一種基于門(mén)禁式的收費(fèi)島安全通道控制系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：

覃光仁（1971—），高級(jí)工程師，研究方向：高速公路機(jī)電工程施工與管理。

文章根據(jù)廣西崇水高速公路收費(fèi)島的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一款適用于收費(fèi)島車(chē)道上的電磁控制門(mén)，并通過(guò)與收費(fèi)島車(chē)道上的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫穿收費(fèi)島的行人與車(chē)道通行車(chē)輛的通行權(quán)限控制。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制方案能較好地兼顧人車(chē)通行的安全性與高效性。

收費(fèi)島；電磁控制門(mén)；人車(chē)通行

中圖分類(lèi)號(hào)：U491.5+4 A 51 162 3

0 引言

隨著ETC收費(fèi)系統(tǒng)在高速公路的應(yīng)用普及，收費(fèi)站的車(chē)輛通行速度及效率均得到了較大的提升，但同時(shí)也給收費(fèi)站島內(nèi)安全管理工作提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)車(chē)輛通行速度越高，島內(nèi)發(fā)生交通事故及人員傷亡的概率也隨之增大［1］。因此，如何降低人的不穩(wěn)定因素帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升收費(fèi)島安全管理與服務(wù)水平，已成為當(dāng)前ETC收費(fèi)模式下高速公路運(yùn)營(yíng)管理公司迫切需要解決的突出問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，最好的解決辦法是在收費(fèi)島的地下或者上空建設(shè)一條專(zhuān)用的行人通道供島內(nèi)工作人員上下站及穿行車(chē)道，行人通道與行車(chē)通道的分離設(shè)置互不干擾，行車(chē)與行人的通行效率與安全均得到最好的保障。然而，該方式建設(shè)成本較高，對(duì)建設(shè)場(chǎng)地面積也有一定的要求，多見(jiàn)于較大的收費(fèi)站中。目前廣西許多中小型收費(fèi)站仍然采用傳統(tǒng)的人車(chē)混流的建設(shè)模式［2］。而正是因?yàn)橹行⌒褪召M(fèi)站的車(chē)道少、車(chē)流量不高，更容易讓人放松警惕，在收費(fèi)島內(nèi)隨意穿行的現(xiàn)象更為普遍，安全隱患尤為嚴(yán)重。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于門(mén)禁式的收費(fèi)島安全通道控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電子門(mén)禁與收費(fèi)島車(chē)道電動(dòng)欄桿機(jī)、通行指示屏進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)人車(chē)通行權(quán)的分時(shí)控制，確保收費(fèi)島內(nèi)的通行安全。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

該系統(tǒng)主要由電控門(mén)及其控制主機(jī)組成。電控門(mén)分別設(shè)置在收費(fèi)亭前后兩端靠收費(fèi)島邊沿上，收費(fèi)島邊沿四周其余地方設(shè)置0.8 m的圍欄防止人員隨意跨越。安裝平面圖如圖1所示，圖1中編號(hào)1～4為電控門(mén)，由同一個(gè)門(mén)禁控制主機(jī)控制。

安裝效果如圖2所示。收費(fèi)島四周使用護(hù)欄圍擋后，島上人員如果需要橫穿通行，則必須打開(kāi)電控門(mén)。電控門(mén)控制主機(jī)只有在檢測(cè)到當(dāng)前車(chē)道無(wú)車(chē)輛駛?cè)?，且向?chē)道頂棚通行指示交通信號(hào)燈、LED信息屏、欄桿機(jī)發(fā)送指令，關(guān)閉車(chē)道后才允許電控門(mén)打開(kāi)，從而保證人員橫穿收費(fèi)島時(shí)的通行安全。

1.1 門(mén)禁控制主機(jī)的主要功能與設(shè)計(jì)

門(mén)禁控制主機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的管理控制核心，其通過(guò)對(duì)車(chē)道電控門(mén)與車(chē)道上的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制；根據(jù)行人通行與車(chē)道上的車(chē)輛情況進(jìn)行分析決策，對(duì)車(chē)道與電控門(mén)的開(kāi)閉進(jìn)行互鎖控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)道上人、車(chē)通行權(quán)分時(shí)管控的功能，保證島上人車(chē)雙方的通行安全與效率［3］。

門(mén)禁控制主機(jī)采用STM32F407單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)接入設(shè)備的類(lèi)型設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路。門(mén)禁控制主機(jī)外部設(shè)備連接如圖3所示。其中，車(chē)道的線圈車(chē)檢器輸出的信號(hào)為物理開(kāi)關(guān)量，當(dāng)線圈上有車(chē)通過(guò)時(shí)，開(kāi)關(guān)就會(huì)閉合，門(mén)禁主機(jī)通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)即可判斷出當(dāng)前車(chē)道的行車(chē)狀態(tài)。車(chē)道欄桿機(jī)、車(chē)道通行燈及車(chē)道LED信息屏為車(chē)道原有設(shè)備，用于車(chē)道關(guān)閉與開(kāi)啟控制及狀態(tài)信息指示。其中，車(chē)道欄桿機(jī)及車(chē)道通行燈的控制方式為開(kāi)關(guān)信號(hào)，與主機(jī)接口電路為繼電器控制電路［4］。車(chē)道LED信息屏為網(wǎng)絡(luò)通信方式，通過(guò)以太網(wǎng)接收信息數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中選用型號(hào)為W5500的全硬件TCP/IP 協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，為控制主機(jī)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、快速、穩(wěn)定、安全的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與車(chē)道LED信息屏的通信連接，對(duì)車(chē)道狀態(tài)信息更新顯示的功能［5］。為了節(jié)約成本，簡(jiǎn)化電路，系統(tǒng)電控門(mén)與門(mén)禁控制主機(jī)之間接口采用了RS485的總線通信方式，電控門(mén)根據(jù)收到的命令實(shí)現(xiàn)門(mén)禁功能。

1.2 電控門(mén)的功能與設(shè)計(jì)

電控門(mén)集成了門(mén)禁控制及狀態(tài)指示、語(yǔ)音提示、車(chē)道LED警示燈、應(yīng)急手動(dòng)開(kāi)關(guān)等功能。電控門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。為節(jié)省成本，電控門(mén)采用單門(mén)柱設(shè)計(jì)，其中門(mén)框采用成型鋁材拼接而成，中間加入4 mm的透明亞克的擋板組成門(mén)板部分，門(mén)柱為2.5 mm厚的鍍鋅鋼板折彎焊接加工而成。門(mén)板與門(mén)框采用氣動(dòng)常閉式合頁(yè)連接，門(mén)被打開(kāi)后可自動(dòng)復(fù)位到閉合位置。

電控門(mén)的電氣部件統(tǒng)一安裝在門(mén)柱內(nèi)部，除圖4中標(biāo)注的部分外，其內(nèi)部還包括控制電路板、電磁門(mén)鎖、門(mén)狀態(tài)檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)、RS485通信接口等部件。電磁門(mén)控的電氣原理圖如圖5所示。其中，門(mén)禁狀態(tài)指示燈由紅、綠兩種顏色的LED燈組成，分別代表門(mén)禁鎖的鎖止與打開(kāi)，并向收費(fèi)島人員指示當(dāng)前車(chē)道的通行許可狀態(tài)。車(chē)道LED警示燈為面向車(chē)道來(lái)車(chē)方向安裝的黃色LED燈，當(dāng)車(chē)道關(guān)閉時(shí)開(kāi)始閃爍顯示，提醒司機(jī)注意，避免誤入［6］。門(mén)禁鎖采用斷電自動(dòng)打開(kāi)的電磁彈鎖，附帶獨(dú)立的機(jī)械式應(yīng)急開(kāi)啟按鈕，便于系統(tǒng)故障時(shí)可以手動(dòng)開(kāi)啟電控門(mén)。語(yǔ)音模塊可為工作人員播報(bào)安全提醒信息，當(dāng)按下門(mén)控按鈕時(shí)，提醒其注意車(chē)道周邊環(huán)境的情況，安全通行。模塊具備MP3/WAV解碼功能，可對(duì)存儲(chǔ)在內(nèi)置SIP-FLASH的MP3語(yǔ)音信息進(jìn)行語(yǔ)音播放［7］。同時(shí)，其內(nèi)置3 W功放電路可直接驅(qū)動(dòng)3 W/4 Ω的喇叭，極大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

門(mén)狀態(tài)檢測(cè)采用U型光電對(duì)射檢測(cè)開(kāi)關(guān)的方式，當(dāng)門(mén)關(guān)閉后，門(mén)框上設(shè)置的L型支架進(jìn)入U(xiǎn)型光電傳感器，遮擋了傳感器發(fā)出的紅外線，此時(shí)傳感器向控制電路板輸出低電平信號(hào)［8］，如圖6（a）所示，反之則輸出高電平信號(hào)，如圖6（b）所示。

2 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)有門(mén)禁控制主機(jī)和電控門(mén)兩個(gè)部分。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，主要程序流程圖如圖7～8所示。

程序開(kāi)始之后進(jìn)行IO及外部設(shè)備的初始化工作，接下來(lái)等到電控門(mén)的開(kāi)門(mén)請(qǐng)求信號(hào)。如果收到這個(gè)信號(hào)，就讀取車(chē)檢器狀態(tài)，判斷車(chē)道是否有車(chē)通行。如果沒(méi)有車(chē)通行就關(guān)閉車(chē)道，通行指示燈顯示“X”，信息屏顯示“車(chē)道關(guān)閉X”，同時(shí)控制欄桿機(jī)落桿。以上步驟完成之后，向電控門(mén)發(fā)送開(kāi)門(mén)指令等待行人通過(guò)。行人通過(guò)之后，通行指示燈顯示綠色箭頭，信息屏顯示“車(chē)道開(kāi)啟”，同時(shí)欄桿機(jī)處于自由控制狀態(tài)，等待下一次開(kāi)門(mén)請(qǐng)求。如此往復(fù)循環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于門(mén)禁式的收費(fèi)站安全通行管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)門(mén)禁設(shè)備能夠與收費(fèi)車(chē)道設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)島車(chē)道上的行車(chē)與行人的分時(shí)通行，有效地防止現(xiàn)場(chǎng)工作人員因疏忽大意而帶來(lái)的交通事故。該系統(tǒng)已在廣西水口收費(fèi)站試驗(yàn)使用?，F(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果表明，該方案運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全提供可靠保障，更能起到規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)人員橫穿車(chē)道行為的作用，適合在車(chē)流不大、未設(shè)置專(zhuān)門(mén)人行通道的收費(fèi)站推廣使用。

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收稿日期：2022-10-20