高速公路智慧行车ETC门架系统技术研究

摘 要：作为高速公路智慧行车的核心系统技术之一，ETC门架系统的设置、设计、施工安装对实现高速公路智慧行车具有重大意义。该文从四车道和六车道不同行车道宽度入手，系统研究了高速公路智慧行车的ETC门架系统，并得出省界路段和普通路段的门架系统布设原则及其设计系统构成、门架设计尺寸；通过采用Midas程序计算，确保了门架结构的合理性、安全性、稳定性；通过合理的施工组织方案，在尽量减少交通干扰、确保工程安全的前提下，实现了边立柱、中立柱、横梁的安全吊装。

关键词：高速公路智慧行车;ETC门架系统;Midas程序;门架吊装;

1 ETC门架系统介绍

在美国，专用ETC车道的电子不停车收费 络承担了整个月平均交易量的43%,在日本，全国范围内的所有高速公路收费站点均已经开通了ETC系统[1]。中国ETC装载率与世界上的一些发达国家如日本相比，仍有较大的差距。2016年中国安装ETC的用户占比31%左右。同期日本ETC装载量早已超过70%,并依旧保持平稳的增长。因此从ETC装载来看，中国仍有较大的发展空间，这代表ETC在高速公路上存在长远发展机遇[2]。2018年5月16日，国务院常务会议提出推动取消高速公路省界收费站。交通运输部会同有关方面坚决贯彻落实党中央、国务院决策部署，成立了专项工作组，按照“试点先行、稳妥有序”的原则，确定了试点省份，印发了试点技术方案、工程实施方案、测试方案及关键技术要求，开展了大量基础性测试以及部省两级系统建设改造等工作，于2018年12月28日试点取消了江苏和山东、重庆和四川的15个高速公路省界收费站，省界收费站的交通拥堵现象得以解决，取得了良好 会效益，积累了宝贵经验[3,4]。

为适应收费公路体制改革要求，提高收费公路服务质量，达到收费公路提质增效的目的，ETC迎来大发展机遇。大力发展ETC用户，依托电子不停车快捷收费(ETC)技术，建立ETC门架系统，对于实现ETC车辆分段收费、MTC车辆分段计费、出口统一收费。实施高速公路入口治超，实现所有车辆按车型收费。2019年基本实现取消全国29个联 省份省界收费站，实现全国高速公路一张 运营的工作目标。

1.1 高速公路智慧行车省界路段ETC门架系统

在省界路段，为避免门架间信 相互干扰，同向设置两个门架(图1),其最小间距应不小于500 m。对于同向不具备设置两个门架条件的路段，可根据实际情况设置单排门架，同时应考虑关键设备的冗余设置。

图1 高速公路智慧行车ETC门架系统省界路段布局示意图

1.2 高速公路智慧行车普通路段ETC门架系统

设置在非省界的普通路段ETC门架系统，上、下行方向各设置一个门架，其布局示意如图2所示。

图2 高速公路智慧行车ETC门架系统普通路段布局示意图

2 设计方案

2.1 门架系统

高速公路智慧行车ETC门架系统主要由5.8 G天线采集系统、高清车牌识别系统、ETC门架控制、传输系统、供电系统、ETC门架及交安设施等子系统构成，其关键设备主要包括门架服务器、车道控制器、RSU、高清监控摄像机、车牌图像识别设备、 络安全设备、补光灯、供电设备、车辆检测器等构成，其工作过程主要是通过工业以太 交换机、收费站三层交换机形成以太 环 保护，与ETC门架服务器、业务管理工作站相连[5]。

5.8G天线采集系统：主要包括5.8 G RSU天线、天线控制器、配套线缆、安装支架、供电、防雷设施等。

高清车牌识别系统：主要包括高清车牌识别一体机、补光设备、配套线缆、安装支架、供电、防雷设施等，具有高清车牌识别功能，与RSU天线标识单元同断面设置，识别结果通过 络上传至上级管理机构，此结果是经过ETC门架系统的车辆行车通过的有力证据，对收费车辆的溯源和稽查有重要作用，车牌识别设备是分段计费收费的重要补充。

ETC门架控制、传输系统：主要包括户外综合机柜、ETC门架服务器、车道控制器、以太 交换机等，主要实现对ETC门架系统前端设备信息的采集与处理，具备自检、程序和应用在线更新功能，并将ETC门架系统及设备状态信息实时发送至上级管理部门。

供电及通信系统：ETC门架系统在就近收费站箱变接电，通过调整箱变回路，提高ETC门架系统的供电回路优先级，确保现有发电机组可优先应急供电；通信光缆采用2根铠装8芯(使用2芯、预留6芯)单模光缆，光缆与电缆同路由敷设。

防雷接地系统：ETC门架采用联合接地方式，接地极以L50 mm×50 mm×5 mm长2.5 m镀锌角钢(端头为尖端)打入土层，接地极顶端埋深应大于0.7 m; 角钢之间及角钢与基础地脚螺栓之间用4 mm×40 mm的镀锌扁钢以焊接方式连接；焊接完成后，焊接处应进行防腐防锈处理；接地极表面应有光滑的、清洁的、连续的镀锌层；安全接地电阻应≤4 Ω,防雷接地电阻应≤10 Ω。

各系统构成如图3、4所示。

ETC门架能够实现高速公路车辆不停车快捷收费功能，借助大数据技术，加深对路 实时数据的挖掘分析，动态预测ETC用户的行经路线，结合路段通行能力，分析路段的拥挤度，并及时将信息反馈给ETC用户，加强高速公路运营管理。当取消省界收费站后，ETC用户上交的通行费，由国家统一的清分平台获取，再按实际里程的省际归属，将金额按比例划拨至各省市[2]。

2.2 门架结构

门架结构采用镀锌钢管桁架式结构，所有构件均宜采用闭口截面；桁架下弦杆中心距路面最高点的高度不小于6.0 m; 桁架宜满足人员检修通行需要，其前后弦管中心宽度1.0 m, 其上下弦管中心高度1.8 m; 栏杆高度不小于1.2 m(图5、6)。经计算，结构的强度、整体稳定性及基础的抗倾覆能力均满足要求。

3 结构计算

3.1 有限元模型的建立

利用有限元软件Midas/Civil建立空间杆系模型，所有杆件均采用梁单元模拟，各构件的连接均按照固结模拟，立柱底固结。对于四车道门架模型，单元划分为552个，节点386个；对于六车道门架模型，单元划分为660个，节点458个。模型施加的荷载有结构自重、风荷载和施工人员荷载，其中风荷载按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》第8.1.1条取值，施工人员荷载作用在门架跨中，其值为1 kN。建立的有限元模型见图7。

图3 高速公路智慧行车ETC门架系统省界路段系统构成图

图4 高速公路智慧行车ETC门架系统普通路段系统构成图

图5 高速公路智慧行车ETC门架系统门架结构设计图(单位：mm)

图6 高速公路智慧行车ETC门架系统实景照片

图7 高速公路智慧行车ETC门架系统Midas有限元模型

3.2 计算结果

3.2.1 应力计算

智慧行车ETC门架系统四、六车道门架应力计算结果如图8所示。

图8表明：四车道最大拉应力为11.1 MPa, 最大压应力为12.2 MPa; 六车道最大拉应力为13.9 MPa, 最大压应力为13.9 MPa, 均小于Q235强度设计值215 MPa, 满足规范要求。

图8 高速公路智慧行车ETC门架系统四、六车道门架应力计算结果（单位：MPa)

3.2.2 位移计算

智慧行车ETC门架系统四、六车道门架位移计算结果见图9。

图9表明：四车道最大竖向位移为1.1 mm, 横向位移为1.6 mm; 六车道最大竖向位移为2.18 mm, 横向位移为2.3 mm, 均小于l/400=45 mm(l为跨径),满足规范要求。

3.2.3 整体稳定性计算

智慧行车ETC门架系统四、六车道门架系统整体稳定性计算结果如图10所示。

整体结构1阶屈曲模态结果表明：四车道1阶屈曲系数为271,六车道1阶屈曲系数为242,失稳点为立柱斜腹杆，失稳时结构应力已远超结构钢材强度，表明该结构在强度破坏前不会发生失稳破坏，结构安全[6]。

3.2.4 抗倾覆验算

智慧行车ETC门架系统四、六车道支反力-集中力、支反力-弯矩计算结果见图11。

图9 高速公路智慧行车ETC门架系统位移计算结果(单位：mm)

图10 高速公路智慧行车ETC门架系统整体稳定性计算结果

图11 高速公路智慧行车ETC门架系统计算结果

图11表明：① 对于四车道门架：混凝土基础顶部位置受向下及向上集中荷载可分别近似取54、9.3 kN,水平方向近似取3.7、3.4 kN,附加弯矩为8.0 kN·m; 对应中分带基础底座长×宽×高为2.8 m×1.5 m×1.2 m, 基础抗倾覆稳定性系数k0=se0=4.96>1.5k0=se0=4.96>1.5,满足规范要求；对应路侧基础底座长×宽×高为3.0 m×1.6 m×2.4 m, 基础抗倾覆稳定性系数k0=se0=7.37>1.5k0=se0=7.37>1.5,满足规范要求；② 六车道门架：混凝土基础顶部位置受向下及向上集中荷载可分别近似取62.7、10.4 kN,水平方向近似取4.1、3.8 kN,附加弯矩为8.9 kN·m; 对应中分带基础底座长×宽×高为2.8 m×1.5 m×1.2 m, 基础抗倾覆稳定性系数k0=se0=4.63>1.5k0=se0=4.63>1.5,满足规范要求；对应路侧基础底座长×宽×高为3.0 m×1.6 m×2.4 m, 基础抗倾覆稳定性系数k0=se0=8.03>1.5k0=se0=8.03>1.5,满足规范要求。

4 结论

(1) 高速公路智慧行车ETC门架系统是确保 络安全、计算及存储等设备稳定性的关键设备。ETC门架系统参照 络安全等级保护中在安全通信 络、安全区域边界及安全计算环境等方面的三级安全保护要求，同时充分考虑外场设备的物联 属性，开展安全保护，以此对联 收费系统实现良好的安全保障。

(2) 为确保高速公路智慧行车ETC门架系统的门架立柱和横梁顺利施工安装，应加强对基础施工控制，尤其是对角偏位的位移控制。

(3) 各高速公路智慧行车ETC门架系统安装施工应做好充分的准备工作，确保施工及通行安全。综合考虑施工安全、高速通行秩序及安全，制定施工期间各工况下的交通组织方案，另外还针对门架施工安装过程中的风险源进行辨识与分析，并制定相应的风险防范措施。

(4) 各高速公路智慧行车ETC门架系统配置户外综合机柜1套。

参考文献

[1] 姚秀霞.改革中的高速公路，路在何方?——论高速公路ETC发展的现状与前景[J].现代经济信息，2015(1):396.

[2] 刘益岑，陈京晶.重庆高速公路ETC发展现状与未来创新畅想[J].中国交通信息化，224(11):81-83.

[3] 蒋强，唐敏.基于收费政策的高速公路通行费预测方法研究[J].公路工程，2019,44(5):263-268.

[4] 徐东彬，王倩，何培舟.取消高速公路省界收费站跨省域联 方案研究[J].中国交通信息化，2019(12):89-93.

[5] 杨绪银.ETC收费系统在高速公路收费站的应用[J].电子测试，2017(15):58-59

[6] 张东岭，余术刚，张剑，等.某市政钢桁架桥吊装施工工艺及施工稳定性验算[J].公路工程，2019,44(2):126-130.