基于物联网技术的智能车道控制器探究

作者：黄涛，陈广辉（江西方兴科技有限公司）

摘要：本文描述了物联网智能车道控制器和对车道机电设备进行集成化智能管理控制的软件系统平台。通过对车道设备运行状态、通信状态的智能监测，将数据实时上传至智能运维平台。通过运维平台远端控制，实现部分故障自消除功能，对于无法自消除的故障，运维平台能够通过智能分析辅助维护人员快速找到故障点，以达到降低维护成本、提升维护效率的目的。

随着高速公路通车里程的增加，人工成本不断增加，越来越多的高速公路车道设备采取无人值守的方式以降低人工成本，因此对设备运行状态进行检测和对设备故障进行修复的要求越来越高。目前高速公路收费系统包含各种不同种类的设备，且数量繁杂，当设备出现故障时，维护人员往往无法快速找到故障点，容易导致故障消除不及时；另外，维护人员不能提前掌握和了解设备的运行状态，只能在设备出现故障时被动修复故障。物联网智能车道控制器可更好地解决上述问题。

一

车道控制器现状

车道控制器作为车道收费系统的核心设备，控制车道外部的收费设备，是收费系统的重要组成部分^[1]。目前，高速公路收费站入口和出口的收费车道岗亭内使用的车道控制器仅作为车道设备的IO驱动控制，功能单一，智能化程度不高，不能适应当前无人化值守的需求，主要表现在以下几个方面。

（1）无法监测设备的运行状态。现有车道控制器功能单一，无法监测设备的IO状态、运行状态，智能化程度低。

（2）无法快速定位设备故障点，维修效率低。当设备出现故障时，只能人工现场判断设备故障点，系统无法自动识别故障点，导致维护人员不能提前准备好备件，维修效率低。

（3）无法对设备进行远程控制。当设备出现故障时，对设备进行重新上电复位就可实现故障消除，现有车道控制器无法使设备实现远程断电和上电控制功能，只能由维护人员前往现场消除故障，效率低，且维修响应不及时。

（4）无法识别设备的隐性故障。无法对设备的状态进行分类统计和管理，形成设备运行状态的大数据，无法检测设备的渐发性故障，只有在设备故障彻底暴露后才能被发现，无法做到防范于未然。

（5）设备故障消除响应时效慢。没有设备故障自动主动推送功能，只有等到人工发现设备故障通知维护人员，响应时效慢。

二

物联网智能车道控制器

系统设计

物联网智能车道控制器可用于高速公路收费站的入口治超车道、MTC/ETC混合入口车道、ETC专用入口车道、MTC/ETC混合出口车道和ETC专用出口车道等应用场景。

系统主要功能：在线监测设备的运行状态，同时将监测数据实时上传至智能运维平台，当系统检测到车道设备出现故障时，及时将该故障信息推送至移动端，使维护人员快速准确地知道故障点。此外，客户端的管理人员可通过电脑登录Web页面查看和控制各物联网车道控制器的运行状态和监测状态。物联网智能车道控制器在高速公路收费车道的典型应用场景示意如图1所示。

图1 物联网智能车道控制器典型应用场景示意

三

物联网智能车道控制器

功能

物联网智能车道控制器主要功能包括车道设备状态监测与远程控制，具体介绍如下。

（1）IO控制：16路IO驱动控制。

（2）IO监测：16路开关量状态监测。

（3）电能监测：16路电能端口状态监测，包括电流、电压、功率和累计用电量。

（4）远程控制：可远程控制电能端口继电器的断开和闭合，实现远程重启车道设备。

（5）通信监测：RS232/RS485串口监测与数据分析、以太网监测与数据分析。

（6）环境监测：实时监测车道控制器的工作温度及湿度。

（7）数据上传：通过网口或4G/5G方式将监测数据上传至智能运维平台。

（8）本地显示：配备大屏幕触摸液晶屏，可本地显示车道设备状态。

硬件电路主要包括：主控单元板模块、IO模块、电能模块、通信模块和4G/5G数据上传模块等，原理框图如图2所示，各模块功能如下。

图2 智能车道控制器硬件原理框图

1、主控单元板模块。接收来自IO模块采集到的车道设备IO控制状态、通信模块监测到的车道设备串口通信状态、电能模块采集到的车道设备电能状态（包含220V交流电能和12V直流电能）以及温湿度传感器采集到的车道控制器运行时的温度和湿度，再通过以太网口连接收费专网或4G/5G无线方式上传至智能运维平台。LCD显示屏用于显示车道控制器的运行状态和被监测车道设备的运行状态，并配有虚拟键盘实现参数设置，还可以通过DB9串口进行参数设置，AT24C02用于参数断电保存。

2、IO模块。通过25针或37针IO接口连接收费工控机，用于驱动工控机对车道设备的IO控制信号，并将IO状态通过串口发送至主控单元板。此外，还可以通过以太网口连接收费工控机进行IO驱动控制。

3、通信模块。接收车道设备的串口数据，通过数据分析，判断设备的运行状态，并将设备运行状态通过串口发送至主控单元板。

4、电能模块。监测车道设备的电能参数，包括220V交流电源和12V直流电源的电流、电压、功率和电能计量，通过串口将数据发送至主控单元板。

5、4G/5G数据上传模块。主控单元板通过4G/5G无线方式将监测数据上传至智能运维平台。

物联网智能车道控制器采用插卡式模块化设计，可灵活配置各功能模块，增强设备的适用性，以适应不同需求。同时还具有故障快速恢复的优点，当某一功能模块出现故障时，直接将其拔出，插入新的模块即可，无须拆开机箱。

四

智能运维平台软件设计

智能运维平台软件采用B/S架构，运维服务器接收来自物联网智能车道控制器的监测数据，通过数据分析，判断车道设备状态。如果发现故障，智能运维平台软件将设备故障消息推送至运维终端。此外，客户端可以通过Web页面登录查询各物联网车道控制器的状态。运维平台软件系统示意如图3所示。

图3 智能运维平台软件系统示意

五

结束语

高速公路收费车道设备的正常工作是高速公路行车通畅、安全的重要保障。物联网智能车道控制器通过实时监测收费车道设备的运行状态，并对异常事件进行及时报警和推送，有效提升了设备维护响应时间，保障了高速公路设备的正常运行，提高了高速公路运营管理部门的管理水平和效率。同时，运维人员可以提前准确知道故障点、故障类型、故障原因，大大缩短了现场维修排查时间，降低了运维人力成本。

参考文献

[1] 魏涛. 浅谈嵌入式网络车道控制器的技术优势[J].电子技术与软件工程，2013(14)：144-145.

（原文刊载于2020年第12期《中国交通信息化》）

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