高速公路ETC門架后時(shí)代的發(fā)展及應(yīng)用探究

夏法剛

（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司,北京 100083）

0 引言

根據(jù)《高速公路省界收費(fèi)站取消整體技術(shù)方案》（交路函〔2019〕320號(hào)）文件，2019年取消高速公路省界收費(fèi)站，設(shè)置了ETC門架系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)車載單元（OBU）及后臺(tái)記賬形式，實(shí)現(xiàn)所有車輛（含ETC車輛及MTC車輛）分段計(jì)費(fèi)、扣費(fèi)自動(dòng)完成功能，MTC車輛通過(guò)使用5.8 GHz復(fù)合通行卡（CPC卡）作為通行介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分段計(jì)費(fèi)、出口計(jì)費(fèi)，并保留進(jìn)/出口匝道收費(fèi)站[1]。對(duì)ETC車道數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)置，確保ETC車輛不停車快速通過(guò)；對(duì)未安裝OBU車輛及特殊車輛使用MTC車道完成收費(fèi)；貨車由計(jì)重收費(fèi)調(diào)整為按車（軸）型收費(fèi)，安裝OBU實(shí)現(xiàn)不停車快速收費(fèi)，入口治超同步實(shí)施，收費(fèi)廣場(chǎng)右側(cè)適當(dāng)位置設(shè)置了新的稱重檢測(cè)設(shè)施（設(shè)備），并與收費(fèi)車道協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)進(jìn)入口稱重檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1 ETC門架現(xiàn)狀分析

2019年起，隨著全國(guó)高速公路取消省界收費(fèi)站，ETC門架系統(tǒng)成為高速公路建設(shè)中必備的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在高速公路省界區(qū)域、各立交匝道互通、收費(fèi)站入/出口之間設(shè)置了ETC門架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)ETC車輛與MTC車輛分段計(jì)費(fèi)和出口計(jì)費(fèi)功能，并生成ETC/MTC車輛交易流水和能行記錄（或通行憑證），實(shí)時(shí)將ETC/MTC車輛信息上傳至部聯(lián)網(wǎng)中心和省聯(lián)網(wǎng)中心?，F(xiàn)階段ETC門架的設(shè)立僅用于高速公路收費(fèi)，對(duì)于門架系統(tǒng)功能的使用存在著單一性，ETC門架的開(kāi)發(fā)利用還存在著巨大的潛力。圖1為ETC門架設(shè)備安裝狀態(tài)。

圖1 ETC門架設(shè)備安裝狀態(tài)

圖1門架結(jié)構(gòu)采用桁架式，所有構(gòu)件均采用閉口截面，桁架下弦桿中心距離路面最高點(diǎn)間的高度不小6 m；桁架滿足人員檢修通行需要，其前后弦管中心寬度為1 m，上下弦管中心高度為1.8 m，欄桿高度1.2 m，在風(fēng)荷載作用下，ETC門架結(jié)構(gòu)水平方向形值點(diǎn)不大于ETC門架頂部高度的1/100，設(shè)備安裝后可正常工作，門架在安裝時(shí)已經(jīng)減少了對(duì)高速公路的使用影響。

結(jié)合現(xiàn)有ETC門架的安裝狀態(tài)，可以看出ETC門架的設(shè)備空余空間很富足，還存在著很大的升級(jí)改造空間，完全可以進(jìn)行二次利用。由此可以分析出各高速公路運(yùn)營(yíng)企業(yè)可以根據(jù)自身高速公路的特點(diǎn)和要求，在門架地理位置滿足的條件下進(jìn)行改造升級(jí)，對(duì)已有門架進(jìn)行設(shè)備附著安裝，對(duì)于新建高速公路可以根據(jù)需求對(duì)ETC門架進(jìn)行升級(jí)改造，從而實(shí)現(xiàn)將ETC門架的單一功能轉(zhuǎn)換為綜合功能。

2 ETC門架升級(jí)改造

發(fā)生在道路上的交通事件可以分為兩大類，一類是以不可預(yù)測(cè)事件為主的偶發(fā)事件，另一類是以運(yùn)量飽和、服務(wù)水平降低等原因居多的常發(fā)事件[2]。偶發(fā)事件多為意外事故和車輛故障，導(dǎo)致車輛擁堵、堵塞，如果不及時(shí)處理，很有可能引發(fā)二次意外。氣象異常、道路施工、車輛性能、司機(jī)因素等都可能是偶發(fā)事件的誘因。氣象異?？赏ㄟ^(guò)加強(qiáng)氣象預(yù)報(bào)、向駕駛員及時(shí)提供氣象信息等方式降低氣象對(duì)交通的影響。偶發(fā)事件誘發(fā)因素中汽車機(jī)械故障和司機(jī)的工作狀態(tài)都是具有不可預(yù)見(jiàn)性和偶然性的隨機(jī)因素，同時(shí)又易受不可控因素的影響。在一些重點(diǎn)路段，例如大橋、長(zhǎng)坡路段和變坡點(diǎn)為監(jiān)控重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)方案前期可以通過(guò)流動(dòng)的指示牌，配合固定的情報(bào)板進(jìn)行預(yù)知。根據(jù)以上方案，一旦確定發(fā)生交通事故，應(yīng)迅速調(diào)集相關(guān)人員和車輛，及時(shí)救助受傷人員，快速發(fā)布交通信息，避免二次事故的發(fā)生，最終將事故造成的影響如事故處理、清障等排除在外，使交通的正常通行迅速恢復(fù)。在以上方案的基礎(chǔ)上可以利用ETC門架現(xiàn)有條件安裝監(jiān)控設(shè)備、氣象信息顯示屏等設(shè)備。圖2為門架上弦平面圖，ETC門架安裝位置的位置點(diǎn)和覆蓋面完全可以滿足監(jiān)控設(shè)備的安裝要求。

圖2為ETC門架與情報(bào)板共桿示意圖，滿足40 m/s風(fēng)壓條件下2 t靜態(tài)荷載和18 m2風(fēng)載要求，門架跨度可按照實(shí)際道路尺寸調(diào)整，調(diào)整時(shí)需要注意橫梁連接法蘭相鄰腹盤的距離，方便螺栓固定，門架高度尺寸需保證門架下方凈高不低于6 m，不影響ETC門架的正常使用功能。

圖2 門架上弦平面（單位：mm）

實(shí)現(xiàn)氣象設(shè)備與ETC門架共桿，氣象檢測(cè)器檢測(cè)對(duì)象為：溫濕度、能見(jiàn)度、風(fēng)速風(fēng)向雨量等。對(duì)高速公路局部地區(qū)的氣象環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，起到及時(shí)發(fā)布?xì)庀笮畔⒌墓δ?。常?jiàn)氣象檢測(cè)器的安裝方式如圖3所示。

通過(guò)圖3可以清晰地看出現(xiàn)有的安裝方式需要進(jìn)行獨(dú)立的標(biāo)件和基礎(chǔ)氣象設(shè)備的安裝，最頂端設(shè)備距地面為3 m即可滿足設(shè)備要求。然而ETC門架底端設(shè)備距地面要求為6 m，由此可以得出將氣象設(shè)備與ETC門架共桿的方案需要將設(shè)備安裝于門架側(cè)面立柱位置，與共桿大屏實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，及時(shí)更新此區(qū)域的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖3 氣象檢測(cè)器的安裝方式（單位：mm）

門架安裝其他設(shè)備后必然會(huì)造成用電功率的升高，在供電方案的選擇上也要進(jìn)行相關(guān)的升級(jí)和調(diào)整。

3 ETC門架在安全出行方面的應(yīng)用

隨著2019年省界收費(fèi)站的拆除，ETC門架在高速公路上的覆蓋率達(dá)到了較高的程度，為智慧高速的應(yīng)用和發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。而在智慧高速安全出行方面一直進(jìn)行著各種創(chuàng)新和應(yīng)用，ETC門架后時(shí)代的拓展應(yīng)用迎來(lái)了一個(gè)全新的時(shí)代。中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》對(duì)綜合應(yīng)用門架數(shù)據(jù)做出明確要求，交通部在《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》中也提出構(gòu)建數(shù)字化的采集體系、網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系和智能化的應(yīng)用體系，加快交通向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，在2021年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中也對(duì)數(shù)據(jù)分析數(shù)字賦能提出了明確要求。

交通流量調(diào)查方面的應(yīng)用。以往高速公路交調(diào)外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備覆蓋率較低，現(xiàn)有高速或新建高速布設(shè)ETC門架之后，基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。將交通流量調(diào)查設(shè)備與ETC門架相融合從全覆蓋的角度提升交調(diào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和完整性，還可以利用門架已有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為交通流量調(diào)查數(shù)據(jù)，可以節(jié)約建設(shè)和維護(hù)成本。同時(shí)還可以提升高速公路路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)感知設(shè)備的全覆蓋，依據(jù)ETC門架數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確得到車輛的行駛時(shí)間、交通流量、車輛速度等，對(duì)一些反常數(shù)據(jù)流量發(fā)出警告，解決事故多發(fā)點(diǎn)流量較大路段的難題。

交管方面數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用?，F(xiàn)有ETC門架可以搭載交管方面的設(shè)備（例如違法抓拍、事件檢測(cè)等），從而可以提高違法抓拍點(diǎn)位的覆蓋率，也可以通過(guò)ETC門架現(xiàn)有抓拍設(shè)備將違法行駛的車輛信息直接推送至交管部門，利用現(xiàn)有門架布設(shè)視頻事件檢測(cè)設(shè)備，對(duì)車道內(nèi)灑落物、行人闖入、車輛逆行、壞車占道等異常交通狀況實(shí)時(shí)檢測(cè)，準(zhǔn)確打擊，實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)中心與交管部的聯(lián)合，為車輛安全行駛創(chuàng)造良好的環(huán)境。

4 ETC門架車路協(xié)同方面的應(yīng)用

2020年8月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，在智慧公路方面的主要任務(wù)中，提出“深化高速公路電子不停車（ETC）門架應(yīng)用，推進(jìn)車路協(xié)同等設(shè)施建設(shè)，豐富車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景”，將深化ETC門架應(yīng)用和發(fā)展車路協(xié)同都列為新基建的任務(wù)。將智能公路、智慧高速與普通公路相比較，應(yīng)用車路協(xié)同在高速公路上的優(yōu)勢(shì)在于：高速公路多為封閉狀態(tài)，車輛單向行駛場(chǎng)景比較單一，基本遏制了人對(duì)交通的不良影響，具有較高等級(jí)公路建設(shè)和較好的路況條件，經(jīng)營(yíng)主體具有相對(duì)明確的權(quán)責(zé)關(guān)系及機(jī)電設(shè)施比較齊全。

ETC門架在車路協(xié)同領(lǐng)域的探索。充分利用現(xiàn)有ETC門架的天線和路側(cè)天線，融合ETC技術(shù)的車路協(xié)同應(yīng)用，通過(guò)ETC通信與車路協(xié)同通信融合，構(gòu)建面向駕駛員的低延時(shí)車路通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)新一代車載OBU終端提供全天候高品質(zhì)的出行服務(wù)，根據(jù)ETC門架覆蓋廣的特點(diǎn)，在現(xiàn)有ETC門架搭建車路協(xié)同所需的5G信號(hào)和邊緣傳感設(shè)備，基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)，開(kāi)展車路協(xié)同建設(shè)，將物理鏈路遷移至云端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化，車端與路側(cè)的通信、路側(cè)與中心的通信應(yīng)采用國(guó)密技術(shù)進(jìn)行加密，確保通信安全。

ETC門架與車路協(xié)同系統(tǒng)的集成。主要是利用ETC門架基礎(chǔ)設(shè)施作為路側(cè)感知裝置的載體，通過(guò)感知裝置對(duì)安裝了OBU的車輛進(jìn)行識(shí)別，對(duì)交通異常事件進(jìn)行信息獲取。通過(guò)現(xiàn)有的ETC門架數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在獲取信息后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰穫?cè)感知設(shè)備上，經(jīng)過(guò)云控制平臺(tái)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，將異常交通信息通過(guò)路側(cè)感知設(shè)備發(fā)布給過(guò)往車輛，從而提升公路的通行能力和管理水平。基于高速公路ETC門架與車路協(xié)同系統(tǒng)的融合，通過(guò)升級(jí)現(xiàn)有ETC門架系統(tǒng)的軟硬件，基本可以實(shí)現(xiàn)除車間內(nèi)無(wú)法溝通外的其他場(chǎng)景。

ETC門架設(shè)置于各省界邊界、出入口匝道收費(fèi)站及高速相交交流道。全國(guó)高速公路共設(shè)置門架24 588個(gè)。目前，高速公路上除了設(shè)有ETC門架外，在需要安裝車路協(xié)同邊緣設(shè)備的其它路段，也設(shè)有交管部門或高速部門設(shè)置的其他功能的門架或立柱，也可以借用現(xiàn)有路側(cè)邊緣設(shè)備的門架或立柱。設(shè)置在ETC門架上的RSU是面向來(lái)車方向布置的，配合設(shè)置在路側(cè)的車路協(xié)同裝置完成信息的收集和互動(dòng)。系統(tǒng)還應(yīng)綜合考慮ETC門架的使用效果、通信方式、電源傳輸?shù)热哂嗲闆r。相關(guān)立柱、門架應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加，充分考慮車路協(xié)同的應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)束語(yǔ)

ETC門架的后時(shí)代應(yīng)用中可以融合和升級(jí)改造的方案有很多，給高速ETC門架帶來(lái)顛覆性的升級(jí)，在應(yīng)用上將會(huì)體現(xiàn)出真正的價(jià)值，可以降低建設(shè)成本，使其增加更多的功能。