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1、四川交通职业技术学院论文（毕业设计）四川交通职业技术学院毕业设计（论文、解决方案） 题 目:典型高速公路机电系统分析 专 业: 交通安全与智能控制 学 生: 郑茗心 学 号: 20124074 指导老师: 何涛 日期：2014 年 11 月 16日摘 要 目前，我国正处于高速公路以及高速公路机电系统快速发展的时期，随着新技术、新设备在高速公路机电系统的不断发展和应用，机电系统已经成为高速公路营运管理的重要辅助设施和必要的管理工具。同时，机电管理系统正常运行确保了高速公路“高速、安全、通畅”目标的实现，通过加强收费营运监督管理，确保了路公司在经营中取得最大的经济效益和社会效益。 高速公路机电系统
2、是一个多学科、多领域交叉影响的复杂系统，主要包扩四大系统集成：收费系统、监控系统、通讯系统、供配电系统，涉及通信、电子、机电、计算机、网络、自动控制、供配电等诸多学科；在机电系统工作期间，任何一个环节出现故障，都可能会给高速公路营运造成影响，甚至直接影响高速公路的安全畅通。关 键 词: 高速公路 机电系统 营运 目 录第一章 引言1第二章 高速公里机电系统2一高速公路通信系统21.1高速公路通信系统的特点21.2 数字通信网在高速通信系统中的优点21.3 从层次分析高速公路通信系统31.4 高速公路通信系统的组成和功能3二高速公路监控系统42.1 监控系统应用目的42.2 使用监控系统的业务机
3、构62.3 监控的目标72.4 联网监控的技术特点92.5 电力监控11三、 高速公路收费系统113.1 半自动收费113.2 全自动收费12四、高速公路供配电系统134.1 负荷分类及供电方案134.2 配电方案144.3 隧道供配电系统154.4 不间断供电系统15第三章 高速公路收费系统的应用16一系统功能161.1 收费作业流程的控制161.2 收费信息采集和处理161.3 收费数据处理181.4 数据信息的管理20二系统组成20三主要设备213.1 主要车道设备213.2 控制柜213.3局域网22四系统功能234.1 系统功能23第四章 高速公路机电系统发展趋势25一高速公路信息化
4、与智能化应用系统251.1 高速公路综合管理系统251.2 高速公路智能收费系统251.3 高速公路公众信息服务系统251.4 高速公路联动紧急救援系统261.5 高速公路智能化养护系统261.6 高速公路智能化路产管理系统26结论27致谢28参考文献29第一章 引言 高速公路是指“能适应年平均昼夜小客车交通量为25000辆以上、专供汽车分道高速行驶、并全部控制出入的公路”。一般能适应120公里/小时或者更高的速度，要求路线顺畅，纵坡平缓，路面有4个以上车道的宽度。中间设置分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路上行
5、走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过。 高速公路是经济发展的必然产物。第一，高速公路适应工业化和城市化的发展。城市是产业与人口的集聚地，其汽车的增长远比乡村快的多，成为汽车的集聚中心，因此高速公路的建设多从城市的环路，辐射路和交通繁忙路段开始，逐步成为以高速公路为骨干的城市交通第二，汽车技术的发展，对高速公路建设提出客观要求。目前汽车已成为人类社会必不可少的交通工具，因此需要高速公路等基础设施的配合汽车的轻型化和载重化是两大发展趋势，前者要求速度保障后者要求承载力，而高速公路恰能使二者有机结合。高速公路按其功能可分为城市内部高速公路和城市间高速公路两大类；按其距离长短可分为近程高速
6、公路（500km以内）、中程高速公路（500-1000km）和远程高速公路（1000km以上）三类；按其布局形式分为：平面立体交叉高速公路、路堤式高速公路、路堑式高速公路、高架高速公路和隧道高速公路。20世纪30年代西方一些国家开始修建，60年代以来世界各国高速公路发展迅速。 世界第一条高速公路诞生于30年代的德国，到目前为止，全世界已有60多个国家和地区兴建了高速公路，总里程达20多万公里。在国外，一条高速公路建成3至5年后，其两端的大城市会沿高速公路不断延伸发展，形成以高速公路为轴线的产业带。高速公路建成后，其两侧和周边将形成高速公路经济带，极大地推动了区域经济的发展和市场化进程。 高速公
7、路机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助管理系统是对高速公路实施现代管理的主要工具。高速公路机电系统主要由高速公路监控、收费、通信、照明、供配电和隧道安全运行保障等子系统构成。各子系统之间与系统内部由通信网联系。第二章 高速公里机电系统一高速公路通信系统 1.1高速公路通信系统的特点 高速公路通信系统是高速公路现代化管理的支撑系统, 是实现高速公路现代化管理必不可少的基础设施。它实现了监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时地传输, 同时保证高速公路管理部门之间业务联络通讯的畅通, 并为高速公路内部各部门与外界建立必要的联系。主要有以下特点:（1）高速公路的各级管理机构及沿线设施
8、一般均建筑在公路两侧, 沿公路呈线状分布。一般通信站都设置在收费站或管理所的所在地, 通信站的地理位置在公路建设时已基本确定, 即不能随意选址设站（2）高速公路的管理体制一般采取分级管理、集中控制调度, 高速公路通信网的网络结构为树形结构。此外, 各级管理机构与公路沿线各地有关部门及上级机关也必须保持通信联络的畅通, 高速公路通信系统是以内部通信为主, 并进入电信公用网。（3）在高速公路管理处、管理所、服务区、收费站收费、监控分中心等机构之间以及外场监控设备与监控分中心之间需进行语音、数据、图像等各类信息的传输和交换。为及时处理交通事故, 进行交通调度指挥, 有关部门必须和巡逻车等保持通信联络
9、。1.2 数字通信网在高速通信系统中的优点2.1 数字通信网的优点 近年来, 由于计算机技术、大规模集成电路技术及光通信技术的迅速发展, 大大加快了从模拟通信向数字通信过渡的进程。数字通信网由数字交换和数字传输两大部分组成, 它可以对话音、数据、图像等各类信息进行数字化, 把它们都作为数字信号来处理, 它和以往的模拟通信网相比有如下优点: 不同的信息使用通用的处理设备, 不仅容易实现而且比较经济; 噪声和衰减失真不随传输距离而增加, 大大提高了通信质量; 数字通信设备大量采用集成电路和大规模集成电路, 有利于设备小型化和降低成本;易于进行信号处理, 大大提高了通信网的功能。 以数字技术为基础进
10、而实现传输和交换一体化,进一步提高了系统的经济性和可靠性。数字通信网使得高速公路通信质量产生了一个飞跃, 高速公路通信系统作为一个新建网, 理所当然要适应技术发展的方向, 积极采用数字通信技术, 构筑数字通信网。2.2 数字通信网的构成 数字通信网是由数字交换节点和数字链路组成的, 使用数字交换设备和数字传输设备在两个或多个指定的点间提供数字连接, 是用数字信号来传输和交换信息的通信网。 数字通信的特点是将时间上连续的信号通过抽样、量化及编码变成时间上离散的信号, 再将各路信号的传输时间安排在不同的时间间隙内。为了分清首尾和划分段落, 还要在规定数目的时间间隙加入 识别码组即帧同步码, 形成按
11、一定时间规律排列的比特流, 即pcm 信息码。在我省高速公路通信系统中, 由于用户电话机等设备一般还是模拟式的, 所以采用pcm 基群终端机音频口与用户设备接口。pcm 基群终端机完成信息的编解码和32 路64 kbps 数字信号的时分复用构成2.048 mbps 基群群路信号。采用数字程控交换机实现64 kbps 电路交换, 并在交换机主局建立频率基准。当传输系统采用sdh 传输系列时, 可在各站直接分插上下2.048 mbps 电路与pcm 基群群路接口。1.3 从层次分析高速公路通信系统a)第一通信层: 长途网 它包括各路段管理处与省管理局及各管理处之间的通信, 属主干线通信。b)第二通
12、信层: 地区网 包括各路段管理处与所属管段内的管理所、收费站、服务区等部门之间的通信, 属区间通信。c)第三通信层: 用户网 它是路段内各通信站与该站服务范围内各类用户之间的通信, 属站内通信。其特点是通信业务量大, 通信距离短, 实时性强。1.4 高速公路通信系统的组成和功能 高速公路通信系统确保话音、数据及图像等各类信息准确及时地传输, 为各种先进的管理手段提供信息传输的基础。高速公路通信系统基本上由以下几部分组成: a) 主干线传输 作为交通专业通信网的通信主干线, 它不仅要满足长途网和地区网的传输要求, 而且考虑到省内各地区交通部门的通信需要; b) 业务电话 它是通信系统基本的通信业
13、务,包括网内各级管理机构的业务电话和个人电话, 它能实现专用网内用户和公用网用户之间的通话; c)指令电话 为在高速公路内部进行交通管理和调度指挥服务, 指令电话调度台对分机具有选呼、组呼、全呼等功能, 它包括有线指令电话和无线指令电话; d) 紧急电话 是高速公路内部专用的安全报警电话, 它为高速公路使用者提供紧急呼救求援的通信手段; e) 数据传输 包括收费系统内部的收费车道收费站收费( 分) 中心三级计算机数据通信网络和监控系统内部的外场监控设备监控(分) 中心之间的二级计算机数据通信网络, 通信系统为上述计算机通信网络提供传输信道; f) 图像传输 包括cctv 交通监控图像及会议电视
14、图像传输, 通信系统为各类图像信息提供传输信道。二高速公路监控系统 2.1 监控系统应用目的 高速公路与一般公路相比，具有线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，但如不采用先进的监控管理措施，在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通阻塞。 高速公路监控系统是通过沿线的外场设施(各类检测、显示等装置)及时、准确、完整地收集并预告前方道路的各类信息，如交通量、事故、路况等，道路使 用者通过监控中心的监视(显示)设备直观地了解交通运行状况。在发生交通异常时，能即使确定事故或手阻区域，并实时发布相应的诱导和救援信息。 由于种种气候问题如大雾、暴雪、暴雨等低能见度的恶劣天气造成了高
15、速公路发生严重堵车、关闭、车辆事故、甚至是连环相撞等重大交通事故。加之目前高速公路的配套设施还存在不完善的问题，以及驾驶员的对交通法规不足等多方面原因，使得高速公路的管理难度越来越大。 为了提高高速公路的管理和服务水平，目前各高速公路都在实施或即将实施全程监控。高速公路全程监控正日益成为高速公路日常运营管理 的一个重要手段，发挥着越来越重要的作用。闭路电视监控是高速公路全程监控的重要组成部分，可供监控人员直观了解道路交通状况，同时也可增加自动检测设 备，及时发现交通事件或异常隋况，还可通过录像回放对事件发生过程进行了解和调查，为及时发现和处理交通事故、避免二次事故、保障交通畅通、减少财产损失、
16、提高服务水平提供了有力支持。因此闭路电视监控系统的重要性不言而喻。 高速公路的重大车祸事故抢险救援与普通公路差别较大，一旦事故出现，就存在伤亡严重、救火迫切以及快速清理现场和救出伤者的应急反 应能力。而且还需要与高速交警、消防部门、医疗卫生部门等多个部门的联动救援。因此，实现高速公路运行监控的可视化、网络化、系统化、智能化，是提高高速 公路管理水平的重要举措，每一个环节都不可缺少。 如今，越来越多的“非现场执法”被运用到各种交通事故中。交警不需要到现场，借助高科技，不仅处罚准确、透明，而且“认事不认人”的阳光违法追究原则也在改变一些驾驶人的观念。面对铁证如山的“电子罚单”，一些过去习惯于通过关
17、系摆平的人，也只能乖乖认罚。 3G、高清、网络备受青睐 近年来高速公路路网不断完善，高速公路的管理将由“线状”变为“面状”，高速公路传统视频监视点对点模拟传输方式虽然直观、图像质 量清晰，随着路网完善，视频图像的不断增加，点对点模拟方式显然不适应现阶段或将来对视频图像的管理和利用，难以发挥视频监控系统的综合管理作用。随着 IP网络逐渐走向宽带化和相关设备价格的不断下降，区别于占用专门光纤传输点到点之间模拟视频图像的纯IP架构下的高速公路视频监控系统将极大的提高高速 公路视频监控水平，以实现随机、开放、智能化的远程视频图像监视。 目前高速公路全程监控的主要构成方式是采用标准的摄像机作为前端设备，
18、其最大图像分辨率可达到D1标准。信号传输采用视频光端机， 为了节省光缆纤芯，一般采用节点式光端机。由于标准摄像机的分辨率低，难以兼顾场景监控和细节监控。而当发生交通事故时，由于显示细节少，在监视画面上只 能粗略判断事故情况。 而高清摄像机的图像分辨率高，可从100万像素到500万像素，分辨率动态可变。高清摄像机在高速公路上的应用是一个完全IP数字 高清视频监控系统，采用分布存储集中管理方案，主要特点为全数字、全IP寻址、分布式存储架构、可变图像监控。采用高清IP摄像机(100万像素以上)， 保障了监控系统中有效画面具有足够清晰的结果，有助于判断事件情况，及时处理。 在整个高速公路联网体系中，身
19、处任何地点的人员，也可以通过3G终端参与到视频会议中;工作人员还可以将3G终端所拍摄到的现场实 时声音和图像，发送到分指挥中心或是总指挥中心。由于3G视频终端是通过相对性价比更高的3G公网来传送音视频信号，因此可以低成本实现对公路的机动无盲 点巡检。 目前，我国绝大部分省份高速公路已形成路网，单独路段的异常事件影响的范围越来越广，必然要求相临路段之间能互通协调，这就带来了联网的需求，联网主要包括数据和视频两部分。到现在为止，全国多个省已建立了联网监控中心，基本实现了监控系统联网。 2.2 使用监控系统的业务机构1.监控中心 监控中心主要有地图板、计算机系统、紧急电话中心、CCTV控制中心等设备
20、。 地图板的作用在于可全面直观地显示道路全况，并可动态地显示设备运行状况。地图板设在控制中心内，由显示板和驱动器构成。地图板的尺寸为14×2.5m，为全国高速公路监控系统中地图板之最。地图板的控制是通过以微计算机为基础的控制器来完成的，控制器与监控中心计算机系统中的通信单元进行通信，并对信息进行实时修改。2计算机系统计算机系统紧急电话系统和CCTV控制中心均安放在一个大型操作台上。计算机系统 由主计算机、交通控制计算机、彩色图型计算机等组成，此系统的主要功能为：1 收集车辆检测数据、交通流、占有率、气象状况、CCTV图像等。2 分析以上数据并可通过CCTV确认，向CMS、CWS发出
21、命令，以完成实时控制。3 在地图板上显示道路与外场设备的状态、检测参数等。4 在大屏幕投影仪上动态显示高速公路的曲线、运行状况等。5 将公路上发生事故的时间、地点，损坏、处理方式等记录下来。6 数据查询和统计报表，包括交通报告、事故与事件的报告、控制命令的报告、所有设备工作状况的报告。7 对系统的软、硬件、外设自检，若有故障发生，将报警并采取措施排障。8 与收费系统进行数据通信，可收集、统计各个收费站的每种车型的车流量、收费金额以及交通总量、收费总额等数据，并打印成报表。 紧急电话控制中心用来为公路用户在发生故障或抛锚情况下提供路边通信服务，中心可控制本区域内的所有紧急电话。中心设备有计算机、
22、通信终端、自动录音与放音机等。中心与路边的紧急电话进行双工式免提通话，即中心和路边的紧急电话均可进行呼叫。当某个紧急电话发出呼叫时，中心计算机会显示发出呼叫的该电话的信息，操作员即可通过控制台与之通话，并可进入数据库提供诸如医院、警察、加油站等信息以援助呼叫者，通话内容将被自动录音。CCTV系统用于监视交通状况、收费广场和其它相关情况，该系统基本上由31套装有变焦镜头的彩色摄像机组成。全线28km基本上1km一套，无死角，摄像机与监控中心的视频/控制信号通过光纤传输。CCTV系统的控制系统也安放在监控中心，其设备包括视频、数字光端机，视频切换矩阵，录像机，闭路电视控制器等。当有报警时，中心的计
23、算机系统收到外设产生的报警信号后，向切换矩阵发出控制信号。该区域内摄像机的图像将锁定在中心的监视器上，录像机可自动录像，并进行数字、时间和摄像机编码的叠加。交通控制计算机能随时或定期对远端站进行检查，远端站的和其控制的外场设备的信息显示在屏幕上，可随时发现故障报警，并能在打印机上打印出来。同时，交通计算机也能将紧急电话系统和CCTV系统的设备工作状况和报警进行显示和打印。管理人员可通过中心的各种计算机对系统进行检查和维护。 2.3 监控的目标 高速公路监控系统主要负责数据、视频、路况的信息采集、处理和存储，提供交通信息资源。为高速公路快速、安全、舒适、高效提供了保障。1、高速公路监控系统概述
24、高速公路监控系统是调整公路系统实现安全、高效、节能及环保运行的重要手段。高速公路监控系统的作用是对高速公路网实现实时监控和交通控制。在现有的道路 和环境条件下，通过对采集的信息进行实时分析、处理和预测，采取有效的交通控制手段，预防可能发生的交通事件、事故和阻塞；当出现突发性交通事故或道路环 境变化而导致交通阻塞时，通过系统及时发现并采取有效措施进行缓解和排除，以防止对路网交通产生更大的影响，进而提高路网运行的利用效率和安全性。 高速公路监控系统按照功能划分一般分为收费监控系统和道路监控系统两部分。收费监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道 通过的车辆类型、收费员的
25、操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。道路监控系统主要是对高速公路干线、互通立交、隧 道等高速公路重点路段进行监视，掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给予引导，保证高速公路的安全通畅。2、高速公路收费监控系统高速收费监控系统是数据监控、图像监控和声音监控三部分组成的一个有机整体。其主要功能是以收费站为基础，通过对数据、视频、音频等信息的采集，传送到监控室或监控分中心进行处理和分析，完成整个收费过程。 数据监控是指利用车辆检测器、车型自动分类器、键盘、读卡机等外部设备采集到的数据信息，对收费过程进行控制，进行收费数据合理性判断、记录和统
26、计工 作，以发现各种异常情况(例如冲卡车辆判断、非法卡或通行券，人工判断车型是否有误等)，并进行相关的处理工作(例如冲卡车辆拍照、报警，特种车辆录 像)，它是最有效、使用最广的一种收费监控方式。图像监控是指在收费广场、收费车道和收费亭等处设置摄像头，采集视频信息，监控员在监控室通 过监视器实现对通过收费车道的车辆、收费人员的操作过程，包括通行券(卡)的发放、回收以及收费找零情况等进行有效的监督，并能人工或自动启动录像设备记 录冲卡车辆和其他异常情况。声音监控是指采用有线(或无线)对讲系统，采集音频信息，对收费人员在收费过程中使用文明用语等情况的监督，并监听车道内的突发和异常情况。3、高速公路道
27、路监控系统 高速公路道路监控系统是对实时采集的路网交通信息进行处理，根据各路段的交通运行状况分析计算，对路网未来时刻交通情况进行预测，进而通过诱导控制车流 合理的调控车流分布。根据道路监控系统的功能要求和设备特点，系统又可分为交通信息采集系统、交通状态分析系统、交通控制系统等。交通信息采 集系统的功能是获取交通信息原始数据，通过车辆检测器、检测线圈、通讯设备等形成的交通信息采集网，获得路网中各路段的交通量数据；通过在重要地段的摄像 机和视频传输设备获取该路段的视频实时数据；通过气象信息采集系统采集各个路段的能见度、温度、湿度、风向、风速、雨雪等气象条件。在这些信息中，视频数 据可在计算机或大屏
28、幕上显示，并根据需要对视频数据进行抓拍记录。交通状态分析系统根据采集到的交通信息原始数据，首先判断是否为交通事件或事故。若经过视频人工确定为交通事故则直接将相关信息传递给交通控制子系统；若不是交通事故，则计算机利用程序求得各路段的交通状态参数，并利用交通流理论分析该路段的交通状态。交通控制系统根据交通状态分析子系统输出的交通状态数据，若为交通事故，则根据发生事故的地点和特点自动生成最佳紧急交通诱导控制方案并发送给交通诱导子系统；若不是交通事故，则根据交通状态，气候数据及管理需要，按预定正常交通诱导方案执行。 高速公路道路监控系统的主要是通过对高速公路全线的交通流量检测、交通状况的监测、环境气象
29、检测、运行状况的监视，按照一系列智能控制规则和策略产生控 制方案，从而实现控制交通流量、改善交通环境、减少事故、使高速公路达到较高的服务水平。目前道路监控系统在我国发展存在滞后性，远远不能满足需要。各地 建立的交通监控中心大多都只是实现了监视功能，而远没达到控制的作用，其主要原因是在高速公路建设初期，我国高速公路的交通流量一般远没达到设计标准，因 此对高速公路的监控特别是“控制”不够重视，导致部分高速公路已经开始出现自然拥挤现象，造成“高速不高”的现象。近几年来，一些发达国家纷纷投入智能交通系统（ITS）的研究与开发工作。ITS智能高速公路预警系统的应用，将会有效地提高营运效率、保证交通安全。
30、2.4 联网监控的技术特点 高速公路联网监控系统就是把交通流量、路段封闭情况、交通事故状况以及施工情况等即时信息进行编辑汇总，然后通过人工报送或网络实时上传，以此方便行路者了解最新路况。 随着用户管理要求和手段的不断提高，建设重点转向高速公路的安全、高效运营。目前，我国绝大部分省份高速公路已形成路网，单独路段的异常事件造成影响的范围会越来越广，这必然要求相临路段之间能互通协调，这就带来了联网的需求。 联网信息主要包括数据和视频两部分。并已从单纯的联网收费、联网监视逐渐过渡到高速公路联网信息管理，并凸显出联网收费向联网综合信息管理方向发展的趋势不可逆转。 由于视频图像监控的直观性和重要性，所以联
31、网监控是高速公路监控的必然趋势。然而，当前高速公路视频监控系统的构成是一个混合式系统 (模拟视频+数字视频)。且前端设备和各路段监控中心设备品牌较为纷杂、数据格式多样，使各路段视频监控系统彼此独立，无法充分发挥交通监控的路径诱导、 多路径交通流量调控、联网调度、应付突发事件、及时统一调度的功能，更无法最大程度地发挥高速公路网络的通行能力，所以省域联网监控就显得尤其必要和迫切。联网监控的作用1视频联合控制，实时图像调用完成监控总中心、管理处、收费站三级视频图像的联合监控。监控总中心可切换所有的视频实时图像以及进行录像控制等管理工作。2数据综合利用，实时监控交通路况 一方面，加强路段监控检测数据的
32、采集，实时获取各路段上传的监控检测数据、收费数据，通过交通监控计算机实时显示路网的交通流、气候情况等。另一方面，后台服务器对交通监控检测及营运的历史数据进行综合分析，提供分析报表、供用户查询输出，实现数据的综合利用。3交通事故统一上报，路网统一调度、联动救援加强路网交通事故信息的实时上报，由省监控中心实现信息的统一发布，及时通知路段进行事故教援。4路网信息共享，实现综合服务加强路网信息的共享，为各路段管理机构及社会提供信息综合服务，如：天气状况信息，高速公路路网地图信息、高速公路路况信息、路段养护封道及绕行信息、交通事故警告及绕行信息等，帮助用户了解高速公路的即时潞况，帮助用户及时避开影响用户
33、出行、影响高速公路通行的所有情况，以免耽误用户的正常出行。2.5 电力监控 近两年来,随着技术的不断发展,对一些重要的供、配电系统(如特大桥,隧道的供、配电系统)采用了电力监控设施。电力监控的基本功能在于保证电网安全经济运行,使管理人员对电网的有功和无功功率及某些节点进行监视、测量、控制,对电网各元件的过负荷情况加以了解,对不正常情况的发展趋势作出判断与控制。以计算机为中心的电力监控系统将检测到的信息通过远程通信实时传送到控制中心,中心计算机将收集到的信息加工处理,把精确完整的参数存入数据库。当参数超出正常范围时,在相应变电站及控制中心同时提供声光报警信号,控制中心自动显示报警原因和事故状态。
34、控制人员将根据具体情况发出控制指令,经通道传输到各被控设备的控制器进行实时控制。三、 高速公路收费系统 自从出现对车辆进行收费以来，收费技术经历了从低级到高级，从功能简单到丰富完善的过程。除无任何管理设备的人工收费外，综合目前的收费方式，概括起来有两大类（半自动收费和全自动收费）六种（计算机管理通行券（条形码）收费、磁卡（IC卡）收费、投币式收费、动态称重收费、红外线收费和不停车电子收费）。3.1 半自动收费1、 计算机管理通行券（条形码）收费 这种收费方式由计算机控制票据打印，对过往车辆进行人工识别，由人工操作向计算机输入车辆判别信息打印通行券，人工收取现金，计算机对其进行统计。条形码收费是
35、指采用二维条形码存储车辆及收费信息，并用专用打印机打印通行券的收费方式。对于封闭式收费，将在入口发票，出口验票、收费；而开放式收费在入口一次性收取所要缴纳的费用。这种收费方式减少了一定的人为性漏收，但由于增加了票据打印程序，故收费速度比纯人工收费要慢。2、 磁卡（IC卡）收费 这也是一种计算机管理的人工收费方式，其主要靠专用磁性卡片（磁券）或智能IC卡作为车辆信息的载体，较适用于封闭式公路收费。在入口车道发卡或磁券，出口处验卡（磁券）结算费用。对于一些长期用户（如长途客运）可以使用一种储值卡，在卡内赋值每次使用时扣减费额可多次使用，但仍需在经过收费站时停车读写卡。收费站除其它必要设备外，主要设
36、置专用读/写卡机（发卡机、收卡机）。采用磁卡（磁券）收费的缺点是，磁卡（磁券）消耗量大，对外部环境要求高，机器故障常发生卡死，误读或因磁卡磨损而信息丢失现象。采用接触式IC式收费，虽然可以回收，但也存在上述问题。若采用非接触IC卡则减少了卡的磨损，且不存在因灰尘或油污而导致接触不良的问题，这是目前较为理想的一种收费方式。3、 投币式收费 这是一种在入口发卡，出口插卡投币的半自动非人工收费方式。这种收费方式在国外经常见到，但由于所需硬币及车型判别方面的技术问题，在我国并不实用。4、 动态称重收费 这种方式多用于保护道路桥梁，防止车辆超载。用于收费是通过测取车辆的轴重、轴距、轴数等数据，进行车辆综
37、合判别，作为确定收费标准的主要参数。动态称重技术必须和车辆识别及计算机管理系统相结合，才能构成车辆收费系统。它属于专用收费，并不经常用到。5、 红外线收费 严格来讲这种收费方式是利用红外线技术进行车型自动判别，作为上述三种收费方式的辅助手段，通过红外车型分类与人工分类相结合，用以监督人工操作。由于进行判别车辆类型的数据为一维（车长度）参数，困而误差较大。同样的车在通过收费口时，由于行驶角度不同会出现不同的判别结果。因此，这种方式仅适用于车型简单的地区，并且由于该设备可靠性低，安装难度高，通常很少采用。3.2 全自动收费 它又叫做不停车电子收费。它利用电子通信和计算机技术实现收费功能，在整个过程
38、中操作者不直接介入收费环节，只需对设备进行管理监督以及处理特别事件。 每辆车都有其唯一的标识卡，安装在汽车前挡风玻璃上。车型判别是在车辆静态下预先审定并与汽车牌照号一一对应地记入其标识卡，这种标识卡内的数据可以被数米远以外的微波设备读取，也可以被修改。在收费的全过程都是由电子通信和计算机进行处理，不必人工介入，也不用停车交款，其费用是用户提前预缴赋值在卡上，或存在银行的专门账户内。 不停车电子收费的关键在于车辆电子自动识别和快速通讯。整个收费系统由四个部分组成。1、 电子标识卡是一种有源电子射频卡，功率约为1/1000瓦，其内存可作到存储包括车辆型号、车牌照号、车主的相关资料等各种信息，是一个
39、完善的汽车身份卡和信用卡。2、 收发器是一种带有微波线路的装置，用它与标识卡之间建立高方向性的高频微波通讯。它有很强的抗干扰性能和快速的通讯能力。法国采用欧洲标准的5.8GHz微波，美国采用2.5GHz微波。我国在引进该系统时采用哪种标准，直接关系到将来的全国高速公路联网收费，这是一个值得重视的问题。3、 进行通讯处理的微处理器 它将来自标识卡的信息进行解释并传至车道控制器，从而取得该车的有关资料并进行相应处理，对来自车道控制器的数据信息经分析后可对标识卡内的数据进行必要的修改。4、 车道控制器 根据卡上的信息，判定通过车辆是否有正常通过的权力，还可判断卡的有效性，并起动相应的交通标志，也可以
40、发出警告给车主必要的提示。如果发生违章闯关现象也可驱动抓拍系统进行违章取证等。四、高速公路供配电系统4.1 负荷分类及供电方案(1)负荷分类 高速公路供、配电系统的设计内容可分为:沿线设施供、配电及重点区域道路照明供、配电。 沿线设施供、配电包括:管理机构设施、养护设施、服务(休息)设施的办公、生活用电。用于交通工程管理的监控设备、通信设备、收费设备及计算机系统设备等对电源的稳定性和可靠性有较高的技术要求,原则上此类设备的供电电源按一级用电等级配电。其它用电负荷可按二级用电等级配电。 重点区域的照明包括:收费区域、服务区、停车区内的道路照明,收费天棚照明和互通立交的道路照明。这些用电负荷原则上
41、按二级用电等级配电。(2) 供电方案 为能充分发挥高速公路的优势,达到有效地使用高速公路的目的,需要根据工程特点合理地选择安全、可靠、安装维护方便的设备。供电系统应做到供电可靠、电压质量好、满足生产需要。系统结线简单并有一定的灵活性,操作安全、检修方便。制定供电系统方案时,还要充分考虑节省基建投资,减少电能损耗,降低运行费用,减少有色金属消耗量。一般不考虑当一电源系统发生故障或检修停电时,另一电源进线也同时发生故障的情况。此外要考虑到负荷的增长,预留必要的发展余量。4.2 配电方案 结合高速公路的特点,一般情况下用电负荷多数集中在互通立交附近、隧道、服务区及养护工区等处,变电站也随之布设在这些
42、地方。 在互通立交区段设置有匝道收费站、通信站、监控外场设备(如车辆检测器、电视摄像机、可变标志等),配电系统采用本地集中供电方式。即在互通立交的收费站处设变电站,设备的用电即可从临近的变配电站引出。 交通监控系统的特点决定了它要在某些特殊路段设置监控外场设备,这些设备的容量都很小,对供电的可靠性要求较高,为适应这些特殊的要求,在做供、配电系统设计时就比较困难。实际工程中经常遇到用电设备远离互通立交、服务区等处的变电站的情况,有以下几种:1用电设备距离变电站1020km左右,这时,为了保证用电质量和可靠性就要采用前面提到的方案3给设备供电,即从最近的变电站引出一条高压输电线路
43、至用电设备处,然后经过变压器及低压开关设备进行配电;2用电设备距离变电站35km左右,虽然不是很远,但已超出低压供电范围,考虑到成本及运营费用,不采用高压输电方式,而改用在变电站相应低压回路增设调压器方案,既能达到使用要求又降低了成本造价。 对于用电设备数量多,设置相对集中的情况,如特大桥,这就要求供、配电系统有很长的送电线路,在整条线路上散布有多个小负载,同时,这些负载对电压损失有较严格的要求。在这种情况下,有必要采用中压供电系统,即从主变电站引出一条56kV中压供电线路沿线供电,根据具体情况在全线设置若干个厢式变电站将中压变成低压系统,然后再为每个用电设备配电。中压供电系
44、统应用在长距离大范围供电工程中,既解决了低压供电系统不能满足要求的难题,和高压供电系统相比又节省了投资。4.3 隧道供配电系统 为确保隧道安全、正常运营,在隧道内设置有通风、消防、照明、监控等设施,要求供电系统无故障运行以保证高度的安全性。 隧道供电一般应有二路外电源和一套自备电源,以确保隧道供电安全可靠。在外电源发生故障的情况下,自备柴油发电机组运转发电。为使供电灵活、提高故障情况下供电的可靠性,系统采用分段母线供电,互为联络。通风、照明、监控和通信设备及事故用电各自设置单独的回路。 为保证隧道照明有较稳定的电源电压,有利于提高灯具的使用寿命和保证照度稳定,对全隧道照明采用独立电源供电,可以
45、避免因大容量电动机启动时造成的母线电压波动影响照明。 隧道变电所宜设置在隧道口处行车道旁,对中、短隧道可在隧道口一侧设置变电所,长隧道要考虑在隧道口两侧分别设置变电所。在隧道连续区段可将几条隧道统一考虑,便于管理控制,同时也能节省投资。另外,需要注意的是,安装在隧道内的供电设备必须符合特殊使用条件,如湿度、废气、污物、防冻盐、高压水等;必须满足保护方式IP65的要求。4.4 不间断供电系统 为保证设备用电的可靠性和电能质量,必须采用UPS系统。UPS不间断供电系统是一套将交流市电变为直流电的整流/充电装置和一套把直流电再转变为交流电的PWM逆变器。一旦市电中断,蓄电池立即对逆变器供电以保证UP
46、S电源交流输出电压供电的连续性 当电力发生故障时,UPS在柴油发电机完全起动前取代市电,继续向用电设备供电。另外,交流电网严重干扰常常会造成计算机的计算错误和数据丢失,采用UPS后输出的正弦波能保持良好的波形而且不带干扰。 所有列为一级负荷的设施包括收费亭、收费车道和收费站的收费设备、交通监控设备和通信设备均由UPS供电。 由于UPS的高可靠性,加上在接UPS之前会先连接稳压器,设计时以经济性为原则,不再考虑采用两台UPS一开一备的方案。 当市电电源发生停电问题时,UPS的供电电源将自动转接至紧急发电机供电系统,以确保一级负荷电源不间断。第三章 高速公路收费系统的应用一系统功能1.1 收费作业流程的控制 系统的车道收费处理单元设备控制收费作业流程，车道收费处理单元由车道计算机、显示收费作业信息的显示器和收费作业台、收费费额显示器、语音报价器、收费票据打印机、收费放行电动栏杆和车辆检测器所组成，系统工作方式如下：收费员按键输入交费车辆类型到收费计算机，收费计算机计费并送收费费额显示器显示，语音报价器报价，经收费员确认后，计算机控制打印输出发票，并输出信号控制收费放行电动栏杆升起，车道通行信号灯亮绿色，放行车辆，车辆检测器测到车辆通过后向车道控制器传送“通过