高速公路机电系统设计研究

安元珩,瞿国权

（中交公路规划设计院有限公司 交通机电部,北京 100010）

0 引言

我国现阶段已基本上建成了全球规模最大的现代高速公路网，高速公路的不断建设对地方经济、社会全面发展起到了重要的技术支撑和区域带动作用。2020年8月，交通运输部办公厅正式制定印发实施意见和《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》专项规划等，提出通过多种新兴信息科技的融合和便捷服务高效协同运转管理的模式实现智慧交通建设方案，深化和实施不停车收费、车路协同、状态交通自动和感知安全预警机制等一系列智慧公路技术应用[1]。按照标准，高速公路应设置服务区，停车区可在服务区之间布设一处或多处，停车区与服务区之间的间距宜为15~25 km。2020年以来，交通运输部调整了高速公路的收费模式和标准，高速公路货运通行量增长率超过10%，以此带动了通行费用收入增长11.7%，将每千米的收费额度降低，货车收费标准改革降低了货车通行费用负担。为了使高速公路机电系统可以平稳运行，陈婧等提出了高速公路机电系统智慧运维模式[2]。张春光等人提出了5G技术应用与高速公路的建设思路，5G技术的逐渐推进将会在交通领域带来许多应用机遇并将原有交通模式进行大规模改革[3]。基于此，该文主要对目前高速公路机电系统建设情况及其相关技术进行分析。

1 交通流技术分析

交通流是指汽车在道路上行驶形成的车流，是交通监控管理的主要对象，对交通流开展研究与建模是交通工程界的重要研究内容，为高速公路机电系统分析设计、决策管理提供帮助。交通流运行状态具有定性和定量两方面的监测标准，其特征统称为交通流特性，通过特定的物理量进行描述，这些物理量即为交通特征变量或交通流参数。交通流状态可分为稳态和动态两类，稳态是指只考虑交通流各参数沿道路长度和方向的不同分布，不考虑它们随时间的变化；而动态则既考虑各参数随空间变化，也考虑它们随时间变化。

1.1 交通流的基本参数

交通流特性主要由三个基本参数组成：交通量q、行车速度v和车流密度k。其中，随机数交通量q是指在指定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道具体的交通实体数。在不同时间、不同地点的交通量是不同的。某一时间段的代表交通量通常取某一时间段内的平均值[4]，其公式表示为：

式中，qi——指定时间段内的交通量；n——指定时间段的段数。

交通量的实际预测时，横断面有三种可能，可以是单向单车道、单向多车道或双向公路横截面，具体要根据实际需要进行选用；而小客车车辆总数是将其他车辆折合成小客车。

车流密度k是指某一瞬间内单位道路长度上的车辆数目，即：

式中，k——车流密度；N——路段内的车辆数；L——路段长度。

车流密度值反映了一条道路上的交通密集程度。为使车流密度便于在实际中进行对比分析，采用单车道对其进行定义，单位为：辆/千米/车道。

行车速度v指车辆在区间内的平均速度，具体为在某一特定时刻，行驶于道路某一特定长度内全部车辆车速分布的平均值。

式中，L——路段长度；ti——第i辆车的行驶时间；n——车辆行驶于路段长度L的次数；vi——第i辆车行驶速度；v——区间平均车速。

各种车型当量换算关系如表1所示。

表1 车辆换算系数表

1.2 交通流参数模型

交通流三参数之间的基本关系式为：

式中，q——平均流量；v——区间平均车速；k——平均密度。

（1）速度与密度模型。常用的速度—密度线性关系模型为：

由于q=vk，当交通密度很大时， 车流密集到所有车辆无法移动，采用格林柏的对数模型，即：

当交通密度很小时，采用安特伍德的指数模型，即：

（2）流量与密度关系。交通流的流量—密度关系模型为：

（3）流量与速度的关系。流量与速度的关系为：

通过模型公式可以看出，通常速度随流量增加而降低，直至达到最大流量为止。在拥挤区部分，流量和速度都会降低。

1.3 交通流干扰分析

道路上的交通流状态是一个复杂的动态过程，往往随驾驶员技术与心理特点、车辆状况和道路交通条件而变化，还会受到气象等条件的影响。这些影响交通流状态的因素称为交通流的干扰。研究交通流的干扰情况，对高速公路的有效管理与控制，实现高速公路监控与管理目标有着重要的意义。

（1）驾驶员因素。驾驶员在车辆驾驶过程中，其感官接受外部刺激信息从而产生相应感觉来控制车辆，其过程为:接受刺激信息、分析判断、做出反应。不同驾驶员技术水平、心理期望速度和对突发事件的反应时间不同。因此，生理和心理特征是驾驶员驾驶的影响因素之一，会对交通流状态产生一定影响。

（2）车辆因素。车辆自身因素也会影响交通流的状况，其交通性能主要包括车辆尺寸、动力性能和制动性能。车辆尺寸主要指车身的外形尺寸，它决定了车辆的容量，并与车辆交通状态和交通监控管理密切相关。车辆的动力性能主要由三方面指标来衡量：加速时间、最高速度和最大爬坡度。车辆动力性能是汽车最根本的性能，它决定了汽车运输效率的高低。车辆的另一性能表现为制动性能，主要衡量指标为：制动力和制动距离，它是保证行车安全的最重要的性能。

车辆的制动力由两部分构成，一是汽车制动器内部产生的制动力矩，二是汽车轮胎与路面之间的摩擦力。因此，汽车的制动距离不仅与车辆性能密切相关，还经常要考虑路面的因素。计算公式是:

由上式可知，随着车速增高，汽车制动距离将快速增长。

（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与道路服务水平，它们直接影响着交通流的状态和交通流的控制方法。道路的通行能力不是一个不变的定值，它随道路条件、交通条件、管制条件及气候、温度、地形等因素而变化。

2 高速公路机电系统构成

高速公路机电设备在高速公路建设中属于必不可缺的部分，其分布的环境类型呈现较多样化发展态势。高速公路机电系统主要由四大系统构成，包括：隧道机电系统、监控系统、收费系统和通信系统。其中智能供电技术是机电系统建设的基础，收费系统是交通命脉，通信系统是整个高速公路机电系统的网络控制中枢，起到核心作用，监控系统是辅助监管手段。监控系统主要由监控设备中心控制系统和监控通信设备控制中心组成，它起到对辖区高速公路网络运行情况及时分析监测的作用，对各收费车辆当前的行驶情况以及相关路面信息进行监控分析。

2.1 隧道机电系统

高速公路隧道机电系统以供配电自动化系统建设为网络重要功能组成部分，通过技术手段营造公路良好交通环境，保障高速公路上各类车辆安全有序通行。构建隧道配电网络系统，首先确定线路供电系统负荷类型和输出电压范围以及输入电流方向等，其次需要设计一套高质量可靠的隧道供配电通信网建设规划方案。

2.2 监控系统

据统计，高速公路事故量约为0.57起每亿车千米，因此需要提高高速公路监控系统的性能。一般来说，高速公路监控系统主要由远程现场集中控制视频监控技术和高速闭路电视系统技术组成，实现了对车辆的远程监管。建设后的隧道监控系统利用隧道通信管理监控中心，将通过通信控制网络系统与变电所环网系统配合，发挥其联合监测的功能，形成高速公路综合监管环网。

2.3 收费系统

经统计 MTC（现金支付）车道全年产生的通行费总额占全年通行费总额的72.50%，ETC（电子支付）车道全年产生的通行费总额达全年通行费总额的27.50%。收费系统是我国高速公路中比较核心的系统，在利用现有的ETC全国高速公路联网电子收费监管系统功能的技术基础平台上，建立收费稽查系统。收费系统对机电系统的依赖度比较大，在安装时需要着重考虑机电系统是否能满足收费系统的质量需求，注重底层设施的布局与维护，包括各类电线电缆和管道等，区分开强电、弱电电缆，排除电缆间信号干扰，要不定期对其抽检、定期开展设备维护养护工作。

2.4 通信系统

根据全国高速公路机电工程及通信应用系统实际运行及实践工作总结，采用通信应用系统技术，可综合实现系统以下功能：

（1） 监控车辆。仅依靠路面交通执法实施日常安全生产监督执法检查，会面临一定的挑战，采用现代化通信技术手段构建道路交通信息化监管系统，辅助实现车辆出入口运行情况监控，能够进一步保障我市高速公路系统安全高效稳定运行。

（2） 维护道路。采用大数据技术，对公路网络维护等工作信息进行跟踪分析，明确需要维护车辆的行驶地点范围以及线路状况，可做好维护相应资料准备，促使交通工程实际维护自动化水平逐步得到有效提高。辅助人员通过采用信息化办公系统迅速与当地相关领导部门人员获得联系，快速及时获得政策援助资金与项目相应方面的服务资源。

3 高速公路机电系统建设

通过查阅大量相关文献可知，目前我国高速公路综合运维及服务监管系统领域存在严重问题[5]，需要建立更加科学的高速公路机电一体化运管应用系统。目前大部分软件公司所做的研究与开发在机电设备运维和自动化的业务体系中只是对设备的一些基本业务整合，缺乏创新性和技术交叉应用，数据智能化分析还是非常粗浅的，下面将针对传统高速公路机电系统存在的问题，提出一些智慧机电系统建设的相关技术方案。

3.1 大数据优化系统业务流程

依托云计算和深度学习技术构建智慧高速大数据平台，实现高效数据采集和分析能力，深度挖掘用户需求，打造智慧型高速公路服务区一体化的管理平台，通过信息推送方法向公众提供路况、预约、便捷服务等信息，满足公众出行服务需求；以服务区为高速公路枢纽节点，向大众提供多项便民服务，为处置恶劣灾害天气、突发事件及时提供统一应急组织指挥协调，满足综合服务区运营安全监管、应急保障决策指挥需要。

3.2 智慧化布岗

依据路段来划分机电运维岗位是传统高速公路机电系统的管理模式，该模式下主要对前文所提到的隧道机电系统、监控系统、收费系统和通信系统四大高速公路系统进行监管，该模式下系统的维护需引入第三方机构进行。而智慧化高速公路系统对岗位进行了重新划分，主要从两方面考虑：

（1）配合ETC技术做好相关系统运维监管，通过新技术带动岗位划分，对相关技术人员进行按需定岗。加强人员技术培训，学习了解ETC技术的相关运维技术，提高设备运行可靠性。

（2）配备应急人员，在原有的按路段划分岗位的基础上，配备流动人员，由于ETC门架具有“点多线长”的特点，除按路段进行拆分的方案外，如遇突发情况时，流动技术人员会随时增补支援，保障机电设备平稳运行。

3.3 引入先进设备

ETC技术虽然是目前高速公路的主流收费模式，但是仍有少数车辆采用非ETC技术进行支付，为减轻人员压力并优化收费模式，可考虑引入先进收费设备——收费机器人，机器人整合了计算机视觉技术、智能语音识别技术和大数据等创新技术。收费机器人是收费系统的集成外设，采用软硬件融合技术进行数据采集与分析，数据的分析则采用云端处理模式。

4 总结

综上所述，高速公路机电系统的建设是构筑高速公路系统建成的重要组成部分。在对高速公路路网系统的分析中，要全面系统地进行多方面因素考虑。不仅要考虑高速公路建成的理论基础，也要结合实际进行工程上的分析。只有在综合分析的条件下，才能实现高速公路机电系统的有效建设，建成高效、智能的高速公路路网体系。在这中间，对于高速公路人员的管理、设施的完善是必不可少的，只有加强了人员规划，提升设备设施的自动化，才能让高速公路产业得到有效发展，从而带动经济持续发展。