高速公路机电系统知识重点

高速公路机电系统知识重点

第一章：绪论

一、高速公路发展历程

1、美国是世界上高速公路最发达的国家，其高速公路总长超过9万Km，占世界高速公路总

里程近50%。

2、1988年10月31日，上海——嘉定18.5Km高速公路建成通车，使中国大陆有了高速公

路。1999年突破10000Km，跃居世界第四位；2000年达到16000 Km，跃居世界第三；2001年达到19000 Km，跃居世界第二。

二、高速公路的特点及作用：

1、高速公路具有“高速、高效、安全、舒适”等特点，主要表现在：A、行车速度快；B、

通行能力大；C、运输速率高；D、行车安全舒适。

2、高速公路的重要地位及作用：A、支撑经济发展，优化了运输布局和服务，提高了生产

要素使用效率，推动了产业结构升级和空间布局优化；B、推动社会进步，改善了人民生活质量，推动了城镇化进程，促进了区域经济协调发展；C、改善公共服务，增强了运输可靠性和安全性，增强了政府应对突发事件和提供公共服务的能力；D、服务可持续发展，改善了运输效率和效益，促进了综合运输体系发展，降低了能源消耗，加强了环境保护。

三、高速公路运营管理的5个部分：

（1）交通管理：交通管理的任务是利用先进的技术手段监测、控制、诱导交通流量，维护交通秩序，保障交通安全和道路畅通，对不规范的交通行为进行纠正和处罚。

（2）养护管理：养护管理的任务是对高速公路道路、桥梁、隧道及交通工程设施进行定期和不定期的保养和修护，以保证其正常的使用功能。

（3）收费管理：收费管理的任务是按国家批准的收费政策和价格向通行车辆收取足额的通行费，同时对营私舞弊，偷逃通行费的行为进行稽查。

（4）路政管理：路政管理的任务是贯彻国家和地方的有关法律法规，保证高速公路路产完整，维护高速公路路权不受侵犯，保护高速公路设施不受破坏。

（5）服务区管理：服务区管理的目的是利用高速公路已有的餐饮、住宿、休息、娱乐、购物、加油、维修、停车、通信等设施向用户提供舒适和方便的全天候服务。

四、高速公路运输系统的组成：

1、高速公路运输系统是一个由交通设施、行驶车辆、交通参与者等要素组成的综合系统，

各要素之间交互、配合，共同维持系统的运行。

2、交通工程设施：服务设施、安全设施、机电系统

3、机电系统：监控系统、通信系统、收费系统、照明系统、供配电系统、隧道机电系统

4、完善的隧道机电系统：监控系统、通风系统、照明系统、消防系统、低压供配电系统

5、初期特点（1）缺少统一的建设标准，多种技术体制和设备种类并存；

（2）缺少统一的规划，系统与系统之间、路段与路段之间连接较少；

（3）系统与高速公路的管理结合不够，管理参与人员对其认识不足；

（4）产品多为进口产品，国内产品尚未形成规模。

第二章：监控系统

一、高速公路监控系统的定义

所谓监控，即监视和控制。交通监控是对高速公路交通流的运行状态、交通设施和交通环境的监测及对交通流行为的控制。监视和控制的主要对象是交通流。

高速公路监控系统是利用现代化的电子技术和计算机技术，从事高速公路管理业务，对

交通流状况、道路安全等进行实时的监视和控制，从而达到安全、高速、舒适、方便的目的的系统。

二、高速公路监控的意义

1、确保最大的行车安全；

2、确保交通设施状态完好；

3、实现道路畅通；

4、其他优化目标：如用户总行程时间最少，耗油量最小和对环境的污染程度最小等。

监控系统的基本构成：

交通信息检测系统

交通控制系统

交通诱导信息系统

视频监控系统（CCTV）

道路条件采集系统

计

算

机

网

络

系

统

高速公路监控系统按信息的流程可以分为三个子系统：信息采集子系统、信息处理子系统、信息发布子系统

高速公路信息处理系统是整个监控系统中的最关键部分，处理方式的选择及各种参数的选定对信息处理的结果有很大的影响，进而会影响到整个高速公路监控的效果。

现有的监控系统组织结构普遍采用由下而上、逐级管理，数据逐层上传的方式。

2级：监控中心监控站

3级：监控中心监控分中心

三、各单元的功能

1、监控站的功能：现场监控站是最基本的监控单元，主要完成监控中心或分中心与现场设备之间的数据转接任务。

2、监控分中心的功能：负责所属区段的信息处理、控制决策和控制指令下达等实时管理功能。监控分中心同时可以向监控中心上传信息，并接受监控中心指令。

四、超声检测器

1、超声检测器是波束检测器装置的一种。波束检测器装置有多种形式，都是由波束发射器、接收器和时控电路组成

2、基本工作原理

超声检测器由超声波发射器、接收器和时控电路三部分组成。安装在车道上方的收发式超声探头向下发射超声脉冲。无车时路面反射声波，由安装在同一个探头内的接收器接收，时控电路对由发射至接收这段时间计时，作为基础时距；有车通过或存在时，由车辆上界面对声波反射。显然，有车时，发射和反射距离缩短，时距减小，与基础时距的差异即为车辆出现信号。如果将车辆上界面反射的信号强度全部像素用灰度表示，可以得到一张不很清晰的车辆俯视图。沿车道方向安装两个间距不大的传感器即可对车速、时间占有率等变量和车长做出检测。（功能）

五、红外检测器

1、主动式红外检测有遮断式和反射式两类。主动遮断式红外检测器的发射器和接收器分别为半导体激光器和光电二极管，将两者水平对正，安装在车道两边。无车通过时，接收器接收细束线状红外光，有信号输出；车辆通过时，遮断光束，接收器无输出，通、断转换即是对车辆的检测信号。这种设备不能检测车速、占有率等变量，常采用它在收费匝道检测通过车数和车辆前轴处车身高度(车型识别用)。

2、任何物体温度高于绝对零度即辐射红外光，在低照度和黑夜环境，红外光都能使热敏和光电元件产生反应，因此广泛应用于检测工作。被动式红外检测没有发射器，只有接收器，接收器感受路面和车辆以红外波长为主的辐射能量。路面和车体材料的温度和表面光洁度都不一样，它们的辐射能不相等，因此，区分道路和车辆已不存在困难。能量的差异使接收器不仅能分辨出车辆的存在和通过，也能检测车速和占有率，利用红外成像技术可获得车辆长度和图像。

3、常见的超声、红外线和光学检测器有一个共同的缺点是穿透能力很弱，无法在能见度差的气候条件下进行检测。人们利用成熟的雷达测距、雷达测速和成像技术开发出微波检测器来检测，其穿透能力强。

六、微波检测器

微波检测器由三部分组成：微波发射、接收探头及其控制器、调制解调器和专用电源。检测器最多可检测8个车道的交通量、平均车速、占有率、按长度划分的车型和排队长度等参数。主要特点为：

（1）多车道检测。一台检测器可完成多条车道交通流的同时监测。

（2）全天候工作。抗干扰能力强，能穿透雨滴、浓雾和大雪而不受影响；安装杆的弯曲和振动不影响检测质量，因此刮大风也能正常检测。

（3）使用方便。安装与维修不用封闭车道，不破坏路面；运行模式由软件决定，便于扩展升级。

（4）检测精度较高。前视时，车辆计数和占有率误差2%，平均车速误差5%；侧视时，车辆计数和占有率误差5%，平均车速误差10%。

（5）漏检率低。超声和红外检测时，存在车辆相互遮挡问题，使用微波可使漏检数量减少一半。

微波、超声波和红外线等检测器统称为波束检测器

七、视频监视系统

1、在高速公路上，对一些重要地点需要随时了解全面信息，仅依靠车辆检测器等设备不能获得完整的信息，这个问题可以利用视频监视系统解决。

2、工作原理：视频监视系统通常由以下子系统组成：

①视频摄像子系统；②图像传输子系统；

③输出子系统；④控制子系统。

八、道路条件检测系统

1、所谓的道路条件一般来讲包括气象条件、道路状态、道路环境条件三个方面。

2、气象检测项目：温度、湿度、能见度、风向、风速

3、道路条件检测系统可以有多种构成方式，由于供电位置的限制，目前普遍采用集总

构成的方式，即各单项检测器将采集的数据传送到现场数据处理单元，数据处理单

元对采集到的数据进行加工，得到温度、湿度、能见度等具体的数值，将这些数值

存放在存储单元中，等到与上位机进行通信时，将数据按协议发出。

4、道路条件检测（采集）系统的逻辑构：

5、高速公路监控系统中的信息系统，主要为驾驶员和监控决策人员提供信息。为驾驶员

提供信息的系统称之为诱导信息系统，它是主线控制和通道控制的一种形式。

6、诱导信息内容：A、道路设施静态信息，如收费站、加油站等；B、交通流的动态信息，

如道路的拥挤、堵塞等；C、对交通状态有较大影响的气象灾害，如雨、雪、风、霜等。

第四章：收费系统

一、收费形式：开放式、封闭式、均一式、混合式（后两种借鉴国外），按照在收费系统中

人工参与收费的程度，系统又可分为全人工手工收费、人工半自动收费和全自动收费3种。

二、收费系统的构成

1、收费车道：是收费系统中实现收费功能最基本的单元；

2、收费站：是收费系统中最基层管理单位，也是收费数据的基本保存、处理单元；

3、路段收费中心：在单一路段收费活动中起到了管理中枢的作用，负责单条路段的收

费管理工作；

4、省（市）联网收费中心和区域收费中心：区域收费中心负责收集、管理从所辖区域内

所有高速公路的路段收费中心上传的双方数据。

收费车道摄像机：摄取的图像用于动态图像监视和单频图像抓拍。

收费站：1、人员组成：①站长、副站长；②管理员；③票据员；

④值机员；⑤收费员（收费班长）

2、具有统计、分析、查询和通信费拆分功能

3、具有监防和防止收费员和驾驶员作弊的功能

收费亭摄像机：用于监视收费员的收费情况。

收费广场摄像机：用于监视收费广场的交通运行情况，实现对整个收费广

场至某条收费车道的远距离的遥控监视。

视频光端机：用于收费车道、广场摄像机与收费站之间视频传输中车道摄像机的图像，而通过一对多路复用视频光端机传入收费站。每一台收费广场摄像机分别通过单路视频加数据反向控制光端机以一对一方式传输

三、车辆识别技术

1、车牌识别系统主要由牌照图像的采集和预处理、牌照区域的定位和提取、牌照字符

的分割和识别等几个部分组成，其工作流程图如下：

车牌识别系统流程

2、其基本工作过程如下：

（1）当行驶的车辆驶入收费站入口时，触发设在固定位置的传感器，系统被唤醒处于工作状态，一旦连接摄像头光快门的光电传感器被触发，设置在车辆前方、后方

和侧面的CCD同时拍下车辆图像；

（2）由摄像机或CCD摄像头拍摄的含有车辆牌照的图像通过视频卡输入计算机进行预处理，图像预处理包括图像转换、图像增强、滤波和图像水平校正等；

（3）由检索模块进行牌照搜索与检测，定位并分割出包含牌照字符号码的矩形区域；

（4）对牌照字符进行二值化并分割出单个字符，经归一化后输入字符识别子系统进行识别。

四、动态称重技术

1、动态称重系统的构成

动态称重系统的构成示意图如图所示，其主要设备包括称重传感器、称重控制器、轮胎识别器、车辆分离器、车辆检测器（地感线圈）以及减速装置（可选）。

动态称重系统构成示意图

2、系统工作流程：

（1）、初始状态：检测区无车辆，挡车器放下

（2）、车辆匀速驶入称重区，车轮压上称台，控制仪表接收到一定阀值的重量数据时，系统自动进入动态称重方式。

（3）、车辆匀速通过称台，控制仪表检测出各轴的轴重、轴型（单/双/三联轴）及车速；

胎型识别系统同步检测出轮型（单/双轮）；当车辆尾部通过红外线车辆分离器（光

幕）后，红外线车辆分离器发出收尾信息。仪表将这些数据和信息进行汇总、编译，并实时将轴重、总重、车速、轴型等数据传送给收费系统计算机。

（4）、计算机收到控制仪表传送的信息后，由收费软件自动计算机轴超载量、总重超载量、收费金额及相关内容（根据收费站执行的高速公路管理相关条例），最后打印出票据。（5）、人工收费完毕后，将挡车器抬起放行，待车辆驶离后，收费员放下挡车器，该车的整个收费过程结束，等待下一辆车收费。

五、联网收费技术

联网收费技术需解决的关键问题

1、统一车型分类：目前存在的问题是：车型分类标准不统一，这样就会在甲高速公路

判定为二类车，到了乙高速公路就有可能判定为三类车，造成不合理收费，影响了

高速公路的经济效益。因此，统一车型分类是实施联网收费的重要基础。

2、统一数据项目：为了保证高速公路联网收费系统的正常运行，数据项目必须在联网

区域内统一。这样汽车进入任意一个发卡站的时候，都获得存储有同样数据项目的

可移动存储卡，在离开任意一个收费站的时候，收费站可以按照预定的数据项目提

取数据信息，发送到结算中心，从而计算出应交纳的费用。

3、统一网络协议：网络协议的统一，也仅局限于直接面向结算中心的那一部分计算机

系统。

4、统一结算中心：如果不能够合理解决通行费的结算和分割，就没办法保证高速公路

投资经营者的公平收益。

第三章：通信系统

一、高速公路通信系统的构成及功能

高速公路通信业务大概可以分为语音、数据和图像三个部分

高速公路通信系统主要由光纤数字传输系统，数字程控交换系统、紧急电话系统、移动通信系统、通信电源系统和光电缆线路等组成，各子系统构成及功能如下：

1、光纤数字传输系统：主要功能是为高速公路沿线设施（程控交换机、业务电话等）

之间提供话务通信，为监控，收费系统的数据、传真、图像等非话业务提供传输通道。

2、数字程控交换系统：是以数字程控交换机为核心的通信网，它在技术上实现传输和

交换的数字化。

程控交换机的核心技术是将用户的信息和交换机的控制、维护管理功能预先变成程序存储到计算机的存储器内，当交换机工作时，控制部分自动监测用户的状态变化和所拨号码，并根据要求执行程序，从而完成各种交换功能。

程控交换机的基本构成：话路设备：各种接口电路（如用户接口和中继线接口电路等）和交换网络；控制设备：电子计算机（CPU、存储器、输入/输出）

程控交换机在正常运行工作时，其印刷电路板和接插等部件是不能随便触动的，因此，维护人员对程控交换机的日常管理和维护主要是除尘保养和技术维护。

3、紧急电话系统：为高速公路使用人员提供的一个直接呼救求援的专用通信系统，该

系统主要功能是为高速公路使用者和管理者驶员、执勤人员等）提供发生事故、车辆抛锚或其他故障的申报途径，以使高速公路管理部门能够及时处理，从而保障高速公路的畅通及安全。

4、移动通信系统

光纤通信系统：是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。长距离的光纤通信系统还需加设中继器。

光纤的结构：纤芯、包层、保护套

数据通信系统：在计算机网路通信中，要涉及到两个实体和一个通信信道，它们就是源系统，目的系统和传输系统。

典型数据通信系统的模型：数据终端设备、数据电路、计算机系统

概念区分：传输速率、传输带宽（信道容量）、传输时延、误码率

?传输带宽（信道容量）：每秒传输的最大字节数，即一个信道的最大数据传输速率（位/秒），是信道传输数据能力的极限。

?传输时延：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+传播时延+发送时延

问题：区别与联系

?信息：通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像。计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。

?数据：一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。

?信号：信息在传输过程电信号的表示形式：模拟信号和数字信号。

?信道：就是通信双方以传输媒介为基础的传递信号的通路。一条传输媒介上可以有多条信道（多路复用）。

通信系统中的新技术：SDH（同步数字系统）、ATM（异步传输模式）、 IP（宽带IP技术）?IP（宽带IP技术）：IP是一个被广泛应用的网络互联协议（简称IP协议），它是自带

寻址信息的网络层，可提供无连接的数据包传送机制，用以完成计算机之间的通信。

?Atm over sdh：利用sdh的大容量、光纤传输与稳定可靠的带有自愈和迂回路由的网络

结构作为atm交换核心的基础。其技术是将atm信号打包成sdh帧，在sdh上进行传输，即利用了atm面向连接的快速交换能力，提供qos保障。又利用sdh可靠的传输特性，因此从性能、价格和发展态势综合考虑，目前Atm over sdh技术是高速公路通信系统及其联网技术的首选，而宽带IP技术将是未来交通专用通信网的发展趋势。

超大容量DWDM（密集波分复用）传输技术

?DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）在一根光纤上同时传输多个不同

波长的光载波，再通过具有波长选择作用的器件（如干涉滤光膜、光栅等）进行合波分波来实现超大容量传输的实用技术。

第五章：照明系统

一、高速公路照明系统的主要功能：

1、为车辆驾驶人员创造良好的视觉环境，使得驾驶员能迅速准确地接受必要的视觉信息（如路上有无障碍物、前后车辆的相对位置、速度、路面宽度和线形等），使其及时做出反应，以事先防止由于视距不足而发生交通事故。

2、提高高速高速公路的通视和诱导性，缓解注意力的紧张程度，从而大大减轻的驾驶疲劳，增加夜间行车安全感和舒适性，提高运输效率和道路利用率。

3、为高速公路管理业务提供照明，美化环境。

二、系统组成

1、道路照明：是为高速公路使用者提供必要的视觉信息而进行的照明，主要包括：高速公路主线照明、互通式立交照明、桥梁照明及隧道照明等。其主要功能是使驾驶员能清晰地观察到道路的几何形状、前方道路上是否有障碍物、路面状况信息及道路的特殊场所及位置信息等，以利于改善道路交通条件，保障道路交通安全。

2、管理业务及服务照明：是为高速公路管理人员开展正常业务以及车辆行驶的视觉需求而设置的，既要满足收费人员的工作环境照明，也应兼顾车辆在收费广场内的行驶需求，具体包括高速公路的收费广场照明、收费雨棚照明及服务区照明等。

3、景观照明：是创造美感、兼顾照明的实用艺术，通过运用艺术和技术方法，营造具有艺术价值的夜景环境，创造夜景环境中的艺术效果，是展示高速公路发展、科技进步、文化品位的重要手段。

问题：柱杆式照明器采用何种结构可提高主线照明的效果？

1、增加杆高：目前，常用的杆柱高约10-15m；

2、加大悬臂长度：《杆高的1/4，一般在1.5—3.0以内；

3、增加悬臂仰角：《150，一般在50以内。

主线道路照明：

a.主车道设置全程道路照明

b.哪些路段设置照明（局部照明）取决于：道路特征（夜间高峰小时交通量）；安全要求

（事故多发地段）；经济效益

隧道照明：入口设置亮度逐渐降低的过度路段和提供足够的适应亮度变化所需的时间（入口暗适应和出口亮适应）。

立交照明：立杆灯或马路灯。

收费亭及雨棚的照明：具有室内照明的性质。

收费广场的照明：立杆灯或马路灯。

第六章：供配电系统

高速公路电力监控系统采用分层分布系统结构，整个监控系统按照功能分为站控层、通信层和间隔层3个层次。

1）站控层

站控层是高速公路电力监控系统的信息处理及调度控制中心，通常由通信管理机、调度工作站、工程师站和SCADA服务器等构成，其中SCADA服务器为站控层最核心的设备，完成站控层的大部分监控功能。（SCADA：监控和数据采集，电力监控系统的一种）2）通信层

通信层是连接站控层和间隔层的纽带，是间隔层采集数据上传和站控层控制指令下达通道。通常由通信处理装置、以太网交换机、配套屏体及通信线缆等组成。

3）间隔层

间隔层设备包括各种保护测控单元设备，各间隔层设备以以太网方式接入通信管理机，通信管理机以以太网方式接入主通信网。

第七章：隧道机电系统

需求原因：空气污染严重、照度低、交通空间有限

隧道机电系统一般由中央控制系统、现场总线系统、闭路电视系统、隧道信息采集系统、火灾报警系统、交通控制系统、通风照明控制系统、通信系统和供配电系统等构成。

功能组成：监控系统、照明系统、通风系统、消防系统、设备检测系统

高速公路隧道要求双洞单向通行，两洞间距30米

隧道通风：自然通风、机械通风

问题：何谓“交通车辆风”？

答：空气存在惯性和粘性，汽车在隧道内行驶，就好像活塞在气缸内运动，会将车前部分空气推挤出去，从隧道入口吸进一段新鲜空气，还会通过剪切作用将其周围部分空气带出去，人们称这种现象为隧道的“交通车辆风”。

隧道消防

1、烟雾扩散的特点：无风或微风条件；有风条件

2、火灾报警：火灾检测器（自动）｛感温性、感烟型｝；手动报警，按钮依据编码地址安装。

线型火灾探测器和点型探测器性能比较

第八章：高速公路机电系统发展趋势

综合运用高速公路机电系统相关支撑技术领域的最新研究成果，实现高速公路机电系统的“网路化”、“智能化”、“信息化”、“标准化”、“绿色化”和“节约化”必将成为高速公路机电系统的主要发展趋势。

1)网络化——高速公路机电系统联网技术

单独路段的异常事件、运输效能等的影响范围越来越广，必然要求相临路段之间能互相协调。为更好地发挥高速公路路网运输效能，提高高速公路路网服务能力和安全水平，研究高速公路机电系统联网技术，建立区域联网的高速公路机电系统，已成为高速公路机电系统的重要发展趋势和建设目标。

2)智能化——智能高速公路机电系

“第四代”高速公路——“智能”高速公路的研究已成为国内外广大交通从业人员的研究热点。作为ITS的重要组成部分，“智能化”的高速公路机电系统必将成为未来的重要发展方向之一。

3)信息化——信息化高速公路机电系统

总之，为适应以人为本和提高高速公路服务水平的需要，高速公路的运营和管理亦应向信息化迈进，作为保证高速公路实现“高速、安全、舒适”的重要组成部分，提高营运管理效率，保障高速公路高效运营的主要手段，高速公路机电系统亦应向信息化方向发展。

4）绿色化、节约化——环境友好型、资源节约型高速公路机电系统

自从党的十六大以来，中央提出了全面协调可持续的科学发展观，提出要“加快建设资源节约型、环境友好型社会”，而建设“资源节约型、环境友好型”交通行业是其中的重要组成部分。