公路機電工程設計中關鍵要點分析

逯彩紅

（青海省育才公路勘察設計有限公司,青海 西寧 810000）

在高速公路機電工程系統設計中,已形成了供配電、照明、消防、通信等眾多工程項目。在機電工程的設計施工時,要切實按照國家頒布的相關施工規范,保證機電工程設計在各個環節中都發揮著重要作用[1-2]。與此同時,目前隨著科學技術的不斷快速發展,各種新設備不斷推陳出新,需要對機電設備進行全面和充分的維護,以確保施工安全。

1 項目概況

某高速公路段設有5 處互通立交、2 個服務區、6處收費站（管理處）、1 處信息監控中心。項目工程采用“監控通信收費管理中心- 路段分中心- 收費站、通信站、服務區等”三級管理體系設計,其機電系統設計中的傳輸系統采用SDH 和綜合業務接入網相結合的模式,并配備有適當規模的外場監控設備以及在監控中心和分中心都設置有必要的計算機系統、顯示系統、CCTV 監控系統等,并采取“統一規劃、分期實施”的聯網收費方案。

2 交通量預測與分析

交通量預測和交通流分析在機電系統的設計施工中至關重要[3]。在表示交通量時,某一時間段的代表交通量通常采用該時間段的交通量平均值。年平均日交通量（AADT）的計算公式如下：式中：Qi為第i 天的交通量。

3 總體設計方案

作為高速公路運營管理必不可少的交通工程設施,高速公路機電系統能使道路通行能力得到充分發揮,使高速公路的管理效率得到最大限度的提高[4]。

3.1 監控系統設計

該項目的監控系統外場設備方案的設計,具體的外場設備配置情況見表1。

表1 監控系統外場設備數量表（單位：套）

基于視頻事件的深度學習技術,在管理監控中心設置一套事件檢測系統（含軟硬件）,實現逆行、停車、擁堵、交通事故等事件的預警；事件檢測系統可通過劃分警報的優先級,從而避免出現同一事件的多次重復警報。事件檢測子系統的主要軟、硬件技術性能指標見表2。

表2 事件檢測子系統主要軟、硬件技術性能指標

3.2 通信系統設計

通信系統全線鋪設有1 根12 芯光纖傳輸干線和1 根32 芯接入網單模光纜,接入網占用4 芯光纖。根據語音和數據的不同要求,每個ONU 設備依次配備了模擬用戶接口板、2Mb/s 接口板、10Mb/s 和100Mb/s接口板。監控光纜組成自愈環對圖像進行獨立傳輸,避免對主通信光纜的占用。在為沿線各個站點提供電話服務的同時,光纖數字傳輸系統還需為監控和收費系統提供數據和圖像傳輸通道。此外,還需采用OTDR進行雙向監測實現光纖接續測試,OTDR 雙向監測流程見圖1。

圖1 OTDR 雙向監測圖

將端部成好后的尾纖直接與光萬用表的發送端或接收端相連接；每根測試光纖一端分別發送、接收光信號,另一端則對光信號進行接收、發送,并對收發功率值進行記錄；全程衰減值即為匯總兩端記錄的值與接收到的光功率的相減值。圖2 即為光纖線路衰減“插入法”測試示意圖。

圖2 光纖線路衰減“插入法”測試圖

一般來說,對于均質光纖,光纖衰減性能的好壞可采用衰減系數即單位長度的衰減來反映。衰減A（λ）、衰減系數 α （λ ）定義如下：

式中：L 為光纖上1、2 兩點距離；p1（λ ）、p2（λ）分別為1、2 兩點的光功率。

3.3 收費系統的設計

當前,封閉式高速公路的收費系統一般采用通行票或通行卡的模式,通過通行票或通行卡的使用對車輛進行標記識別。在高速公路出口收費站,根據通行證（通行票或通行卡）上記錄的車輛進入高速公路的入口收費站和進入時間等信息對車輛進行收費[5]。

收費站的計算機網絡遵照IEEE802 系列標準和TCP/IP 協議,其拓撲結構可以采用星型網絡結構。圖3 為本項目匝道收費站的計算機網絡架構。

圖3 匝道收費站計算機網絡構架

WINDOWS2000 等標準操作系統可植入移動收費系統中,配合使用收費系統專用軟件,可實現完整的封閉式高速公路收費功能,包括刷讀IC 卡、軟件自動計算通行費金額、自動打印收費票據等等。自動欄桿機、車道信號燈、雨棚信號燈等收費車道外圍設備的控制功能,可通過外設接口控制器（選配）和系統自帶的串接端口（RS232）實現。

4 機電工程系統設計評價

高速公路的正常運營需要機電系統作為重要硬件基礎設施進行支撐,科學、客觀地評價機電系統各子系統與其整體技術情況,關系到制定和選擇高速公路運營管理的決策[6]。

4.1 路網監控系統設計評價

路網監控系統升級改造以充分發揮現有監控設施的效能為核心,同時適當地對不足之處進行補充,與現代技術手段相結合,實現“可視、可測、可控、可管、可服務”的智能化高速公路網絡運行監控與應急響應平臺系統,使高速公路的運營管理水平、服務水平和應急響應能力得以提升。視頻檢測器檢測精度高,可以獲取視覺圖像,并將圖像與監控中心的監視器相連接,可以直觀地實時顯示交通流信息,包括交通流量、車速、車輛類型等。對比分析高速公路的視頻檢測器和微波檢測器數據,得到檢測器精度分析結果分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 視頻檢測器不同檢測環境下準確度對比分析

從上面的圖4 和圖5 可以看出,在一定程度上,視頻檢測器的精度相較微波檢測器更優,而微波檢測器難以像視頻檢測一樣具有視覺監控功能,也不能記錄車輛或交通流的視覺特征。因此,要實現路網全面可視化的目標,在路網布設檢測器選擇中應優先考慮視頻檢測器,以優化高速公路監控系統的設計和研究。

圖5 微波檢測器不同檢測環境下準確度對比分析

4.2 通信系統設計評價

在從當前基于SDH 的多業務傳輸平臺（MSTP）向基于智能光網絡過渡時,需對現有的已停產或容量較小的干線傳輸設備H 引進行淘汰,并升級骨干網絡傳輸水平,保證匯聚節點達到106 等級,核心節點達到2.5 G 級。對于邊緣干線設備則可以暫時保持在622 M 不變,等到未來路網發展至有相鄰省份路段接入時,再將其升級到2.5 G。通過通信系統資源管理系統的建立,統一管理通信設備的資源分配、信道開通以及帶寬利用等方面。要實現通信資源管理系統的建立,需從網絡管理的軟硬件設備和管理制度兩個方面著手。

4.3 收費系統設計評價

在路網的聯網收費區域中,環形路網結構的存在,使得同一個出口與入口之間出現兩條或以上的可能行駛路徑。在同一個路網中,同一個出入口間有多條不同路徑存在,但現行高速公路收費系統以最短路徑為收費原則,只能對出入口收費站的信息進行識別,無法了解車輛在區間內通過的路徑信息,因而無法確定車輛的實際行駛軌跡,即多義性路徑問題（也稱為二義性路徑問題）。如圖6 所示：從A 點到B 點存在3 條可能的路徑,而3 條路徑的里程都各不同。

在聯網收費的背景下,圖6 中的各路段可能由不同的高速公路業主方進行運營管理,多義性路徑問題可能導致無法對車輛按照實際行駛路徑進行收費和費用分攤,使得各業主方的合法權益收到影響,抑制了實施聯網收費政策的順利開展。針對當前ETC 系統存在的缺陷,在技術創新上可利用相控陣技術,通過采用相控陣ETC 天線這一代全新的路側設施來優化ETC 系統。

圖6 多義性路徑示意圖

5 結論

綜上所述,公路機電工程的系統設計正逐步向信息化、現代化發展,因此在新時代背景下,必須做好相應的規劃工作。在設計公路機電工程系統時,可分別從用戶與管理者的不同角度進行研究,對設計工作的關鍵點進行思索,推動硬件系統布局的完善。在不斷與網絡信息相融合的背景下,高速公路也應設計相應的網絡通信和信息監控系統,明確各方設計之間的聯系。強化機電工程系統的設計和管理工作,能在保證質量的同時,又能兼顧工程變更成本與資源浪費的減少,促進社會效益和經濟效益總體得到提高。