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高速公路智慧收费站轻量化折面LED辅助费显屏创新设计与应用

来源:本站   发布时间: 2022-10-25 10:16:03

广州机场高速公路有限公司,董军

华南理工大学土木与交通学院,林永杰

慧通智显(深圳)科技有限公司,华锋谢利民

一、技术背景

随粤港澳大湾区、京津冀、长三角、成渝、长江中游等城市群城市化进程持续加速,区域社会、经济和人文等活动不断增强,伴随产生的交通出行需求不断攀升,承担区域运输重任的高速公路亦陆续出现交通拥堵、交通事故、环境污染和能源消耗等问题,尤其传统基础设施的服务能力已无法满足人们日益增长的交通需求和品质化出行要求。为此,2019年6月,自国家发改委、交通运输部联合印发《加快推进高速公路电子不停车快捷收费应用服务实施方案》以来,全国各地高速公路管理部门推动电子不停车收费(Electronic Toll Collection,简称ETC)的安装与应用,极大化推动了高速公路的出行便捷化、管理智能化和运维信息化。根据交通部数据显示,至2021年2月底,全国ETC用户推广发行1.45亿,累计达到2.26亿,同比增长179.01%,占全国汽车比例58.6%;全国高速公路网客车交易量为83.26亿笔,其中ETC交易量42.95亿笔,占客车交易量比例的51.6%。由此可见,安全、自动、高效的高速公路ETC收费方式已形成普及应用的格局,如何进一步挖掘ETC车道的通行潜力也成为智慧高速发展中所面临的课题。

在智慧高速时代,信息发布是智慧管控的重要组成部分,可变信息标志显示屏(Variable Message Sign,简称VMS)作为管理、运维和道路使用者的信息快递通道,其设置是否科学、合理,将直接影响着高速公路的服务水平。目前,高速公路采用的VMS显示屏普遍存在质量重、体型大、散热性差、安装难度高等缺点,极大制约着智慧高速的信息交互水平的提升,难以充分发挥ETC车道的通行效率。因此,本文所述解决方案将着重于ETC专用道可变信息标志显示屏的研究与创新设计,提出智慧收费站信息发布终端的一套人性化创新方案——轻量化折面LED辅助费显屏。

二、行业分析与研究

目前,高速路收费站ETC专用道配套的电动栏杆采用后置布局方式,即收费站的电动栏杆设置在收费亭、信息显示屏的后方,如图1所示。该模式的优点为ETC专用道的有效通信区域可以增大到7-10m,车速最高可达100km/h,有效加快车辆收费过程中的不停车通行效率;其缺点是该模式对车辆抓拍检测线圈要求非常高,不允许漏检或多检,当检测器出现漏检或多检的现象时,可能会出现下列问题:

1、每当前车交易失败时,后车并不知道前车交易情况而闯入收费车道继续排队,导致前车无法变换到人工车道,只能等待收费站人员前来处理,后续车辆会集中在收费口形成拥堵点;

2、该模式下电动栏杆和费额显示器置于收费亭之后,每当交易车辆快速通过时,由于收费亭对费额显示器的遮挡导致驾驶员无法第一时间查阅交易成功等费显提示信息,驾驶员因撞杆担忧而被迫减速慢行。同时,后面排队车辆也不清楚自己是否交易成功,在前车已经驶出栏杆后,需到栏杆前观察费额显示器上的车牌交易信息后方加速驶离,导致ETC车道的通行效率降低。


图1 高速公路收费站ETC专用道基础设施结构布局

针对上述收费站ETC专用道基础设施结构布局存在的缺陷,本文提出在ETC专用道上设置辅助费额显示屏,主要用于提供收费费额等辅助信息,显示屏宜采用P10点间距的红绿双色LED屏,尺寸约为1m高*2m宽,可显示多行文字信息,其最佳安装位置为交易车辆停车位置正前方,安装方式为杆件吊装于雨棚下。

但是,目前市场上流行的VMS传统显示屏重量约为60-80kg/m2,其单个车道的传统收费提示辅助显示屏重量约为160kg,对建成的收费站遮雨棚承重要求高、安装难度大;加之传统LED屏产品尺寸较厚,屏体不透风,当该显示屏用于吊装时,易遭受风力的影响而形成前后摇摆,存在较大安全隐患。同时,传统的交通LED可变信息标志仅能垂直安装,垂吊安装时,显示屏无法正对司乘人员,视角效果差。

综上分析,传统LED显示屏亟需进行结构上的升级改造,以适应智慧高速时代收费信息交互升级新需求。

三、轻量化折面LED屏设计

本文主要介绍解决传统高速路收费站ETC专用道基础设施结构布局不合理引起的通行效率和信息提示等方面问题,而提出了一种新型轻量化结构创新与LED屏体折面布局的设计解决方案,并在广州机场高速主线收费站实现了首创应用。

3.1技术路线

由于传统的高速路ETC收费专用道费额显示器无法给后面排队且未交易车辆提供前方交易车辆的状态信息提示,加之传统LED产品粗厚笨重,导致折面等新应用结构设计难度高。为此,本文以第一时间向通行车辆提供交易状态信息为核心,以减轻显示屏的安装难度为要点,对传统的高速路收费站ETC专用道的信息显示终端进行创新改造与升级,主要有以下两点:

1、在ETC车道信息发布体系中增设辅助费显屏,并对屏体进行弯折设计,借助调整屏体的角度来实现屏体信息的最优视角效果,便于驾驶员从驾车视角接收屏体显示的实时信息,增加智能信息发布的人性化设计。

2、通过屏体透风不透光的主屏体结构创新设计,大大减轻显示屏的重量,同时优化屏体的风力受力面积和方向减少阻力。

3.2 折面辅助费显屏设计

1、设备选样及结构设计

为减轻传统收费信息LED显示屏的重量,减少屏体的横向风力受力面积,本方案主要是通过屏体结构优化设计而实现。轻量化折面LED辅助费显屏采用透风不透光的结构,显示屏屏体重量有效减少到18-20kg/m2,屏体横向风力载荷面约为传统屏体的70%。该费显屏的设计结构如图2所示。

(a) 轻量化LED折面辅助费显屏实物图

(b) 轻量化LED折面辅助费显屏体三视图

(c) 透风不透光结构示意图

图2 轻量化LED折面辅助费显屏的内部结构设计

屏体下方可以实现前后0-33°范围内的灵活转动,该折角设计结构如图3所示。

图3 轻量化LED折面辅助费显屏的结构外形设计

2、折面LED屏技术参数

通过上述创新性设计,该高速公路智慧收费站折面LED辅助费显屏具有重量化、可折叠、透风性好、迎风阻力小等优点,对应的主要技术参数如下:

— 屏体尺寸:高1000mm*宽2240mm;

— 每套屏由竖屏与折面屏(尺寸均为500mm高*2240mm宽)组成,竖屏垂直安装,折面屏倾斜安装、其角度可调;

—LED灯:点间距P10,红绿双基色,亮度≥6000cd/㎡;

— LED 视认角:≥110°;

—重量:≤20KG/平方米;

—电源:AC220V±20%;

—工作环境:温度-20℃~50℃,湿度10%~90%;

—前后防护等级:≥IP66;

—抗风速:40m/s;

—屏体主体可自然通风散热,材质为铝合金。

3、应用场景

为增大轻量化折面LED屏的可接受视角,屏体最佳安装位置为吊装于交易车辆的正前方,其示意图如图4所示。

图4 轻量化折面LED辅助费显屏场景应用图

轻量化折面LED辅助费显屏的应用场景示意图如图5所示,其中车辆A代表待交易的排队车辆,车辆B为交易车辆。当绿色折叠上竖屏(此处绿色与红色仅为区分上竖屏与下折屏,非指发布信息的颜色,下同)向正在交易的车辆提供车辆交易信息时,红色上竖屏为后续排队准备交易的车辆提供相应的前车状态信息。此安装方式可以第一时间为交易车辆和待交易车辆同时提供交易状态信息,当车辆B交易成功时,绿色下折屏显示交易金额,红色上竖屏显示前车交易成功的信息,得到提示的交易车辆B可以加速离开收费站,待交易车辆A及时驶入收费站进行交易;当车辆B交易失败时,绿色下折屏显示交易失败信息及相应的处理方式,红色上竖则会显示前车交易失败,请及时变道等提示信息,避免待交易车辆B由于交易信息接收不及时发生交通拥堵的异常情况,可极大提高收费异常情况下处置效率和信息化水平。

图5 轻量化LED折面辅助费显屏的应用场景示意图

四、结语

本文提出的轻量化折面LED辅助费显屏具有质量轻、体积小、散热性强、易安装、透风性优良等优点,且其屏体下方的折叠主屏可以进行一定角度的转动,可以很好地满足收费站基础设施功能与安装的双重需求,提高高速公路ETC车道的通行效率,改善智慧高速收费站的服务水平。同时,除应用高速公路收费站外,本文创新性提出的轻量化折面LED屏还可以拓展应用到交通其他领域,如高速公路可变信息标志、城市道路交通诱导信息发布、智慧停车场信息发布等,提高道路智能交通系统的服务水平。

 

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