高速公路机电系统优化设计及新技术研究

文/王国辉

1 前言

我国民生经济的高速发展，使得我国道路交通对于高速公路的需求日益高涨，同时也对我国高速公路配套的机电系统提出了更高的挑战。作为机电系统的主要组成部分，收费系统、监控系统以及通信系统共同构建起了高效的管理体系。通过对机电系统各子系统的优化设计并在合适的环节引入新技术，能够很好地改善高速公路工作效率。

2 高速公路机电系统的基本组成

2.1 机电系统的基本组成

2.1.1 监控系统

监控系统的主要功能是统计和监管高速公路车流量，其往往与当地交通主管部门相联动，规范高速公路行车，并协助管理过往车辆的违规行为，譬如违规掉头、超速、超载等。此外，监控系统的数据将会予以保存，以供交通管理的大数据研究。

2.1.2 收费系统

收费系统是高速公路机电系统的重要组成部分，其主要功能是记载高速公路车辆通行时间、里程，并根据不同标准计算应收费用。该系统的主要作用是保障高速公路的合理运营与持续发展，并对其在适当的时机进行维护。

2.1.3 通信系统

通信系统的主要功能是联系机电系统各部分，保证整体的稳定运行，并将系统内与系统外联系起来，保证机电系统能够协调工作。此外，通信系统还兼具传输和存储数据的功能。

2.2 问题分析

2.2.1 管理体系薄弱

高速公路机电系统是一个涉及领域广泛、专业化程度高的系统，所以其管理范围相对较宽，对于管理者的个人专业能力要求也较高，在此基础上想要对系统各部分统一调度与管理难度较大。目前，在系统技术、设备快速发展的同时，管理体系却相对较为滞后，未形成体系，且对于设备维护、管理也没有切实可行的标准。除此之外，很多管理部门对于系统维护认知不足，没有对数据、设备进行分类与编号，使得管理工作的开展十分繁重。通过以上论述可知，目前高速公路机电系统的管理存在很大的不足，难以将其作用有效发挥[1]。

2.2.2 监控系统效果不佳

在高速公路中监控系统的使用效果往往达不到设计要求。首先，在设计时对项目需求缺乏针对性，无法很好地适应项目环境，导致成本较高却效率低下；此外，在使用中只注重监控系统的检测，缺乏主动地调控，进而导致系统缺失交通反馈能力。

2.2.3 不符合交通发展方向

目前我国交通领域提出了“智慧高速”的发展理念，以期实现更为高效、舒适的高速行车环境，但目前的机电系统在技术、设备等方面发展较为滞后，无法很好地满足建设“智慧高速”需求。

3 高速公路机电系统的优化设计方案

3.1 监控系统

在对监控系统进行优化设计时，首先应当充分明确其系统预期功能要求，并根据高速公路具体情况考虑，譬如路线、车流量等；此外，还要结合各项外部因素，制定出适合该路段的监控系统初步设计方案，随后对初步方案还要进行可行性分析和经济性分析。

目前高速公路的监控对象越来越丰富，包括了音频、视频、指令代码、文本等多种形式。而传统的监控系统对于各种形式监控对象采用的往往是独立储存、独立管理的模式，其处理效率很低且交互性较差，占用的储存空间很大，管理起来很不方便。

监控系统的优化设计需要依赖于大量的公路数据以及合适的处理技术。设计人员可以在系统内构建出监控系统的核心工作平台，并将各项预期功能嵌入其中，以形成完整的监控系统体系。

为了使监控系统适应多种复杂环境因素，需要其对天气因素进行准确的监测，而这一功能的实现主要是依赖于软件开发。此外，为了最大效应地利用监控数据，往往还需要对其进行汇总、分析以及预测，建立专门的资源库，储存监控数据。在很多场景下可以使用，譬如交通事故责任划分时，可以将其调取出作为证据。除此之外，对于监控系统的硬件部分也应当给予足够重视，譬如设备连接、架设方式等。为了保证较好的传输效果，监控设备大多设置在视野空旷的高处，但随之而来的是雷击等自然条件带来的安全风险，因此在设计中针对这一问题应当着重进行优化。

3.2 收费系统

实践表明，传统的高速公路收费方式在高车流时段往往会造成拥堵，特别是节假日期间拥堵给交通运输带来了巨大的压力，影响了社会经济发展。因此，收费系统的设计优化具有很强的现实意义与改良价值。在收费系统的设计优化中，最为主要的解决方式是引入ETC 系统，目前已有的实践表明该方法对于提高收费系统工作效率有着显著效果，其基本原理是通过收费系统中的装置对车辆信息进行识别，并自动从车主网银账户扣除费用。目前，我国实行的ETC 系统根据车型不同进行分段收费。

此外，为提升通行效率、落实交通运输部门“智慧交通”的理念，构建ETC 门架系统在领域内得到了推动。其原理为在高速公路出入口设立ETC 门架，上传车辆的行车数据，使高速公路通行能够实行分段计费。这一系统的应用，有助于实现省界收费站的取消，提升高速公路运输能力。

3.3 通信系统

高速公路通信系统在其工作中的功能实现主要有两方面：

3.3.1 为司机提供高速公路上的通信服务，保障其在交通事故、车辆故障等紧急情况下能够及时地获得救援。

3.3.2 为机电系统各部分提供交流沟通渠道，同时构建机电系统与外部的联系，确保高速公路能够正常运转并及时排查维修故障，且在极端情况下还能够传达重要指令。

在优化的具体方法方面，主要是从通信信号的传输上入手的，譬如目前广泛采用的方式是建立WIFI 覆盖区，为车主提供通信服务。除此之外，也有部分设计人员选择加强信号传输质量，特别是在山区等信号传输不便的地方可以配备信号强化装置；对于部分信号较差的地区，也可以考虑铺设光纤用于传输通信信号，但该法对环境要求较高，譬如恶劣天气等可能会造成线缆损坏[2]。

4 高速公路机电系统中的新技术研究

4.1 监控系统

监控系统的工作内容根据监控对象的不同可分为道路监控以及收费站监控。道路监控的目的是为了实时获取道路状况及交通动态，以发现潜在的交通风险；收费站监控的目的是为了加强工作人员的管理，避免违规人工操作的出现，同时对工作人员收费过程进行记录，为可能发生的争议提供证据。

针对以上监控需求，监控技术的发展倾向于智能化，依托互联网平台和传感设备，且与气象、交管等多部门的联动，形成多维度、深层次的监控数据网。该数据网可运用于大数据处理分析，为机电系统的优化提供方向。

4.2 收费系统

收费过程依据车辆性质状态可分为停车和不停车这两类收费方法，前者在传统人工收费中得到了广泛应用，且在目前的收费系统中仍占据主导。而不停车收费在目前收费系统中的应用技术（即ETC）发展势头强劲，ETC 车道在高速公路车道中也占据了主流。

相较于传统人工收费方式，ETC 技术具有更高的效率和更低的成本，在节假日等高峰时段能够很好地满足需求。在组成上，ETC 系统可大致分为软件与硬件两部分。

硬件系统主要承担了通信、分类、监控三大功能，软件系统借助用户移动终端进行自动扣费。以上的设计主要是针对技术层面进行的优化，但具体到实际交通中，仍需要对于不同路线、车型进行划分，以便设置出与之相适应的扣费金额。

在ETC 技术在国内大范围普及的基础上，为了进一步提升车辆通行效率，“自由流”收费的发展趋势日渐显著。“自由流ETC 技术”的应用不需要单独设立收费站及其附属设施就能够大大减少成本投入；此外，车辆还可以在正常行驶速度下完成收费，相较于普通ETC 收费速度更快。

4.3 通信系统

受到互联网技术、智能通信持续发展的影响，机电系统通信技术仍将长期处在快速发展的状态下，满足其他子系统革新的需求。目前，在通信系统中被广泛使用的新技术有以下两种：分组传送网技术和自动交换光技术。

实践表明，分组传送网技术（PTN）的应用可以极大降低通信操作难度，便于工作人员进行通信处理；同时，该技术具备很好的安定性，能够保障通信的稳定与安全。除此之外，较低的技术成本也使得其具有很高的性价比。

在通信系统中，分组传送网技术常常配合自动交换光技术使用，后者能够实时监控系统内各部分的运行情况，并对异常情况进行自动报警和记录。自动交换光技术的应用相较于传统维修方式最大的优点就是能够精准判定、定位出现问题的部位，提升维修效率，恢复其系统功能。

5 结语

通过上文论述可知，未来机电系统的优化、发展方向应当切合实际需求，从通信、收费、监控三个层面出发详细分析其应用缺陷，并优化处理。特别值得注意的是，机电系统优化的方向应当适应科学技术的发展，有机融合高科技手段，不断提升机电系统工作效率。目前，机电系统的研究已经取得了显著的成果，但未来仍具有很宽阔的发展空间，需要进一步优化设计、研发技术。