完整word版ETC设计.docx

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完整word版ETC设计

第一章工程实施方案概述

1.1编制目的

高速公路电子不停车收费系统（ETC）是为了减少道路收费口处的交通拥挤，加快车辆通过收费口的速度而建设的。

不停车收费系统采用车载装臵纪录代付款协议等信息，插入IC卡后，当通过电子收费口时，利用收费口通信天线与车载设备之间的通信，在计算机收费系统和IC卡双方均完成对通行费的纪录，从而实现电子结算收费。

高速公路不停车收费系统具有全路段封闭型、智能卡车载、电子托收、联网分账等特点。

通行效率比人工缴费显著提高。

系统特点：

24小时无人监管不间断工作 ；车道过车和银行托收都是由系统自动实现；在收费站不设服务器，通过网络浏览器打印报表，降低成本，提高系统的安全性；银行托收一般在一分钟内完成；提供互联网服务，电子标签用户可以在网上查询过车费用。

1.1.1参考资料

《XX项目合同》及技术协议等附件。

《XX项目工作内容清单》

《XX项目现场实施环境内容调研表》

《XX项目实施计划及采购预案》

《XX项目施工设计图纸》等。

1.1.2遵循规则

《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198—1994.

《中.华人民共和国公共安全行业标准》GA/T70-1994。

《工业电视系统工程实施设计规范》GBJ115-1987。

《安全防范工程程序与要求》GA/T75-1994.

《工业企业通信设计规范》GBJ42-1981。

《建筑电气安装工程质量检验评定标准》GBJ303-1988。

《工业自动化仪表工程施工及验收规范》FBJ93-1986。

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-1992。

《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994、《雷电电磁脉冲的防护》IECI312。

《计算机信息系统防雷安保器》GA173=1998等。

《计费公路联网收费技术标准》中华人民共和国交通部2007年35号公告。

《高速公路区域联网不停车收费示范工程暂行技术要求》交公路发[2008]275号等。

1.1.3项目边界

合同建设内容要求：

，车主自行到公司指定的地点或代理机构购臵车载电子标签，交纳储值费用，由发行系统向电子标签输入车辆识别码（ID）与密码，并在数据库中存入该车辆的全部有关信息：

识别码、车主姓名、联系电话、车牌号、车型、颜色、储值金额等。

发行系统通过通信网络将上述车主及车辆信息输入收费计算机系统。

车主将电子标签贴在车内前窗玻璃上即可；当车辆进入ETC收费车道即LI天线的发射区时，处于休眠的电子标签受到微波激励而苏醒，随即开始工作，电子标签以微波方式发出电子标签标示和车型代码，天线接收确认电子标签有效后，以微波发出车道代码和时间信号，写入电子标签的存储器内，进口车道栏杆打开，车辆即可驶入高速公路；到达出口收费站时，当车辆驶入出口收费车道天线发射范围，经过唤醒、相互认证有效性等过程，天线读出车型代码以及LI代码和时间，传送给车道控制机，车道控制器存储原始数据并编辑成数据文件，上传给收费站管理子系统并转送收费结算中心，经过验证，出口车道栏杆打开，车辆驶出高速公路；同时，收费结算中心从各个用户的账号中扣除通行费和算出余额，核对账户剩余金额是否低于预定的临界阈值，如果低于则及时通知用户补交费用，并将此名单（灰名单）下发给各收费站。

如灰名单用户不补交金额，继续通行高速公路，导致剩余金额低于危险门限值，则将其划归无效电子标签，编入黑名单，并通知收费站，拒绝无效电子标签车辆通行ETC专用车道，由内保人员引导改走人工收费车道。

工作分解

1在车道出口端设置自动栏杆,以防无卡车辆通过。

建设目标：

收费车道入口设置不停车收费车道标志和信号灯。

由于车辆密度不大,天线并不连续工作,无车辆通过时,天线处于休眠状态。

在天线辐射区外的车道,埋设一个环行线圈,当车辆进入线圈工作区时,线圈发出信号,激活天线进入工作状态。

车辆进入通信区,通过微波天线,车载标识卡响应天线的询问信息,将客户身份与车型代码上传给车道天线,由天线转送给车道控制机进行核查,如为有效合法卡,车道放行,信号灯变绿,如果进一步交换信息,读写数据,可继续通信,直到收费过程结束,如果进入车道的车辆为非法无效卡车,或是无标识卡的车辆,车道控制机将根据天线传送的信息,指令自动栏杆关闭,拦截非法车辆,并发出声光警报,现场人员将对其进行处理。

车道控制机将收集到的数据上传至后台系统,进行数据交换和清算等,并将需要发布的结果下传车道。

这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中并非多数的情况。

2自由流不停车收费系统 

建设目标：

自由流不停车收费系统在道路主线上每隔一定里程设置一个横跨道路上空的龙门架,架上安装不停车收费设备,实施分段开放式不停车收费。

车辆无须减速,以正常行驶速度完成收费工作。

其主要特征为:

        ① 无收费岛、亭之类设施; 

        ② 进入收费点时无须减速,车辆继续高速行驶; 

        ③ 需要建立一套高精度逃费取证处理系统,现场抓拍捕捉车辆逃费证据,以便于以后依法处理,目前大多采用高速、高分辨率的摄像机对车辆牌照进行抓拍; 

        ④ 在收费点附近,需建造一条与主线平行的普通收费车道,以便对非法无效卡车或无标识卡的车辆收费; 

        ⑤ 车道天线控制器能控制多部天线并行工作,与多辆车载标识卡同时通信。

        此系统主要优点为减少收费站建设投资,车速高,无行车延误,车辆通行能力接近2000辆/h。

但设备投资大,技术上实现难度也较大,特别是如何防止和遏制逃费车辆是关键技术。

这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中已成为大多数的情况。

1.1.4工程安装调试验收流程

图1-1验收流程图

第二章系统设计

2.1系统构成

ETC收费车道系统包括车道天线、路侧读写控制器、收费计算机系统以及其它外围设备。

如图2-1所示。

图2-1电子不停车收费系统总体设计结构图

图2-2系统构成图

2.2.1车道天线、路侧读写控制器

车道天线是指安装在收费车道前端线干上的读写控制器与OBU进行连接，车到前端的天线收到OBU的信号然后通过上位机的指令唤醒电子标签，读写器与电子标签之间进行匹对，连接成功后；电子标签被写入相应的车辆信息进行下一个阶段的信息传输，同时控制器也交换到对应的数据，接着回传到上位机数据库。

天线和控制器可以放到收费亭或者是一并放在一起设计。

因为天线设备是在外面，所以应该在安装的时候考虑不同条件的限制。

2.2.2收费计算机系统

该系统包括数据库、ETC相关设备站，车道控制机等。

电子标签是有车道控制机来控制进行读写车辆数据，可以查询最初的交易记录以及车辆的黑白名单、车道外围交通设备的连接信息，并且可以通过站内ETC汇总、编辑、上传。

在收费车道、收费站应配备ETC应用软件。

ETC应用软件分为收费车道ETC应用软件和收费站ETC应用软件，应完成不停车收费系统的全部功能。

ETC应用软件应采用模块化结构设计。

2.2.3车道外围设备

包括自动栏杆、车检器、雨棚灯、费额显示器、车道监控抓拍设备、声光报警器等。

本项目仅增加雨棚信号灯、车道信息屏、声光报警器、自动栏杆，车辆检测器、读写天线等设备，其他设备利用原有车道设备。

ETC车道信息指示屏有效起到标识作用，可以指引装有标签的汽车进入不停车车道，防止普通车辆误入ETC车道。

在出口车道可显示应交款数、余款数等。

ETC设备的布局需要考虑到车辆不会误入不停车收费车道，同时需要各种指示设备的配合。

还可以做出反应通知车主司机的。

车道信息屏显示通行收费额度、车牌、车型，车辆检测器、自动栏杆及图像抓拍的配合，还可以避免不是ETC车道的车辆也跟着进入该车道。

2.2系统功能

1．如果探测到车辆的驶入驶出并且进行车辆的记录，发送记录的数值。

与监控识别设备可以判断车辆是否具有电子标签（以下简称OBU）。

2．可以实时进行取证抓拍。

可以对过往的车辆进行记录保存。

3．比如在入口车道设备只是记录该口的车辆信息；在出口车道，根据车辆进入的入口收费站、车辆的信息资料并且查看收费标准等，可以得出此次费用，回写出口标识。

XX主线站入口车道一次性扣除通行费用，并且写入ETC卡车类信息等。

4．根据车道上位机的指令来做出相应的动作，包括：

自动栏杆起落、通行指示灯雨棚信号灯切换、声光报警器还有就是费额显示器的显示等。

5．收费站与车道之间数据的对换。

具体有：

自动接收收费站传给的收费记录、同步时间、收费卡的收费时间地点、相关人员信息表等系统设置参数等；传输ETC卡记录数据、出入口车道的通车记录等。

6．收费车道系统可以单独不关联的方式运行，如果出现其他设备时，系统可以单独并且端机使用。

如果收费站网络出现故障或者是收费站的电脑不工作的时候，在这些之前的数据记录都可以存储在本地管理处。

当车道长时间并且独自工作的时候，都可通过传统的方式将收费信息回传到收费管理处。

7．如果车辆通过专用车道并且出现栏杆现象，系统会在费额显示器上显示出拦截原因，或者是没有出入口信息、侧方驶入车辆等，此时该车辆不能使用此车道，由工作人员引导至旁边的普通车道通过。

2.3车载单元（OBU）

2.3.1MCU与射频芯片的接口通讯

车载单元电路当中的OBU功能的实现关键是由MCU微控制处理器与通过SPI总线共同完成射频芯片BK5822它的接收发射。

MOSI、MISO、CLK和CSN他们四个组成了总线SPI与BK5822的四根信号通道并且可以提供一个8MHz的速率。

用户可以首先通过一个SPI进行传输通讯，那么首先就在读写寄存器进行数据的控制传输，所以可以完成接收电路域唤醒电路与射频的反电路的互相交流。

2.3.2电源电路的设计

220V的交流供电系统。

当然它们的芯片还有串口的供电电压为3.3V。

为了维持系统的供电的稳定性需要有一部分的电压转换。

系统部分电源是由LMI117芯片来提供3.3V稳定电压。

图中的C9、C10、C11、C12、C13作为滤波电容，能够阻交流通直流的作用。

具有低功耗、滤波系数小、高效、输出稳电压等优点。

图2-2MCU系统电源稳压电路图

2.3.3车载唤醒电路的设计

如果一旦有车辆通过收费站并且碾压到触发线圈，此时便会发出一组信号。

所以我们还需要设计一个可以作为车辆来往的一个唤醒模板。

众所周知如果我们的电路一直处于一个工作状态，那么我们不但没有优于之前的电路一样耗费能源并且对我们的设备也有损害。

所以为了解决节省能耗提高设备寿命这一问题，所以我们就是想当只有车载OBU在接收到唤醒电路信号的时候才开始工作，并唤醒MCU及其他电路开始工作。

现代技术的发展，我们可以装有自备干电池的情况下产生无线通讯，我们知道有一个一直让我们都在研究开发并使用的新技术ZigBee，天虽然是低成本、低功耗、低速率但是自带供电部分也是有限的，如果不采用自动休眠模式，一直处于工作的情况下，那么实际和设计的工作时间还是差距很大的，所以这个降低功耗问题一直是我们研究及应用各种无线设备的最大的难题。

因此为了减少功耗，ETC设计采用了触发线圈式唤醒MCU工作。

将OBU发出的信息给RSU，从无线接收到车检器单元的唤醒信号后，经过上边说的滤波电路的作用，在进行解调信号筛选，得到满足要求的唤醒信号，一般情况下有唤醒信号直接出来的信号功率比较低，所以我们还要进行信号的放大，以便能够达到激活MCU电源模块，如图2-3：

唤醒信号—MCU电源唤醒端口—唤醒MCU然后再进行工作。

我们采用Cockcroft-Walton倍压整流电路的原理设计出唤醒电路。

C-W倍压整流电路的原理是：

当输入电压幅度大于二极管正想导通电压时，利用二级管的导通角来对倍压整流电路建模。

在实际的环境中，信号强度都比较弱，一般都小

于二极管正想导通电压，所以电路设计的过程中采用了C-W电路。

主要利用电容等效负载、基本电路分析法、二极管指数模型等。

C-W倍压整流电路的关键部件是在于二极管的选择。

为满足5.8GHz无线唤醒电路要求。

图2-3车载唤醒电路设计

2.4收费车道控制系统

2.4.1ETC微波天线及处理器A/B

（1）单车道天线

平均无故障工作时间30,000小时;IP65防护等级;有效工作距离不低于10m；不会影响相邻车道的设备;适应各类恶劣的环境，能有效的抵御紫外线辐射，防腐性能优良。

（2）读写交易控制器

交易控制器和车道控制器之间的通信协议可以是异步串行通信协议也可以是TCP/IP协议，交易控制器能处理一系列完整的付款交易，保证安全可靠以及与其它系统的互换性；交易控制器具有系统初始化的程序指令，如设置车道天线频道、子频道和电源电压；交易控制器的管理功能可以连续监视DSRC微波链路的运行，在故障发生时会自动报警并且把状态变化传给车道控制机。

其技术指标要求如下：

∙可以处理一个或两个天线；

∙适用于单车道收费系统的应用；

∙通信频率：

5.8GHz；

∙识别距离：

3.7～11m；

∙工作温度：

-40℃～+75℃；

∙工作相对湿度：

100%；

∙免维护寿命不低于50，000h；

∙电　　源：

单相220VAC，50Hz；

∙包括必要的防雷、防浪涌设备及措施。

（3）电子标签

∙双片电子标签

∙支持5.8Ghz频段高速专用微波短程通信；

∙支持高速标准DES、三重DES运算；

∙支持250Kbps以上高通信速率；

∙支持LED、液晶、蜂鸣器等多种信息提示手段；

∙数据存储容量不小于256Byte，在128Byte内存可进行读、写、擦除再写操作，还开辟有可永久专用字区；

∙用户可自定义读写标准，使专有应用系统效率更加快捷；

∙内存可反复擦写100，000次以上，免维护寿命不低于50,000h；

∙有良好的电磁兼容性，抗干扰能力强；

∙通讯：

与电子标签读写器之间采用加密传输，加密算法采用3-DES，采用防冲突通讯协议的二进制树形防冲突机制，不管工作区有多少个标签，每秒可有效识读多达50个标签；

∙工作温度：

-40℃～85℃；

∙存储温度：

-55℃～125℃；

（4）读写天线的安装

∙可以安装在雨棚上，也可以单独安装在车道门架上；

∙安装固定费用包含在报价中，待联合设计中确定安装方式。

（5）ETC设备的检测

∙ETC读写设备应已通过ITS中心检测，产品型号应在《已通过测试的电子收费专用短程通信产品名录》中，且在有效期内。

∙产品应可根据业主要求，送至ITS中心检测。

ITS中心承担全国电子不停车收费关键设备（可包括路侧单元、车载单元、IC卡、IC卡读写机具等）的测试工作。

测试工作应至少包括以下内容：

∙ETC设备测试：

物理参数测试、协议一致性测试、互操作测试、环境条件测试

∙智能卡测试：

物理特性、化学特性、电特性、通讯协议、基本功能、基本安全性能、稳定性、环境条件、文件结构、指令集

∙ETC应用测试：

交易流程测试、实际过车测试、通行速度、大样本量、互操作测试。

2.4.2ETC自动栏杆

∙

（1）车道头部安装自动栏杆。

自动栏杆受控于ETC车道控制器，拦杆的下落由车道控制器车辆检测到检测器的数据后控制。

∙

（2）栏杆由PVC材质制成，杆体表面贴有红、白相间的高强反光膜。

栏杆的断面形状可为长方形、圆形或其它形状，杆长≥3.0米，栏4杆臂下边缘距水平地面的高度在750mm～1050mm之间。

∙（3）栏杆悬臂被车辆碰撞，可以水平移动，如碰撞力过大时，悬臂应自行脱离，以保护自动栏杆的机械传动装置，减轻对碰撞车辆的损害。

自动栏杆发生故障或断电时，栏杆悬臂自动复位至垂直状态。

∙（4）自动栏杆箱体宜采用2mm以上厚的钢板制成，为便于维修，机箱留有门、锁。

∙（5）自动栏杆还应包括通信控制以及车辆检测模块,车辆检测器采用环形线圈检测器，它由埋在每条车道路面下的环形线圈和设于车道控制机内的检测器构成，用于统计驶入、驶出车道的车辆数和控制车道摄像机的图像抓拍以及控制通行信号灯、自动栏杆的动作。

∙（6）电机部分技术指标

∙满足交通行业标准JT/T（428.1－428.2）－2000《收费栏杆技术条件》；

∙快速启动和停止，由水平到竖直和由竖直到水平的运动时间≤1.8s；

∙使用寿命：

5000000往复次或大于10年；

∙功耗：

单相电机≤80W；

∙栏杆抬起时间小于0.7秒；

∙MTBF大于100万次，MTTR小于30分种；

∙使用环境温度：

-30℃～70℃；

∙环境湿度：

95%无冷凝；

∙带有防冲撞机构，可抗5级风力，又能安全脱开；

∙电源：

AC220V15%，50Hz2Hz；

∙防护等级：

IP65。

∙

2.4.3ETC车道信息屏

∙采用LED点阵式显示屏，选用单色LED点阵显示模块；

∙内置16×8点阵ASCII码字库，16×16点阵GB2132一级汉字字库；

∙分辨率：

144×72；

∙发光亮度>1000cd/m2

∙可自动调节发光强度；

∙发光器件：

Φ5半户外模块；4

∙像素间距：

7.62mm；

∙发光亮度：

大于1500cd/m2；

∙显示内容：

收费信息及显示公告信息、图像；

∙控制方式：

RS232通讯；

∙屏体尺寸：

1157mm×608mm×115mm；

∙显示区尺寸：

1097mm×548mm；

∙操作温度范围：

-20℃～+75℃；

∙相对湿度：

10%～95%非冷凝；

∙MTBF：

大于15,000小时；

∙MTTR：

小于0.5小时；

∙箱体防护等级：

IP65；

∙立柱式安装。

2.4.4ETC雨棚信号灯

（1）雨棚信号灯安装在每条ETC车道上方的雨棚上，在车道迎车流行驶方向的收费大棚上方安装禁止通行（用黄色×表示）和通行（用黄色↓表示）的组合信号灯。

黄色×表示车道关闭，车辆不允许驶入该车道。

黄色↓表示车道开放，车辆可以驶入该车道；在4双向广场车道逆车流行驶方向的收费大棚上方安装黄色（用×表示）反向禁行信号灯。

（2）雨棚信号灯由收费亭的UPS供电；

（3）雨棚信号灯的尺寸：

600×600mm（内框）；

（4）承包商的工作任务是提供和安装雨棚信号灯的连接件、托架、紧固件和其它附属安装材料，安装角度应调整到使驾驶员获得最佳的视认效果，并将雨棚信号灯控制线缆引至收费亭内车道控制机附近（线缆留有1.0米的余量），并负责将控制线缆接入车道控制机机柜内的I/O板上。

（5）连接件、托架、紧固件和其它附属安装材料均包含在设备本身，不在单列费用。

（6）主要技术指标如下：

♦LED光源：

黄色：

直径26mm；

波长626nm；

亮度4000mcd～9400mcd；

半功率角≥30度；

♦显示内容：

正向：

黄色叉和黄色箭头；反向：

黄色叉；

♦结构指标：

黑色防水机箱；

壳体为1.5mm厚冷轧钢板；

带遮阳罩；

封装：

防水、防尘、防锈蚀机箱，密封性IP55；

安装角度：

垂直方向向前倾6°，水平方向±15°可调；

重量：

约12KG；

♦电气性能指标:

亮度：

纯黄超高亮发光二级管,1000米内可见；

寿命：

10万小时；

电源：

220V15%,50Hz3Hz；

MTBF：

10000小时；

MTTR：

0.5小时；

温度：

-20℃～+60℃；

工作湿度95%（在-5℃～+60℃之间）。

2.4.5车辆检测器

（1）车检测器所采用的是环形线圈检测器，它由埋在每条车道路面下的环形线圈和设于车道控制机内的检测器所构成，用于统计车辆驶入、驶出车道的车辆数和控制车道摄像机的图像抓拍以及控制通行信号灯、自动栏杆起落的动作。

（2）车辆检测器应可以检测通过本路的各种车辆。

当拖挂车通过检测器时应判为一辆车；当两辆车快速、慢速或相距很近地通过检测器时，应判为两辆车。

（3）各车道的检测器不能互相干扰。

金属物体在两车道之间的收费岛上移动时，不能影响检测器的性能和精度。

（4）不要求环形线圈检测器检测比轻型摩托车更小的运输工具。

（5）当车道处于关闭状态时，检测器通常应仍处于工作状态，以检测在车道关闭时的违章车辆。

当有违章车辆通过时，应能引起黄色闪光报警器报警，直至事情处理完毕。

（6）环形线圈安装包括以下内容，但不局限于此：

开槽、布线、封装（填充适当的填充剂）。

（7）车辆检测模块部分技术指标

∙线圈电缆由截面积不小于1.5mm2多股铜导线构成，应用于超低压电路（AC32V以下）；

∙埋设后的环形圈绝缘电阻：

>500M（DC500V时）；

∙线圈电感量范围：

70～1000H；

∙灵敏度为四级可调：

高0.02%L/L、次高0.05%L/L、中低0.1%L/L、低0.5%L/L；

∙频率：

三级以上可调：

高、中、低；

∙电源要求：

24VDC±15%150mA最大输入电流；

∙贮存温度：

-40℃～+85℃；

∙操作温度：

-40℃～+85℃；

∙湿度：

高达95%，无冷凝；

∙检测器具有加电自动复位和人工复位两种功能；检测精度≥99.9%。

2.4.6各设备之间的联系

电子不停车收费系统的构成及每个设备之间的衔接如下图：

收费站船导的上剖面图可以看出各设备的位置以及安装如下：