完整版高速公路机电系统分析高速公路收费站毕业设计.docx
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完整版高速公路机电系统分析高速公路收费站毕业设计
毕
业
设
计
题目:
高速公路机电系统分析
专业:
电气自动化
学生:
符伟
指导老师:
李佩
日期：
2015年4月28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
第一章引言1
第二章高速公路机电系统2
一．高速公路通信系统2
1.1高速公路通信系统的特点2
1.2数字通信网在高速通信系统中的优点2
1.3从层次分析高速公路通信系统3
1.4高速公路通信系统的组成和功能3
二．高速公路监控系统4
2.1监控系统应用目的4
2.2使用监控系统的业务机构6
2.3监控的目标8
2.4联网监控的技术特点10
2.5电力监控11
三、高速公路收费系统11
3.1半自动收费12
3.2全自动收费13
四、高速公路供配电系统14
4.1负荷分类及供电方案15
4.2配电方案16
4.3隧道供配电系统17
4.4不间断供电系统18
第三章高速公路收费系统的应用18
一．系统功能18
1.1收费作业流程的控制18
1.2收费信息采集和处理19
1.3收费数据处理20
1.4数据信息的管理22
二系统组成23
三主要设备23
3.1主要车道设备23
3.2控制柜24
3.3局域网24
四系统功能26
4.1系统功能26
第四章高速公路机电系统发展趋势28
高速公路信息化与智能化应用系统28
1.1高速公路综合管理系统28
1.2高速公路智能收费系统29
1.3高速公路公众信息服务系统29
1.4高速公路联动紧急救援系统29
1.5高速公路智能化养护系统29
1.6高速公路智能化路产管理系统29
结论30
致谢31
参考文献32
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公路三类；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。
第二章高速公路机电系统
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。
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64kbps数字信号的时分复用
构成2.048mbps基群群路信号。
采用数字程控交换机实现64kbps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2.048mbps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。
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、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，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。
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、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
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。
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
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