一種基于門禁式的收費島安全通道控制系統

作者簡介：

覃光仁（1971—），高級工程師，研究方向：高速公路機電工程施工與管理。

文章根據廣西崇水高速公路收費島的實際情況，設計了一款適用于收費島車道上的電磁控制門，并通過與收費島車道上的設備進行聯動，實現對橫穿收費島的行人與車道通行車輛的通行權限控制。應用結果表明，系統設計合理，控制方案能較好地兼顧人車通行的安全性與高效性。

收費島；電磁控制門；人車通行

中圖分類號：U491.5+4 A 51 162 3

0 引言

隨著ETC收費系統在高速公路的應用普及，收費站的車輛通行速度及效率均得到了較大的提升，但同時也給收費站島內安全管理工作提出了更高的要求和新的挑戰。不停車收費系統車輛通行速度越高，島內發生交通事故及人員傷亡的概率也隨之增大［1］。因此，如何降低人的不穩定因素帶來的安全風險，提升收費島安全管理與服務水平，已成為當前ETC收費模式下高速公路運營管理公司迫切需要解決的突出問題。

針對以上問題，最好的解決辦法是在收費島的地下或者上空建設一條專用的行人通道供島內工作人員上下站及穿行車道，行人通道與行車通道的分離設置互不干擾，行車與行人的通行效率與安全均得到最好的保障。然而，該方式建設成本較高，對建設場地面積也有一定的要求，多見于較大的收費站中。目前廣西許多中小型收費站仍然采用傳統的人車混流的建設模式［2］。而正是因為中小型收費站的車道少、車流量不高，更容易讓人放松警惕，在收費島內隨意穿行的現象更為普遍，安全隱患尤為嚴重。

因此，本文設計了一種基于門禁式的收費島安全通道控制系統，通過對電子門禁與收費島車道電動欄桿機、通行指示屏進行聯動控制，實現人車通行權的分時控制，確保收費島內的通行安全。

1 系統的組成與工作原理

該系統主要由電控門及其控制主機組成。電控門分別設置在收費亭前后兩端靠收費島邊沿上，收費島邊沿四周其余地方設置0.8 m的圍欄防止人員隨意跨越。安裝平面圖如圖1所示，圖1中編號1～4為電控門，由同一個門禁控制主機控制。

安裝效果如圖2所示。收費島四周使用護欄圍擋后，島上人員如果需要橫穿通行，則必須打開電控門。電控門控制主機只有在檢測到當前車道無車輛駛入，且向車道頂棚通行指示交通信號燈、LED信息屏、欄桿機發送指令，關閉車道后才允許電控門打開，從而保證人員橫穿收費島時的通行安全。

1.1 門禁控制主機的主要功能與設計

門禁控制主機為整個系統的管理控制核心，其通過對車道電控門與車道上的設備進行聯動控制；根據行人通行與車道上的車輛情況進行分析決策，對車道與電控門的開閉進行互鎖控制；實現對車道上人、車通行權分時管控的功能，保證島上人車雙方的通行安全與效率［3］。

門禁控制主機采用STM32F407單片機進行設計，根據接入設備的類型設計相應的接口電路。門禁控制主機外部設備連接如圖3所示。其中，車道的線圈車檢器輸出的信號為物理開關量，當線圈上有車通過時，開關就會閉合，門禁主機通過檢測開關狀態即可判斷出當前車道的行車狀態。車道欄桿機、車道通行燈及車道LED信息屏為車道原有設備，用于車道關閉與開啟控制及狀態信息指示。其中，車道欄桿機及車道通行燈的控制方式為開關信號，與主機接口電路為繼電器控制電路［4］。車道LED信息屏為網絡通信方式，通過以太網接收信息數據。本系統中選用型號為W5500的全硬件TCP/IP 協議棧的嵌入式以太網控制器，為控制主機提供一個簡單、快速、穩定、安全的以太網接口，實現主機與車道LED信息屏的通信連接，對車道狀態信息更新顯示的功能［5］。為了節約成本，簡化電路，系統電控門與門禁控制主機之間接口采用了RS485的總線通信方式，電控門根據收到的命令實現門禁功能。

1.2 電控門的功能與設計

電控門集成了門禁控制及狀態指示、語音提示、車道LED警示燈、應急手動開關等功能。電控門的結構設計如圖4所示。為節省成本，電控門采用單門柱設計，其中門框采用成型鋁材拼接而成，中間加入4 mm的透明亞克的擋板組成門板部分，門柱為2.5 mm厚的鍍鋅鋼板折彎焊接加工而成。門板與門框采用氣動常閉式合頁連接，門被打開后可自動復位到閉合位置。

電控門的電氣部件統一安裝在門柱內部，除圖4中標注的部分外，其內部還包括控制電路板、電磁門鎖、門狀態檢測光電開關、RS485通信接口等部件。電磁門控的電氣原理圖如圖5所示。其中，門禁狀態指示燈由紅、綠兩種顏色的LED燈組成，分別代表門禁鎖的鎖止與打開，并向收費島人員指示當前車道的通行許可狀態。車道LED警示燈為面向車道來車方向安裝的黃色LED燈，當車道關閉時開始閃爍顯示，提醒司機注意，避免誤入［6］。門禁鎖采用斷電自動打開的電磁彈鎖，附帶獨立的機械式應急開啟按鈕，便于系統故障時可以手動開啟電控門。語音模塊可為工作人員播報安全提醒信息，當按下門控按鈕時，提醒其注意車道周邊環境的情況，安全通行。模塊具備MP3/WAV解碼功能，可對存儲在內置SIP-FLASH的MP3語音信息進行語音播放［7］。同時，其內置3 W功放電路可直接驅動3 W/4 Ω的喇叭，極大簡化了電路設計。

門狀態檢測采用U型光電對射檢測開關的方式，當門關閉后，門框上設置的L型支架進入U型光電傳感器，遮擋了傳感器發出的紅外線，此時傳感器向控制電路板輸出低電平信號［8］，如圖6（a）所示，反之則輸出高電平信號，如圖6（b）所示。

2 系統的程序設計

系統的程序設計有門禁控制主機和電控門兩個部分。根據系統設計的功能，主要程序流程圖如圖7～8所示。

程序開始之后進行IO及外部設備的初始化工作，接下來等到電控門的開門請求信號。如果收到這個信號，就讀取車檢器狀態，判斷車道是否有車通行。如果沒有車通行就關閉車道，通行指示燈顯示“X”，信息屏顯示“車道關閉X”，同時控制欄桿機落桿。以上步驟完成之后，向電控門發送開門指令等待行人通過。行人通過之后，通行指示燈顯示綠色箭頭，信息屏顯示“車道開啟”，同時欄桿機處于自由控制狀態，等待下一次開門請求。如此往復循環。

3 結語

本文提出了一種基于門禁式的收費站安全通行管控系統的設計方案。該系統門禁設備能夠與收費車道設備聯動控制，實現收費島車道上的行車與行人的分時通行，有效地防止現場工作人員因疏忽大意而帶來的交通事故。該系統已在廣西水口收費站試驗使用。現場使用結果表明，該方案運行穩定可靠，不僅對現場工作人員的安全提供可靠保障，更能起到規避現場人員橫穿車道行為的作用，適合在車流不大、未設置專門人行通道的收費站推廣使用。

參考文獻

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［8］蔡明偉，劉 磊.光電傳感器在自動控制中的應用［J］.機電信息，2019（17）：56-57.

收稿日期：2022-10-20