高速公路機電系統優化設計及新技術研究

文/王國輝

1 前言

我國民生經濟的高速發展，使得我國道路交通對于高速公路的需求日益高漲，同時也對我國高速公路配套的機電系統提出了更高的挑戰。作為機電系統的主要組成部分，收費系統、監控系統以及通信系統共同構建起了高效的管理體系。通過對機電系統各子系統的優化設計并在合適的環節引入新技術，能夠很好地改善高速公路工作效率。

2 高速公路機電系統的基本組成

2.1 機電系統的基本組成

2.1.1 監控系統

監控系統的主要功能是統計和監管高速公路車流量，其往往與當地交通主管部門相聯動，規范高速公路行車，并協助管理過往車輛的違規行為，譬如違規掉頭、超速、超載等。此外，監控系統的數據將會予以保存，以供交通管理的大數據研究。

2.1.2 收費系統

收費系統是高速公路機電系統的重要組成部分，其主要功能是記載高速公路車輛通行時間、里程，并根據不同標準計算應收費用。該系統的主要作用是保障高速公路的合理運營與持續發展，并對其在適當的時機進行維護。

2.1.3 通信系統

通信系統的主要功能是聯系機電系統各部分，保證整體的穩定運行，并將系統內與系統外聯系起來，保證機電系統能夠協調工作。此外，通信系統還兼具傳輸和存儲數據的功能。

2.2 問題分析

2.2.1 管理體系薄弱

高速公路機電系統是一個涉及領域廣泛、專業化程度高的系統，所以其管理范圍相對較寬，對于管理者的個人專業能力要求也較高，在此基礎上想要對系統各部分統一調度與管理難度較大。目前，在系統技術、設備快速發展的同時，管理體系卻相對較為滯后，未形成體系，且對于設備維護、管理也沒有切實可行的標準。除此之外，很多管理部門對于系統維護認知不足，沒有對數據、設備進行分類與編號，使得管理工作的開展十分繁重。通過以上論述可知，目前高速公路機電系統的管理存在很大的不足，難以將其作用有效發揮[1]。

2.2.2 監控系統效果不佳

在高速公路中監控系統的使用效果往往達不到設計要求。首先，在設計時對項目需求缺乏針對性，無法很好地適應項目環境，導致成本較高卻效率低下；此外，在使用中只注重監控系統的檢測，缺乏主動地調控，進而導致系統缺失交通反饋能力。

2.2.3 不符合交通發展方向

目前我國交通領域提出了“智慧高速”的發展理念，以期實現更為高效、舒適的高速行車環境，但目前的機電系統在技術、設備等方面發展較為滯后，無法很好地滿足建設“智慧高速”需求。

3 高速公路機電系統的優化設計方案

3.1 監控系統

在對監控系統進行優化設計時，首先應當充分明確其系統預期功能要求，并根據高速公路具體情況考慮，譬如路線、車流量等；此外，還要結合各項外部因素，制定出適合該路段的監控系統初步設計方案，隨后對初步方案還要進行可行性分析和經濟性分析。

目前高速公路的監控對象越來越豐富，包括了音頻、視頻、指令代碼、文本等多種形式。而傳統的監控系統對于各種形式監控對象采用的往往是獨立儲存、獨立管理的模式，其處理效率很低且交互性較差，占用的儲存空間很大，管理起來很不方便。

監控系統的優化設計需要依賴于大量的公路數據以及合適的處理技術。設計人員可以在系統內構建出監控系統的核心工作平臺，并將各項預期功能嵌入其中，以形成完整的監控系統體系。

為了使監控系統適應多種復雜環境因素，需要其對天氣因素進行準確的監測，而這一功能的實現主要是依賴于軟件開發。此外，為了最大效應地利用監控數據，往往還需要對其進行匯總、分析以及預測，建立專門的資源庫，儲存監控數據。在很多場景下可以使用，譬如交通事故責任劃分時，可以將其調取出作為證據。除此之外，對于監控系統的硬件部分也應當給予足夠重視，譬如設備連接、架設方式等。為了保證較好的傳輸效果，監控設備大多設置在視野空曠的高處，但隨之而來的是雷擊等自然條件帶來的安全風險，因此在設計中針對這一問題應當著重進行優化。

3.2 收費系統

實踐表明，傳統的高速公路收費方式在高車流時段往往會造成擁堵，特別是節假日期間擁堵給交通運輸帶來了巨大的壓力，影響了社會經濟發展。因此，收費系統的設計優化具有很強的現實意義與改良價值。在收費系統的設計優化中，最為主要的解決方式是引入ETC 系統，目前已有的實踐表明該方法對于提高收費系統工作效率有著顯著效果，其基本原理是通過收費系統中的裝置對車輛信息進行識別，并自動從車主網銀賬戶扣除費用。目前，我國實行的ETC 系統根據車型不同進行分段收費。

此外，為提升通行效率、落實交通運輸部門“智慧交通”的理念，構建ETC 門架系統在領域內得到了推動。其原理為在高速公路出入口設立ETC 門架，上傳車輛的行車數據，使高速公路通行能夠實行分段計費。這一系統的應用，有助于實現省界收費站的取消，提升高速公路運輸能力。

3.3 通信系統

高速公路通信系統在其工作中的功能實現主要有兩方面：

3.3.1 為司機提供高速公路上的通信服務，保障其在交通事故、車輛故障等緊急情況下能夠及時地獲得救援。

3.3.2 為機電系統各部分提供交流溝通渠道，同時構建機電系統與外部的聯系，確保高速公路能夠正常運轉并及時排查維修故障，且在極端情況下還能夠傳達重要指令。

在優化的具體方法方面，主要是從通信信號的傳輸上入手的，譬如目前廣泛采用的方式是建立WIFI 覆蓋區，為車主提供通信服務。除此之外，也有部分設計人員選擇加強信號傳輸質量，特別是在山區等信號傳輸不便的地方可以配備信號強化裝置；對于部分信號較差的地區，也可以考慮鋪設光纖用于傳輸通信信號，但該法對環境要求較高，譬如惡劣天氣等可能會造成線纜損壞[2]。

4 高速公路機電系統中的新技術研究

4.1 監控系統

監控系統的工作內容根據監控對象的不同可分為道路監控以及收費站監控。道路監控的目的是為了實時獲取道路狀況及交通動態，以發現潛在的交通風險；收費站監控的目的是為了加強工作人員的管理，避免違規人工操作的出現，同時對工作人員收費過程進行記錄，為可能發生的爭議提供證據。

針對以上監控需求，監控技術的發展傾向于智能化，依托互聯網平臺和傳感設備，且與氣象、交管等多部門的聯動，形成多維度、深層次的監控數據網。該數據網可運用于大數據處理分析，為機電系統的優化提供方向。

4.2 收費系統

收費過程依據車輛性質狀態可分為停車和不停車這兩類收費方法，前者在傳統人工收費中得到了廣泛應用，且在目前的收費系統中仍占據主導。而不停車收費在目前收費系統中的應用技術（即ETC）發展勢頭強勁，ETC 車道在高速公路車道中也占據了主流。

相較于傳統人工收費方式，ETC 技術具有更高的效率和更低的成本，在節假日等高峰時段能夠很好地滿足需求。在組成上，ETC 系統可大致分為軟件與硬件兩部分。

硬件系統主要承擔了通信、分類、監控三大功能，軟件系統借助用戶移動終端進行自動扣費。以上的設計主要是針對技術層面進行的優化，但具體到實際交通中，仍需要對于不同路線、車型進行劃分，以便設置出與之相適應的扣費金額。

在ETC 技術在國內大范圍普及的基礎上，為了進一步提升車輛通行效率，“自由流”收費的發展趨勢日漸顯著。“自由流ETC 技術”的應用不需要單獨設立收費站及其附屬設施就能夠大大減少成本投入；此外，車輛還可以在正常行駛速度下完成收費，相較于普通ETC 收費速度更快。

4.3 通信系統

受到互聯網技術、智能通信持續發展的影響，機電系統通信技術仍將長期處在快速發展的狀態下，滿足其他子系統革新的需求。目前，在通信系統中被廣泛使用的新技術有以下兩種：分組傳送網技術和自動交換光技術。

實踐表明，分組傳送網技術（PTN）的應用可以極大降低通信操作難度，便于工作人員進行通信處理；同時，該技術具備很好的安定性，能夠保障通信的穩定與安全。除此之外，較低的技術成本也使得其具有很高的性價比。

在通信系統中，分組傳送網技術常常配合自動交換光技術使用，后者能夠實時監控系統內各部分的運行情況，并對異常情況進行自動報警和記錄。自動交換光技術的應用相較于傳統維修方式最大的優點就是能夠精準判定、定位出現問題的部位，提升維修效率，恢復其系統功能。

5 結語

通過上文論述可知，未來機電系統的優化、發展方向應當切合實際需求，從通信、收費、監控三個層面出發詳細分析其應用缺陷，并優化處理。特別值得注意的是，機電系統優化的方向應當適應科學技術的發展，有機融合高科技手段，不斷提升機電系統工作效率。目前，機電系統的研究已經取得了顯著的成果，但未來仍具有很寬闊的發展空間，需要進一步優化設計、研發技術。