張月瑩，余　琳

(浙江省機電設計研究院有限公司，杭州　310051)

高速公路機電系統(tǒng)檢測技術(shù)應用研究

張月瑩，余琳

(浙江省機電設計研究院有限公司，杭州310051)

摘要：高速公路機電檢測是高速公路機電工程質(zhì)量保證體系中的一個重要因素，是對工程質(zhì)量、設備運行狀態(tài)的技術(shù)保證。闡述高速公路機電工程的現(xiàn)狀及特點，并針對機電設施不同的分項工程采用不同的檢測技術(shù)，從而達到對機電設備的全面監(jiān)測，提高高速公路的工程質(zhì)量、降低維護運營成本的目的。

關(guān)鍵詞：高速公路；機電工程；檢測

1高速公路機電檢測研究背景與現(xiàn)狀

1.1背景

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路建設規(guī)模逐漸變大，人們對服務質(zhì)量要求也越來越高，高速公路的功能也日趨完善。機電系統(tǒng)作為高速公路基礎設施的重要組成部分，承擔著信息發(fā)布、數(shù)據(jù)交換、保障安全等重要任務，是人們在高速公路行駛過程中息息相關(guān)的重要支撐系統(tǒng)。隨著智能交通系統(tǒng)(ITS)的不斷發(fā)展以及新技術(shù)、新設備等高科技前沿產(chǎn)品不斷用于高速公路建設中，對高速公路機電工程的質(zhì)量要求也日趨嚴格。高速公路機電工程的試驗檢測是機電工程質(zhì)量保證體系的一個重要因素，其對提高工程質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。本文主要從高速公路各分項工程的檢測方法、數(shù)據(jù)分析、檢測設備3方面對高速公路機電系統(tǒng)檢測技術(shù)進行歸納、總結(jié)和探討。

1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀

我國機電設備檢測工作的開展始于1983年。先是傳感器技術(shù)的發(fā)展使得機電系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)形成了以傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)為基礎，以信號處理技術(shù)為手段的一次質(zhì)的飛躍，然后利用振動、噪聲、電、磁、光、射線等多種信息產(chǎn)生了設備的振動、噪聲、光譜、無損檢測、熱成像等監(jiān)測和故障分析技術(shù)[1]。近年來，隨著各類數(shù)據(jù)處理軟、硬件發(fā)展成熟，致使實時在線監(jiān)測及故障分析技術(shù)也變得可能。

除了施工現(xiàn)場檢驗、交工驗收檢驗、竣工驗收檢驗之外，機電檢測對高速公路系統(tǒng)運營之后設備維護階段的監(jiān)測也具有積極作用。我國對機電設備的維護仍處在傳統(tǒng)的計劃、定期維護階段[2]，這種方式帶有很大的盲目性，對設備的故障率、故障類型、故障部位往往不能夠準確把握，且大范圍的定期維護也造成了大量的人力、物力的浪費。在此狀況下，公路機電系統(tǒng)檢測使機電設備的維護產(chǎn)生了根本性的轉(zhuǎn)變，一方面在道路建成初期就對機電設備的指標進行了規(guī)范化檢定，是設備質(zhì)量達到更高層次的認定，為設備的良好運行提供了基礎；另一方面，在設備長期運行之后對其運用完善的檢測手段進行維護性檢測，可為保養(yǎng)單位提供準確的設備狀態(tài)信息，避免維修的盲目性，使得養(yǎng)護單位可以有針對性地對整個系統(tǒng)進行維護檢修，這不僅可以避免不必要的經(jīng)濟浪費，而且還可以縮短系統(tǒng)的維修工期，減少因道路維護對通行的影響，對提高高速公路投資效益和提高管理水平起到積極作用。

2高速公路機電設施分析

2.1機電系統(tǒng)現(xiàn)狀

高速公路機電系統(tǒng)分布在各公路沿線，由不同的管理中心、收費站、地段及隧道和橋梁組成。機電設備種類繁多，涵蓋了自動化控制技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及機械工程技術(shù)等各學科，且涉及環(huán)衛(wèi)、電信、消防、電力等各部門協(xié)同合作，集成度較高。與國外發(fā)達國家相比，我國在如下方面還存在一定差距。

1) 設計水平有待提高。缺乏深度調(diào)研，缺少與國外機電系統(tǒng)專業(yè)人員的經(jīng)驗交流，不能突破原有的設計框架，與實際結(jié)合不夠緊密，與運營需求脫節(jié)，從而造成不同項目設計類似，在一些路段造成資源浪費。隨著智能交通的深入發(fā)展，現(xiàn)有的機電系統(tǒng)設計越來越不能滿足智能交通的要求。

2) 系統(tǒng)智能化水平還有待加強。目前，對交通流特性的采集、隧道通風照明的控制、異常事件的處理、緊急事故的預案等都處于初級階段，甚至一些路段運行一段時間后，由于設備老化、缺乏有效維護手段等其自動控制預警系統(tǒng)等智能化功能已喪失，只能采用人工控制方式來進行管理。

3) 現(xiàn)有標準、規(guī)范不夠完善。隨著新技術(shù)、新設備的發(fā)展，越來越多的新型產(chǎn)品被應用到高速公路機電系統(tǒng)中，而針對新裝備的設備技術(shù)指標，現(xiàn)有規(guī)范已無法提供準確的檢測依據(jù)，從而導致在設計、施工及運營中的隨意性較大，無形之中帶來更大的安全隱患。

4) 系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性不高，設備故障率較高，造成監(jiān)控、通信等功能中斷。軟件系統(tǒng)功能不夠完善，沒有對采集回的數(shù)據(jù)進行真正的分析處理，報表中數(shù)據(jù)混亂、失真，無法形成有效的趨勢曲線來為整體運營管理提供真實有效的參考數(shù)據(jù)。

2.2機電設施分類

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范標準，將高速公路機電系統(tǒng)分為監(jiān)控、通信、收費、低壓配電、照明、隧道機電6個分部工程[3]。其中，監(jiān)控系統(tǒng)負責信息采集、信息發(fā)布、指揮控制、交通誘導等；通信系統(tǒng)負責信息流的傳送；收費系統(tǒng)則是高速公路運營單位實現(xiàn)經(jīng)濟效益的重要手段；低壓配電系統(tǒng)是整個機電系統(tǒng)的動力源泉；照明系統(tǒng)則為夜間、雨天、大霧等不良環(huán)境下的行車提供可靠的保障；隧道機電系統(tǒng)則為車輛在隧道內(nèi)的安全行駛提供全方位的環(huán)境保證。

2.3機電設施故障特點

高速公路機電系統(tǒng)是一個多學科、多領(lǐng)域交叉影響的復雜系統(tǒng)，涉及通信、電子、機電、計算機、網(wǎng)絡、自動控制、供配電等諸多學科，大部分是軟件與硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設備，包含許多機械設施、電子設施。高速公路設備大部分安裝在戶外或環(huán)境比較潮濕的隧道內(nèi)，設備零部件、電子元器件等要經(jīng)受夏季高溫、冬季低溫、潮濕等不利環(huán)境的考驗，因此設備損耗是機電設施故障的一個特點。另外，設備的設計缺陷、材料質(zhì)量問題或者人員的操作失誤、維護不當?shù)纫彩菣C電設施產(chǎn)生故障的一個主要原因。

3高速公路機電設施檢測技術(shù)與方案

3.1檢測內(nèi)容

試驗檢測應嚴格按照國家、交通部及相關(guān)部門的政策、法律、法規(guī)、技術(shù)規(guī)范、設計文件、圖紙等進行。目前，我國高速公路機電檢測依據(jù)JTG F80/2—2004《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》進行。檢測主要從基本要求、外觀檢查以及實測項目3個方面進行。

基本要求即是從設備的數(shù)量、型號規(guī)格、安裝位置、線纜敷設、是否在正常工作狀態(tài)等方面進行檢查。外觀檢查則是從設備機箱的安裝質(zhì)量、電力線、信號線、防雷、接地、安全保護等處理工序、工藝方面用多項指標評定整個分項工程的質(zhì)量。這些缺陷能從一定程度上反映承包商的技術(shù)水平不足或運營單位工程管理方面不到位。實測項目是機電檢測的最主要部分，依據(jù)JTG F80/2—2004的要求，將高速公路機電設施分為各個分項工程并進行詳細指標檢測。

3.2檢測方法

按照規(guī)范要求，關(guān)鍵設備抽樣頻率應不少于工程總量的30%；常規(guī)最低測試點數(shù)不小于3個，若抽樣點數(shù)少于3個則應全部檢測。抽樣方法采用分層隨機抽樣與簡單隨機抽樣相結(jié)合的形式，依據(jù)不同的分項工程和設備分類選擇使用[4]。檢測過程中若出現(xiàn)測驗超差、與預估數(shù)據(jù)差異較大時，則應停止檢測。對處在允許范圍邊緣的數(shù)據(jù)應重復測試3次，檢測結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行復核，確認無誤后再對被測設備做測后處理。下面以杭長高速公路機電系統(tǒng)交工檢測為例，對重點項目檢測方法、數(shù)據(jù)處理及檢測過程中出現(xiàn)的問題與分析進行簡要闡述。

3.2.1監(jiān)控系統(tǒng)測試

杭長高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)軟件與隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分(監(jiān)控系統(tǒng)包括路面監(jiān)控與隧道監(jiān)控2部分，此處集中進行闡述)。檢測內(nèi)容包括：驗證實時數(shù)據(jù)的準確性(外場設備采集的交通流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)布交通誘導信息數(shù)據(jù)、實時交通管制信息等)、核查歷史事件數(shù)據(jù)以及對相關(guān)事件應急預案進行模擬，驗證系統(tǒng)是否依據(jù)預案對視頻、信息發(fā)布、照明、報警等設備進行聯(lián)動處理。

1) 實時數(shù)據(jù)功能性、準確性檢測。

車輛檢測器的計數(shù)、計速精度測試方法：按規(guī)范要求，分別在設備端與檢測儀器端對高速公路現(xiàn)場過往車輛進行實時數(shù)據(jù)采集(采樣量：100輛車)。當達到采集數(shù)量后，對比設備端與檢測儀器端的數(shù)據(jù)，并計算誤差。記錄好采集數(shù)據(jù)的時間，方便監(jiān)控中心復核該時段該設備的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行對比。

氣象儀、環(huán)境檢測器測試方法：現(xiàn)場采集氣象檢測儀、環(huán)境檢測器(COVI、亮度計)溫度、濕度、能見度等數(shù)據(jù)、與監(jiān)控軟件中該設備反饋的溫度、濕度、能見度等數(shù)據(jù)進行對比，并計算誤差。

遠程控制功能測試方法：遠程控制情報板、誘導標志信息發(fā)布，隧道風機開啟/關(guān)閉及風向控制，查看緊急電話的設備狀態(tài)等并與現(xiàn)場設備狀態(tài)進行對比驗證。模擬火災事件(現(xiàn)場點燃一小堆火釋放濃煙)以檢驗隧道照明、誘導設施、火災報警、通風設施是否按應急預案進行聯(lián)動控制。

2) 視頻傳輸通道測試。

將標準視頻信號發(fā)生器與視頻信號分析儀分別接至傳輸通道的兩端，并發(fā)送75%彩條信號測試視頻電平、同步脈沖幅度，發(fā)送2T信號測試回波E、亮度非線性、色度/亮度增益差、色度/亮度時延差、微分增益、微分相位，發(fā)送sinx/x信號測試幅頻特性、視頻信雜比，作好數(shù)據(jù)記錄。

可變標志、大屏幕投影系統(tǒng)測試時，須將可變標志顯示屏調(diào)成紅、綠、黃(紅、綠、藍、白)單色，亮度應調(diào)節(jié)至最大，并用彩色亮度儀對顯示屏亮度進行測試，作好數(shù)據(jù)記錄。亮度測試原理如圖1所示。

圖1　亮度測試原理示意

3) 數(shù)據(jù)處理。

對于實測項目，JTG F80/2—2004標準作了嚴格規(guī)定，本文只對需要特別處理的數(shù)據(jù)及檢測過程中可能出現(xiàn)的問題進行說明。

4) 誤差計算。

式中：n為抽樣數(shù)量。

車輛檢測器(交通計數(shù)精度允許誤差為±2%)、氣象檢測儀(能見度誤差±10%)等設備的誤差計算須用到此公式。

5) 亮度不均勻度計算。

Pu=max{|Imin-Ia|/Ia，|Imax-Ia|/Ia}×100%

式中：Imin為測量亮度最小值；Imax為測量亮度最大值；Ia為平均亮度。

大屏幕投影系統(tǒng)的亮度不均勻度的計算須用此公式。

3.2.2通信系統(tǒng)測試

光纖接頭損耗：將OTDR接入中繼段兩端測量單模光纖接頭損耗平均值、總損耗等指標。

光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)：使用光功率計測量抽樣點的光口系統(tǒng)接收光功率、平均發(fā)送光功率。將2 M傳輸測試儀、光衰減器接入系統(tǒng)中，先增大光衰減器的光衰減值，使檢測器初次出現(xiàn)誤碼，再逐漸調(diào)整光衰減值，使檢測器處于臨界狀態(tài)(剛好不出現(xiàn)誤碼)，觀察2 min，待其穩(wěn)定后，將光衰減器和光功率計相連，測試光接收靈敏度。

通信電源：將電池性能分析儀接入備用電池組兩端，測試電池組的供電特性。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)現(xiàn)場實際傳輸距離選擇波長為1 310或1 550 nm進行測試。Δ單模光纖接頭損耗平均值≤0.1 dB，而中繼段單模光纖總損耗的計算公式為：1 310 nm測試模式總損耗=中繼段長度L×0.4 dB/km；1 550 nm測試模式總損耗=中繼段長度L×0.25 dB/km。

通信系統(tǒng)測試需連續(xù)不間斷地進行，中途斷電等因素會影響測量數(shù)據(jù)的準確性。因此，測量過程中需要保持設備供電、連接不受干擾，且UPS、柴油發(fā)電機組的測試時間需與之錯開。

3.2.3收費系統(tǒng)測試

1) ETC車道[5]。

RSU通信范圍測試：利用手持式頻譜儀，面向RSU方向測試RSU天線場強強度。在“通信區(qū)域測試坐標點記錄表”上記錄-40 dB場強坐標值，且每個天線通信區(qū)域至少取20個有效點，并繪出場強區(qū)域圖。

實際行車跟馳測試、鄰道干擾測試：將OBU分別安裝在不同類型車輛擋風玻璃正前方，并按順序讓車輛以1～3 m間距、限速上限車速通過ETC車道。記錄各車OBU交易情況，觀察是否存在鄰道干擾現(xiàn)象。

車牌識別功能：駕駛不同類型的車輛通過車道，通過軟件查看車牌識別情況，計算準確率。

2) 二義性路徑識別系統(tǒng)[6]。

路徑標識測試：將OBU正確安裝在車輛上，以路段限速通過路側(cè)標識站所在斷面；至出口讀出標識信息，核對是否標識并正確。每車道RSU天線取50組標識記錄。

功能性測試：檢查控制器在RSU發(fā)生非正常工作時的報警信息。在收費中心遠程查看控制、安全監(jiān)視等功能。

檢測過程中，可能會出現(xiàn)RSU通信范圍超出允許值，可能存在鄰道干擾、跟車現(xiàn)象，可能出現(xiàn)車牌識別準確率不夠以及二義性標識率不足等情況，故需根據(jù)具體問題并通過調(diào)整RSU功率、調(diào)整RSU角度等方式來控制通信范圍及鄰道干擾、跟車現(xiàn)象，調(diào)整車牌識別器角度、補光燈亮度以提高識別率，并采取調(diào)整車道RSU設置參數(shù)以提高標識率等手段來解決問題，保證通車后系統(tǒng)運營正常。

3.2.4低壓配電設備測試

高低壓配電屏：對雙電源進行切換，并對其進行驗證。

柴油發(fā)電機組：根據(jù)設計圖紙要求查看柴油發(fā)電機組是否具備斷電自啟動功能，如具備則對市電進行斷電，查看發(fā)電機組是否自啟動。

EPS/UPS：對市電進行斷電處理，查看不間斷電源是否及時對設備供電。

電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件：通過監(jiān)控界面對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)查詢，并與現(xiàn)場實際情況進行對比，查看監(jiān)控軟件中設備反饋的狀態(tài)、數(shù)據(jù)是否準確。

3.2.5照明系統(tǒng)測試

在各照明段內(nèi)隨機抽取1處照明區(qū)域進行測試。照明區(qū)域內(nèi)照明測試點的劃取方法為：在兩路燈之間沿行車方向劃成10等分，共設置11×5個測試點，如圖2所示，并用專業(yè)級照度計測試照度[7]。

圖2　照度取點布局

功能性測試：對照明不同回路進行啟動測試。

數(shù)據(jù)處理：以牛角山隧道照度測試為例，對隧道照明基本段進行照度測試。該隧道基本段平均照度Ehav計算時，將測得的布局點照度值帶入公式，即Ehav=(∑E角+2∑E邊+4∑E中心)/4 mn。式中：E角為測量區(qū)域4個角處的照度；E邊為測量區(qū)域除4角外4條邊上的照度；E中心為4條外邊以內(nèi)的測點照度;m、n分別為橫向、縱向網(wǎng)格數(shù)。照度總均勻度U0計算公式為：U0=Emin/Ehav。式中：Emin為布局點照度值最小值。照度縱向均勻度計算公式為：布局點照度值最小值/布局點照度值最大值。

亮度和照度的換算：采用L=Q0E公式計算亮度。式中：L為亮度值；E為照度值；Q0則需根據(jù)實際路面材質(zhì)進行選取，水泥、混凝土路面取Q0=1/10～1/13，瀝青路面取Q0=1/15～1/22[8]。

檢測過程中需注意燈具排列規(guī)則，需清楚了解設計圖紙及設計對照度的要求。布點時，如果現(xiàn)場燈具排列為對稱式，則可測取半幅路面照度值，而另一半只需對稱取值便可，以便節(jié)省測試時間。

3.2.6隧道通風設施測試

絕緣電阻：切斷設備電源，將測試線分別接至設備強電輸入相線端子和設備箱地線端子。

風機平均風速：開啟風機至全速運轉(zhuǎn)后，在隧道內(nèi)縱向相鄰2風機安裝位置中心附近的路面上，用風速儀測量隧道斷面風速。

風機安裝高度：用激光測距儀在風機正下方測試。

功能性測試：在監(jiān)控中心及本地控制器處對風機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單個風機、風機組啟動等功能測試。

測試過程中，對不可控或與控制命令不符的設備應要求集成商馬上更正，以保證遠程控制及本地控制的準確性。

測試結(jié)束后，對測試數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)處理。其中，若JTG F80/2—2004中的關(guān)鍵項目出現(xiàn)問題，則應嚴格要求集成商現(xiàn)場解決，或作為遺留問題給出整改期限進行整改，復檢合格后才能通過。如不能解決需加倍抽檢，仍不能達標則要求集成商更換同批次所有設備，保證施工質(zhì)量。非關(guān)鍵項目要求則相應降低，可以整改完成便予以通過。如實在無法整改完成，則按照規(guī)定扣分處理，給予通過。

3.3檢測儀器

檢測需要用到的主要檢測儀器如表1所示。

表1　檢測儀器及其參數(shù)

試驗檢測儀器均是經(jīng)過國家法定計量檢定部門檢定通過的精密儀器，其精度嚴格控制在國家基準范圍內(nèi)，使用過程中需特別注意量程、使用時間、精度誤差等性能參數(shù)，誤差超出范圍或超過檢定周期的儀器需到國家法定計量檢定部門進行校準、檢定，合格后才能繼續(xù)使用。

一些設備在使用過程中需特別注意使用方法。如視頻測量儀一般具有級聯(lián)功能，在終端測試時，注意將75 Ω的終結(jié)端子插在下一級的BNC端子上，否則將產(chǎn)生反射，影響測量結(jié)果。

4結(jié)束語

隨著高速公路的應用地位越來越重要，高速公路機電設備檢測也越來越有必要。隨著高速公路的不斷建設，其建設時期的過程檢測、建成試運行之后的交工檢測、竣工時的竣工驗收檢測以及運行后期的維護保養(yǎng)檢測均應得到不斷的重視和加強，且需利用科學、合理的檢測方法為其高效、經(jīng)濟、安全運營提供技術(shù)支持。

參 考 文 獻

[1]楊小林，呂伯平.超聲熱成像檢測實用實例[J].無損檢測，2007，29(5)：275-277.

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[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 10111—2008隨機數(shù)的產(chǎn)生及其在產(chǎn)品質(zhì)量抽樣檢驗中的應用程序[S].北京：中國標準出版社，2008.

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Research on Application of Detection Techniques for Mechatronical Systems of Expressways

ZHANG Yueying, YU Lin

Abstract:Mechatronical detection of expressways is an important factor in quality assurance system of expressway mechatronical projects and a technical guarantee for project quality and operating states of equipment. This paper expatiates the status quo and features of expressway mechatronical projects, and adopts different detection techniques against different branch projects of electromechanical facilities for the purposes of fully monitoring mechatronical equipment, improving project quality of expressways and reducing maintenance and operation costs.

Keywords:expressway; expressway; mechatronical project; detection

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.025

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：張月瑩(1985-)，女，遼寧省沈陽市人，本科，工程師。

文章編號：1009-6477(2016)03-0112-05中圖分類號：U412.36+6

文獻標識碼：A