

4 內(nèi)業(yè)階段

4.1 總體框架

多義性路徑識(shí)別系統(tǒng)是收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要由省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心系統(tǒng)、路段收費(fèi)分中心系統(tǒng)、收費(fèi)站系統(tǒng)、標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)、CPC卡、收費(fèi)車道系統(tǒng)、ETC車載設(shè)備（包括OBU和非現(xiàn)金支付卡）等構(gòu)成。裝有OBU的ETC車輛從ETC車道正常通行進(jìn)入路網(wǎng)，MTC車道通行領(lǐng)取CPC卡進(jìn)入路網(wǎng)；ETC車輛和MTC車輛在通過路網(wǎng)內(nèi)布設(shè)的5.8GHz標(biāo)識(shí)站時(shí)，標(biāo)識(shí)RSU利用5.8GHz DSRC技術(shù)將路徑信息寫入ETC車載設(shè)備（包括OBU和非現(xiàn)金支付卡）或CPC卡內(nèi)；在收費(fèi)站出口，ETC車輛可從ETC車道不停車自動(dòng)繳費(fèi)駛離，也可從MTC車道刷卡繳費(fèi)駛離，MTC車輛則通行MTC車道交回CPC卡，支付現(xiàn)金駛離；持有非現(xiàn)金支付卡的車輛可刷卡支付駛離。

標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)應(yīng)與收費(fèi)系統(tǒng)時(shí)鐘保持同步。省中心系統(tǒng)向標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)逐級(jí)下發(fā)路徑標(biāo)識(shí)編碼等系統(tǒng)參數(shù)，并向收費(fèi)車道系統(tǒng)逐級(jí)下發(fā)路徑費(fèi)率等運(yùn)營參數(shù)；標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)向省中心系統(tǒng)實(shí)時(shí)逐級(jí)上傳標(biāo)識(shí)流水記錄和設(shè)備狀態(tài)信息。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成

路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)建設(shè)遵循保持四川省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)運(yùn)行總體框架不變的原則，其通行方式、操作流程等基本與目前保持一致，重點(diǎn)針對(duì)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的生成結(jié)構(gòu)和處理方式等進(jìn)行改造建設(shè)，嵌入現(xiàn)有聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛按實(shí)際路徑收費(fèi)。

5.8GHz標(biāo)識(shí)站主要由路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)（含標(biāo)識(shí)RSU、工控機(jī)、天線控制器等）、卡口抓拍系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及門架、設(shè)備機(jī)柜等附屬設(shè)施構(gòu)成（見圖2）。

4.2.1 5.8GHz路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

5.8GHz路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)采用5.8GHz專用短程通信技術(shù)，通過路徑標(biāo)識(shí)站，使在路網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的車輛的OBU及CPC卡能自動(dòng)記載其行駛路徑標(biāo)識(shí)信息，依托路網(wǎng)現(xiàn)有ETC以及MTC系統(tǒng)基礎(chǔ)，獲取車輛實(shí)際行駛路徑，完成收費(fèi)和拆分。

路徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)主要由RSU、工控機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、防雷設(shè)施、電源設(shè)備等組成。RSU設(shè)置于高速公路主線的標(biāo)識(shí)門架上（標(biāo)識(shí)天線各車道（含應(yīng)急車道）設(shè)置1套，天線控制器每個(gè)門架對(duì)應(yīng)一套，均需滿足國家相關(guān)規(guī)范要求并通過廳監(jiān)控結(jié)算中心測試），向ETC車載設(shè)備（OBU和非現(xiàn)金支付卡）或CPC復(fù)合通行卡寫入路徑標(biāo)識(shí)信息，實(shí)現(xiàn)路徑標(biāo)識(shí)功能。標(biāo)識(shí)單元與OBU、CPC復(fù)合通行卡采用5.8G Hz通信頻率，攜帶OBU（車載單元）或CPC卡的車輛在經(jīng)過標(biāo)識(shí)單元射頻信號(hào)覆蓋區(qū)域時(shí)，標(biāo)識(shí)單元會(huì)將路徑標(biāo)識(shí)信息寫入OBU（車載單元）、非現(xiàn)金支付卡或CPC卡中，用于出口收費(fèi)路徑計(jì)算。

工控機(jī)配備串口、網(wǎng)口和無線通訊等多種通訊接口，與天線控制器的通訊，用于路側(cè)標(biāo)志站點(diǎn)設(shè)備的集中通信管理；具有顯示和輸入面板，可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)設(shè)備工作狀態(tài)的本地及遠(yuǎn)程監(jiān)視、本地?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)及上報(bào)，支持外接設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)視及設(shè)備信息、工作狀態(tài)、異常信息的遠(yuǎn)程上報(bào)。

4.2.2 高清卡口抓拍系統(tǒng)

高清卡口抓拍系統(tǒng)主要由高清卡口抓拍攝像機(jī)、嵌入式工業(yè)控制主機(jī)、LED補(bǔ)光燈、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、防雷設(shè)施、電源設(shè)備等組成。

高清卡口攝像機(jī)具有高清視頻監(jiān)控和卡口功能，與標(biāo)識(shí)單元同斷面設(shè)置，能對(duì)高速公路主線全斷面進(jìn)行檢測；采用雙網(wǎng)口一體化設(shè)備（不得小于700萬像素，單個(gè)覆蓋車道數(shù)不得小于3個(gè)車道，需滿足國家相關(guān)規(guī)范要求并通過廳監(jiān)控結(jié)算中心測試），卡口抓拍圖片通過網(wǎng)絡(luò)上傳至分中心圖片服務(wù)器、監(jiān)控視頻流通過前端設(shè)備接入路段視頻傳輸系統(tǒng)上傳各級(jí)監(jiān)控管理機(jī)構(gòu)；為了達(dá)到更好地識(shí)別效果，每車道還配備必要的補(bǔ)光設(shè)備，原則上每車道設(shè)置一套。

該系統(tǒng)能夠以獨(dú)立作業(yè)的方式工作，在通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)可脫機(jī)離線操作，此時(shí)所有作業(yè)數(shù)據(jù)及記錄均可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后自動(dòng)將本地滯留數(shù)據(jù)上傳至路段收費(fèi)分中心，本地存儲(chǔ)通行車輛記錄數(shù)不小于30萬輛。

4.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括標(biāo)識(shí)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)控、視頻圖像監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等。

（1）設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)控。

設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)控應(yīng)實(shí)時(shí)逐級(jí)上傳到路段收費(fèi)分中心和聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心。

聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心可監(jiān)控全路網(wǎng)所有標(biāo)識(shí)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、包括開關(guān)狀態(tài)、功率發(fā)射等級(jí)、工作狀態(tài)、電源狀態(tài)、PSAM卡狀態(tài)等。

路段收費(fèi)分中心可監(jiān)視本路段標(biāo)識(shí)點(diǎn)的供電情況、電源狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)等。

（2）視頻圖像監(jiān)控。

路徑標(biāo)識(shí)點(diǎn)的卡口設(shè)備具有視頻監(jiān)控功能，視頻圖像通過交換機(jī)上傳至就近節(jié)點(diǎn)后利用應(yīng)急二期提供的通道上傳至路段收費(fèi)分中心和聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心。

聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心可監(jiān)控全路網(wǎng)標(biāo)識(shí)站的實(shí)時(shí)狀況。

路段收費(fèi)分中心可監(jiān)控本路段標(biāo)識(shí)站的實(shí)時(shí)狀況。

（3）遠(yuǎn)程控制。

聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算中心、路段收費(fèi)分中心可根據(jù)不同的權(quán)限遠(yuǎn)程控制標(biāo)識(shí)站射頻輸出、設(shè)置發(fā)射功率和路徑信息、查詢工作狀態(tài)/參數(shù)。

（4）供電系統(tǒng)。

標(biāo)識(shí)站需要24h不間斷運(yùn)行，為保證外電斷電情況下仍能不間斷供電，在標(biāo)識(shí)站需從就近收費(fèi)站或服務(wù)區(qū)柴油發(fā)電機(jī)所接低壓配電回路上引電。

標(biāo)識(shí)點(diǎn)設(shè)備功耗估計(jì)：天線控制器≤30W；單臺(tái)天線≤20W；閃光燈≤50W；嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)≤60W；高清卡口攝像機(jī)≤80W；高清卡口主機(jī)≤100W；工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)≤20W；按此負(fù)荷估算：雙向四車道一個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)負(fù)荷約1.04kW，雙向六車道一個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)負(fù)荷約1.54kW，雙向八車道一個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)負(fù)荷約1.68kW。

同時(shí)，為未來新增設(shè)備考慮部分余量，在現(xiàn)場配置專門的UPS（約6kVA/一個(gè)點(diǎn)，電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能接入項(xiàng)目分中心電力監(jiān)控平臺(tái)），電池容量應(yīng)能在斷電的情況下，能連續(xù)為設(shè)備（設(shè)備負(fù)荷按為4.5kW考慮）供電不小于4h，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（5）輔助設(shè)備。

標(biāo)識(shí)站輔助設(shè)備包括：門架、戶外機(jī)柜、防雷裝置等。

①標(biāo)識(shí)站門架。

標(biāo)識(shí)站門架采用半幅交錯(cuò)安裝，龍門架的橫梁底部距地面凈高約6m，門架頂面應(yīng)設(shè)有檢修道面（寬1m左右）和防護(hù)欄桿，門架側(cè)面應(yīng)安裝檢修爬梯并設(shè)置保護(hù)圈，保障維護(hù)人員安全，維修平臺(tái)除應(yīng)能承受設(shè)備自身荷載外，還應(yīng)能夠承受3～4名維修人員活動(dòng)荷載。

②戶外機(jī)柜。

在路側(cè)設(shè)置戶外機(jī)柜，用于放置標(biāo)識(shí)天線控制器、工控機(jī)、光纖收發(fā)器、交換機(jī)等設(shè)備。柜體采用1.5mm及以上優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制成，柜體能滿足防腐、防潮、防塵的要求，防護(hù)等級(jí)不低于IP65；應(yīng)有相應(yīng)措施使機(jī)箱內(nèi)部始終維持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，同時(shí)具有防雷、抗浪涌沖擊裝置；機(jī)柜底部要有出線孔與外部電纜連接，內(nèi)部應(yīng)安裝19英寸標(biāo)準(zhǔn)軌道，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)合理，便于維護(hù)；機(jī)柜門需要安裝防塵橡膠條并有門禁裝置，加裝三角鎖。

③供電布線。

標(biāo)識(shí)站設(shè)備應(yīng)確保24h不斷電，并對(duì)供電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；一般情況下，設(shè)備工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足：-20℃～+70℃，極寒地區(qū)設(shè)備應(yīng)有寬溫要求；天線到戶外機(jī)柜線纜敷設(shè)應(yīng)考慮管道或線槽防護(hù)，布線應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。外場光纜和電纜的敷設(shè)路由根據(jù)標(biāo)識(shí)站平面布置圖中所示路由進(jìn)行，若該路由與現(xiàn)場情況有差異，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

④防雷接地。

應(yīng)做好標(biāo)識(shí)站門架和設(shè)備的保護(hù)接地及防雷接地設(shè)計(jì)，外場設(shè)備保護(hù)接地電阻應(yīng)≤4Ω，防雷接地電阻≤10Ω；如做聯(lián)合接地，接地電阻應(yīng)≤1Ω。防雷引下線采用Φ10以上圓鋼（或類似材料），并與基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留的接地引線端子采用焊接方式連接，在圓鋼外加保護(hù)套。

接地極采用一字形排列，材料選用角鋼，接地極與引下線焊接，每個(gè)接地極之間相距應(yīng)≥5m，埋深應(yīng)≥800mm。接地極的數(shù)量根據(jù)測得的接地電阻確定，不滿足要求時(shí)，可增加接地極的數(shù)量或適量添加降阻劑。

避雷針采用Φ25包銅圓鋼。安裝時(shí)，其高度應(yīng)能使整個(gè)設(shè)備在保護(hù)范圍內(nèi)，頂部成針狀，與立柱絕緣，接地引下線外套PVC套管，與桿體固定。接地引下線與接地極焊接，焊接時(shí)，在焊接處涂防腐劑，焊點(diǎn)應(yīng)飽滿、牢固，不應(yīng)有夾渣、吸肉、氣孔及未焊透現(xiàn)象。

5 系統(tǒng)總體性能要求

標(biāo)識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下指標(biāo)要求。

標(biāo)識(shí)成功率：在車速為0～160km/h的條件下，單點(diǎn)標(biāo)識(shí)成功率不小于99.5%。

系統(tǒng)可靠性：在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)有完整備用方案保證數(shù)據(jù)不被破壞，保證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)逐級(jí)上傳至廳結(jié)算中心系統(tǒng)，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性、真實(shí)性、不可抵賴性和安全性不受破壞。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：至少可保存30萬輛車次過車記錄。

MTBF：不低于10000h。

標(biāo)識(shí)天線RSU、高清卡口抓拍單元、工控機(jī)、UPS電源、天線控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、設(shè)備機(jī)柜、三相電源避雷器（三相BC復(fù)合型電源浪涌保護(hù)器）、單相單元避雷器（單相BC復(fù)合型電源浪涌保護(hù)器）設(shè)備具體技術(shù)指標(biāo)均需滿足國家相關(guān)規(guī)范要求并通過廳監(jiān)控結(jié)算中心測試。

6 結(jié)語

綜上所述，在標(biāo)識(shí)站設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)在外業(yè)調(diào)查中做出詳細(xì)的記錄，包括標(biāo)識(shí)站的設(shè)置位置具體樁號(hào)，對(duì)供電情況，數(shù)據(jù)傳輸情況，以及軟件設(shè)計(jì)界面等調(diào)查清楚才能更加經(jīng)濟(jì)合理、高效。同時(shí)，本項(xiàng)目工程范圍均為省內(nèi)已通車的干線高速公路，前端點(diǎn)位、供配電線纜、傳輸管道、光纜敷設(shè)時(shí)均可能對(duì)道路正常通行產(chǎn)生干擾。施工期間合理的交通組織、施工組織方案是本項(xiàng)目工程順利實(shí)施的基本條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 江山.基于RFID、ETC自由流標(biāo)識(shí)的路徑識(shí)別方案[J].中國交通信息化，2015（1）：76-79.

[2] 楊小威.濟(jì)南交警電子警察系統(tǒng)項(xiàng)目的應(yīng)用研究[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[3] 毛雪梅.RFID射頻標(biāo)識(shí)技術(shù)在通行費(fèi)拆分中的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2013（3）：72-73.

[4] 陳培良，王凌霄.二義性路徑識(shí)別系統(tǒng)方案探索和實(shí)踐[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2008（12）：89-93.

[5] 張華.基于5.8GHz多路徑精確識(shí)別方案研究[J].中國交通信息化，2015（10）：106-107.