高速公路機電系統設計研究

安元珩,瞿國權

（中交公路規劃設計院有限公司 交通機電部,北京 100010）

0 引言

我國現階段已基本上建成了全球規模最大的現代高速公路網，高速公路的不斷建設對地方經濟、社會全面發展起到了重要的技術支撐和區域帶動作用。2020年8月，交通運輸部辦公廳正式制定印發實施意見和《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》專項規劃等，提出通過多種新興信息科技的融合和便捷服務高效協同運轉管理的模式實現智慧交通建設方案，深化和實施不停車收費、車路協同、狀態交通自動和感知安全預警機制等一系列智慧公路技術應用[1]。按照標準，高速公路應設置服務區，停車區可在服務區之間布設一處或多處，停車區與服務區之間的間距宜為15~25 km。2020年以來，交通運輸部調整了高速公路的收費模式和標準，高速公路貨運通行量增長率超過10%，以此帶動了通行費用收入增長11.7%，將每千米的收費額度降低，貨車收費標準改革降低了貨車通行費用負擔。為了使高速公路機電系統可以平穩運行，陳婧等提出了高速公路機電系統智慧運維模式[2]。張春光等人提出了5G技術應用與高速公路的建設思路，5G技術的逐漸推進將會在交通領域帶來許多應用機遇并將原有交通模式進行大規模改革[3]。基于此，該文主要對目前高速公路機電系統建設情況及其相關技術進行分析。

1 交通流技術分析

交通流是指汽車在道路上行駛形成的車流，是交通監控管理的主要對象，對交通流開展研究與建模是交通工程界的重要研究內容，為高速公路機電系統分析設計、決策管理提供幫助。交通流運行狀態具有定性和定量兩方面的監測標準，其特征統稱為交通流特性，通過特定的物理量進行描述，這些物理量即為交通特征變量或交通流參數。交通流狀態可分為穩態和動態兩類，穩態是指只考慮交通流各參數沿道路長度和方向的不同分布，不考慮它們隨時間的變化；而動態則既考慮各參數隨空間變化，也考慮它們隨時間變化。

1.1 交通流的基本參數

交通流特性主要由三個基本參數組成：交通量q、行車速度v和車流密度k。其中，隨機數交通量q是指在指定時間段內，通過道路某一地點、某一斷面或某一條車道具體的交通實體數。在不同時間、不同地點的交通量是不同的。某一時間段的代表交通量通常取某一時間段內的平均值[4]，其公式表示為：

式中，qi——指定時間段內的交通量；n——指定時間段的段數。

交通量的實際預測時，橫斷面有三種可能，可以是單向單車道、單向多車道或雙向公路橫截面，具體要根據實際需要進行選用；而小客車車輛總數是將其他車輛折合成小客車。

車流密度k是指某一瞬間內單位道路長度上的車輛數目，即：

式中，k——車流密度；N——路段內的車輛數；L——路段長度。

車流密度值反映了一條道路上的交通密集程度。為使車流密度便于在實際中進行對比分析，采用單車道對其進行定義，單位為：輛/千米/車道。

行車速度v指車輛在區間內的平均速度，具體為在某一特定時刻，行駛于道路某一特定長度內全部車輛車速分布的平均值。

式中，L——路段長度；ti——第i輛車的行駛時間；n——車輛行駛于路段長度L的次數；vi——第i輛車行駛速度；v——區間平均車速。

各種車型當量換算關系如表1所示。

表1 車輛換算系數表

1.2 交通流參數模型

交通流三參數之間的基本關系式為：

式中，q——平均流量；v——區間平均車速；k——平均密度。

（1）速度與密度模型。常用的速度—密度線性關系模型為：

由于q=vk，當交通密度很大時， 車流密集到所有車輛無法移動，采用格林柏的對數模型，即：

當交通密度很小時，采用安特伍德的指數模型，即：

（2）流量與密度關系。交通流的流量—密度關系模型為：

（3）流量與速度的關系。流量與速度的關系為：

通過模型公式可以看出，通常速度隨流量增加而降低，直至達到最大流量為止。在擁擠區部分，流量和速度都會降低。

1.3 交通流干擾分析

道路上的交通流狀態是一個復雜的動態過程，往往隨駕駛員技術與心理特點、車輛狀況和道路交通條件而變化，還會受到氣象等條件的影響。這些影響交通流狀態的因素稱為交通流的干擾。研究交通流的干擾情況，對高速公路的有效管理與控制，實現高速公路監控與管理目標有著重要的意義。

（1）駕駛員因素。駕駛員在車輛駕駛過程中，其感官接受外部刺激信息從而產生相應感覺來控制車輛，其過程為:接受刺激信息、分析判斷、做出反應。不同駕駛員技術水平、心理期望速度和對突發事件的反應時間不同。因此，生理和心理特征是駕駛員駕駛的影響因素之一，會對交通流狀態產生一定影響。

（2）車輛因素。車輛自身因素也會影響交通流的狀況，其交通性能主要包括車輛尺寸、動力性能和制動性能。車輛尺寸主要指車身的外形尺寸，它決定了車輛的容量，并與車輛交通狀態和交通監控管理密切相關。車輛的動力性能主要由三方面指標來衡量：加速時間、最高速度和最大爬坡度。車輛動力性能是汽車最根本的性能，它決定了汽車運輸效率的高低。車輛的另一性能表現為制動性能，主要衡量指標為：制動力和制動距離，它是保證行車安全的最重要的性能。

車輛的制動力由兩部分構成，一是汽車制動器內部產生的制動力矩，二是汽車輪胎與路面之間的摩擦力。因此，汽車的制動距離不僅與車輛性能密切相關，還經常要考慮路面的因素。計算公式是:

由上式可知，隨著車速增高，汽車制動距離將快速增長。

（3）道路因素。在交通流的研究中，道路因素非常重要。不同的道路有不同的通行能力與道路服務水平，它們直接影響著交通流的狀態和交通流的控制方法。道路的通行能力不是一個不變的定值，它隨道路條件、交通條件、管制條件及氣候、溫度、地形等因素而變化。

2 高速公路機電系統構成

高速公路機電設備在高速公路建設中屬于必不可缺的部分，其分布的環境類型呈現較多樣化發展態勢。高速公路機電系統主要由四大系統構成，包括：隧道機電系統、監控系統、收費系統和通信系統。其中智能供電技術是機電系統建設的基礎，收費系統是交通命脈，通信系統是整個高速公路機電系統的網絡控制中樞，起到核心作用，監控系統是輔助監管手段。監控系統主要由監控設備中心控制系統和監控通信設備控制中心組成，它起到對轄區高速公路網絡運行情況及時分析監測的作用，對各收費車輛當前的行駛情況以及相關路面信息進行監控分析。

2.1 隧道機電系統

高速公路隧道機電系統以供配電自動化系統建設為網絡重要功能組成部分，通過技術手段營造公路良好交通環境，保障高速公路上各類車輛安全有序通行。構建隧道配電網絡系統，首先確定線路供電系統負荷類型和輸出電壓范圍以及輸入電流方向等，其次需要設計一套高質量可靠的隧道供配電通信網建設規劃方案。

2.2 監控系統

據統計，高速公路事故量約為0.57起每億車千米，因此需要提高高速公路監控系統的性能。一般來說，高速公路監控系統主要由遠程現場集中控制視頻監控技術和高速閉路電視系統技術組成，實現了對車輛的遠程監管。建設后的隧道監控系統利用隧道通信管理監控中心，將通過通信控制網絡系統與變電所環網系統配合，發揮其聯合監測的功能，形成高速公路綜合監管環網。

2.3 收費系統

經統計 MTC（現金支付）車道全年產生的通行費總額占全年通行費總額的72.50%，ETC（電子支付）車道全年產生的通行費總額達全年通行費總額的27.50%。收費系統是我國高速公路中比較核心的系統，在利用現有的ETC全國高速公路聯網電子收費監管系統功能的技術基礎平臺上，建立收費稽查系統。收費系統對機電系統的依賴度比較大，在安裝時需要著重考慮機電系統是否能滿足收費系統的質量需求，注重底層設施的布局與維護，包括各類電線電纜和管道等，區分開強電、弱電電纜，排除電纜間信號干擾，要不定期對其抽檢、定期開展設備維護養護工作。

2.4 通信系統

根據全國高速公路機電工程及通信應用系統實際運行及實踐工作總結，采用通信應用系統技術，可綜合實現系統以下功能：

（1） 監控車輛。僅依靠路面交通執法實施日常安全生產監督執法檢查，會面臨一定的挑戰，采用現代化通信技術手段構建道路交通信息化監管系統，輔助實現車輛出入口運行情況監控，能夠進一步保障我市高速公路系統安全高效穩定運行。

（2） 維護道路。采用大數據技術，對公路網絡維護等工作信息進行跟蹤分析，明確需要維護車輛的行駛地點范圍以及線路狀況，可做好維護相應資料準備，促使交通工程實際維護自動化水平逐步得到有效提高。輔助人員通過采用信息化辦公系統迅速與當地相關領導部門人員獲得聯系，快速及時獲得政策援助資金與項目相應方面的服務資源。

3 高速公路機電系統建設

通過查閱大量相關文獻可知，目前我國高速公路綜合運維及服務監管系統領域存在嚴重問題[5]，需要建立更加科學的高速公路機電一體化運管應用系統。目前大部分軟件公司所做的研究與開發在機電設備運維和自動化的業務體系中只是對設備的一些基本業務整合，缺乏創新性和技術交叉應用，數據智能化分析還是非常粗淺的，下面將針對傳統高速公路機電系統存在的問題，提出一些智慧機電系統建設的相關技術方案。

3.1 大數據優化系統業務流程

依托云計算和深度學習技術構建智慧高速大數據平臺，實現高效數據采集和分析能力，深度挖掘用戶需求，打造智慧型高速公路服務區一體化的管理平臺，通過信息推送方法向公眾提供路況、預約、便捷服務等信息，滿足公眾出行服務需求；以服務區為高速公路樞紐節點，向大眾提供多項便民服務，為處置惡劣災害天氣、突發事件及時提供統一應急組織指揮協調，滿足綜合服務區運營安全監管、應急保障決策指揮需要。

3.2 智慧化布崗

依據路段來劃分機電運維崗位是傳統高速公路機電系統的管理模式，該模式下主要對前文所提到的隧道機電系統、監控系統、收費系統和通信系統四大高速公路系統進行監管，該模式下系統的維護需引入第三方機構進行。而智慧化高速公路系統對崗位進行了重新劃分，主要從兩方面考慮：

（1）配合ETC技術做好相關系統運維監管，通過新技術帶動崗位劃分，對相關技術人員進行按需定崗。加強人員技術培訓，學習了解ETC技術的相關運維技術，提高設備運行可靠性。

（2）配備應急人員，在原有的按路段劃分崗位的基礎上，配備流動人員，由于ETC門架具有“點多線長”的特點，除按路段進行拆分的方案外，如遇突發情況時，流動技術人員會隨時增補支援，保障機電設備平穩運行。

3.3 引入先進設備

ETC技術雖然是目前高速公路的主流收費模式，但是仍有少數車輛采用非ETC技術進行支付，為減輕人員壓力并優化收費模式，可考慮引入先進收費設備——收費機器人，機器人整合了計算機視覺技術、智能語音識別技術和大數據等創新技術。收費機器人是收費系統的集成外設，采用軟硬件融合技術進行數據采集與分析，數據的分析則采用云端處理模式。

4 總結

綜上所述，高速公路機電系統的建設是構筑高速公路系統建成的重要組成部分。在對高速公路路網系統的分析中，要全面系統地進行多方面因素考慮。不僅要考慮高速公路建成的理論基礎，也要結合實際進行工程上的分析。只有在綜合分析的條件下，才能實現高速公路機電系統的有效建設，建成高效、智能的高速公路路網體系。在這中間，對于高速公路人員的管理、設施的完善是必不可少的，只有加強了人員規劃，提升設備設施的自動化，才能讓高速公路產業得到有效發展，從而帶動經濟持續發展。