高速公路机电系统

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、高速公路里程2014年超过美国。 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：

（1）运行方面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）建造方面：占地多、投资大；费用由土地费、拆迁费、道路建设费和交通工程建设费构成。每公里平均建设投资超过1千万元。 三、高速公路运营管理 1、五个部分

（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。 2、发展模式：筹资建路——收费——还贷——再建路。 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、交通设施：道路设施（收费站、桥梁隧道、立交、主线车道）、交通工程设施（服务设施【服务区、停车区】、安全设施【护栏、隔离栅、防眩措施、标线、标志】、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、隧道安全系统】） 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。 （5）设备稳定性普遍不高 五、机电系统：

1、收费区段按行政管理划分，区段之间用主线站分割。

2、机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助系统，是保证高速公路实现安全、快速、舒适功能的必要组成部分，也是高速公路正常运营的必要手段。 3、现在机电系统的特点：标准化、数字化、智能化、模块化

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

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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、高速公路监控的目的

使用现代化的检测和控制手段，检测调整道路交通流的状态，从而达到“安全、畅通、高速、环保”的目标。

平安交通（前提基础）、绿色交通（引领）、智慧交通（关键）、综合交通（核心） 三、高速公路监控意义

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：

1、道路信息采集系统；2、交通信息检测系统；3、交通信息诱导系统；4、视频监控系统；5、车辆控制系统；6、计算机网络系统； 监控系统功能结构：

按信息的流程可以分为三个子系统：信息采集子系统（气象中心、气象检测站、车辆检测器、收费站）【作用：监视信息、控制信息；属性：气象信息、交通流信息、紧急信息】、信息处理子系统【最重要；处理方式的选择及各种参数的选定】（气象信息处理系统、交通控制系统、紧急信息处理系统）、信息发布子系统（可变情报板、紧急电话、大型电子地图板、道路工程处）。

按信息来源：静态信息、动态信息。 监控系统组织结构：

现有的监控系统组织结构与其管理模式相一致，普遍采用由下而上、逐级管理，数据逐层上传的方式。 1、外场数据的采集

高速公路外场设备分布在公路沿线，负责将道路的状态信息传送到监控站，为整个系统提供数据源。外场设备采集到的数据首先送入监控站，由监控站将各种数据经由通信系统上传至监控中心或分中心；（紧急电话、摄像机、视频检测、车辆检测器、气象检测器） 2、组织结构

对于线路较短、监控点比较少的可以采用2级结构。

2级：监控中心 监控站（作为骨架的计算机网络） 3级：监控中心 监控分中心 监控站 四、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。

3、监控中心的功能：1）监视整个路段各分中心的运行；2）监视全部路段交通运行；3）监视整个路段设备运行；4）监视整个路段各站点运行；5）通过提出建议、转发消息来协调各分中心的运行（通常不直接下达命令）；6）形成、打印各种报表。 五、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

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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） 六、红外检测器

1、 主动式红外检测有阻塞和反射式两类。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、反射式红外检测原理：在相同的红外光辐射下，反射物的大小、材料和结构不同，反射能量就不一样。车头表面反射能量大于路面。接收器接收不同反射能量成为区分车辆和道路的标志。

2、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，在路面相隔一定距离的地方，以特征涂料画出两个明显的区域，使它们在给定的环境温度下，辐射出比较稳定的能量。在车道上方的龙门架，安装红外接收器，分别对准这两个区域。无车时，接收器分别感受路面两个特定区域的辐射能量；有车通过时，又先后感受车辆的辐射能量。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。 七、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。 微波、超声波和红外线、可见光等检测器统称为波束检测器；其主要构成为：发射器、

接收器、时控电路。

八、地磁检测器

原理：利用车辆对通过地磁场的影响，检测设立交通参数。利用低功耗、高灵敏度 导磁材料，将地刺磁通线集中约束在比较小的空间，当车辆停驻、慢速接近或通过时，被约 束的磁力线发生变形，产生原始信号，经转换、处理后形成一个电压随时间变化的曲线。 九、车重检测器

1、特点：从收费匝道引出一条检测车辆超载的旁路，引导重型载货车辆至此作静态或慢速检车，以轴重为基础，算出整车质量。 2 压电传感器：

可检测轴数、轴载、车速；特点：体积小、使用方便；

原理：为压电效应，有套管形压电聚合体P，其内外均镀以金属层I和O，形成一条可弯曲变形的压电电缆。当沿径向施加外力时，在两金属表面产生符号相反的电荷，电荷量与外力成正比。电缆压至塑料壳体内，壳座埋入地下，荷载发出脉冲。放大后输出指示信号。其峰值越高，轴载越大。

主要问题：对车速和动态计重的检测精度还不够。 3 电容式轴载检测

原理：上下两块为导点橡胶板，中间一块为绝缘橡胶板，粘连在一起形成称重胶垫，挤压使距离发生变化，从而产生电容变化。常配用专业处理器实现检测功能。

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八、视频监视系统（CCTV）

1、位置：

（1）主线收费口，隧道中部、车流量比较大的出入口，桥梁出入口； （2）坡度比较大的事故多发点、离一些出口比较近的位置 （3）重要的设备或仪器安装点

（4）环境比较恶劣、气象条件变化复杂的地点。 2、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。

3、传感器技术：画面分割器、视频矩阵切换器、云台； 4、图形传输: （1）信号构成：图像、声音、控制信号；

（2）传输方式：视频基带、较远时采用射频传输；

5、视频显示与输出：画面分割器、监视器、电视墙（录像机）监视器视频分辨率不低于摄像机分辨率。

6、视频矩阵切换器：是用来选择视频图像信号。如果将几路视频信号加在它的输入端，通过对它的控制，可以选择出任何一路的视频信号输出，而其他信号则不输出。

7、画面分割器：在录像时用画面分隔器，将多路视频信号组合到一个画面中进行录制，为了节省监视器以及为监控人员提供全视野画面，往往采用多画面分割器使多路信号同时显示在一台监视器上，其基本工作原理是采用图像压缩和数字化处理的方法，把几个画面按同样的比例压缩在一个监视器的屏幕上。

8、控制键盘：主要是对突发事件的控制，控制报警和摄像头控制器。其作用为：使用控制键盘能够预先对云台编程，使其对应于多个报警点的位置，当有报警信息时，能够迅速旋转，对准报警点。

9、控制子系统的主要部件：总控制台（副）、视频矩阵切换器、画面分隔器、控制键盘、终端解码箱（解码控制器）、字符叠加器。

10、字符叠加器：在显示器的荧幕上产生一些特殊的字形或图形，让使用者得到一些讯息提示。

九、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（雨雪、侧向风）、道路状态（路面积水（雪））、道路环境条件（路面温度、路面相对湿度）三个方面。

2、对于长隧道，CO和烟雾为必检项目。

3、构成：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、检测器

（1）路面干/湿状态检测器

非接触式冰冻检测器是利用冰冻表面和干燥路面对光的不同反射性质制成，干燥的路表面具有漫反射性质，有水的潮湿路面和冰冻路面具有定向反射的特征。即收光器收集到的光亮大小判定，再通过检测是否为零摄氏度区分积水和冰冻。 （2）路面积雪厚度检测器

积雪厚度由按照在路面上面的超声波探头检测。无雪时，探头至路面垂直距离一定，垂直往下发射时距和反射时距已知且一定。有积雪时，超声笔从雪层表面反射，空间距离减小，发射至反射的时距也减少。经过温度修正后得出积雪深度。

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十、交通诱导信息系统 1、定义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。

2、诱导信息内容：A、道路设施静态信息，如收费站、加油站等；B、道路使用信息，如道路的拥挤、堵塞等；C、气象灾害信息，如雨、雪、风、霜等。 3、实时交通标志系统：由诱导标志、引导标志、预告标志 4、高速公路信息显示由顺序格式与连续格式两种；

5、信息分割：高速公路可变信息标志句长一般为8个字，最多不超过12个字。

第三章：收费系统

一、系统构成：

由收费站计算机子系统（含收费车道、闭路电视监控子系统、内部有线对讲子系统、紧

急报警子系统）、；路段收费中心子系统、省级收费折账中心计算机子系统构成。 二、收费制式：开放式（按路段均等收费【次数】）、封闭式（按互通立交区段收费【里程】）、

均一式（全线均等收费【车型】）、混合式（后两种借鉴国外）

三、收费方式：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。 四、免费待遇车辆

1、高速公路营运管理所必须的路政车、拯救车、维修车等内部管理使用的车辆；

2、正在执行紧急任务，并设置专用设备或专门标志的消防车、救护车、公安、司法部门的警车等；

3、挂军队牌照的车辆；

4、根据地方政府法律性文件可以享受免费待遇的特许车辆。

五、收费站：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 六、收费车道设备：核心：车道控制器；其主要有车道控制器、显示终端、专用键盘、车辆检测器、自动栏杆、雨棚信号灯、车道通行信号灯、雾灯、黄色闪光灯等收费设备、车型识别、监控设备构成。

七、收费闭路监视设备组成及功能：

（1）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。收费员收费操作结束后，由车道控制器产生的处理数据自动叠加在该车道摄像机产生的视频画面上，上传到监控器。

（2）收费亭摄像机：用于监视收费员的收费情况。

（3）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。 八、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

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投资经营者的公平收益。

第四章：通信系统

一、高速公路通信系统的构成及功能

（1）业务：大概可以分为语音、数据和图像三个部分

（2）构成：通信管道与光电缆线路、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、通信电源系统等组成。

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） 二、光纤系统

光纤的结构：纤芯、包层、保护层；

构架：发送单元、 传输单元、 接收单元； 电E/光O转换 光纤 光O/电E转换

信号—— ———中继器——— ——信号 光发射机—光源 检测器—光接收器

连接器

三、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。（信源、通道、信宿）

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 四、概念区分：

 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。（bit/s）

 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  信道：就是通信双方以传输媒介为基础的传递信号的道路、一条传输媒介上可以存在多

条信道（多路复用）

五、三种实现数据同步的方法： 位同步、字符同步和帧交换 问题：区别与联系

（1）通信：结果—接收各方清楚某事（是一种服务）

通讯：过程——怎样传递（是一门技术）

通信的时候，通信的接收方一定很清楚怎么样从内容里得到传递的消息，而通讯则不是。

（2）信息、消息、信号

信号>消息>信息；信息是消息的有序集合；消息是信号的表现形式；信号是消息的具体内容。

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

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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，每个光载波携带各自的信息，每个波长相互间有一定的间隙。在发射段，合波器把不同波长含在一起，送入一根光纤进行传输，在接收端，利用分拨器将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而实现高速率的，大容量的有效传播。（反面：稀疏波分复用）

第五章：照明系统

一、照明的主要指标：

照明亮度水平、照明的均匀度、眩光限制、道路照明的透导性； 二、系统组成

1、道路照明：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。 2、管理业务及服务照明：收费广场照明、收费雨棚照明及服务区照明等。 3、景观照明：服务区、中大型收费站和大型桥梁 三、斑马效应：

在通过观察者位置的平行于道路轴线的线上路面最小亮度lmin与路面最大亮度lmax的比值为纵向均匀度u1。它对视舒适影响极大。如果这个亮度不均匀，在路面上会连续反复出现一系列亮与暗的横带，称之为“斑马效应” 。 四、设置道路照明的条件：

（1）道路特征（沿线地形、道路线性等）（2）交通流特征（夜间高峰小时交通量、最高车速）（3）安全要求（事故高发危险路段及场所）（4）经济效益。

五、照明系统组成：供电照明线路、配电箱、控制开关、照明电源；

六、供电系统的构成：高压配电、低压配电、备用电源（发电机.不间断光源）、用电设施及设备。

七、常见故障：短路、断路、漏电 八、隧道照明

1、隧道内的视环境

无论白天或者黑夜隧道内过往车辆的排放物中，都有大量微细固体颗粒物（烟雾）悬浮在洞内空间，它吸收部分光能并对光线产生漫反射，形成透明度不高的光幕，使隧道内的能见度降低。同时，隧道侧向空间较窄，难于纠正侧向距离的判断误差，也缺少回避障碍物的足够空间。一辆车如出现错误，极易产生连续的严重尾撞。因此，即使视觉已经适应较暗的环境，对比洞外的路面照明，也还是要适当提高亮度，以增加人的视功能。 2、隧道照明的设置（大题极高）

（1）洞外路段设置专业减光设施

在洞外路段设置减光设施，使入口和出口天然光变化缓慢，增加亮度过渡变化的路段长度和视觉适应时间，相对减少隧道内设置亮度变化区域段的长度。目前常为50~100m。出口路段可适当短些。

（2）分区段设置不同亮度

为使视觉适应洞外和洞内亮度的急剧变化，隧道划分为多个功能区段，各区段的长度和亮度的高低随设计车速、洞外亮度和洞壁及路面反光性质而变化。（单向隧道照片图） 引入段、适应段、过渡段、基本段、出口段

第七章：隧道机电系统

“交通车辆风”

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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”。

第八章：高速公路机电系统发展趋势

1)网络化——高速公路机电系统联网技术 2)智能化——智能高速公路机电系 3)信息化——信息化高速公路机电系统

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