收费站机电系统升级改造实施研究

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黄亚楠

华设设计集团股份有限公司

摘 要：收费站是高速公路系统的重要组成部分，随着新技术的应用需要不断推进和升级其机电设备。文章梳理了高速公路收费站的基本组成和升级改造设计的原则，并结合相关案例，分析了数字传输网络、ETC收费系统、栏杆机提前抬杆系统的改进建设方案。项目实践表明：机电系统改造后，为高速公路实现公众“两感”出行，提升交通安全性提供了良好的硬件支持，取得了良好的经济和社会效益。

关键词：收费站;ETC;机电系统;通信网络;

作者简介：黄亚楠（1993—）,女,硕士,交通运输工程（公路）专业工程师,从事交通工程设计工作。;

0 引言

随着交通量的不断增加，高速公路老旧收费站机电系统已经不能满足现代高速公路的需要[1]。其主要体现为老旧系统无法实现自动化、智能化、信息化的管理和监控，无法及时反馈道路交通状况、天气及能见度等信息，不能有效地提高路网的安全性、流畅性及服务水平[2,3]。同时，由于人工收费本身的效率较低，导致高速公路收费口的通行能力受到限制，影响了车辆的行驶速度，还会造成环境污染、交通拥堵和交通事故等问题。

因此，升级改造高速公路老旧收费站机电系统已经成为必要措施。通过引入先进的技术和设备，如高精度车辆识别技术、栏杆机提前抬杆、ETC等新技术和先进的数据传输网络等，可以实现不停车收费，大大加快了高速公路收费道口的通行能力，实现公众“两感”出行，提高了经济效益和社会效益，同时也降低了车辆管理的成本和投诉率，有利于提高车辆的营运效益[4]。鉴于此，该文总结了高速公路典型机电系统的组成部分，提炼出机电系统升级改造的主要原则，并结合具体的工程案例，分析了数字传输网络和联网不停车收费系统进行升级改造的方案，以期为相关项目的实施提供参考。

1 高速公路机电系统

1.1 高速公路机电系统的主要组成

高速公路机电系统主要由收费系统、监控系统、通信系统、供配电系统4个系统组成。其主要系统的结构如图1所示。收费系统实现计算机收费管理，准确统计车辆数目，并对收费过程进行实时监控。监控系统对通过车辆进行检测并计算车道占有率、车头时距等参数，监测气象参数和通过车辆的图像，并发布交通控制和引导信息。通信系统提供无阻塞的话务服务、高速率的传输通道和畅通的社会通信。供电与照明系统提供电力供应和照明。主要组成部分的具体功能和组成如下：

图1 高速公路机电系统的组成结构图 下载原图

1.1.1 监控系统

高速监控系统是通过监控设备和显示仪器，实现对路况信息和交通信息、环境状况的实时监测。通过监控设备，管理人员进行科学的交通引导和控制、调整道路交通流、保证路况畅通，避免出现交通事故。

1.1.2 通信系统

高速公路的通信系统是实现传输视频、文字、语音等功能，以及沟通管理部门之间、内部各个管理机构和外界的基础系统，其包括综合布线和相关的通信设备、电话、程控交换机、干线ADM传输机、ONU、光纤路终端、服务器等。

1.1.3 收费系统

现在收费系统可以分为半自动收费（MTC）和全自动收费车道（ETC）两种。由于ETC自动化程度较高，现在在高速公路上已经实现了基本全覆盖。所以，ETC系统的设计是收费系统设计的主要部分，该系统主要包括计算机、车牌识别、通行卡管理、收费监控、电源等。另外，近些年也逐渐发展出了智能化的自助车道，该车道是指收费站中装备有自助设备，系统负责收费和审核等工作的车道。组成部分通常包括自助缴费机、车道指示系统、安全防护设施。

1.2 高速公路机电系统新技术的应用

为提高收费站的管理效率和服务质量，近年来在一岗多能、远程集中特情处理等技术方面进行了大量的研究和应用。

一岗多能技术是指一个工作人员能够实现多个工作岗位的职责，从而提高工作效率和管理效果。在高速公路收费站中，一岗多能技术被广泛应用。例如，收费站工作人员可以通过系统实现收费、车牌识别、安全检查等多个工作岗位的职责，提高工作效率和服务质量。此外，收费站还可以实现车辆识别、视频监控、道路信息发布等多个功能的集成，从而提高了管理效果。

远程集中特情处理技术是指通过远程监控和数据传输等技术手段，实现对特殊情况的快速响应和处理。在高速公路收费站中，远程集中特情处理技术被广泛应用，例如收费站可以通过系统实现对车辆违法行为的实时监测和追踪，并通过远程处理系统对违法事件进行处理。此外，收费站还可以通过远程数据传输，实现与其他收费站和公路管理部门的信息共享和协同处理，提高了特殊情况的应急处理能力。

除了以上技术，高速公路收费站还应用了其他新的技术手段，如高精度车辆识别技术、ETC系统技术、智能安全监控技术等。

2 机电系统升级改造的设计目标和原则

对高速公路收费站机电系统进行改造升级时，要充分考虑原有系统的具体情况，根据设计目标制定设计方案。一般的设计目标是建设一套“实用、好用、管用”的收费系统，具体来讲：

高速公路收费系统要实用，即能够满足用户的需求，提供便捷、高效、准确的收费服务，如通过ETC、自助缴费机、移动支付等方式实现车辆缴费和通行的自动化和无感知，提高了通行效率和服务质量。好用是指能够方便、快捷、直观地操作和使用，如通过用户界面和操作流程的优化和人性化设计，使车主能够轻松、快速地完成缴费和通行，提高了用户的满意度和体验感。管用是能够实现对车辆通行和收费的监管和管理，确保公路交通的安全性和合法性，如通过车牌识别技术、违法处理系统、车辆追踪和监测等手段，实现对车辆通行和违法行为的监管与处理，提高了公路交通的安全性和管理效能。

改造设计中主要应该遵循以下原则：(1)符合改造和设计标准；(2)充分利用现有的设备；(3)采用先进又成熟的技术，降低新技术风险；(4)系统改造中要保证系统的稳定性，避免业务中断；(5)考虑到相关土建工程的影响。

3 机电系统升级改造内容及实施

某高速收费站机电工程于2013年建成运行，已经运行约10年，现有通信系统设备部分已经停产，备品备件欠缺，设备经过长时间、高负荷地运转，有些设备板件等出现老化的现象严重。计划对该机电系统的数字传输网络和联网不停车收费系统进行升级改造的具体方案如下：

3.1 光纤数字传输系统

在高速公路通信系统中，光纤数字传输系统是其中一个重要的组成部分。该系统的主要目的是传输各种通信业务，包括数据、图像和视频等。这些业务需要高速、稳定和安全的传输通路，以满足高速公路的各种通信需求。

系统采用SDH方式传输，整个通信系统按照干线传输和本地综合业务接入双层传输体制组网，其中干线传输设备包括上级通信分中心的ADM设备和收费站的REG设备。为了提高通信设备的性能和稳定性，建议对现有的干线传输设备进行更新，增加新型的传输设备，传输等级维持原有的STM-4不变。

3.2 高速公路联网不停车收费系统设计

联网不停车收费系统的设计目标包括：缓解收费站区拥堵，提高通行效率，协助管理人员管理逃票的情况，增加交通的智能控制。ETC车道系统的工作流程和设备组成如图2所示。

3.2.1 系统主体设计

图2 ETC车道系统 下载原图

电子不停车收费系统（ETC）是我国高速公路应用最为先进的收费系统，在提高交通运行效率、减少出入口拥挤方面起到了很好的作用。ETC的建设已经成为高速公路收费系统建设的主流，且系统的构成相对复杂。

3.2.2 系统硬件设计

组合车道的硬件系统设计主要分为通信子系统、车辆识别系统、视频监控系统3部分。

(1）通信子系统设计。根据相关的技术标准和设计规范，ETC系统一般采用专用的短程通信频率5.8 GHz的通信标准。另外，路侧设备（RSU）完成与车辆的通信、检测车辆、摄录等功能，包括ETC设备及其辅助设备。

(2）车辆自动分类系统设计。由于不同类型车辆的收费标准不同，要实现自动收费，则必须对车辆进行自动分类，具体通过传感器检测车辆的高度、轴数、重量等要素完成车辆的分类。分类系统包括前分类系统和后分类系统2种。前分类系统自动计算车辆需要缴纳的费用；后分类系统对车辆信息和交纳费用进行复核，确保正确收费。该技术已经广泛地应用在高速公路的收费站中，硬件也有较多的选择品牌和型号。

(3）视频监控系统。视频监控系统是独立于ETC电子标签的另外一种车辆信息识别的系统。视频监控通过摄录车辆的车牌号码和车籍信息，用于事故的责任认定、追缴漏缴费用、协助公安取证等方面。

3.2.3 系统的安全性设计

系统的安全性和可靠性是系统设计的关键，在设计中可以采取必要的措施保证收费网络的安全，软件设计中需要考虑到异常情况处理机制，数据的保存可以采用热备份和冷备份，以保证数据不丢失。另外，在其他方面，核心的计算机系统需要采用不间断电源（UPS）供电，配电箱安装过电压保护装置，机房的接地电阻值应小于0.5Ω。

3.3 栏杆机提前抬杆系统

高速公路雷达检测栏杆机提前抬杆技术是一种利用高精度雷达检测车辆速度、距离等信息，实现栏杆提前抬杆的智能化控制技术。其主要组成部分包括以下几个方面：

(1）高精度雷达：高速公路雷达检测栏杆机提前抬杆技术采用高精度雷达检测车辆的速度、距离等信息，实现车辆的自动识别和栏杆提前抬杆控制。

(2）控制系统：控制系统是高速公路雷达检测栏杆机提前抬杆技术的核心部分，通过对车辆的速度、距离等信息进行分析和计算，实现栏杆的自动控制和提前抬杆。

(3）栏杆机构：栏杆机构是高速公路雷达检测栏杆机提前抬杆技术的执行部分，它通过电机、气压等机构实现栏杆的升降，确保车辆的顺畅通行。

高速公路雷达检测栏杆机提前抬杆技术主要具有智能化、自动化、高效性、安全性的特点，实现了对车辆的准确识别和栏杆的自动控制，提高了车辆的通行效率和道路的通行能力，确保了车辆的安全通行和道路的安全管理。

3.4 升级改造后的情况

经过对高速公路收费站的机电设备系统升级改造，明显提高了工作效率，具体表现在：

3.4.1 提升高速形象

机电设备升级改造后，公路收费站的外观和设备得到了改善，如使用LED显示屏、高速ETC通道等等，使收费站的形象得到提升。此外，收费站的通行效率也得到了显著提高，通行车辆能够快速通过，不会出现拥堵现象，提高了用户的出行体验和满意度。

3.4.2 交通安全提升

收费站的设备得到更新，如自动开闸、车牌识别等使车辆能够快速通行，减少了车辆停留的时间，从而降低了发生交通事故的风险。此外，收费站的设备和工作人员也能够更加高效地进行交通管控和应急处理，提高了公路交通的安全性。

3.4.3 投资运营成本节省

收费站的设备能够更加高效地工作，减少了人力和时间的浪费，从而节省了运营成本。同时，机电设备的升级改造也能够提高收费站的通行效率，降低了车辆通行的时间成本，提高了用户的使用体验和满意度。

3.4.4 环保节能

采用的新型设备更加节能环保，如LED显示屏、智能控制系统等，能够减少能源消耗，减少环境污染。此外，ETC系统的推广也能够减少车辆的排队等待时间，降低了车辆的二氧化碳排放量，利于环保和节能。

4 结语

综上所述，机电设备的升级改造不仅能够提高用户的出行体验和满意度，还能够对公路管理企业的管理和运营带来实际的经济效益和环保效益。因此，在未来的公路建设和运营中，应继续加强机电设备的技术改造和升级，以实现更加高效、便捷、安全、环保和节能的收费和通行服务。

参考文献

[1] 梁林亮.研究收费站机电系统升级改造方法[J].低碳世界, 2017(31):238-239.

[2] 刘彦娥.石安高速磁县收费站机电系统升级改造探析[J].中国交通信息化, 2016(4):124-126.

[3] 卢茜.高速公路收费站机电系统升级改造系统设计[J].交通世界, 2017(16):166-167.

[4] 梁冰,马晓忠.高速公路收费站入口治超系统机电设备安装分析[J].北方交通, 2023(3):65-67+71.

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