安元珩,瞿國權(quán)

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 交通機電部,北京 100010）

0 引言

我國現(xiàn)階段已基本上建成了全球規(guī)模最大的現(xiàn)代高速公路網(wǎng)，高速公路的不斷建設(shè)對地方經(jīng)濟、社會全面發(fā)展起到了重要的技術(shù)支撐和區(qū)域帶動作用。2020年8月，交通運輸部辦公廳正式制定印發(fā)實施意見和《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》專項規(guī)劃等，提出通過多種新興信息科技的融合和便捷服務(wù)高效協(xié)同運轉(zhuǎn)管理的模式實現(xiàn)智慧交通建設(shè)方案，深化和實施不停車收費、車路協(xié)同、狀態(tài)交通自動和感知安全預(yù)警機制等一系列智慧公路技術(shù)應(yīng)用[1]。按照標準，高速公路應(yīng)設(shè)置服務(wù)區(qū)，停車區(qū)可在服務(wù)區(qū)之間布設(shè)一處或多處，停車區(qū)與服務(wù)區(qū)之間的間距宜為15~25 km。2020年以來，交通運輸部調(diào)整了高速公路的收費模式和標準，高速公路貨運通行量增長率超過10%，以此帶動了通行費用收入增長11.7%，將每千米的收費額度降低，貨車收費標準改革降低了貨車通行費用負擔。為了使高速公路機電系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行，陳婧等提出了高速公路機電系統(tǒng)智慧運維模式[2]。張春光等人提出了5G技術(shù)應(yīng)用與高速公路的建設(shè)思路，5G技術(shù)的逐漸推進將會在交通領(lǐng)域帶來許多應(yīng)用機遇并將原有交通模式進行大規(guī)模改革[3]?；诖?，該文主要對目前高速公路機電系統(tǒng)建設(shè)情況及其相關(guān)技術(shù)進行分析。

1 交通流技術(shù)分析

交通流是指汽車在道路上行駛形成的車流，是交通監(jiān)控管理的主要對象，對交通流開展研究與建模是交通工程界的重要研究內(nèi)容，為高速公路機電系統(tǒng)分析設(shè)計、決策管理提供幫助。交通流運行狀態(tài)具有定性和定量兩方面的監(jiān)測標準，其特征統(tǒng)稱為交通流特性，通過特定的物理量進行描述，這些物理量即為交通特征變量或交通流參數(shù)。交通流狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩類，穩(wěn)態(tài)是指只考慮交通流各參數(shù)沿道路長度和方向的不同分布，不考慮它們隨時間的變化；而動態(tài)則既考慮各參數(shù)隨空間變化，也考慮它們隨時間變化。

1.1 交通流的基本參數(shù)

交通流特性主要由三個基本參數(shù)組成：交通量q、行車速度v和車流密度k。其中，隨機數(shù)交通量q是指在指定時間段內(nèi)，通過道路某一地點、某一斷面或某一條車道具體的交通實體數(shù)。在不同時間、不同地點的交通量是不同的。某一時間段的代表交通量通常取某一時間段內(nèi)的平均值[4]，其公式表示為：

式中，qi——指定時間段內(nèi)的交通量；n——指定時間段的段數(shù)。

交通量的實際預(yù)測時，橫斷面有三種可能，可以是單向單車道、單向多車道或雙向公路橫截面，具體要根據(jù)實際需要進行選用；而小客車車輛總數(shù)是將其他車輛折合成小客車。

車流密度k是指某一瞬間內(nèi)單位道路長度上的車輛數(shù)目，即：

式中，k——車流密度；N——路段內(nèi)的車輛數(shù)；L——路段長度。

車流密度值反映了一條道路上的交通密集程度。為使車流密度便于在實際中進行對比分析，采用單車道對其進行定義，單位為：輛/千米/車道。

行車速度v指車輛在區(qū)間內(nèi)的平均速度，具體為在某一特定時刻，行駛于道路某一特定長度內(nèi)全部車輛車速分布的平均值。

式中，L——路段長度；ti——第i輛車的行駛時間；n——車輛行駛于路段長度L的次數(shù)；vi——第i輛車行駛速度；v——區(qū)間平均車速。

各種車型當量換算關(guān)系如表1所示。

表1 車輛換算系數(shù)表

1.2 交通流參數(shù)模型

交通流三參數(shù)之間的基本關(guān)系式為：

式中，q——平均流量；v——區(qū)間平均車速；k——平均密度。

（1）速度與密度模型。常用的速度—密度線性關(guān)系模型為：

由于q=vk，當交通密度很大時， 車流密集到所有車輛無法移動，采用格林柏的對數(shù)模型，即：

當交通密度很小時，采用安特伍德的指數(shù)模型，即：

（2）流量與密度關(guān)系。交通流的流量—密度關(guān)系模型為：

（3）流量與速度的關(guān)系。流量與速度的關(guān)系為：

通過模型公式可以看出，通常速度隨流量增加而降低，直至達到最大流量為止。在擁擠區(qū)部分，流量和速度都會降低。

1.3 交通流干擾分析

道路上的交通流狀態(tài)是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，往往隨駕駛員技術(shù)與心理特點、車輛狀況和道路交通條件而變化，還會受到氣象等條件的影響。這些影響交通流狀態(tài)的因素稱為交通流的干擾。研究交通流的干擾情況，對高速公路的有效管理與控制，實現(xiàn)高速公路監(jiān)控與管理目標有著重要的意義。

（1）駕駛員因素。駕駛員在車輛駕駛過程中，其感官接受外部刺激信息從而產(chǎn)生相應(yīng)感覺來控制車輛，其過程為:接受刺激信息、分析判斷、做出反應(yīng)。不同駕駛員技術(shù)水平、心理期望速度和對突發(fā)事件的反應(yīng)時間不同。因此，生理和心理特征是駕駛員駕駛的影響因素之一，會對交通流狀態(tài)產(chǎn)生一定影響。

（2）車輛因素。車輛自身因素也會影響交通流的狀況，其交通性能主要包括車輛尺寸、動力性能和制動性能。車輛尺寸主要指車身的外形尺寸，它決定了車輛的容量，并與車輛交通狀態(tài)和交通監(jiān)控管理密切相關(guān)。車輛的動力性能主要由三方面指標來衡量：加速時間、最高速度和最大爬坡度。車輛動力性能是汽車最根本的性能，它決定了汽車運輸效率的高低。車輛的另一性能表現(xiàn)為制動性能，主要衡量指標為：制動力和制動距離，它是保證行車安全的最重要的性能。

車輛的制動力由兩部分構(gòu)成，一是汽車制動器內(nèi)部產(chǎn)生的制動力矩，二是汽車輪胎與路面之間的摩擦力。因此，汽車的制動距離不僅與車輛性能密切相關(guān)，還經(jīng)常要考慮路面的因素。計算公式是:

由上式可知，隨著車速增高，汽車制動距離將快速增長。

（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與道路服務(wù)水平，它們直接影響著交通流的狀態(tài)和交通流的控制方法。道路的通行能力不是一個不變的定值，它隨道路條件、交通條件、管制條件及氣候、溫度、地形等因素而變化。

2 高速公路機電系統(tǒng)構(gòu)成

高速公路機電設(shè)備在高速公路建設(shè)中屬于必不可缺的部分，其分布的環(huán)境類型呈現(xiàn)較多樣化發(fā)展態(tài)勢。高速公路機電系統(tǒng)主要由四大系統(tǒng)構(gòu)成，包括：隧道機電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。其中智能供電技術(shù)是機電系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，收費系統(tǒng)是交通命脈，通信系統(tǒng)是整個高速公路機電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制中樞，起到核心作用，監(jiān)控系統(tǒng)是輔助監(jiān)管手段。監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控設(shè)備中心控制系統(tǒng)和監(jiān)控通信設(shè)備控制中心組成，它起到對轄區(qū)高速公路網(wǎng)絡(luò)運行情況及時分析監(jiān)測的作用，對各收費車輛當前的行駛情況以及相關(guān)路面信息進行監(jiān)控分析。

2.1 隧道機電系統(tǒng)

高速公路隧道機電系統(tǒng)以供配電自動化系統(tǒng)建設(shè)為網(wǎng)絡(luò)重要功能組成部分，通過技術(shù)手段營造公路良好交通環(huán)境，保障高速公路上各類車輛安全有序通行。構(gòu)建隧道配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，首先確定線路供電系統(tǒng)負荷類型和輸出電壓范圍以及輸入電流方向等，其次需要設(shè)計一套高質(zhì)量可靠的隧道供配電通信網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃方案。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計，高速公路事故量約為0.57起每億車千米，因此需要提高高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的性能。一般來說，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠程現(xiàn)場集中控制視頻監(jiān)控技術(shù)和高速閉路電視系統(tǒng)技術(shù)組成，實現(xiàn)了對車輛的遠程監(jiān)管。建設(shè)后的隧道監(jiān)控系統(tǒng)利用隧道通信管理監(jiān)控中心，將通過通信控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與變電所環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)配合，發(fā)揮其聯(lián)合監(jiān)測的功能，形成高速公路綜合監(jiān)管環(huán)網(wǎng)。

2.3 收費系統(tǒng)

經(jīng)統(tǒng)計 MTC（現(xiàn)金支付）車道全年產(chǎn)生的通行費總額占全年通行費總額的72.50%，ETC（電子支付）車道全年產(chǎn)生的通行費總額達全年通行費總額的27.50%。收費系統(tǒng)是我國高速公路中比較核心的系統(tǒng)，在利用現(xiàn)有的ETC全國高速公路聯(lián)網(wǎng)電子收費監(jiān)管系統(tǒng)功能的技術(shù)基礎(chǔ)平臺上，建立收費稽查系統(tǒng)。收費系統(tǒng)對機電系統(tǒng)的依賴度比較大，在安裝時需要著重考慮機電系統(tǒng)是否能滿足收費系統(tǒng)的質(zhì)量需求，注重底層設(shè)施的布局與維護，包括各類電線電纜和管道等，區(qū)分開強電、弱電電纜，排除電纜間信號干擾，要不定期對其抽檢、定期開展設(shè)備維護養(yǎng)護工作。

2.4 通信系統(tǒng)

根據(jù)全國高速公路機電工程及通信應(yīng)用系統(tǒng)實際運行及實踐工作總結(jié)，采用通信應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，可綜合實現(xiàn)系統(tǒng)以下功能：

（1） 監(jiān)控車輛。僅依靠路面交通執(zhí)法實施日常安全生產(chǎn)監(jiān)督執(zhí)法檢查，會面臨一定的挑戰(zhàn)，采用現(xiàn)代化通信技術(shù)手段構(gòu)建道路交通信息化監(jiān)管系統(tǒng)，輔助實現(xiàn)車輛出入口運行情況監(jiān)控，能夠進一步保障我市高速公路系統(tǒng)安全高效穩(wěn)定運行。

（2） 維護道路。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對公路網(wǎng)絡(luò)維護等工作信息進行跟蹤分析，明確需要維護車輛的行駛地點范圍以及線路狀況，可做好維護相應(yīng)資料準備，促使交通工程實際維護自動化水平逐步得到有效提高。輔助人員通過采用信息化辦公系統(tǒng)迅速與當?shù)叵嚓P(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門人員獲得聯(lián)系，快速及時獲得政策援助資金與項目相應(yīng)方面的服務(wù)資源。

3 高速公路機電系統(tǒng)建設(shè)

通過查閱大量相關(guān)文獻可知，目前我國高速公路綜合運維及服務(wù)監(jiān)管系統(tǒng)領(lǐng)域存在嚴重問題[5]，需要建立更加科學(xué)的高速公路機電一體化運管應(yīng)用系統(tǒng)。目前大部分軟件公司所做的研究與開發(fā)在機電設(shè)備運維和自動化的業(yè)務(wù)體系中只是對設(shè)備的一些基本業(yè)務(wù)整合，缺乏創(chuàng)新性和技術(shù)交叉應(yīng)用，數(shù)據(jù)智能化分析還是非常粗淺的，下面將針對傳統(tǒng)高速公路機電系統(tǒng)存在的問題，提出一些智慧機電系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)技術(shù)方案。

3.1 大數(shù)據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

依托云計算和深度學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建智慧高速大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集和分析能力，深度挖掘用戶需求，打造智慧型高速公路服務(wù)區(qū)一體化的管理平臺，通過信息推送方法向公眾提供路況、預(yù)約、便捷服務(wù)等信息，滿足公眾出行服務(wù)需求；以服務(wù)區(qū)為高速公路樞紐節(jié)點，向大眾提供多項便民服務(wù)，為處置惡劣災(zāi)害天氣、突發(fā)事件及時提供統(tǒng)一應(yīng)急組織指揮協(xié)調(diào)，滿足綜合服務(wù)區(qū)運營安全監(jiān)管、應(yīng)急保障決策指揮需要。

3.2 智慧化布崗

依據(jù)路段來劃分機電運維崗位是傳統(tǒng)高速公路機電系統(tǒng)的管理模式，該模式下主要對前文所提到的隧道機電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)和通信系統(tǒng)四大高速公路系統(tǒng)進行監(jiān)管，該模式下系統(tǒng)的維護需引入第三方機構(gòu)進行。而智慧化高速公路系統(tǒng)對崗位進行了重新劃分，主要從兩方面考慮：

（1）配合ETC技術(shù)做好相關(guān)系統(tǒng)運維監(jiān)管，通過新技術(shù)帶動崗位劃分，對相關(guān)技術(shù)人員進行按需定崗。加強人員技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)了解ETC技術(shù)的相關(guān)運維技術(shù)，提高設(shè)備運行可靠性。

（2）配備應(yīng)急人員，在原有的按路段劃分崗位的基礎(chǔ)上，配備流動人員，由于ETC門架具有“點多線長”的特點，除按路段進行拆分的方案外，如遇突發(fā)情況時，流動技術(shù)人員會隨時增補支援，保障機電設(shè)備平穩(wěn)運行。

3.3 引入先進設(shè)備

ETC技術(shù)雖然是目前高速公路的主流收費模式，但是仍有少數(shù)車輛采用非ETC技術(shù)進行支付，為減輕人員壓力并優(yōu)化收費模式，可考慮引入先進收費設(shè)備——收費機器人，機器人整合了計算機視覺技術(shù)、智能語音識別技術(shù)和大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)。收費機器人是收費系統(tǒng)的集成外設(shè)，采用軟硬件融合技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集與分析，數(shù)據(jù)的分析則采用云端處理模式。

4 總結(jié)

綜上所述，高速公路機電系統(tǒng)的建設(shè)是構(gòu)筑高速公路系統(tǒng)建成的重要組成部分。在對高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的分析中，要全面系統(tǒng)地進行多方面因素考慮。不僅要考慮高速公路建成的理論基礎(chǔ)，也要結(jié)合實際進行工程上的分析。只有在綜合分析的條件下，才能實現(xiàn)高速公路機電系統(tǒng)的有效建設(shè)，建成高效、智能的高速公路路網(wǎng)體系。在這中間，對于高速公路人員的管理、設(shè)施的完善是必不可少的，只有加強了人員規(guī)劃，提升設(shè)備設(shè)施的自動化，才能讓高速公路產(chǎn)業(yè)得到有效發(fā)展，從而帶動經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。