高速公路机电系统检测技术应用研究

张月莹，余　琳

(浙江省机电设计研究院有限公司，杭州　310051)

高速公路机电系统检测技术应用研究

张月莹，余琳

(浙江省机电设计研究院有限公司，杭州310051)

摘要：高速公路机电检测是高速公路机电工程质量保证体系中的一个重要因素，是对工程质量、设备运行状态的技术保证。阐述高速公路机电工程的现状及特点，并针对机电设施不同的分项工程采用不同的检测技术，从而达到对机电设备的全面监测，提高高速公路的工程质量、降低维护运营成本的目的。

关键词：高速公路；机电工程；检测

1高速公路机电检测研究背景与现状

1.1背景

随着社会经济的快速发展，高速公路建设规模逐渐变大，人们对服务质量要求也越来越高，高速公路的功能也日趋完善。机电系统作为高速公路基础设施的重要组成部分，承担着信息发布、数据交换、保障安全等重要任务，是人们在高速公路行驶过程中息息相关的重要支撑系统。随着智能交通系统(ITS)的不断发展以及新技术、新设备等高科技前沿产品不断用于高速公路建设中，对高速公路机电工程的质量要求也日趋严格。高速公路机电工程的试验检测是机电工程质量保证体系的一个重要因素，其对提高工程质量起到至关重要的作用。本文主要从高速公路各分项工程的检测方法、数据分析、检测设备3方面对高速公路机电系统检测技术进行归纳、总结和探讨。

1.2国内外现状

我国机电设备检测工作的开展始于1983年。先是传感器技术的发展使得机电系统的监测技术形成了以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的一次质的飞跃，然后利用振动、噪声、电、磁、光、射线等多种信息产生了设备的振动、噪声、光谱、无损检测、热成像等监测和故障分析技术[1]。近年来，随着各类数据处理软、硬件发展成熟，致使实时在线监测及故障分析技术也变得可能。

除了施工现场检验、交工验收检验、竣工验收检验之外，机电检测对高速公路系统运营之后设备维护阶段的监测也具有积极作用。我国对机电设备的维护仍处在传统的计划、定期维护阶段[2]，这种方式带有很大的盲目性，对设备的故障率、故障类型、故障部位往往不能够准确把握，且大范围的定期维护也造成了大量的人力、物力的浪费。在此状况下，公路机电系统检测使机电设备的维护产生了根本性的转变，一方面在道路建成初期就对机电设备的指标进行了规范化检定，是设备质量达到更高层次的认定，为设备的良好运行提供了基础；另一方面，在设备长期运行之后对其运用完善的检测手段进行维护性检测，可为保养单位提供准确的设备状态信息，避免维修的盲目性，使得养护单位可以有针对性地对整个系统进行维护检修，这不仅可以避免不必要的经济浪费，而且还可以缩短系统的维修工期，减少因道路维护对通行的影响，对提高高速公路投资效益和提高管理水平起到积极作用。

2高速公路机电设施分析

2.1机电系统现状

高速公路机电系统分布在各公路沿线，由不同的管理中心、收费站、地段及隧道和桥梁组成。机电设备种类繁多，涵盖了自动化控制技术、通信技术、电子技术、计算机技术以及机械工程技术等各学科，且涉及环卫、电信、消防、电力等各部门协同合作，集成度较高。与国外发达国家相比，我国在如下方面还存在一定差距。

1) 设计水平有待提高。缺乏深度调研，缺少与国外机电系统专业人员的经验交流，不能突破原有的设计框架，与实际结合不够紧密，与运营需求脱节，从而造成不同项目设计类似，在一些路段造成资源浪费。随着智能交通的深入发展，现有的机电系统设计越来越不能满足智能交通的要求。

2) 系统智能化水平还有待加强。目前，对交通流特性的采集、隧道通风照明的控制、异常事件的处理、紧急事故的预案等都处于初级阶段，甚至一些路段运行一段时间后，由于设备老化、缺乏有效维护手段等其自动控制预警系统等智能化功能已丧失，只能采用人工控制方式来进行管理。

3) 现有标准、规范不够完善。随着新技术、新设备的发展，越来越多的新型产品被应用到高速公路机电系统中，而针对新装备的设备技术指标，现有规范已无法提供准确的检测依据，从而导致在设计、施工及运营中的随意性较大，无形之中带来更大的安全隐患。

4) 系统运行的稳定性不高，设备故障率较高，造成监控、通信等功能中断。软件系统功能不够完善，没有对采集回的数据进行真正的分析处理，报表中数据混乱、失真，无法形成有效的趋势曲线来为整体运营管理提供真实有效的参考数据。

2.2机电设施分类

根据我国现行规范标准，将高速公路机电系统分为监控、通信、收费、低压配电、照明、隧道机电6个分部工程[3]。其中，监控系统负责信息采集、信息发布、指挥控制、交通诱导等；通信系统负责信息流的传送；收费系统则是高速公路运营单位实现经济效益的重要手段；低压配电系统是整个机电系统的动力源泉；照明系统则为夜间、雨天、大雾等不良环境下的行车提供可靠的保障；隧道机电系统则为车辆在隧道内的安全行驶提供全方位的环境保证。

2.3机电设施故障特点

高速公路机电系统是一个多学科、多领域交叉影响的复杂系统，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，大部分是软件与硬件相结合的系统设备，包含许多机械设施、电子设施。高速公路设备大部分安装在户外或环境比较潮湿的隧道内，设备零部件、电子元器件等要经受夏季高温、冬季低温、潮湿等不利环境的考验，因此设备损耗是机电设施故障的一个特点。另外，设备的设计缺陷、材料质量问题或者人员的操作失误、维护不当等也是机电设施产生故障的一个主要原因。

3高速公路机电设施检测技术与方案

3.1检测内容

试验检测应严格按照国家、交通部及相关部门的政策、法律、法规、技术规范、设计文件、图纸等进行。目前，我国高速公路机电检测依据JTG F80/2—2004《公路工程质量检验评定标准》进行。检测主要从基本要求、外观检查以及实测项目3个方面进行。

基本要求即是从设备的数量、型号规格、安装位置、线缆敷设、是否在正常工作状态等方面进行检查。外观检查则是从设备机箱的安装质量、电力线、信号线、防雷、接地、安全保护等处理工序、工艺方面用多项指标评定整个分项工程的质量。这些缺陷能从一定程度上反映承包商的技术水平不足或运营单位工程管理方面不到位。实测项目是机电检测的最主要部分，依据JTG F80/2—2004的要求，将高速公路机电设施分为各个分项工程并进行详细指标检测。

3.2检测方法

按照规范要求，关键设备抽样频率应不少于工程总量的30%；常规最低测试点数不小于3个，若抽样点数少于3个则应全部检测。抽样方法采用分层随机抽样与简单随机抽样相结合的形式，依据不同的分项工程和设备分类选择使用[4]。检测过程中若出现测验超差、与预估数据差异较大时，则应停止检测。对处在允许范围边缘的数据应重复测试3次，检测结束后对数据进行复核，确认无误后再对被测设备做测后处理。下面以杭长高速公路机电系统交工检测为例，对重点项目检测方法、数据处理及检测过程中出现的问题与分析进行简要阐述。

3.2.1监控系统测试

杭长高速公路交通监控系统软件与隧道监控系统软件是监控系统的重要组成部分(监控系统包括路面监控与隧道监控2部分，此处集中进行阐述)。检测内容包括：验证实时数据的准确性(外场设备采集的交通流数据和气象数据、设备状态数据、发布交通诱导信息数据、实时交通管制信息等)、核查历史事件数据以及对相关事件应急预案进行模拟，验证系统是否依据预案对视频、信息发布、照明、报警等设备进行联动处理。

1) 实时数据功能性、准确性检测。

车辆检测器的计数、计速精度测试方法：按规范要求，分别在设备端与检测仪器端对高速公路现场过往车辆进行实时数据采集(采样量：100辆车)。当达到采集数量后，对比设备端与检测仪器端的数据，并计算误差。记录好采集数据的时间，方便监控中心复核该时段该设备的监控数据进行对比。

气象仪、环境检测器测试方法：现场采集气象检测仪、环境检测器(COVI、亮度计)温度、湿度、能见度等数据、与监控软件中该设备反馈的温度、湿度、能见度等数据进行对比，并计算误差。

远程控制功能测试方法：远程控制情报板、诱导标志信息发布，隧道风机开启/关闭及风向控制，查看紧急电话的设备状态等并与现场设备状态进行对比验证。模拟火灾事件(现场点燃一小堆火释放浓烟)以检验隧道照明、诱导设施、火灾报警、通风设施是否按应急预案进行联动控制。

2) 视频传输通道测试。

将标准视频信号发生器与视频信号分析仪分别接至传输通道的两端，并发送75%彩条信号测试视频电平、同步脉冲幅度，发送2T信号测试回波E、亮度非线性、色度/亮度增益差、色度/亮度时延差、微分增益、微分相位，发送sinx/x信号测试幅频特性、视频信杂比，作好数据记录。

可变标志、大屏幕投影系统测试时，须将可变标志显示屏调成红、绿、黄(红、绿、蓝、白)单色，亮度应调节至最大，并用彩色亮度仪对显示屏亮度进行测试，作好数据记录。亮度测试原理如图1所示。

图1　亮度测试原理示意

3) 数据处理。

对于实测项目，JTG F80/2—2004标准作了严格规定，本文只对需要特别处理的数据及检测过程中可能出现的问题进行说明。

4) 误差计算。

式中：n为抽样数量。

车辆检测器(交通计数精度允许误差为±2%)、气象检测仪(能见度误差±10%)等设备的误差计算须用到此公式。

5) 亮度不均匀度计算。

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

式中：Imin为测量亮度最小值；Imax为测量亮度最大值；Ia为平均亮度。

大屏幕投影系统的亮度不均匀度的计算须用此公式。

3.2.2通信系统测试

光纤接头损耗：将OTDR接入中继段两端测量单模光纤接头损耗平均值、总损耗等指标。

光纤数字传输系统：使用光功率计测量抽样点的光口系统接收光功率、平均发送光功率。将2 M传输测试仪、光衰减器接入系统中，先增大光衰减器的光衰减值，使检测器初次出现误码，再逐渐调整光衰减值，使检测器处于临界状态(刚好不出现误码)，观察2 min，待其稳定后，将光衰减器和光功率计相连，测试光接收灵敏度。

通信电源：将电池性能分析仪接入备用电池组两端，测试电池组的供电特性。

数据处理：根据现场实际传输距离选择波长为1 310或1 550 nm进行测试。Δ单模光纤接头损耗平均值≤0.1 dB，而中继段单模光纤总损耗的计算公式为：1 310 nm测试模式总损耗=中继段长度L×0.4 dB/km；1 550 nm测试模式总损耗=中继段长度L×0.25 dB/km。

通信系统测试需连续不间断地进行，中途断电等因素会影响测量数据的准确性。因此，测量过程中需要保持设备供电、连接不受干扰，且UPS、柴油发电机组的测试时间需与之错开。

3.2.3收费系统测试

1) ETC车道[5]。

RSU通信范围测试：利用手持式频谱仪，面向RSU方向测试RSU天线场强强度。在“通信区域测试坐标点记录表”上记录-40 dB场强坐标值，且每个天线通信区域至少取20个有效点，并绘出场强区域图。

实际行车跟驰测试、邻道干扰测试：将OBU分别安装在不同类型车辆挡风玻璃正前方，并按顺序让车辆以1～3 m间距、限速上限车速通过ETC车道。记录各车OBU交易情况，观察是否存在邻道干扰现象。

车牌识别功能：驾驶不同类型的车辆通过车道，通过软件查看车牌识别情况，计算准确率。

2) 二义性路径识别系统[6]。

路径标识测试：将OBU正确安装在车辆上，以路段限速通过路侧标识站所在断面；至出口读出标识信息，核对是否标识并正确。每车道RSU天线取50组标识记录。

功能性测试：检查控制器在RSU发生非正常工作时的报警信息。在收费中心远程查看控制、安全监视等功能。

检测过程中，可能会出现RSU通信范围超出允许值，可能存在邻道干扰、跟车现象，可能出现车牌识别准确率不够以及二义性标识率不足等情况，故需根据具体问题并通过调整RSU功率、调整RSU角度等方式来控制通信范围及邻道干扰、跟车现象，调整车牌识别器角度、补光灯亮度以提高识别率，并采取调整车道RSU设置参数以提高标识率等手段来解决问题，保证通车后系统运营正常。

3.2.4低压配电设备测试

高低压配电屏：对双电源进行切换，并对其进行验证。

柴油发电机组：根据设计图纸要求查看柴油发电机组是否具备断电自启动功能，如具备则对市电进行断电，查看发电机组是否自启动。

EPS/UPS：对市电进行断电处理，查看不间断电源是否及时对设备供电。

电力监控系统软件：通过监控界面对系统进行数据查询，并与现场实际情况进行对比，查看监控软件中设备反馈的状态、数据是否准确。

3.2.5照明系统测试

在各照明段内随机抽取1处照明区域进行测试。照明区域内照明测试点的划取方法为：在两路灯之间沿行车方向划成10等分，共设置11×5个测试点，如图2所示，并用专业级照度计测试照度[7]。

图2　照度取点布局

功能性测试：对照明不同回路进行启动测试。

数据处理：以牛角山隧道照度测试为例，对隧道照明基本段进行照度测试。该隧道基本段平均照度Ehav计算时，将测得的布局点照度值带入公式，即Ehav=(∑E角+2∑E边+4∑E中心)/4 mn。式中：E角为测量区域4个角处的照度；E边为测量区域除4角外4条边上的照度；E中心为4条外边以内的测点照度;m、n分别为横向、纵向网格数。照度总均匀度U0计算公式为：U0=Emin/Ehav。式中：Emin为布局点照度值最小值。照度纵向均匀度计算公式为：布局点照度值最小值/布局点照度值最大值。

亮度和照度的换算：采用L=Q0E公式计算亮度。式中：L为亮度值；E为照度值；Q0则需根据实际路面材质进行选取，水泥、混凝土路面取Q0=1/10～1/13，沥青路面取Q0=1/15～1/22[8]。

检测过程中需注意灯具排列规则，需清楚了解设计图纸及设计对照度的要求。布点时，如果现场灯具排列为对称式，则可测取半幅路面照度值，而另一半只需对称取值便可，以便节省测试时间。

3.2.6隧道通风设施测试

绝缘电阻：切断设备电源，将测试线分别接至设备强电输入相线端子和设备箱地线端子。

风机平均风速：开启风机至全速运转后，在隧道内纵向相邻2风机安装位置中心附近的路面上，用风速仪测量隧道断面风速。

风机安装高度：用激光测距仪在风机正下方测试。

功能性测试：在监控中心及本地控制器处对风机进行正转、反转、单个风机、风机组启动等功能测试。

测试过程中，对不可控或与控制命令不符的设备应要求集成商马上更正，以保证远程控制及本地控制的准确性。

测试结束后，对测试数据进行系统处理。其中，若JTG F80/2—2004中的关键项目出现问题，则应严格要求集成商现场解决，或作为遗留问题给出整改期限进行整改，复检合格后才能通过。如不能解决需加倍抽检，仍不能达标则要求集成商更换同批次所有设备，保证施工质量。非关键项目要求则相应降低，可以整改完成便予以通过。如实在无法整改完成，则按照规定扣分处理，给予通过。

3.3检测仪器

检测需要用到的主要检测仪器如表1所示。

表1　检测仪器及其参数

试验检测仪器均是经过国家法定计量检定部门检定通过的精密仪器，其精度严格控制在国家基准范围内，使用过程中需特别注意量程、使用时间、精度误差等性能参数，误差超出范围或超过检定周期的仪器需到国家法定计量检定部门进行校准、检定，合格后才能继续使用。

一些设备在使用过程中需特别注意使用方法。如视频测量仪一般具有级联功能，在终端测试时，注意将75 Ω的终结端子插在下一级的BNC端子上，否则将产生反射，影响测量结果。

4结束语

随着高速公路的应用地位越来越重要，高速公路机电设备检测也越来越有必要。随着高速公路的不断建设，其建设时期的过程检测、建成试运行之后的交工检测、竣工时的竣工验收检测以及运行后期的维护保养检测均应得到不断的重视和加强，且需利用科学、合理的检测方法为其高效、经济、安全运营提供技术支持。

参 考 文 献

[1]杨小林，吕伯平.超声热成像检测实用实例[J].无损检测，2007，29(5)：275-277.

[2]于征.机电设备维护维修与管理的创新与发展[J].中国交通信息产业，2010，28(5)：28-31.

[3]交通运输部公路科学研究院.JTG F80/2—2004公路工程质量检验评定标准[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 10111—2008随机数的产生及其在产品质量抽样检验中的应用程序[S].北京：中国标准出版社，2008.

[5]交通运输部公路科学研究院.收费公路联网电子不停车收费技术要求[M].北京：人民交通出版社，2011.

[6]交通运输部公路科学研究院.收费公路联网收费多义性路径识别技术要求[M].北京：人民交通出版社，2015.

[7]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 5700—2008照明测量方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8]交通部重庆公路科学研究所.JTJ 026.1—1999公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

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

作者简介：张月莹(1985-)，女，辽宁省沈阳市人，本科，工程师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0112-05中图分类号：U412.36+6

文献标识码：A