高速公路機(jī)電智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

■郭書翊

(山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，太原 030006)

0 引言

隨著“一帶一路”在全世界的大力推廣，國家在高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面加大了建設(shè)力度， 更密集的高速公路路網(wǎng)管理系統(tǒng)正在逐漸完善[1]。由于機(jī)電設(shè)備分布零散，傳統(tǒng)高速公路機(jī)電系統(tǒng)中存在管理效率低、應(yīng)急反應(yīng)不及時(shí)等問題。 因此，若能通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建出現(xiàn)代化的智能化網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的集中管理控制，對高速公路的安全運(yùn)營具有重要意義[2]。

目前， 國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高速公路機(jī)電管理系統(tǒng)展開了大量研究，如吳昊[3]討論了高速公路智能化對機(jī)電系統(tǒng)的影響，對于高速公路的機(jī)電系統(tǒng)具體標(biāo)準(zhǔn)性要求、使用以及建設(shè)方向給出了相關(guān)建議。王嶺[4]闡述了高速公路機(jī)電設(shè)備智能化管理在提高事故應(yīng)急反應(yīng)的實(shí)時(shí)性、 增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理的主動(dòng)性、 獲得直接經(jīng)濟(jì)效益等方面的意義。譚宇[5]探討了在高速公路管理涉及的工作相對較多， 傳統(tǒng)管理模式無法達(dá)到管理要求情況下將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用其中便可促進(jìn)高速公路管理水平的全面提升。 隨著現(xiàn)代科技尤其是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及智能化在各個(gè)領(lǐng)域的普及， 先進(jìn)的高速公路通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的智能化控制功能在理論上和技術(shù)上已經(jīng)有了顯著突破， 但對于高速公路機(jī)電智能化管理還存在局限性，基于此，本文深入研究了高速公路機(jī)電智能化管理的設(shè)計(jì)理念， 并針對機(jī)電設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)智能化管理給出了相關(guān)建議。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)組成及現(xiàn)狀

高速公路機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的組織運(yùn)營系統(tǒng)， 其高效管理運(yùn)營是高速公路信息化和現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。 高速公路機(jī)電系統(tǒng)能夠使交通運(yùn)營達(dá)到安全、舒適、高效的狀態(tài)。高速公路機(jī)電系統(tǒng)一般由監(jiān)控、通信、供配電和隧道機(jī)電系統(tǒng)等部分組成，具體如圖1 所示。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 大多數(shù)高速管理養(yǎng)護(hù)公司對機(jī)電系統(tǒng)的管理養(yǎng)護(hù)重視程度較低，存在設(shè)備檢修不及時(shí)、管理無規(guī)則、管養(yǎng)經(jīng)費(fèi)欠缺等問題。目前，國內(nèi)尚無針對高速公路機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)費(fèi)用預(yù)算的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， 導(dǎo)致上級部門對高速機(jī)電系統(tǒng)管理不夠完善。因此，深入研究高速公路機(jī)電管理系統(tǒng)具有重要意義。

圖1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)

2 高速公路機(jī)電設(shè)備智能化管理的意義

2.1 提高應(yīng)急反應(yīng)能力

若高速公路機(jī)電設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)智能化管理， 實(shí)際搶修中常出現(xiàn)的“無法定位設(shè)備故障點(diǎn)”發(fā)生頻率將極大程度上得到降低，運(yùn)用智能化管理系統(tǒng)(見圖2)可以迅速定位設(shè)備發(fā)生故障部位，相關(guān)部門可以快速、有針對性地進(jìn)行處理和采取應(yīng)急措施。在機(jī)電設(shè)備的實(shí)踐應(yīng)用中，智能化管理高效傳遞、處理和應(yīng)對突發(fā)事件。 比如，當(dāng)高速公路中出現(xiàn)的收費(fèi)站點(diǎn)或某路段停電事故時(shí)， 智能化管理系統(tǒng)的集控平臺(tái)會(huì)及時(shí)得到精確站點(diǎn)或者路段的停電訊息，并快速通知距離最近的備勤部隊(duì)進(jìn)行維護(hù)、搶修。 在跨江、跨海大橋中的電梯操作中，曾出現(xiàn)過大橋工人甚至游客被困電梯的情況，因此，在電梯中運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)能夠及時(shí)確定電梯發(fā)生的故障部位及原因， 方便管理人員采取應(yīng)急措施，保障被困人員的安全。

圖2 高速公路智能管理系統(tǒng)

2.2 提高管理水平

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 各行業(yè)都已進(jìn)入到信息化的共享時(shí)代，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨。 同樣，機(jī)電設(shè)備智能化管理平臺(tái)的大數(shù)據(jù)管理也提上了日程。 通過對各個(gè)終端收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效得到許多相關(guān)信息，同時(shí)對相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、對策制定及分析，提高管理者的實(shí)際管理水平，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損耗。如通過對歷年來的設(shè)備故障情況的統(tǒng)計(jì)， 可以幫助管理者更好地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、更新、換代等操作；通過對功率損耗的長期統(tǒng)計(jì)，可以對損耗較大的硬件部位采取維護(hù)措施，以提高電能傳輸質(zhì)量、節(jié)約能源。

2.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

在大數(shù)據(jù)的前提下， 如何實(shí)現(xiàn)高速公路路網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息即時(shí)共享，建立一個(gè)面向整個(gè)路網(wǎng)的建筑信息模型，已成為現(xiàn)階段的研究發(fā)展方向。信息模型建筑，既有助于基層操作人員更好了解路段情況， 也對高層管理人員制定新的對策方針提供了方向， 同時(shí)也為以后的機(jī)電設(shè)備人員的招聘和發(fā)展提供了新的思路， 在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管理流程的變革和重組。

雖然高速公路路網(wǎng)的設(shè)備智能化管理逐步邁向新的發(fā)展水平，但在實(shí)踐應(yīng)用中依然存在許多困難和問題，且需要考慮的角度和影響因素也在增多， 比如對具體設(shè)備的控制方式、特殊環(huán)境的限制等技術(shù)上的因素，對管理單位的人員招聘、組織模式等行政機(jī)關(guān)上提出新的要求，以及隨著智能化設(shè)備增多而帶來的設(shè)備安全問題、 設(shè)備經(jīng)濟(jì)問題等。

3 高速公路機(jī)電智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 高速公路路網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

在現(xiàn)代的高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)中， 采用監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集路況信息的作業(yè)手段， 已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)但也必可少的技術(shù)手段。 監(jiān)控系統(tǒng)通過技術(shù)發(fā)展的成熟傳感器和攝像頭來捕捉信息，借助中端媒介，將收集到的消息發(fā)送到處理室的計(jì)算機(jī)上，以達(dá)到對信息收集、綜合和處理的目的。 監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的“眼”、“腦”和“口”，通過眼收集信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)和人腦的處理，最終通過實(shí)時(shí)通訊手段下達(dá)到各單位，實(shí)現(xiàn)對道路實(shí)況的指揮和控制，在提高公路運(yùn)營率的同時(shí)，減少了公路運(yùn)營成本， 形成了科學(xué)的管理控制方案和管理-指揮-反饋的良性循環(huán)。在監(jiān)控系統(tǒng)的作用下，可以和交管部門實(shí)行聯(lián)動(dòng)，針對性調(diào)整實(shí)施交通路況，按照具體的功能需求以及實(shí)際設(shè)備的功能特點(diǎn)， 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下分系統(tǒng)組成：

(1)信息采集系統(tǒng)

信息采集分系統(tǒng)是現(xiàn)代高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的 “眼”，通過監(jiān)控?cái)z像頭、傳感器、測速儀等設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，組成路面交通數(shù)據(jù)即時(shí)收集系統(tǒng)， 獲取高速公路的各路段的實(shí)時(shí)路況、交通信息、車輛數(shù)據(jù)等，其中最主要設(shè)備是車輛超聲波檢測設(shè)備。

(2)信息顯示系統(tǒng)

信息顯示分系統(tǒng)主要是指交通信息顯示分系統(tǒng)，作為信息采集分系統(tǒng)的一種輔助手段， 主要包括變化限速引導(dǎo)系統(tǒng)和情報(bào)顯示板系統(tǒng)兩個(gè)部分： 前者是對車道路況的變化限速來進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)車道、車速的最優(yōu)配置，確保不同車速的車輛能夠完美利用車道，后者是通過收集的信息進(jìn)行分類、顯示，通知過往車輛前方路況信息并在需要時(shí)發(fā)出警戒、禁止通行等攔截信息。

(3)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)相當(dāng)于現(xiàn)代高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的“腦”，是整個(gè)信息采集分系統(tǒng)的匯聚地，也是指揮、控制其他系統(tǒng)的樞紐。 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他分系統(tǒng)，形成整個(gè)現(xiàn)代高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的構(gòu)件一樣， 分為主要軟件和硬件兩部分，主機(jī)、輔助設(shè)備等硬件在設(shè)備層面上支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營，與其匹配的監(jiān)控系統(tǒng)終端軟件、網(wǎng)絡(luò)通信連接設(shè)備、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等軟件負(fù)責(zé)具體路段的操作。

(4)交通控制系統(tǒng)

高速公路交通控制監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的“口”，通過信息采集分系統(tǒng)發(fā)送信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)的處理后， 指令傳遞到交通控制分系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)施。交通控制分系統(tǒng)由于交通控制的差異性，分為選擇目標(biāo)、確定方法和參數(shù)設(shè)置等三方面，可以提前根據(jù)選擇目標(biāo)和確定方法的不同，進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，也可以提前設(shè)置好各種路況信息， 由實(shí)況的交通控制分系統(tǒng)根據(jù)道路信息自我調(diào)控。其中參數(shù)中最主要的是流量控制，通過流量控制的不同， 將實(shí)際的控制方法也需劃分為高速匝道控制以及高速主干道控制兩大類和定時(shí)調(diào)節(jié)控制、整體定時(shí)控制、交通感應(yīng)控制、匯合控制等四種控制形式。

圖3 高速公路智能交通監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)

高速公路的主要盈利手段就是車輛通行時(shí)繳納的過路費(fèi)，因此，合理的收費(fèi)系統(tǒng)能夠讓高速公路更好地、方便地為過往車輛進(jìn)行服務(wù)。 收費(fèi)系統(tǒng)對車輛的型號(hào)和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 根據(jù)不同型號(hào)的車量收取相應(yīng)費(fèi)用并發(fā)放收費(fèi)憑證， 另外對來往車輛統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分析并上傳至相關(guān)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由上級系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)再處理，最后保存收集分析的數(shù)據(jù)按照相關(guān)編制進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)表， 再次分析保存其中重要的信息數(shù)據(jù)， 并通過信息調(diào)控系統(tǒng)對所有車輛進(jìn)行監(jiān)視調(diào)控。

4 結(jié)語

本文簡單介紹了高速公路機(jī)電系統(tǒng)的組成和現(xiàn)狀，從應(yīng)急反應(yīng)能力、 管理水平及數(shù)據(jù)管理三個(gè)方面闡述了高速公路機(jī)電設(shè)備智能化管理的意義， 并針對高速公路路網(wǎng)的信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)以及收費(fèi)系統(tǒng)等管理系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)展開研究。 從目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，成熟的機(jī)電技術(shù)、完善的機(jī)電設(shè)備和合理搭配的機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)與高速公路智能化的發(fā)展密不可分了，機(jī)電設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)程度已經(jīng)對智能化管理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，未來的高速公路將實(shí)現(xiàn)完全意義上的智能化管理，因此加強(qiáng)對機(jī)電系統(tǒng)智能化升級研究有著重要現(xiàn)實(shí)意義。