安元珩,瞿國(guó)權(quán)

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 交通機(jī)電部,北京 100010）

0 引言

我國(guó)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(duì)地方經(jīng)濟(jì)、社會(huì)全面發(fā)展起到了重要的技術(shù)支撐和區(qū)域帶動(dòng)作用。2020年8月，交通運(yùn)輸部辦公廳正式制定印發(fā)實(shí)施意見(jiàn)和《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》專項(xiàng)規(guī)劃等，提出通過(guò)多種新興信息科技的融合和便捷服務(wù)高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)管理的模式實(shí)現(xiàn)智慧交通建設(shè)方案，深化和實(shí)施不停車收費(fèi)、車路協(xié)同、狀態(tài)交通自動(dòng)和感知安全預(yù)警機(jī)制等一系列智慧公路技術(shù)應(yīng)用[1]。按照標(biāo)準(zhǔn)，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(lái)，交通運(yùn)輸部調(diào)整了高速公路的收費(fèi)模式和標(biāo)準(zhǔn)，高速公路貨運(yùn)通行量增長(zhǎng)率超過(guò)10%，以此帶動(dòng)了通行費(fèi)用收入增長(zhǎng)11.7%，將每千米的收費(fèi)額度降低，貨車收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)改革降低了貨車通行費(fèi)用負(fù)擔(dān)。為了使高速公路機(jī)電系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，陳婧等提出了高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)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(jìn)將會(huì)在交通領(lǐng)域帶來(lái)許多應(yīng)用機(jī)遇并將原有交通模式進(jìn)行大規(guī)模改革[3]?；诖耍撐闹饕獙?duì)目前高速公路機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)情況及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(duì)象，對(duì)交通流開(kāi)展研究與建模是交通工程界的重要研究?jī)?nèi)容，為高速公路機(jī)電系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)、決策管理提供幫助。交通流運(yùn)行狀態(tài)具有定性和定量?jī)煞矫娴谋O(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其特征統(tǒng)稱為交通流特性，通過(guò)特定的物理量進(jìn)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(dòng)態(tài)兩類，穩(wěn)態(tài)是指只考慮交通流各參數(shù)沿道路長(zhǎng)度和方向的不同分布，不考慮它們隨時(shí)間的變化；而動(dòng)態(tài)則既考慮各參數(shù)隨空間變化，也考慮它們隨時(shí)間變化。

1.1 交通流的基本參數(shù)

交通流特性主要由三個(gè)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(jī)數(shù)交通量q是指在指定時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)道路某一地點(diǎn)、某一斷面或某一條車道具體的交通實(shí)體數(shù)。在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的交通量是不同的。某一時(shí)間段的代表交通量通常取某一時(shí)間段內(nèi)的平均值[4]，其公式表示為：

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

交通量的實(shí)際預(yù)測(cè)時(shí)，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(shí)際需要進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)際中進(jìn)行對(duì)比分析，采用單車道對(duì)其進(jìn)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(shí)刻，行駛于道路某一特定長(zhǎng)度內(nèi)全部車輛車速分布的平均值。

式中，L——路段長(zhǎng)度；ti——第i輛車的行駛時(shí)間；n——車輛行駛于路段長(zhǎng)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(dāng)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(dāng)交通密度很大時(shí)， 車流密集到所有車輛無(wú)法移動(dòng)，采用格林柏的對(duì)數(shù)模型，即：

當(dāng)交通密度很小時(shí)，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(guò)模型公式可以看出，通常速度隨流量增加而降低，直至達(dá)到最大流量為止。在擁擠區(qū)部分，流量和速度都會(huì)降低。

1.3 交通流干擾分析

道路上的交通流狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，往往隨駕駛員技術(shù)與心理特點(diǎn)、車輛狀況和道路交通條件而變化，還會(huì)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(duì)高速公路的有效管理與控制，實(shí)現(xiàn)高速公路監(jiān)控與管理目標(biāo)有著重要的意義。

（1）駕駛員因素。駕駛員在車輛駕駛過(guò)程中，其感官接受外部刺激信息從而產(chǎn)生相應(yīng)感覺(jué)來(lái)控制車輛，其過(guò)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(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)時(shí)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(huì)對(duì)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(huì)影響交通流的狀況，其交通性能主要包括車輛尺寸、動(dòng)力性能和制動(dòng)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(dòng)力性能主要由三方面指標(biāo)來(lái)衡量：加速時(shí)間、最高速度和最大爬坡度。車輛動(dòng)力性能是汽車最根本的性能，它決定了汽車運(yùn)輸效率的高低。車輛的另一性能表現(xiàn)為制動(dòng)性能，主要衡量指標(biāo)為：制動(dòng)力和制動(dòng)距離，它是保證行車安全的最重要的性能。

車輛的制動(dòng)力由兩部分構(gòu)成，一是汽車制動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，二是汽車輪胎與路面之間的摩擦力。因此，汽車的制動(dòng)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(jì)算公式是:

由上式可知，隨著車速增高，汽車制動(dòng)距離將快速增長(zhǎng)。

（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(gè)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(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成

高速公路機(jī)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(shì)。高速公路機(jī)電系統(tǒng)主要由四大系統(tǒng)構(gòu)成，包括：隧道機(jī)電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。其中智能供電技術(shù)是機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，收費(fèi)系統(tǒng)是交通命脈，通信系統(tǒng)是整個(gè)高速公路機(jī)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(duì)轄區(qū)高速公路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況及時(shí)分析監(jiān)測(cè)的作用，對(duì)各收費(fèi)車輛當(dāng)前的行駛情況以及相關(guān)路面信息進(jìn)行監(jiān)控分析。

2.1 隧道機(jī)電系統(tǒng)

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)以供配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)為網(wǎng)絡(luò)重要功能組成部分，通過(guò)技術(shù)手段營(yíng)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(fù)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(jì)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(jì)，高速公路事故量約為0.57起每?jī)|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(lái)說(shuō)，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的遠(yuǎn)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(guò)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(cè)的功能，形成高速公路綜合監(jiān)管環(huán)網(wǎng)。

2.3 收費(fèi)系統(tǒng)

經(jīng)統(tǒng)計(jì) MTC（現(xiàn)金支付）車道全年產(chǎn)生的通行費(fèi)總額占全年通行費(fèi)總額的72.50%，ETC（電子支付）車道全年產(chǎn)生的通行費(fèi)總額達(dá)全年通行費(fèi)總額的27.50%。收費(fèi)系統(tǒng)是我國(guó)高速公路中比較核心的系統(tǒng)，在利用現(xiàn)有的ETC全國(guó)高速公路聯(lián)網(wǎng)電子收費(fèi)監(jiān)管系統(tǒng)功能的技術(shù)基礎(chǔ)平臺(tái)上，建立收費(fèi)稽查系統(tǒng)。收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的依賴度比較大，在安裝時(shí)需要著重考慮機(jī)電系統(tǒng)是否能滿足收費(fèi)系統(tǒng)的質(zhì)量需求，注重底層設(shè)施的布局與維護(hù)，包括各類電線電纜和管道等，區(qū)分開(kāi)強(qiáng)電、弱電電纜，排除電纜間信號(hào)干擾，要不定期對(duì)其抽檢、定期開(kāi)展設(shè)備維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作。

2.4 通信系統(tǒng)

根據(jù)全國(guó)高速公路機(jī)電工程及通信應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行及實(shí)踐工作總結(jié)，采用通信應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，可綜合實(shí)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(shí)施日常安全生產(chǎn)監(jiān)督執(zhí)法檢查，會(huì)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(shí)現(xiàn)車輛出入口運(yùn)行情況監(jiān)控，能夠進(jìn)一步保障我市高速公路系統(tǒng)安全高效穩(wěn)定運(yùn)行。

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

3 高速公路機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)

通過(guò)查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前我國(guó)高速公路綜合運(yùn)維及服務(wù)監(jiān)管系統(tǒng)領(lǐng)域存在嚴(yán)重問(wèn)題[5]，需要建立更加科學(xué)的高速公路機(jī)電一體化運(yùn)管應(yīng)用系統(tǒng)。目前大部分軟件公司所做的研究與開(kāi)發(fā)在機(jī)電設(shè)備運(yùn)維和自動(dòng)化的業(yè)務(wù)體系中只是對(duì)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(duì)傳統(tǒng)高速公路機(jī)電系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出一些智慧機(jī)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(jì)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(tái)，實(shí)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(tái)，通過(guò)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(diǎn)，向大眾提供多項(xiàng)便民服務(wù)，為處置惡劣災(zāi)害天氣、突發(fā)事件及時(shí)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(yùn)營(yíng)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(lái)劃分機(jī)電運(yùn)維崗位是傳統(tǒng)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的管理模式，該模式下主要對(duì)前文所提到的隧道機(jī)電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)四大高速公路系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管，該模式下系統(tǒng)的維護(hù)需引入第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行。而智慧化高速公路系統(tǒng)對(duì)崗位進(jìn)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(yùn)維監(jiān)管，通過(guò)新技術(shù)帶動(dòng)崗位劃分，對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行按需定崗。加強(qiáng)人員技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)了解ETC技術(shù)的相關(guān)運(yùn)維技術(shù)，提高設(shè)備運(yùn)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(dòng)人員，由于ETC門架具有“點(diǎn)多線長(zhǎng)”的特點(diǎn)，除按路段進(jìn)行拆分的方案外，如遇突發(fā)情況時(shí)，流動(dòng)技術(shù)人員會(huì)隨時(shí)增補(bǔ)支援，保障機(jī)電設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3 引入先進(jìn)設(shè)備

ETC技術(shù)雖然是目前高速公路的主流收費(fèi)模式，但是仍有少數(shù)車輛采用非ETC技術(shù)進(jìn)行支付，為減輕人員壓力并優(yōu)化收費(fèi)模式，可考慮引入先進(jìn)收費(fèi)設(shè)備——收費(fèi)機(jī)器人，機(jī)器人整合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)。收費(fèi)機(jī)器人是收費(fèi)系統(tǒng)的集成外設(shè)，采用軟硬件融合技術(shù)進(jìn)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(jī)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(duì)高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)的分析中，要全面系統(tǒng)地進(jìn)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(shí)際進(jìn)行工程上的分析。只有在綜合分析的條件下，才能實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)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(duì)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(qiáng)了人員規(guī)劃，提升設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化，才能讓高速公路產(chǎn)業(yè)得到有效發(fā)展，從而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。