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解決方案

紅外車(chē)輛分離光柵LCMF1381應(yīng)用案列




基于紅外車(chē)輛分離光柵的 ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)

李忠洋

 

深圳市同創(chuàng)機(jī)電一體化技術(shù)有限公司

要:本文先總結(jié)一下傳統(tǒng) EYC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng),在實(shí)際運(yùn)行中存在的跟車(chē)干擾、通行速度慢等問(wèn)題,分析造成上述問(wèn)題的原因;然后,根據(jù)紅外車(chē)輛分離光柵的工作原理,闡述解決上述問(wèn)題的方案;最后闡述基于紅外車(chē)輛分離光柵的 ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞:ETC 車(chē)道系統(tǒng); 跟車(chē)干擾、收費(fèi)效率提速;紅外車(chē)輛分離光柵

注:紅外車(chē)輛分離光柵=紅外車(chē)輛分離器(含保護(hù)罩)

引言

電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(Elcctronic Toll Collcction)作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分, 已成為提高高速公路交通管理通行效率的重要手段。它能夠最大限度地緩解收費(fèi)站的交通瓶頸,避免因收費(fèi)效率低下而引起的交通堵塞和車(chē)輛延誤,達(dá)到了高速公路通行快速、便捷的目的。

某市高速公路 ETC 系統(tǒng)自 2010 年初開(kāi)始建設(shè),經(jīng)歷一、二、三期工程,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高速公路收費(fèi)**的 ETC 全覆蓋,全市開(kāi)通運(yùn)行的 ETC 車(chē)道達(dá)到 364 條;實(shí)現(xiàn)車(chē)輛通行速度主線(xiàn)車(chē)道不低于 40km/h,ETC 混合車(chē)道不低于 30km/h;實(shí)現(xiàn) ETC 車(chē)道布局方案、布設(shè)位置及附屬設(shè)施和外觀的完全統(tǒng)一。

截至 2019 3 月,某市 ETC 用戶(hù)已超過(guò) 107 萬(wàn),其中周一至周五 ETC 日均流量達(dá) 38 萬(wàn)車(chē)次,約占整個(gè)高速公路網(wǎng)總流量的 35%,極大地緩解了高速公路道口擁堵現(xiàn)象。

在某市 ETC 系統(tǒng)建設(shè)初期,考慮到用戶(hù)數(shù)量較少、ETC 車(chē)道普及率不高等多種因素,建設(shè)ETC 專(zhuān)用車(chē)道、MTC 混合車(chē)道等多種類(lèi)型的 ETC 車(chē)道,在 2010 中,隨著 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用率不斷提高,這些前期設(shè)計(jì)的車(chē)道系統(tǒng)問(wèn)題逐步顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在:跟車(chē)干擾問(wèn)題嚴(yán)重、車(chē)輛通行速度慢、惡意闖關(guān)逃費(fèi)等多個(gè)方面。

本文從傳統(tǒng) ETC 車(chē)道系統(tǒng)存在的問(wèn)題及原因、紅外車(chē)輛分離光柵在 ETC 車(chē)道系統(tǒng)中的應(yīng)用、基于紅外車(chē)輛分離光柵的 ETC 車(chē)道系統(tǒng)等多個(gè)方面闡述紅外車(chē)輛分離光柵在 ETC 專(zhuān)用車(chē)道中的應(yīng)用。

 

傳統(tǒng) ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)存在的問(wèn)題

某市高速公路 ETC 系統(tǒng)自 2010 年年初開(kāi)始建設(shè),其 ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)基本布局方案如 1 所示。




在該車(chē)道系統(tǒng)中,車(chē)道軟件主要依靠地感線(xiàn)圈、車(chē)輛檢測(cè)器,實(shí)現(xiàn)邏輯控制,完成車(chē)道交易及處理流程。

隨著 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用不斷提高,該車(chē)道系統(tǒng)的問(wèn)題逐步顯現(xiàn),主要表現(xiàn):跟車(chē)干擾、通行速度慢、不能**控制欄桿機(jī)等三個(gè)方面,下面詳細(xì)闡述造成這些問(wèn)題的原因。

 

2.1 跟車(chē)干擾

ETC 車(chē)道系統(tǒng)中,天線(xiàn)通信區(qū)域的長(zhǎng)度通常設(shè)定為 6-8 米,一般小型車(chē)的長(zhǎng)度在 4-5 米之間,因此,存在兩車(chē)同時(shí)處于通信區(qū)域的情況,當(dāng)前面的車(chē)輛為非 ETC 車(chē)輛或者為交易失敗的 ETC 車(chē)輛而后面 ETC 交易成功時(shí),車(chē)道系統(tǒng)有可能無(wú)法將交易結(jié)果與車(chē)輛通行順序一一正確匹配,造成放行前車(chē)而攔截后車(chē),即放行非 ETC 車(chē)輛或者交易失敗的 ETC 車(chē)輛,攔截交易成功的 ETC 車(chē)輛,此種情況我們稱(chēng)之為跟車(chē)干擾。

在現(xiàn)有車(chē)道系統(tǒng)中,通過(guò)天線(xiàn)與車(chē)載電子標(biāo)簽通信,從而喚醒電子標(biāo)簽完成 ET 交易;通過(guò)地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車(chē)輛,形成車(chē)輛的通行順序隊(duì)列;車(chē)道控制軟件將電子標(biāo)簽的喚醒時(shí)序、交易完成時(shí)序、交易完成情況及車(chē)輛抓拍信息與車(chē)輛通行順序隊(duì)列相結(jié)合并一一匹配,從而形成整體車(chē)輛順序隊(duì)列,并根據(jù)此隊(duì)列指令控制欄桿機(jī)的抬桿、落桿、放行、攔截車(chē)輛并報(bào)警提示,如果匹配錯(cuò)誤就會(huì)造成跟車(chē)干擾。

造成匹配錯(cuò)誤的主要原因有以下兩個(gè)方面。

(1) 地感線(xiàn)圈無(wú)法正確區(qū)分車(chē)輛

在現(xiàn)有車(chē)道系統(tǒng)中,車(chē)道軟件通過(guò)地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車(chē)輛,形成車(chē)輛的通行順序隊(duì)列。地感線(xiàn)圈通過(guò)車(chē)體金屬與線(xiàn)圈電磁感應(yīng)形成輸出控制脈沖信號(hào)識(shí)別車(chē)輛, 當(dāng)兩輛車(chē)以小于地感線(xiàn)圈橫截面間距通過(guò)地感線(xiàn)圈時(shí),車(chē)體金屬不會(huì)引其起磁通量的變化, 測(cè)量檢測(cè)器就無(wú)法輸出正確的脈沖信號(hào),即兩車(chē)通過(guò)只有一次脈沖信號(hào),此時(shí),就會(huì)造成車(chē)道軟件的車(chē)輛通行順序隊(duì)列錯(cuò)誤。

ETC 系統(tǒng)建設(shè)初期,用戶(hù)數(shù)量較小,車(chē)道使用率不高,車(chē)輛可以以較快的速度通過(guò)車(chē)道, 此時(shí),車(chē)輛間距較大,基本不會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛檢測(cè)器無(wú)法正確區(qū)分車(chē)輛的問(wèn)題;隨后 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用率不斷提高,在大部分省會(huì)城市的某些 ETC 收費(fèi)道口, 高峰小時(shí)流量已經(jīng)超過(guò)了 1500 輛,此時(shí),車(chē)輛通行速度很低,車(chē)輛間距較小,跟車(chē)干擾現(xiàn)象頻繁發(fā)生,已經(jīng)影響到車(chē)道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 

(2) 電子標(biāo)簽喚醒靈敏度差異較大

在車(chē)道系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中,不同廠(chǎng)商之間的天線(xiàn)與電子標(biāo)簽在兼容與穩(wěn)定性上依然存在一定缺 陷,造成電子標(biāo)簽的喚醒的靈敏度差異較大,不同廠(chǎng)商的天線(xiàn)與電子標(biāo)簽之間交易區(qū)域差距可以達(dá)到米,即使同一廠(chǎng)商的不同電子標(biāo)簽在同樣條件下交易區(qū)域有時(shí)也有 1 米的差距。若將交易區(qū)域做嚴(yán)格控制,會(huì)造成喚醒靈敏度不高的電子標(biāo)簽交易失敗,因此,為了保持系統(tǒng)運(yùn)行的兼容性和交易成功率,通常將交易區(qū)域控制在系統(tǒng)允許的上限,隨著 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用率不斷的提高,跟車(chē)干擾問(wèn)題就很突出,極大的增加了車(chē)道系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理難度。



(2.2 通行速度慢

ETC 車(chē)道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,一般要求車(chē)輛平滑通行速度能夠達(dá)到 30KM/h,才能給車(chē)輛駕駛?cè)藛T較好較好的用戶(hù)體驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求雙片式電子標(biāo)簽的典型交易時(shí)間時(shí)間 270ms,并且考慮到 ETC 專(zhuān)用車(chē)道不能取消欄桿機(jī)的狀態(tài),交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離要達(dá)到 20 米才能滿(mǎn)足平滑通行速度 30KM/h 的要求。

根據(jù)對(duì)跟車(chē)干擾問(wèn)題的分析,跟車(chē)干擾現(xiàn)象主要由于在車(chē)輛間距較小時(shí)地感線(xiàn)圈無(wú)法正確分車(chē)以及不同廠(chǎng)商的天線(xiàn)與電子標(biāo)簽在兼容性與穩(wěn)定性上仍然存在一定缺陷兩個(gè)關(guān)鍵硬件設(shè)備原因造成的,無(wú)法從從車(chē)道軟件邏輯上進(jìn)行彌補(bǔ),在現(xiàn)有條件下,隨著 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用頻率不斷提高,跟車(chē)干擾問(wèn)題會(huì)越來(lái)越突出,極大的增加了車(chē)道控制系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理難度。

因此,為了降低跟車(chē)干擾的問(wèn)題對(duì)車(chē)道系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)管理的影響,將交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離壓縮到 8 米,此時(shí),車(chē)輛平滑通行速度僅能夠達(dá)到 10KM/h,用戶(hù)體驗(yàn)較差。

(2.3) 不能精準(zhǔn)控制欄桿機(jī)

在現(xiàn)有車(chē)道系統(tǒng)中,車(chē)道軟件通過(guò)地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)區(qū)分車(chē)輛,在車(chē)輛通過(guò)地感線(xiàn)圈后,控制欄桿機(jī)落桿,隨著 ETC 用戶(hù)及交易數(shù)量的不斷增長(zhǎng),ETC 車(chē)道的使用頻率不斷提高,這種控制方式的弊端逐漸顯現(xiàn)。

1) 、惡意闖關(guān)逃費(fèi)

為了防止由于線(xiàn)圈磁通量抖動(dòng)造成的欄桿機(jī)錯(cuò)誤落桿砸車(chē)現(xiàn)象,地感線(xiàn)圈的橫截面通常設(shè)定較大,也就是說(shuō)當(dāng)兩輛車(chē)以間距小于地感線(xiàn)圈橫截面通過(guò)時(shí),地感線(xiàn)圈就無(wú)法區(qū)分車(chē)輛、輸出正確的脈沖信號(hào),即使系統(tǒng)判斷第二輛車(chē)為非 ETC 車(chē)輛或交易失敗 ETC 車(chē)輛,也無(wú)法在**輛車(chē)通過(guò)后發(fā)出落桿指令,從造成第二輛車(chē)可以惡意闖關(guān)逃費(fèi),且 ETC 專(zhuān)用車(chē)道一般無(wú)人值守,更為駕駛員惡意闖關(guān)逃費(fèi)帶來(lái)了便利。

2)  無(wú)法**檢測(cè)車(chē)輛通過(guò)

在主線(xiàn)收費(fèi)站,為了更好的用戶(hù)體驗(yàn),我們加大了交易區(qū)域前端到欄桿機(jī)的距離,使車(chē)輛平滑通過(guò)速度能夠達(dá)到 30KM/h 以上。隨著車(chē)輛通行速度的提高,地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器響應(yīng)速度慢點(diǎn)缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn),特別是在多輛交易成功的 ETC 車(chē)輛連續(xù)通過(guò)時(shí),除**輛車(chē)外, 后續(xù)車(chē)輛的通行速度已經(jīng)超過(guò) 30KM/h 此時(shí),受響應(yīng)速度的制約,車(chē)輛檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到車(chē)輛通過(guò),造成交易成功車(chē)輛通過(guò)后,欄桿機(jī)不落桿,此種情況偶有發(fā)生;

紅外光柵車(chē)輛分離器在 ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 紅外光柵車(chē)輛分離器的工作原理

紅外光柵車(chē)輛分離器的原理是通過(guò)線(xiàn)性排列的紅外光發(fā)射和接收來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的同步掃描,發(fā)射器內(nèi)置線(xiàn)性排列的高能量發(fā)光元件,接收器內(nèi)置與發(fā)射器數(shù) 量相同的接收元件,發(fā)射器和接收器的對(duì)應(yīng)光電元件依次按 順序同步觸發(fā),形成由多組平行的紅外線(xiàn)光形組成的光幕, 設(shè)備檢測(cè)光路是否導(dǎo)通, 當(dāng)汽車(chē)通過(guò)掃描區(qū)域時(shí),部分或全 部光束被遮擋, 車(chē)輛被檢測(cè)出,如圖2 所示[1,3]。



2 紅外光柵車(chē)輛分離器原理

當(dāng)車(chē)輛被檢測(cè)后,設(shè)備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)的綜合檢測(cè),與其它檢測(cè)技術(shù)相比,紅外 光柵車(chē)輛分離器產(chǎn)品技術(shù)成熟,安裝簡(jiǎn)便, 高速響應(yīng),抗干 擾性強(qiáng),可輸出豐富的車(chē)輛數(shù)據(jù)信息,能可靠檢測(cè)各種特殊車(chē)輛[1,3]。紅外光柵車(chē)輛分離器是專(zhuān)為公路收費(fèi)系統(tǒng)車(chē)輛**分離檢測(cè)而設(shè)計(jì)的,其主要應(yīng)用于計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng),將其引入ETC 車(chē)道系統(tǒng),主要利用了其大大優(yōu)于地感線(xiàn) 圈的響應(yīng)速度及車(chē)輛**分離檢測(cè)能力[1,3]。

3.2 紅外光柵車(chē)輛分離器在ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性

在了解了紅外光柵車(chē)輛分離器的工作原理后,我們知道其主要是靠判斷紅外線(xiàn)光形組成的光幕是 否被遮擋來(lái)判斷車(chē)輛的存在并區(qū)分車(chē)輛的,由于紅外線(xiàn)光形組成的光幕在車(chē)輛行進(jìn)方向上不存在橫截 面的問(wèn)題,因此,在區(qū)分車(chē)輛方面,具有地感線(xiàn)圈無(wú)法相比的先天優(yōu)勢(shì),其響應(yīng)時(shí)間、最小分車(chē)間隔 等性能參數(shù)與車(chē)輛間距無(wú)關(guān),只與設(shè)備自身的工作原理、芯片的工作速度有關(guān)。目前,市場(chǎng)上性能較 好的紅外光柵車(chē)輛分離器,其響應(yīng)時(shí)間一般在10ms,最小分車(chē)距離為100mm,可以滿(mǎn)足ETC 專(zhuān)用車(chē) 道應(yīng)用要求[2,3]。

但是,紅外光柵車(chē)輛分離器也有自身的缺點(diǎn),其無(wú)法分辨遮擋光幕的物體是否是車(chē)輛, 也就是說(shuō) 當(dāng)人經(jīng)過(guò)時(shí),也會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的脈沖信號(hào),而地感線(xiàn)圈正好可以克服這個(gè)缺點(diǎn)[2,3]

因此,并不能單純用紅外光柵車(chē)輛分離器替代現(xiàn)有的地感線(xiàn)圈,必須將兩者結(jié)合使用, 并配合以 相應(yīng)的軟件處理流程[2,3]。

3.3 紅外光柵車(chē)輛分離器在ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)中的應(yīng)用原理

3.3.1 防止跟車(chē)干擾

通過(guò)前文的分析我們知道,造成跟車(chē)干擾問(wèn)題的原因比較復(fù)雜,包含:天線(xiàn)通信區(qū)域、電子標(biāo)簽 喚醒靈敏度、車(chē)輛速度以及車(chē)道硬件設(shè)備區(qū)分車(chē)輛的能力等,僅僅用紅外光柵車(chē)輛分離器代替地感線(xiàn) 圈,并不能解決跟車(chē)干擾問(wèn)題方面,必須從多個(gè)方面考慮,并配合以復(fù)雜的車(chē)道軟件處理流程。

某市高速ETC 車(chē)道系統(tǒng)對(duì)紅外光柵車(chē)輛分離器的應(yīng)用,分為兩個(gè)階段,兩個(gè)階段的車(chē)道布設(shè)方

案、功能、性能等設(shè)計(jì)參數(shù)均不一致,從而形成了兩個(gè)解決跟車(chē)干擾的方案。由于考慮到軟件流 程的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題,在此并不能將具體的處理流程全部展現(xiàn)出來(lái),只能對(duì)兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)思想做個(gè)簡(jiǎn) 單介紹。

3.3.1.1 方案一

基于本方案的ETC 專(zhuān)用車(chē)道主要應(yīng)用于某市高速公路ETC 二期工程,該車(chē)道的設(shè)計(jì)平滑通行速 度為30km/h,紅外光柵、天線(xiàn)通行區(qū)域的布設(shè)方案如圖3 所示。


 

圖 3 紅外光柵、天線(xiàn)通行區(qū)域的布設(shè)方案一

 

(1) 解決跟車(chē)干擾的原理 在本方案中,天線(xiàn)采用常開(kāi)模式,主要通過(guò)電子標(biāo)簽的喚醒與車(chē)輛到達(dá)**根紅外光柵的前后時(shí)

序,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛類(lèi)型的基本判斷,并將ETC 交易完成情況與車(chē)輛通過(guò)**根紅外光柵相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn) ETC 交易結(jié)果與車(chē)輛通過(guò)車(chē)道順序的一一匹配;為了解決電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異,尤其是處理喚醒速 度較慢的電子標(biāo)簽,因此,設(shè)置了第二根紅外光柵,并結(jié)合天線(xiàn)通信區(qū)域、車(chē)輛行駛方向以及車(chē)輛經(jīng) 過(guò)光柵的時(shí)序等因素,來(lái)處理電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異。在ETC 交易結(jié)果與車(chē)輛通過(guò)車(chē)道順序的一 一匹配后,即可形成車(chē)道車(chē)輛隊(duì)列。

設(shè)置光電開(kāi)關(guān)是為了判斷車(chē)輛行駛方向;設(shè)置地感線(xiàn)圈是為了消除人通過(guò)紅外光柵對(duì)系統(tǒng)的影響。

(2) 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):在本方案中,不需要通過(guò)紅外光柵觸發(fā)天線(xiàn),天線(xiàn)采用常開(kāi)模式,ETC 交易流程只與天線(xiàn)、 電子標(biāo)簽有關(guān),當(dāng)紅外光柵發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)可以屏蔽發(fā)生故障的紅外光柵, 然后繼續(xù)使用。

缺點(diǎn):由于在本方案中,天線(xiàn)采用常開(kāi)模式,因此,該方案無(wú)法支持并排ETC 車(chē)道的應(yīng)用。

3.3.1.2 方案二

基于本方案的ETC 專(zhuān)用車(chē)道主要應(yīng)用于某市高速公路ETC 三期工程,該車(chē)道的設(shè)計(jì)平滑通行速 度為40km/h,紅外光柵、天線(xiàn)通行區(qū)域的布設(shè)方案如圖4 所示。

圖4.紅外光柵、天線(xiàn)通行區(qū)域的布設(shè)方案二


1)解決跟車(chē)干擾的原理

在本方案中,天線(xiàn)采用常閉模式,通行區(qū)域長(zhǎng)度加長(zhǎng)至 8 米,當(dāng)車(chē)輛到達(dá)**根紅外光柵后,天 線(xiàn)打開(kāi);本方案主要通過(guò)電子標(biāo)簽的喚醒情況與車(chē)輛通過(guò)**根紅外光柵的時(shí)序,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛類(lèi)型的基 本判斷,并將 ETC 交易完成情況與車(chē)輛到達(dá)第二根紅外光柵相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)ETC 交易結(jié)果與車(chē)輛通過(guò)車(chē) 道順序的一一匹配;在本方案中,設(shè)置了第二根紅外光柵除了解決電子標(biāo)簽喚醒靈敏度的差異,尤其是處理喚醒速度較慢的電子標(biāo)簽,其更重要的作用是由于隨著車(chē)輛通行速度的增加,ETC交易重試的 次數(shù)必然有所增加,第二根紅外光柵更重要的目的是為了再次觸發(fā)交易,對(duì)交易失敗的電子標(biāo)簽進(jìn)行 交易重試。在ETC 交易結(jié)果與車(chē)輛通過(guò)車(chē)道順序的一一匹配后,即可形成車(chē)道車(chē)輛隊(duì)列。


設(shè)置光電開(kāi)關(guān)是為了判斷車(chē)輛行駛方向;設(shè)置地感線(xiàn)圈是為了消除人通過(guò)紅外光柵對(duì)系統(tǒng)的影響。



2)優(yōu)缺點(diǎn)


優(yōu)點(diǎn):本方案的車(chē)輛通行速度可以達(dá)到40km/h,并且支持并排ETC 車(chē)道的應(yīng)用,通過(guò)實(shí)際測(cè)試, 通過(guò)紅外光柵觸發(fā)天線(xiàn)對(duì)交易成功率無(wú)任何影響;

缺點(diǎn):由于在本方案中,天線(xiàn)是通過(guò)光柵觸發(fā)打開(kāi),在紅外光柵發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)無(wú)法屏蔽發(fā)生 故障的紅外光柵。

3.3.2 提升通行速度

在解決了跟車(chē)干擾問(wèn)題后,車(chē)輛通行速度主要由以下兩個(gè)因素決定:典型ETC 交易時(shí)間、天線(xiàn)交 易區(qū)域前端與欄桿機(jī)的距離。

對(duì)于典型ETC 交易時(shí)間,根據(jù)國(guó)標(biāo)要求其應(yīng)小于270ms,在實(shí)際運(yùn)行中,雖然不同廠(chǎng)商之間的天 線(xiàn)與電子標(biāo)簽在兼容性與穩(wěn)定性上仍然存在一定欠缺,但是,在通信鏈路正常、無(wú)交易重試的情況下, 其典型ETC 交易時(shí)間均小于270ms。通過(guò)優(yōu)化車(chē)道軟件流程,在實(shí)際運(yùn)行中,平均典型ETC 交易時(shí)間 220ms。假設(shè)車(chē)輛車(chē)輛通行速度為80km/h,即每100ms 經(jīng)過(guò)2.22 米,考慮到車(chē)輛長(zhǎng)度差異,只要天 線(xiàn)通信區(qū)域不低于6m,應(yīng)該可以保證交易成功率,且該結(jié)果已經(jīng)通過(guò)了大量數(shù)據(jù)測(cè)試。

在排除典型ETC 交易時(shí)間這個(gè)因素后,車(chē)輛通行速度的決定性因素就是天線(xiàn)交易區(qū)域前端與欄桿 機(jī)的距離;車(chē)道系統(tǒng)只要在充分考慮安全因素的前提下,通過(guò)加大天線(xiàn)交易區(qū)域前端與欄桿機(jī)的距離 就可以提升車(chē)輛的通行速度,根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算及大量數(shù)據(jù)測(cè)試, 車(chē)輛通行速度與天線(xiàn)交易區(qū)域前端與欄 桿機(jī)的距離的大致關(guān)系如下。

(1) 當(dāng)要達(dá)到車(chē)輛平滑通行速度 30km/h 時(shí),天線(xiàn)交易區(qū)域前端與欄桿機(jī)的距離至少需要達(dá)到15米,此時(shí),車(chē)輛極限通行可以達(dá)到40km/h。

(2) 當(dāng)要達(dá)到車(chē)輛平滑通行速度 40km/h 時(shí),天線(xiàn)交易區(qū)域前端與欄桿機(jī)的距離至少需要達(dá)到20米,此時(shí),車(chē)輛極限通行可以達(dá)到60km/h。

 3.3.3 **控制欄桿機(jī)

3.3.3.1 布設(shè)方案及原理

通過(guò)上文的分析,我們已經(jīng)知道現(xiàn)有車(chē)道系統(tǒng)無(wú)法**控制欄桿機(jī)的具體原因,而紅外車(chē)輛分離 器恰好可以解決現(xiàn)地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器存在的問(wèn)題,在將紅外光柵 車(chē)輛分離器引入車(chē)道系統(tǒng)后,其設(shè)備具體布設(shè)方案如圖5 所示。


圖 5 **控制欄桿機(jī)的設(shè)備布設(shè)方案


在車(chē)道系統(tǒng)中,車(chē)道軟件通過(guò)紅外光柵車(chē)輛分離器的脈沖信號(hào) 區(qū)分車(chē)輛,并配合以地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器信號(hào),控制欄桿機(jī)落桿, 其基本處理流程如下。

(1)圈車(chē) 輛檢測(cè)器的輸入信號(hào),同時(shí)保留一個(gè)車(chē)道車(chē)輛狀態(tài)標(biāo)志 車(chē)道軟件不斷輪詢(xún)讀取紅外光柵車(chē)輛分離器和地感線(xiàn)

(2) 當(dāng)檢測(cè)到輸入狀態(tài)為:紅外光柵車(chē)輛分離器有車(chē)、地感線(xiàn) 圈車(chē)輛檢測(cè)器有車(chē)且車(chē)道車(chē)輛狀態(tài)標(biāo)志無(wú)車(chē)時(shí),車(chē)道軟件置車(chē)道車(chē) 輛狀態(tài)標(biāo)志為有車(chē)。

(3) 當(dāng)檢測(cè)到輸入狀態(tài)為:紅外光柵車(chē)輛分離器無(wú)車(chē)、且車(chē)道 車(chē)輛狀態(tài)標(biāo)志有車(chē)時(shí),欄桿機(jī)落桿,車(chē)道軟件置車(chē)道車(chē)輛狀態(tài)標(biāo)志 為有無(wú)車(chē)。

(4) 當(dāng)檢測(cè)到紅外光柵車(chē)輛分離器輸入信號(hào)有變化,而地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器輸入信號(hào)無(wú)變化時(shí),應(yīng)判斷為非車(chē)輛通過(guò),車(chē)道軟件 不做任何處理。


3.3.3.2 數(shù)據(jù)分析

      通過(guò)以上的車(chē)道軟件邏輯描述,我們知道正確檢測(cè)到車(chē)輛到達(dá)和離開(kāi)是**控制欄桿機(jī)落桿的關(guān) 鍵,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)鍵步驟,紅外光柵車(chē)輛分離器的響應(yīng)速度和分車(chē)能力、地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器的響應(yīng) 速度是重要技術(shù)指標(biāo)。

             (1)車(chē)輛極限通行速度

通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù),我們認(rèn)為在通過(guò) ETC 專(zhuān)用車(chē)道時(shí),車(chē)速達(dá)到60km/h 已經(jīng)接近極限速度了, 因此,假設(shè)車(chē)輛已 60km/h 通過(guò)車(chē)道,即每 100ms 通過(guò) 1.6m,按一般小型車(chē)長(zhǎng)4 米計(jì)算,其通過(guò)光柵 及地感線(xiàn)圈需要250ms。

2) 紅外光柵車(chē)輛分離器的響應(yīng)速度和分車(chē)能力 在車(chē)道邏輯中,紅外光柵車(chē)輛分離器是核心設(shè)備,其響應(yīng)時(shí)間一般在 10ms,最小分車(chē)距離為

100mm,根據(jù)以上兩個(gè)性能參數(shù)并結(jié)合車(chē)輛最高通行速度,我們認(rèn)為其能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

       3) 地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器的響應(yīng)速度 在車(chē)道邏輯中,地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器主要用來(lái)判斷車(chē)輛是否存在,而不是用來(lái)區(qū)分車(chē)輛,在極限

通行速度下,車(chē)輛通過(guò)地感線(xiàn)圈需要 250ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般車(chē)輛檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間,我們認(rèn)為其能夠 滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

 

4 基于紅外光柵車(chē)輛分離器的ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)

 

某市高速公路 ETC 車(chē)道系統(tǒng)對(duì)紅外光柵車(chē)輛分離器的使用是伴隨著其建設(shè)工程展開(kāi)的,在其二 期建設(shè)工程中**引入紅外光柵車(chē)輛分離器,稱(chēng)之為**代基于紅外光柵的ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng),車(chē)道 布設(shè)方案如圖6 所示。

該車(chē)道系統(tǒng)基本解決了跟車(chē)干擾問(wèn)題,并將車(chē)輛平滑通行速度提高至 30km/h,極限通行速度達(dá)到 40km/h。


在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,我們發(fā)現(xiàn)了該車(chē)道系統(tǒng)的一些不足之處,并在隨后的ETC 三期建設(shè)工程中做了改 進(jìn)、完善,稱(chēng)之為第二代基于紅外光柵的ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng),分為欄桿前置和欄桿后置兩種模式:所 “欄桿前置”,是指與相鄰的 MTC 車(chē)道相比,電動(dòng)欄桿被移到原 MTC 車(chē)道島頭的位置,并在欄桿 附近設(shè)置收費(fèi)亭,所謂“欄桿后置”,是指將欄桿設(shè)置在收費(fèi)車(chē)道的中后端,與原 MTC 車(chē)道一致,不 設(shè)與相鄰 MTC 車(chē)道之間連接道,收費(fèi)亭設(shè)置也與原MTC 車(chē)道一致,車(chē)道布設(shè)方案如圖7 所示。

                            
 

 


7 市三期建設(shè)的高速公路 ETC 車(chē)道系統(tǒng)布設(shè)方案

 

該車(chē)道系統(tǒng)完全繼承了上一代系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),并將車(chē)輛平滑通行速度提高至40km/h,極限通行速度 達(dá)到60km/h,還做了如下改進(jìn):

(1) 通過(guò)紅外光柵車(chē)輛分離器的脈沖信號(hào)區(qū)分車(chē)輛,并配合以地感線(xiàn)圈車(chē)輛檢測(cè)器信號(hào),實(shí)現(xiàn)了 欄桿機(jī)的**控制。

(2) 對(duì)于欄桿前置模式,將收費(fèi)亭遷前移至欄桿處,當(dāng)非人為原因造成ETC 車(chē)輛交易失敗時(shí),可 以在本車(chē)道人工刷卡通行,不用再通過(guò)連接道轉(zhuǎn)入旁邊的人工車(chē)道處理。

(3) 在主線(xiàn)收費(fèi)站的車(chē)道采用對(duì)開(kāi)式電動(dòng)欄桿,進(jìn)一步提高欄桿機(jī)的響應(yīng)速度。

       (4) 更換全點(diǎn)陣式費(fèi)額顯示牌,提升人機(jī)交互界面的美觀程度,提升用戶(hù)使用感受。 兩代車(chē)道系統(tǒng)的主要參數(shù)比較如表1 所示。

 

  表 1 兩代車(chē)道系統(tǒng)主要參數(shù)比較

第二代

第三代

紅外光柵車(chē)輛分離器

2 組前置

3 組(兩組前置,一組位于欄桿后方

天線(xiàn)立桿與欄桿距離

7

13

通信區(qū)域最遠(yuǎn)端與欄桿

15

20

電動(dòng)欄桿

0.6 秒(單欄桿)

0.3 秒(對(duì)開(kāi)式)

舒適通行速度

30km/h

40km/h

跟車(chē)干擾

基本消除

基本消除

不落桿現(xiàn)象

存在

基本消除

 

5 結(jié)束語(yǔ)

電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic TollCollection)作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,已成為 提高高速公路管理的科技含量和通行效率的重要手段,它能夠最大限度地緩解收費(fèi)站的交通瓶頸,基 于紅外光柵車(chē)輛分離器的ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng),進(jìn)一步提升了電動(dòng)欄桿的抬落桿速度,提升了車(chē)輛的舒 適通行速度,同時(shí)解決了跟車(chē)干擾等問(wèn)題。目前, 該車(chē)道系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某市高速公路網(wǎng)的 200 多根 ETC 專(zhuān)用車(chē)道,除去人為原因后, 該車(chē)道系統(tǒng)交易成功率可以達(dá)到 99.7%,在主線(xiàn)收費(fèi)站,該ETC 專(zhuān)用車(chē)道系統(tǒng)的日平均車(chē)流量超過(guò)8000 輛,高峰小時(shí)車(chē)超過(guò)1000 輛。


 





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