四川高速公路卡机技术方案.docx
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四川高速公路卡机技术方案
无人值守自助发卡系统
技术方案
苏州朗为控制技术有限公司
2016年1月
1、无人值守发卡系统概述
目前自动发卡系统设备和技术日趋成熟，为了有效地节省人力，提高机电工程的智能化及现代化水平，已在国内众多高速公路上得到较大范围的应用。
顺应着这一成熟的技术新趋势，入口车道自助发卡系统将是一个很好的解决方案。
自助发卡系统是以自动发卡机、车型自动识别器、车牌自动识别器为主要设备，并配合车道控制器，车辆检测器、打印机等辅助设备组成。
该系统能全自动实现普通车辆入口发卡，并将所有通行车辆的车辆信息上传到数据服务器中供后台作数据审核与数据挖掘。
另外，该系统每车道能代替4人的工作量，一次投入，长期回报，对节省人力成本起到立竿见影的作用。
本方案将先简要介绍国内其他省份高速公路无人值守发卡情况、无人值守发卡系统的对营运管理的优势，然后介绍无人值守发卡系统的组成、运作机理对硬件的安装技术要求和性能参数和常见问题的解决方案。
1.1系统运行原理和流程
入口车道可实现无人值守卡机与人工发卡共存的模式，卡机与人工收费各使用一套收费软件并通过内置专用切换器实现一键切换。
采用亭外独立式无人值守发卡系统，由过往司机在一台安装于车道收费岛上的自动发卡机手动按键取卡通行的一个流程。
整个系统以自动发卡机和自动车型识别器作为主要设备，完全实现之前采用人工发卡，人工识别车型的功能，配合发卡系统工控机以及车道控制器、车辆检测器等辅助设备，组成一个完整的无人值守发卡系统。
车辆首先通过车型识别器（苏州朗为、型号AVC109），车型识别器输出结果给工控机上的收费软件，软件做好车辆车型队列记录，当车辆行驶至自动发卡机前的线圈（取卡线圈）时，车牌识别器对当前车辆进行车牌识别，并将结果传输给工控机收费软件，此时驾驶者按下自动发卡机的发卡键，收费软件系统会将当前车辆的车型记录和车牌识别结果写入通行卡，并将写好的通行卡传输至发卡口。
驾驶者取走通行卡后，栏杆机抬起放行。
车辆通过栏杆检车线圈后，栏杆机降下。
这样一个完整的入口无人发卡流程结束。
1.2系统应用情况
目前无人值守发卡系统在经济发达省份已经得到大面积的应用，随着人力成本的增加，高速公路营运管理成本也越来越高，无人值守发卡系统深受沿海省份的推崇，目前在广东省、福建省、河南省、山东省、辽宁省等开始规模化的应用，部分省份系统应用规模在数百套以上，并得到逐步应用推广。
在福建省，凡是新开通的高速公路入口车道，除预留一个ETC专用车道和一个军警车道外，其余入口车道均安装无人值守发卡系统，极大的提高了高速公路智能化和现代化的水平，对高速公路的企业形象得到大幅的提升；一些已开通的路段也陆续进行无人值守发卡收费系统改造升级。
1.3无人值守发卡系统的车型问题
1.3.1交通部车型标准
全国除广东省和山西省采用欧洲车型分类标准外，其余省份均采用中国交通部的统一标准，即“JT-T489-2003收费公路车辆通行费车型分类”标准，将按照以下表格的标准对行驶高速公路的车辆进行分型，客车分4类，货车分5类，即：
车型
客车
货车
一类车
≤7座
≤2吨
二类车
8–19座
2吨–5吨
三类车
20–39座
5–10吨
四类车
≥40座
10-15吨,20英尺集装箱
五类车
>15吨,40英尺集装箱
表1交通部JT-T489-2003车型分类标准
四川省标准与上述基本一致，系统调试时可以根据车型分布特点进行优化。
1.4无人值守发卡系统的优越性
1.增强通行能力，减少收费员劳动强度
入口车道采用无人值守发卡系统，所有车道可以保持24小时开通状态，不会导致瞬间车流过大造成临时堵塞而需临时多开发卡车道；
夜晚入口车道也无需人员值班，上夜班也是造成很多收费员流失的一个重要原因，特别是对于女收费员，采用无人值守发卡系统，可以减少收费员的劳动强度；
2.减少征地，节约投资
采用自动发卡机系统，收费岛最窄只需1.5米的，比人工发卡安装收费亭2.2米宽相比，每个车道可以减少0.7米的宽度，特别是对于8个车道以上大的收费广场，减少建设征地效果是非常明显的，为企业节约不必要的投资；
3.降低成本、提高服务
常规“四班三运转”模式，一个车道需要4名人员。
采用无人值守发卡系统，每年可以可以节约超过二十万元的人力资源成本，管理成本的降低更是可观。
入口收费员能安置到出口收费车道上班，确保有足够的收费车道保持全开放状态，提高整体服务能力和质量。
对于新建高速公路，无需修建收费亭，可以节约收费亭、空调、收费桌椅设备和土建的费用，节约大量建设成本；
4.兼容现有人工车道设备
无人值守发卡系统能够兼容现有车道设备的软硬件，包括IC卡读写器、车道控制器、栏杆、信号灯、对讲等加以利用。
1.5无人值守自助发卡系统的设备组成
对于已通车高速公路车道，每条无人值守发卡系统除自动发卡机和自动车型分类器外，其余设备可以采用原收费系统设备，完整的无人值守发卡系统车道设备包括：
1．无人值守发卡机
2．自动车型分类器
3．车道控制器（包括工控机、车检器、小型交换机）、显示器，可置于卡机内
4．非接触IC卡读写器（安装在无人值守发卡机，用于发卡和外部ETC刷卡）
5．信号灯、电动栏杆机、手动栏杆机
6．对讲电话（安装在无人值守发卡机内部）
7．黄色闪光报警器（安装在无人值守发卡机顶部）
8．车道摄像机
9．车牌识别器
2、无人值守发卡系统及设备介绍
无人值守发卡系统最核心的设备包括自动车型识别器和自动发卡机，下图为无人值守发卡系统的车道布局图，其中车型识别器红外光栅至发卡机的距离需要18-20米，自动发卡机设备一般为650mm厚，为了方便收费员更换卡夹，以及基于安全性的考虑，收费岛宽度最小设置为1.8米，这样确保卡机开后门之后，人和设备的安全能够得到保障。
2.1自动发卡机（苏州朗为TCR8）
由于自动发卡机是直接面对过往车道的司机服务的，因此，一款自动发卡机的好坏，直接影响到车辆通行顺畅与否，国内有代表性的苏州朗为自动发卡机，采用的是开放式发卡技术，产品成熟维护量小，应用比较普及。
现对该设备情况做以下介绍。
2.1.1功能描述
1.上下出卡口设计：
自动发卡机具有上下两个取卡区共四个卡口，分别提供给大小车司机使用。
整个面板布局合理、美观大方，有醒目的取卡提示。
2.语音提示操作：
车辆压到前线圈时，系统通过语音提示和指示灯，引导司机进行按键取卡操作。
大功率喇叭，大小车辆均可清楚地听到语音提示。
3.一车一卡：
通过前后线圈信号自动控制一车一卡。
没有车辆时按键不发卡；而司机没有拿走当前卡，则系统不发第二张卡，栏杆不放行。
4.双备份冗余设计：
每个操作区内部设置两套独立的自动发卡机构。
当其中一套处于发卡状态时，另一套准备。
装卡时不需要中断发卡机工作。
若正在发卡的机构出现异常时，另一套机构可以自动接替其工作并报告上位机故障。
5.具备坏卡回收功能:
读写失败的通行卡可自动回收到坏卡箱，减少因写卡失败导致发卡时间延误和人工干预。
6.支持联网收费规范：
自动发卡机使用方式和发卡质量完全符合江苏省联网收费相关规范，比人工车道具有更高的准确性。
7.声光报警：
卡将发完及卡已发完时有声/光报警，当坏卡或读写卡操作失败时有声/光报警；卡机及车道设备有异常情况时有声/光报警；车辆冲卡、系统会报警提示。
8.机械结构简洁耐用，维护简便：
对于无人值守设备，最重要的是可靠些好，使用简单，维护简单。
该产品采用最新的开放式无卡夹技术，机械结构简单耐用，一线人员可以处理常规问题。
9.支持外部刷ETC卡：
卡机面板设有ETC卡刷卡区，便于ETC用户快速通行。
10.支持下班时整理卡数功能：
下班时，收费员可以通过专用按键使卡机天线已经准备的通行卡全部退出，清点剩余卡数和坏卡数并上交。
11.支持自动车型分类系统：
可以通过RS232串口或网口连接AVC车型分类器，从而获取车型数据。
12.固定卡夹，散卡管理：
完全支持现有车道的散卡管理，上班装卡下班取出剩余卡上交。
2.1.2苏州朗为TCR86发卡机的特点和优势
（一）六项核心技术
1、同步接力运行的柔性皮带发卡技术，是革命性的高效发卡技术。
既不会堵卡或钩坏卡片，又具有耐油污耐磨损的的优势，是目前评价最佳的发卡技术。
2、开放式无卡夹模式，结构简单故障低。
可以直接手工装卡，管理方便快捷。
3、独有的大容量卡片水平排列专利技术，简洁高效。
摆脱卡片重力作用，简化机械结构。
不但可靠性提高，而且允许装卡量达到1300张，在同行业遥遥领先。
适合于流量较大的场合，未来不需升级改造。
4、智能调整发卡推力，变形破损卡片的适应性良好。
和其他采用固定的弹簧推力不同，该产品采用电力推动卡片进给，根据发卡情况，其力量可以智能调整，突破变形卡、翻边卡造成的阻力不均障碍。
5、坏卡或不能正确写入信息的卡片将自动回收，减少人工干预。
6、电动装卡装置，省力快捷。
（二）六项核心工艺
1、苏州朗为在行业中独树一帜坚持采用304不锈钢生产机芯，十年以上的使用寿命是产品价值的保障和体现。
2、激光数控加工工艺决定了产品的精度和专业化，实现高配置的技术向产品延伸。
3、双层带隔热机箱，能适应南方的高温酷暑和北方的严寒低温，为内部电气设备营造良好的工作环境。
4、内部四套机芯各自具有完全独立的控制系统，能实现真正的热备份。
任意一个卡口出现故障或坏卡，都会由另一台机芯接替发卡。
而且能完全不停机进行装卡和设备维护维修。
5、大量采用免维护传感器，如免维护光电管等，将机器运行的日常保养量下降到传统产品的十分之一以下。
6、既可采用无卡夹模式，也可使用开放式卡夹，适应不同客户的管理需求。
2.1.3基于无人发卡的通行卡交接班管理方法
1、卡机管理人员上班时，估计大致发卡量领取通行卡，在票据室进行登记。
2、检查发卡机上收费软件界面，记录当前四套机芯剩余卡数。
3、对已经发完或剩余卡不多的机芯装卡，先按装卡键选择机芯号，输入需装入的卡数。
关闭该机芯电源后，按数量装入通行卡，开启机芯允许发卡。
此时收费软件界面应显示原来卡数和新装入卡数之和。
4、发卡过程中，注意检查剩余卡数，对于已经发完的机芯重新装卡。
5、下班时，记录剩余卡数。
6、检查坏卡回收箱，取出所有坏卡准备上交。
并与收费软件界面上坏卡卡数对比，应相等。
7、卡机管理人员回到收费站上交所有回收卡，并根据报表核对领卡数、发卡数和坏卡数，完成交班。
回收卡总数＝其他异常卡＋坏卡＝领卡总数+上班次卡机剩余卡数－卡机发出的卡数。
★注意：
收费员当班回收的卡分三类：
卡机回收的坏卡，已写未发出卡以及其他异常情况产生的卡。
卡机坏卡处理方法：
恢复卡片信息或做坏卡登记处理流程。
已写未发卡处理流程：
恢复本站信息或做已写未发正常处理流程。
2.1.4技术指标
Ø工作电压：
220V±15%50Hz±2Hz
Ø功率：
<150W（不包括制冷部分）
<650W（包括制冷部分）
Ø外型尺寸：
1385×600×2000mm
Ø适应IC卡尺寸：
86×54mm,5mm≤厚度≤6mm
Ø通讯接口：
RS232C
Ø噪音：
≤60dB
Ø工作温度：
-40℃～45℃
Ø工作湿度：
0～90%
Ø平均无故障时间MTBF:
>10000小时
Ø平均故障恢复时间MTTR:
<0.5小时
Ø发卡速度：
2000张/小时
Ø切换响应时间：
<2秒
Ø工作状态显示：
LED
Ø卡槽卡数显示：
液晶LCD3位
Ø卡机内机构数量:
4套
Ø卡机总IC卡容量：
1400张
Ø装卡时间：
<3分钟
Ø传动件寿命：
100万次
2.1.5环境适应性
1.防护设计:
外机箱防护标准IP65，具有很好的防水能力,零件和元件能做到防止灰尘、潮气的侵入，确保在露天情况下设备长期使用。
2.散热设计:
具备自然散热和强制空气流通的设计，确保内部发热能够顺利散发。
同时双层机箱内层采用隔热保温材料填充，不但具备防晒能力，还能够隔热保温，以维持夏冬两季极端天气下设备稳定运行。
3.防潮性能:
为了适应高湿度环境，所有电路板在出厂前都做三防（防潮、防尘、防盐雾）保护漆处理。
箱体涂层:
苏州朗为的所有设备外部均经过严格的前处理工序，并喷涂户外型涂层以防止褪色、生锈和腐蚀。
2.2自动车型分类器（苏州朗为AVC109）
AVC109车型分类器是根据交通部JT-T489-2003车型标准及本省细节要求，通过采集到的车辆轮廓、底盘高度和平整度、轴数、车长、倒车等信息，综合分析并结合模糊判断而得到车型信息。
技术优势包括：
1、目前唯一彻底解决了普通分型器工作不可靠需要定期维修的问题，因为采用了非接触检测技术，路面无传感器不会造成压损破坏，因此也不需维修维护。
2、通过客货分离后，不但能够对客车进行分型，而且货车分型准确率也很高。
许多其他产品不能对货车进行分类。
3、接口丰富，支持网络和RS232接口，适合大多数车道环境。
4、造价较低，自主知识产权。
车型分类主光幕及车长测量辅助光幕
2.2.1自动车型分类器AVC109设备构成
自动车型分类系统设备主要由全天候轮廓扫描器、车长检测光柱1、2、3以及带网络接口的车型分析单元组成。
轮廓扫描器（OB）主要用于扫描车辆的侧面二维轮廓、车辆分离以及检测车头高度功能；轴数计数器（AC）主要用于计算每辆车的轴数；信号采集处理主机（CPU）主要用于采集所有这些信号，以及输出和接收上位机的信号；自动加热器分别安装于发射端和接收端机箱内，当温度为低温时，自动启动加热装置，确保系统在低温或潮湿状态下能正常工作。
1.轮廓扫描器
实现功能：
车头高度、车辆轮廓、底盘高度、车辆分离、轴数、倒车检测。
该设备由安装在车道两侧的红外线发射单元和红外线接收单元组成，垂直于车行方向，发射单元和接收单元之间有密集的红外线光束，参见下图“轮廓扫描器”，能够对过往车辆的轮廓进行精确扫描，从而根据车辆的二维轮廓图，非常容易可靠的得出该车是属于客车还是货车，因为客车与货车的底盘结构是完全不一样的，即光栅扫描的侧影是很明显的，客车底盘比较齐整，而货车底盘有很多锯齿状交错，参见下图“客车与货车的轮廓扫描对比”。
通过特殊的轮廓扫描算法，该设备对行人或车辆悬挂物不敏感，不会造成轮轴的误判。
轮廓扫描仪
货车与客车的轮廓扫描对比
2.车长检测器
对于客车分型，除小型轿车之外，大中型客车主要是对长度进行识别，因为该长度基本对应了客车座位数。
我们通过前置三对光柱，对车辆长度进行分类，同时结合车辆轮廓、底盘平整系数等，以区分客车的四种车型。
3.车型分析主机
车型分析主机采集轮廓识别器、车长检测器。
根据采集到的车头高度、底盘信息、轴数、车辆二维轮廓等参数，经过基于小波分析的模式识别及高效率的智能算法，最后将车型信息通过网络接口输出到车道控制器中，参见图6。
图6车型分类系统结构
车型分析主机通过网络接口与上位机相连，可以实现远程维护和管理。
RS232串口可选。
2.2.2自动车型分类系统功能
自动车型分类器整体指标
Ø车辆分型器外形尺寸：
245mm×355mm×1910mm（长×宽×高）
Ø整体识别率≥98%不低于人工发卡准确率
Ø客货分离功能：
能准确识别客车还是货车，客货车分辨率≥99%
Ø工作电压及功耗：
220±10%50Hz，<25W（不含加热部分）；
220±10%50Hz，<400W（含加热部分）；
Ø判别车头高度：
标准高度是距离车道地面130mm±1cm；
Ø处理超长车功能：
车辆太长按键取卡时未完全通过自动车型分类器设备，要求也能正常识别车型，识别率≥99%
Ø车辆红外光栅分离：
可辨最小挂钩尺寸30mm；可辨车距最小10mm
Ø具备自动纠正队列错误功能：
错误率≤3%
Ø检测速度范围：
0~60km/h
Ø工作宽：
2.8米到最大7米
Ø与车道控制器通讯接口：
以太网口、RS232串口可选
Ø温度范围：
－40℃～＋70℃
ØMTBF:
＞5000小时
ØMTTR:
＜0.5小时
ØMCBF:
≥150万车次
轮轴分离器主要技术指标
Ø能准确判别车辆的轴数，识别率达99%以上；
Ø能判断车辆前进或后退行驶方向
2.2.3自动车型分类器技术参数
1）操作宽度范围：
3500mm至6500mm（可选）
2）可分离出前后相距10cm以上的车辆。
3）在各种极端天气状况下（炎阳、大雨、雪、雾）都能保持90%以上的正确率。
4）外壳防护等级:
IP65
5）提供探头状态报告上位机有部分探头故障。
部分探头故障不影响分离器的正常检测；
6）红外发射窗容易清洁。
7）红外轮廓扫描器有恒温加热器,能在极低温的环境下正常运行，并且内部不会产生雾气遮挡。
8）使用环境温度:
﹣20至70℃
9）使用相对湿度：
0–95%
10）使用寿命:
>10年
11）工作电源：
220VAC50Hz，50W
12）检测速度范围：
0至40km/h
13）整体识别率：
≥93%，不低于人工发卡准确率；
14）客货分离：
识别率≥95%；
2.2.4自动车型分类器存在的问题
由于很多车辆的特殊性，如全顺车分为客车和封闭式货车两种，对于设备无法区分。
部分小型货车吨位与外形有很大差距，也容易出现误判。
对于这些特例，在目前现有车型分类标准的基础上，采用设备识别是无法完全解决。
但是其比例并不高，不影响整体使用效果。
3、无人值守发卡系统技术方案
3.1方案介绍
目前自动发卡系统设备和技术日趋成熟，能显著提高机电工程的智能化及现代化水平，已在国内众多高速公路上得到较大范围的应用。
苏州朗为提供的自动发卡机、车型自动识别器、车牌自动识别器等主要设备，并配合车道控制器，车辆检测器和接口转换器等辅助设备，组合成一套完整的无人值守自助发卡系统。
3.2技术原则
1、根据巴中至南充至广安高速公路的设计方案，本工程自动发卡机采用亭外型独立式，自动发卡机安装介于收费亭和栏杆机之间的合适位置。
每个站除ETC车道和超宽车道外，其余车道各安装一台自助发卡机有利于提高通行效率，减少收费人员的配置降低生产成本。
2、为了彻底打消路段业主的顾虑，本工程最基本的要求是保留原人工收费系统，若无人值守发卡系统不稳定，系统还能够切换到人工发卡模式。
3、可直接利用原方案设计的所有亭内及外场设备位置，实现无人发卡系统正常使用（除新增卡机读卡器及取卡检车线圈）。
3.3疑难问题解决方案
3.3.1驾驶员便捷取卡整体解决方案
无人值守自助发卡机从功能上实现了司机自助取卡通行的目标，但操作是否方便，取卡是否快捷，车流是否顺畅，直接决定该设备的使用质量。
苏州朗为TCR86采用了多种措施，确保司机能够快速舒适的取卡，便于提高入口通行速度。
措施一：
取卡面板差异化突出设计（专利技术）
TCR86发卡机对上下取卡面板高度进行了差异化突出设计。
下取卡面板比上取卡面板多突出5cm，以解决轿车司机取卡难度，实践证明，确有良好效果，即使停车稍远，也能够轻松取卡。
而上面板突出较少，主要是防止货车货物超宽时，对面板刮蹭和破坏作用。
差细化的面板设计既解决了小车取卡困难的问题，又有效避免了车辆对卡机的刮蹭。
措施二：
车到自动出卡功能（专利技术）
为了提高发卡车道的通行速度和能力，缩短司机按键和等待取卡这段时间，提高取卡速度是有效的手段。
我公司提供一整套解决方案，实现车到卡机时，自动出卡。
司机停车后直接取卡通行。
根据试验可以缩短大概3秒的操作和等待时间，明显提高车辆通过速度。
3.3.2人工/自助发卡一键切换解决方案
TCR86卡机内置专用切换控制器，对自动发卡机和人工发卡系统实现“一键切换”，所有共用的信号均能够直接切换，操作十分方便。
该切换控制器一般放置在收费亭内，固定在车道控制器内部容易操作的位置。
3.4建议安装位置
根据设计车道数量（如下图）、结合实际应用，可将十五个收费站分为两类。
其中梁永、玉山、大寅、蓼叶、新店、星火、福德、花桥、兴平、罗渡和伏龙为一类，入口都是由1个ETC车道和两个MTC车道组成。
故建议以上各站安装一台自助发卡机，安装在2#入口车道。
曾口、马鞍、营山和金峰收费站为一类，入口由1个ETC车道和三个MTC车道组成。
故建议这四个站安装两台自助发卡机，均安装在入口2#车道和3#车道。
安装位置示意图如下：
注：
具体的安装位置以施工图纸为准
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