高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)技術(shù)研究

彭立， 龔平， 王祥， 梁東

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

1 ETC門架系統(tǒng)介紹

在美國(guó)，專用ETC車道的電子不停車收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了整個(gè)月平均交易量的43%，在日本，全國(guó)范圍內(nèi)的所有高速公路收費(fèi)站點(diǎn)均已經(jīng)開通了ETC系統(tǒng)[1]。中國(guó)ETC裝載率與世界上的一些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本相比，仍有較大的差距。2016年中國(guó)安裝ETC的用戶占比31%左右。同期日本ETC裝載量早已超過70%，并依舊保持平穩(wěn)的增長(zhǎng)。因此從ETC裝載來看，中國(guó)仍有較大的發(fā)展空間，這代表ETC在高速公路上存在長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展機(jī)遇[2]。2018年5月16日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議提出推動(dòng)取消高速公路省界收費(fèi)站。交通運(yùn)輸部會(huì)同有關(guān)方面堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，成立了專項(xiàng)工作組，按照“試點(diǎn)先行、穩(wěn)妥有序”的原則，確定了試點(diǎn)省份，印發(fā)了試點(diǎn)技術(shù)方案、工程實(shí)施方案、測(cè)試方案及關(guān)鍵技術(shù)要求，開展了大量基礎(chǔ)性測(cè)試以及部省兩級(jí)系統(tǒng)建設(shè)改造等工作，于2018年12月28日試點(diǎn)取消了江蘇和山東、重慶和四川的15個(gè)高速公路省界收費(fèi)站，省界收費(fèi)站的交通擁堵現(xiàn)象得以解決，取得了良好社會(huì)效益，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[3-4]。

為適應(yīng)收費(fèi)公路體制改革要求，提高收費(fèi)公路服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到收費(fèi)公路提質(zhì)增效的目的，ETC迎來大發(fā)展機(jī)遇。大力發(fā)展ETC用戶，依托電子不停車快捷收費(fèi)(ETC)技術(shù)，建立ETC門架系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)ETC車輛分段收費(fèi)、MTC車輛分段計(jì)費(fèi)、出口統(tǒng)一收費(fèi)。實(shí)施高速公路入口治超，實(shí)現(xiàn)所有車輛按車型收費(fèi)。2019年基本實(shí)現(xiàn)取消全國(guó)29個(gè)聯(lián)網(wǎng)省份省界收費(fèi)站，實(shí)現(xiàn)全國(guó)高速公路一張網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的工作目標(biāo)。

1.1 高速公路智慧行車省界路段ETC門架系統(tǒng)

在省界路段，為避免門架間信號(hào)相互干擾，同向設(shè)置兩個(gè)門架(圖1)，其最小間距應(yīng)不小于500 m。對(duì)于同向不具備設(shè)置兩個(gè)門架條件的路段，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置單排門架，同時(shí)應(yīng)考慮關(guān)鍵設(shè)備的冗余設(shè)置。

圖1 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)省界路段布局示意圖

1.2 高速公路智慧行車普通路段ETC門架系統(tǒng)

設(shè)置在非省界的普通路段ETC門架系統(tǒng)，上、下行方向各設(shè)置一個(gè)門架，其布局示意如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 門架系統(tǒng)

高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)主要由5.8 G天線采集系統(tǒng)、高清車牌識(shí)別系統(tǒng)、ETC門架控制、傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、ETC門架及交安設(shè)施等子系統(tǒng)構(gòu)成，其關(guān)鍵設(shè)備主要包括門架服務(wù)器、車道控制器、RSU、高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)、車牌圖像識(shí)別設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、補(bǔ)光燈、供電設(shè)備、車輛檢測(cè)器等構(gòu)成，其工作過程主要是通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、收費(fèi)站三層交換機(jī)形成以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)保護(hù)，與ETC門架服務(wù)器、業(yè)務(wù)管理工作站相連[5]。

5.8G天線采集系統(tǒng)：主要包括5.8 G RSU天線、天線控制器、配套線纜、安裝支架、供電、防雷設(shè)施等。

高清車牌識(shí)別系統(tǒng)：主要包括高清車牌識(shí)別一體機(jī)、補(bǔ)光設(shè)備、配套線纜、安裝支架、供電、防雷設(shè)施等，具有高清車牌識(shí)別功能，與RSU天線標(biāo)識(shí)單元同斷面設(shè)置，識(shí)別結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳至上級(jí)管理機(jī)構(gòu)，此結(jié)果是經(jīng)過ETC門架系統(tǒng)的車輛行車通過的有力證據(jù)，對(duì)收費(fèi)車輛的溯源和稽查有重要作用，車牌識(shí)別設(shè)備是分段計(jì)費(fèi)收費(fèi)的重要補(bǔ)充。

ETC門架控制、傳輸系統(tǒng)：主要包括戶外綜合機(jī)柜、ETC門架服務(wù)器、車道控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC門架系統(tǒng)前端設(shè)備信息的采集與處理，具備自檢、程序和應(yīng)用在線更新功能，并將ETC門架系統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至上級(jí)管理部門。

供電及通信系統(tǒng)：ETC門架系統(tǒng)在就近收費(fèi)站箱變接電，通過調(diào)整箱變回路，提高ETC門架系統(tǒng)的供電回路優(yōu)先級(jí)，確?，F(xiàn)有發(fā)電機(jī)組可優(yōu)先應(yīng)急供電；通信光纜采用2根鎧裝8芯(使用2芯、預(yù)留6芯)單模光纜，光纜與電纜同路由敷設(shè)。

防雷接地系統(tǒng)：ETC門架采用聯(lián)合接地方式，接地極以L50 mm×50 mm×5 mm長(zhǎng)2.5 m鍍鋅角鋼(端頭為尖端)打入土層，接地極頂端埋深應(yīng)大于0.7 m；角鋼之間及角鋼與基礎(chǔ)地腳螺栓之間用4 mm×40 mm的鍍鋅扁鋼以焊接方式連接；焊接完成后，焊接處應(yīng)進(jìn)行防腐防銹處理；接地極表面應(yīng)有光滑的、清潔的、連續(xù)的鍍鋅層；安全接地電阻應(yīng)≤4 Ω，防雷接地電阻應(yīng)≤10 Ω。

各系統(tǒng)構(gòu)成如圖3、4所示。

圖3 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)省界路段系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖4 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)普通路段系統(tǒng)構(gòu)成圖

ETC門架能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路車輛不停車快捷收費(fèi)功能，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，加深對(duì)路網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的挖掘分析，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)ETC用戶的行經(jīng)路線，結(jié)合路段通行能力，分析路段的擁擠度，并及時(shí)將信息反饋給ETC用戶，加強(qiáng)高速公路運(yùn)營(yíng)管理。當(dāng)取消省界收費(fèi)站后，ETC用戶上交的通行費(fèi)，由國(guó)家統(tǒng)一的清分平臺(tái)獲取，再按實(shí)際里程的省際歸屬，將金額按比例劃撥至各省市[2]。

2.2 門架結(jié)構(gòu)

門架結(jié)構(gòu)采用鍍鋅鋼管桁架式結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件均宜采用閉口截面；桁架下弦桿中心距路面最高點(diǎn)的高度不小于6.0 m；桁架宜滿足人員檢修通行需要，其前后弦管中心寬度1.0 m，其上下弦管中心高度1.8 m；欄桿高度不小于1.2 m(圖5、6)。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性及基礎(chǔ)的抗傾覆能力均滿足要求。

人口密度是商業(yè)綜合體選址的重要因素，人口密度豐富程度影響著商圈的商業(yè)發(fā)展。徐州的老城片區(qū)人口流量大，主要以傳統(tǒng)的商業(yè)為主，一些本土超市、國(guó)營(yíng)傳統(tǒng)百貨、百貨大樓、古彭大廈等都選址在老城片區(qū)，是早期的商業(yè)中心。由于人口流量可以拉動(dòng)消費(fèi)，帶動(dòng)商業(yè)綜合體的運(yùn)營(yíng)，商業(yè)綜合體的選址多選擇在居民點(diǎn)密集、高校周邊、交通便利的地方。

圖5 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

圖6 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)實(shí)景照片

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件Midas/Civil建立空間桿系模型，所有桿件均采用梁?jiǎn)卧M，各構(gòu)件的連接均按照固結(jié)模擬，立柱底固結(jié)。對(duì)于四車道門架模型，單元?jiǎng)澐譃?52個(gè)，節(jié)點(diǎn)386個(gè)；對(duì)于六車道門架模型，單元?jiǎng)澐譃?60個(gè)，節(jié)點(diǎn)458個(gè)。模型施加的荷載有結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載和施工人員荷載，其中風(fēng)荷載按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第8.1.1條取值，施工人員荷載作用在門架跨中，其值為1 kN。建立的有限元模型見圖7。

圖7 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)Midas有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 應(yīng)力計(jì)算

智慧行車ETC門架系統(tǒng)四、六車道門架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8表明：四車道最大拉應(yīng)力為11.1 MPa，最大壓應(yīng)力為12.2 MPa；六車道最大拉應(yīng)力為13.9 MPa，最大壓應(yīng)力為13.9 MPa，均小于Q235強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖8 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)四、六車道門架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

3.2.2 位移計(jì)算

智慧行車ETC門架系統(tǒng)四、六車道門架位移計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9表明：四車道最大豎向位移為1.1 mm，橫向位移為1.6 mm；六車道最大豎向位移為2.18 mm，橫向位移為2.3 mm，均小于l/400=45 mm(l為跨徑)，滿足規(guī)范要求。

圖9 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)位移計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

智慧行車ETC門架系統(tǒng)四、六車道門架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

整體結(jié)構(gòu)1階屈曲模態(tài)結(jié)果表明：四車道1階屈曲系數(shù)為271，六車道1階屈曲系數(shù)為242，失穩(wěn)點(diǎn)為立柱斜腹桿，失穩(wěn)時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力已遠(yuǎn)超結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度，表明該結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度破壞前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，結(jié)構(gòu)安全[6]。

3.2.4 抗傾覆驗(yàn)算

智慧行車ETC門架系統(tǒng)四、六車道支反力-集中力、支反力-彎矩計(jì)算結(jié)果見圖11。

圖11 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)是確保網(wǎng)絡(luò)安全、計(jì)算及存儲(chǔ)等設(shè)備穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)備。ETC門架系統(tǒng)參照網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)中在安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界及安全計(jì)算環(huán)境等方面的三級(jí)安全保護(hù)要求，同時(shí)充分考慮外場(chǎng)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)屬性，開展安全保護(hù)，以此對(duì)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的安全保障。

(2) 為確保高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)的門架立柱和橫梁順利施工安裝，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)施工控制，尤其是對(duì)角偏位的位移控制。

(3) 各高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)安裝施工應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作，確保施工及通行安全。綜合考慮施工安全、高速通行秩序及安全，制定施工期間各工況下的交通組織方案，另外還針對(duì)門架施工安裝過程中的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)與分析，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

(4) 各高速公路智慧行車ETC門架系統(tǒng)配置戶外綜合機(jī)柜1套。