公路机电工程设计中关键要点分析

逯彩红

（青海省育才公路勘察设计有限公司,青海 西宁 810000）

在高速公路机电工程系统设计中,已形成了供配电、照明、消防、通信等众多工程项目。在机电工程的设计施工时,要切实按照国家颁布的相关施工规范,保证机电工程设计在各个环节中都发挥着重要作用[1-2]。与此同时,目前随着科学技术的不断快速发展,各种新设备不断推陈出新,需要对机电设备进行全面和充分的维护,以确保施工安全。

1 项目概况

某高速公路段设有5 处互通立交、2 个服务区、6处收费站（管理处）、1 处信息监控中心。项目工程采用“监控通信收费管理中心- 路段分中心- 收费站、通信站、服务区等”三级管理体系设计,其机电系统设计中的传输系统采用SDH 和综合业务接入网相结合的模式,并配备有适当规模的外场监控设备以及在监控中心和分中心都设置有必要的计算机系统、显示系统、CCTV 监控系统等,并采取“统一规划、分期实施”的联网收费方案。

2 交通量预测与分析

交通量预测和交通流分析在机电系统的设计施工中至关重要[3]。在表示交通量时,某一时间段的代表交通量通常采用该时间段的交通量平均值。年平均日交通量（AADT）的计算公式如下：式中：Qi为第i 天的交通量。

3 总体设计方案

作为高速公路运营管理必不可少的交通工程设施,高速公路机电系统能使道路通行能力得到充分发挥,使高速公路的管理效率得到最大限度的提高[4]。

3.1 监控系统设计

该项目的监控系统外场设备方案的设计,具体的外场设备配置情况见表1。

表1 监控系统外场设备数量表（单位：套）

基于视频事件的深度学习技术,在管理监控中心设置一套事件检测系统（含软硬件）,实现逆行、停车、拥堵、交通事故等事件的预警；事件检测系统可通过划分警报的优先级,从而避免出现同一事件的多次重复警报。事件检测子系统的主要软、硬件技术性能指标见表2。

表2 事件检测子系统主要软、硬件技术性能指标

3.2 通信系统设计

通信系统全线铺设有1 根12 芯光纤传输干线和1 根32 芯接入网单模光缆,接入网占用4 芯光纤。根据语音和数据的不同要求,每个ONU 设备依次配备了模拟用户接口板、2Mb/s 接口板、10Mb/s 和100Mb/s接口板。监控光缆组成自愈环对图像进行独立传输,避免对主通信光缆的占用。在为沿线各个站点提供电话服务的同时,光纤数字传输系统还需为监控和收费系统提供数据和图像传输通道。此外,还需采用OTDR进行双向监测实现光纤接续测试,OTDR 双向监测流程见图1。

图1 OTDR 双向监测图

将端部成好后的尾纤直接与光万用表的发送端或接收端相连接；每根测试光纤一端分别发送、接收光信号,另一端则对光信号进行接收、发送,并对收发功率值进行记录；全程衰减值即为汇总两端记录的值与接收到的光功率的相减值。图2 即为光纤线路衰减“插入法”测试示意图。

图2 光纤线路衰减“插入法”测试图

一般来说,对于均质光纤,光纤衰减性能的好坏可采用衰减系数即单位长度的衰减来反映。衰减A（λ）、衰减系数 α （λ ）定义如下：

式中：L 为光纤上1、2 两点距离；p1（λ ）、p2（λ）分别为1、2 两点的光功率。

3.3 收费系统的设计

当前,封闭式高速公路的收费系统一般采用通行票或通行卡的模式,通过通行票或通行卡的使用对车辆进行标记识别。在高速公路出口收费站,根据通行证（通行票或通行卡）上记录的车辆进入高速公路的入口收费站和进入时间等信息对车辆进行收费[5]。

收费站的计算机网络遵照IEEE802 系列标准和TCP/IP 协议,其拓扑结构可以采用星型网络结构。图3 为本项目匝道收费站的计算机网络架构。

图3 匝道收费站计算机网络构架

WINDOWS2000 等标准操作系统可植入移动收费系统中,配合使用收费系统专用软件,可实现完整的封闭式高速公路收费功能,包括刷读IC 卡、软件自动计算通行费金额、自动打印收费票据等等。自动栏杆机、车道信号灯、雨棚信号灯等收费车道外围设备的控制功能,可通过外设接口控制器（选配）和系统自带的串接端口（RS232）实现。

4 机电工程系统设计评价

高速公路的正常运营需要机电系统作为重要硬件基础设施进行支撑,科学、客观地评价机电系统各子系统与其整体技术情况,关系到制定和选择高速公路运营管理的决策[6]。

4.1 路网监控系统设计评价

路网监控系统升级改造以充分发挥现有监控设施的效能为核心,同时适当地对不足之处进行补充,与现代技术手段相结合,实现“可视、可测、可控、可管、可服务”的智能化高速公路网络运行监控与应急响应平台系统,使高速公路的运营管理水平、服务水平和应急响应能力得以提升。视频检测器检测精度高,可以获取视觉图像,并将图像与监控中心的监视器相连接,可以直观地实时显示交通流信息,包括交通流量、车速、车辆类型等。对比分析高速公路的视频检测器和微波检测器数据,得到检测器精度分析结果分别如图4 和图5 所示。

图4 视频检测器不同检测环境下准确度对比分析

从上面的图4 和图5 可以看出,在一定程度上,视频检测器的精度相较微波检测器更优,而微波检测器难以像视频检测一样具有视觉监控功能,也不能记录车辆或交通流的视觉特征。因此,要实现路网全面可视化的目标,在路网布设检测器选择中应优先考虑视频检测器,以优化高速公路监控系统的设计和研究。

图5 微波检测器不同检测环境下准确度对比分析

4.2 通信系统设计评价

在从当前基于SDH 的多业务传输平台（MSTP）向基于智能光网络过渡时,需对现有的已停产或容量较小的干线传输设备H 引进行淘汰,并升级骨干网络传输水平,保证汇聚节点达到106 等级,核心节点达到2.5 G 级。对于边缘干线设备则可以暂时保持在622 M 不变,等到未来路网发展至有相邻省份路段接入时,再将其升级到2.5 G。通过通信系统资源管理系统的建立,统一管理通信设备的资源分配、信道开通以及带宽利用等方面。要实现通信资源管理系统的建立,需从网络管理的软硬件设备和管理制度两个方面着手。

4.3 收费系统设计评价

在路网的联网收费区域中,环形路网结构的存在,使得同一个出口与入口之间出现两条或以上的可能行驶路径。在同一个路网中,同一个出入口间有多条不同路径存在,但现行高速公路收费系统以最短路径为收费原则,只能对出入口收费站的信息进行识别,无法了解车辆在区间内通过的路径信息,因而无法确定车辆的实际行驶轨迹,即多义性路径问题（也称为二义性路径问题）。如图6 所示：从A 点到B 点存在3 条可能的路径,而3 条路径的里程都各不同。

在联网收费的背景下,图6 中的各路段可能由不同的高速公路业主方进行运营管理,多义性路径问题可能导致无法对车辆按照实际行驶路径进行收费和费用分摊,使得各业主方的合法权益收到影响,抑制了实施联网收费政策的顺利开展。针对当前ETC 系统存在的缺陷,在技术创新上可利用相控阵技术,通过采用相控阵ETC 天线这一代全新的路侧设施来优化ETC 系统。

图6 多义性路径示意图

5 结论

综上所述,公路机电工程的系统设计正逐步向信息化、现代化发展,因此在新时代背景下,必须做好相应的规划工作。在设计公路机电工程系统时,可分别从用户与管理者的不同角度进行研究,对设计工作的关键点进行思索,推动硬件系统布局的完善。在不断与网络信息相融合的背景下,高速公路也应设计相应的网络通信和信息监控系统,明确各方设计之间的联系。强化机电工程系统的设计和管理工作,能在保证质量的同时,又能兼顾工程变更成本与资源浪费的减少,促进社会效益和经济效益总体得到提高。