（交通信息工程及控制专业论文）高速公路机电系统安全运行管理及其评价研究.pdf

摘要 随着高速公路的进一步发展，高速公路建设的发展已经逐渐趋于智能化。现阶段主 要体现在机电系统的建设以及运行管理上。如何对高速公路机电系统进行运行管理，大 幅度提高路网的通行能力和服务质量、减缓交通拥挤、减少交通事故，己成为运营管理 部门愈加重视的问题。因此，开展对高速公路机电系统安全运行管理及评价研究具有重 要的理论意义和实际应用价值。 本文在阐述我国高速公路机电系统运行管理现状的基础上，分析了高速公路机电系 统的功能，并对其中构成高速公路机电系统的各个子系统的特点和功能进行了重点分 析。在此基础上，对高速公路运营管理理论进行了研究。 文中综合考虑了影响高速公路机电系统安全运行的多方面因素，通过对机电系统自 身状况、运行效果状况、环境状况和维护工程状况的分析与研究，完成了以下工作： 1 、建立了高速公路机电系统安全运行管理的评价指标体系； 2 、经过实地调研和测验对初选指标体系进行了筛选优化，建立了评价模型； 3 、对多指标综合评价方法进行分析、比较，选用层次分析模糊综合评价方法，采 用多个模糊算子对高速公路机电系统安全运行管理进行综合评价研究； 4 、结合实例，对河南高速郑州分公司所辖路段进行分析验证，选用肯德尔和谐系 数对评价主体信度进行了考察，经检验，肯德尔和谐系数符合要求，表明指标系数具有 良好的内部一致性。结果证明了该评价指标体系和评价方法具有较好的实用性和可行 性。 关键词：高速公路机电系统，安全运行管理，层次分析模糊综合评价 a b s t r a c t w i t l lt h em r t h e rd e v e l o p m e mo fe x p r e s s w a y ，t l l ec o n s t m c t i o no fe x p r e s s w a yh a sa l r e a d y b e c o m em o r ea 1 1 dm o r ei n t e l l i g e n t i tm a i n l ye m b o d i e so nt h ec o n s t 九l c t i o na n do p e r a t i o n m a n a g e m e mo fe l e t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma tt h ep r e s e ms t a g e hh a sa l r e a d yb e c o m e t h ef o c u s t oe x p r e s s w a yd e p a r t m e n tt h a th o wt 0d om a n a g e m e n to ne l e t r o m e c h a j l i c a ls y s t e mo f e x p r e s s w a y ，s ot h et r a f j f i cc 印a c i t ya j l ds e r v i c eq u a l 时o fr o a dn e 觚o r kc a i lb eg r e a t l y i m p r o v e d ，t r a m cc o n g e s t i o nc a i lb es l o w e dd o w n ，t h e 仃a 伍ca c c i d e n t sc a l lb er e d u c e d t 1 1 u s ， i ti sv e 巧i m p o r r t 肌tt or e s e a r c ht h es a f i e t yo p e r a t i o nm a n a g e m e n to fe l e 仃o m e c h 砌c a ls y s t e m a i l di t sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a l i o n o nm eb a s i so f d e s c r i b i n g t h e o p e r a t i o nm a i l a g e m e n t s c u r r e n ts i t u a t i o no f e l e t r o m e c h a i l i c a ls y s t e mo fe x p r e s s w a yi no u rc o u i l t 吼t h j sp a p e ra i l a l y z e dt h e 向n c t i o no f e l e t r o m e c h a i l i c a ls y s t e mo fe x p r e s s w a y a n dt h e n ，i ta j l a l y z e dt h ec h 2 u r a c t e r i s t i ca i l d 胁c t i o n o fe a c hs u b s y s t e mt h 2 r tf o m e dt h ee l e t r o m e c h a n i c a ls y s t e mo fe x p r e s s w a y b 2 l s e do nt h e s e ， t h et h e o 巧o fe x p r e s s 、) ，a yo p e r a t i o nm a i l a g e m e n tw a sa n a l y z e d t h i sp 印e rc o n s i d e r e dt h o s e m u l t i f a c e t e df a c t o r st h a ti n f l u e n c e ds a f e t yo p e r a t i o nm a n a g e m e n tc o m p r e h e n s i v e l y t h r o u g h a n a l y z i n ga i l dr e s e a r c h i n go no w l ls t a t u s ，o p e r a t i o ne 旋c ts 倒：u s ，e n v i r o m e n t a lc o n d i t i o na i l d m a i n t e n a j l c ee n g i n e e r i n gs t a c l l so ft h ee l e t r o m e c h a l l i c a ls y s t e m ，t 1 1 ef o l l o 淅n gw o r k sh a db e e n c o m p l e t e d f i r s t l y ，t h ee v a l 咖i o ni n d e xs y s t e mw a sb u i l tb ya 1 1 a l y z i n gt l l ef a c t o r s 吐l a ti n n u e n c e s a f e t yo p e r a t i o nm a n a g e m e n t s e c o n d l y ，m r o u g hs p o t i n gi r e s t i g a t i o na 1 1 dt e s t i n gf i l t r a t e sa i l do p t i m i z i n gt h ep r i m a d e s c o m p r e h e n s i v ee v a l 嘣i o ni r l d e xs y s t e mb yt h er e s u l t ，a i l dt h e nt h ee v a l u a t i o nm o d e lw 嬲 e s t a b l i s h e d t h i r d l y ，a r e rc o m p a r i n gd i f r e r e n tc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h ea i l a l ”i c k e r a r c h yp r o c e s s - m z z y ( a h p f u z z ) ，) c o m p r e h e n s i v em e m o d w a sc h o s e n a l s os e v e r a if u z z y o p e r a t o r sw e r es e l e c t e dt oc o n d u c t 也ee v a l u a t i o n m o r e o v e r ， t h e疳锄e w o r ko fe l e t r o m e c h a l l i c a ls y s t e mo p e r a t i o nm a n a g e m e mw a s c o n s t m c t e d 锄de m u l a t e d 谢t l lv i r n l a l r e a l t ) ，t e c h n i q u emz h e n g z l l o ub m c h ，h e n a i l e x p r e s s w a y t h i sp a p e rs e l e c t e dt 1 1 ek e n d a l lh 枷1 0 1 1 i o u sc o e 师c i e n tt o 印p r a i s et 1 1 es u 功e c t r e l i a b i l i 哆a n di n d e xi n t e m a lc o n s i s t e n c y b yi n s p e c t i o n ，t h ek e n d a l lh a r r n o n i o u sc o e 街c i e n t m e tt h er e q u i r e m e n t ns h o w e dt h a tt 1 1 ei n d e xw a sg o o di ni m e m a lc o n s i s t e n c y a l lr e s u l t s 印p r o v e dm a tt 1 1 ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n d m e t h o do fe v a l u a t i o nh a db e t t e rp r a c t i c a b i l i t ) r a i l df e a l s i b i l i t v k e yw o r d s ：e l e t r o m e c h a l l i c a ls y s t e mo fe x p r e s s w a y ；s a f e t yo p e r a t i o nm a i l a g e m e n t ； a h p f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 狳叩 吖鹛汨 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 榔p 铷签名：矽舛 叫钉刖咽 砌夕年，月乡汐日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早殆t 匕 1 1 研究背景 交通运输业是国民经济中具有全局性和先导性的基础产业。高速公路则是科学技术 和国民经济发展到一定水平的必然产物，它极大地促进了交通运输业发展，使人们出行 更加方便、快捷。高速公路作为现代化公路运输的交通基础设施，以其通行能力大，运 输能力强、经济效益明显、行车速度快的显著优势，成为适应现代经济产业结构发展需 要的骨干运输方式和重要运输通道，改变了以往公路运输在综合运输体系中处于短途、 零散、中转功能的附属地位，使汽车运输灵活、机动、“门到门”的优势得到了充分的 发挥。近年来，高速公路的建设出现快速增长的势头。 大规模建设高速公路是发达国家交通运输行业发展的一般规律。在已经形成或者初 步形成高速公路路网的发达国家，其高速公路的运输强度已极大超过了铁路运输的强 度，起到了重要运输大动脉的作用。我国高速公路建设起步相对比较晚，但发展很迅速。 我国大陆第一条高速公路( 1 9 8 4 年沪嘉高速) 与世界上建成的第一条高速公路( 1 9 2 1 年建于德国柏林西部) 【l 】，晚了近7 0 年。据统计，1 9 9 0 年我国高速公路通车里程才2 7 1 公里，但进入2 0 世纪9 0 年代后，我国高速公路建设步伐明显加快。到1 9 9 9 年1 0 月1 日，我国大陆高速公路总里程突破1 0 0 0 0 k m ，2 0 0 4 年底达3 4 2 0 0 m ，2 0 0 7 年底达 5 3 9 0 0 k m ，2 0 0 8 年新增通车里程6 4 3 3 公路，较2 0 0 8 年初制定的计划增长了3 0 左右， 总里程则超过了6 0 3 0 0 k m 【2 1 。高速公路通车里程仅次于美国的l 0 0 0 0 0 k m ，继续位列世 界第二位，已初步形成全国高速公路路网。 高速公路的快速发展，不仅提高了国家公路网的整体水平，优化了交通运输结构， 而且对缓解交通运输“瓶颈”制约发挥了不可替代的作用，有力地促进了我国经济发展 和社会同步。但是同时人们也认识到，我国现有的高速公路不论是数量、还是服务水平 都不能适应经济进一步发展的需要，而且仅靠大量的修建高速公路并不能满足交通运输 的发展要求。从上世纪后半叶，随着电子技术、现代通信技术、计算机和控制技术的巨 大发展，为全面解决交通问题提供了崭新的思路，那就是不再仅仅依靠修建更多高标准 的交通基础设施，而是通过采用先进的信息、通信与控制等集成技术对现有交通网络或 区域交通进行更有效的控制和管理，提高交通的机动性、安全性，最大限度地发挥现有 道路系统的交通效率。所以，基于现代科学技术的发展以及资源的限制，交通建设己经 第一章绪论 逐渐从单纯依靠扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，转移到用高新技术来改造现 有道路交通系统及其管理体系，从而达到大幅度提高路网的通行能力和服务质量、减缓 交通拥挤、减少交通事故这一目的。 智能化是高速公路发展的必然趋势，是科技发展的必然结果。现阶段，高速公路智 能化建设主要体现在机电系统的建设以及运行管理上【3 1 。高速公路机电系统运行管理的 职责是通过高速公路配套设施为高速公路使用者提供服务，当高速公路使用者缴费通行 时，购买的是高速公路的一整套服务，而不是购买了高速公路的机电设施。基于此，交 通运输部、交通运输厅等高速公路政府部门以及其下属运行收费的公司，作为高速公路 服务的生产者或者提供服务的运营企业，应该通过不断引入先进技术，提高高速公路机 电系统运行管理的水平，为高速公路使用者提供更加安全、便捷、舒适的服判4 1 。 社会的进步和运行管理企业服务意识的增强对高速公路机电系统运行管理的服务 质量与服务水平不断提出新的要求，时刻考验着现有高速公路机电系统运行管理的服务 能力。这使得道路使用者和管理者会经常质疑：目前高速公路机电系统运行管理中存在 多大程度的不合理性，存在着哪些薄弱环节和安全隐患，这些缺陷和不足会对社会和个 人会造成怎样的危害；出行者会接受怎样的服务水平；运行管理中的安全问题包括哪些 范畴；管理者需要采取哪些对策才能确保高速公路机电系统运行安全等等。 只有通过对现有高速公路机电系统运行管理现状进行分析和评价才能找到上述问 题的症结所在，以便管理者采取相应的对策和方案，因此，对高速公路机电系统安全运 行管理进行综合评价便具有重大的意义。它是实现安全运行，改善高速公路机电系统运 行管理条件，减少事故隐患，防止高速公路安全事故的发生，不断提高高速公路整体服 务水平的有力手段。 目前，在整个高速公路机电系统运营管理后评价体系中对于机电系统的评价指标体 系的研究才刚刚起步，正是由于此部分评价体系的不完善使得建设部门在对机电系统投 资评估时缺乏依据，运营部门则无法对机电系统的实际运营效果做出考核。本文正是基 于此背景之下开展研究的，属于高速公路后评价的一部分，是对高速公路后评价这一大 系统进一步的完善和深化。 1 2 研究意义 为了提高高速公路机电系统安全运行管理水平，对高速公路机电系统安全运行管理 评价体系展开研究，其研究意义具体表现为以下三个方面： 2 长安大学硕上学位论文 第一，对于前期投资的指导作用。近年来，在我国高速公路的建设过程中，高速公 路机电设备的投资额越来越大，在整个项目投资中的比例有稳中上升的趋势，如何规范、 合理的对高速公路机电设施进行投资，使其可以保证向i t s 的方向可持续发展。而且为 总结前期投资经验提供了理论依据，使对机电设施投资决策更趋于理性和科学。 第二，对于机电系统本身的改进作用。通过对机电系统的运行管理情况进行评价， 可以全面地了解并正确评价公路状况及服务水平，找出在实际运行过程中所存在的问题 和隐患。通过对问题部分的分析和研究，结合实际制定切实可行的建议和措施，使得机 电系统安全、可靠的运行，更好的服务于高速公路和同行者。同时也使现有机电设备的 潜力得到更好的发挥。 第三，对于项目可持续发展的作用。通过对机电系统的维护工程的评价，可以发现 并及时弥补由于设计或其他原因造成的道路及其设施的先天不足和后期人工使用缺陷， 可以提前预防道路及设备病害的发生，可以减少或杜绝由于道路及设施维护不当给使用 者带来的意外损害。经过后期的养护维修，可以逐步形成高速公路机电系统较完善的使 用和服务功能，这也可以说是对高速公路机电项目可持续发展的一种补充与完善【3 1 。 1 3 国内外高速公路机电系统安全运行管理概述 1 3 1 国外运行管理研究概况 经济发达国家高速公路已发展到了一个比较成熟的阶段，它们的高速公路已经基本 联网，并向周边国家延伸，逐步形成国际网络。加拿大和美国的高速公路已经共同构成 了北美高速公路网的主体，美国、墨西哥、加拿大还共同修建了连接三国的超级高速公 路网，欧洲经济委员会的2 0 多个国家签订了“国际干线公路网协定 。国外高速公路无 论是其主体工程还是配套设施的发展已经相当完善，一些发达国家越来越重视高速公路 的安全化、信息化、沿线环境和景观等问题，并正向以计算机技术、现代通信技术和现 代控制技术为基础的智能交通系统( i t s ) 发展。 伴随着国外高速公路智能化发展，高速公路机电系统的总体发展趋势呈现出四个特 点：一是网络化，一些发达国家正在把主要高速公路连接起来，构成省域、省际、国际 间高速公路网，形成了机电系统的网络化；二是智能化，2 0 世纪9 0 年代以来，美国、 日本、西欧等国投入大量人力、财力进行智能车辆与高速公路系统的研发工作，运用信 息、通信和控制等技术，通过车辆与道路的双向信息沟通，达到疏导交通、缓解堵塞、 提高通行能力、减少交通事故、降低环境污染等目的，智能化运输系统( i t s ) 将是道路 3 第一章绪论 运输系统的主要潮流。三是信息化，信息化公路将逐步实现，着眼于道路的多功能利用， 不仅使用路面，同时利用空间，成为信息化的公路。不仅具有运输人和物资的固有的交 通功能，还兼有输送电力等能源及各种信息的功能。四是多功能化，随着信息时代的到 来，卫星检测及控制系统将得到广泛利用，高速公路将真正成为多功能公路。各类检测 及监测系统普遍使用，交通控制中心将充分利用各方面汇集的交通信息，指挥汽车按最 优路线行驶，节约时间的同时又创造了最大效型6 1 。 1 3 2 国内运行管理研究概况 我国在交通管理中应用电子信息技术的工作始于上世纪7 0 年代末，8 0 年代初国家 科技攻关项目“津塘疏港公路交通工程研究 ，首次在高等级公路上把计算机、通信、 电子技术用于监控和管理机电系统。当前我国高速公路机电系统的建设、运营、管理体 制往往都是采用以“一条( 段) 高速公路、一个投资主体、一个管理分中心”作为基础 的“省中心路段分中心收费站 三级管理模式。现有的高速公路机电系统，除了吉林 省、江苏省等交通较发达省份的高速公路已实现联网外，其余各省基本上都是各路段相 对分开，彼此独立运行的；高速公路系统内部、各路段之间并没有真正做到相互联网、 信息共享，没有形成有机统一的整体。 上海己初步完成了高速公路联网收费管理系统、交通联网监控系统、应急指挥系统、 路政管理信息系统以及道路设施管理信息系统的建设。江苏省也基本实现了省、市、县 三级互联，普遍应用了车辆通行费管理系统、高速公路联网收费系统、路政管理系统、 养路费征稽管理系统、监控系统气象检测系统、基于g i s 的省市县三级公路养护管理系 统等，其联网收费电子支付系统已正式开通，系统运行情况稳定。浙江省制定了交通信 息化规划目标，旨在近几年实现真正意义上的公路、水路交通网络化、一体化、系统化 管理。但是我国发达地区与欠发达地区差异较大，欠发达地区尤其是交通不发达地区， 高速公路机电系统建设形势很不容乐观。从设计上看，机电系统设计不敢采用新技术， 怕麻烦，仅立足于很成熟的技术，没有一定的前瞻性，有的甚至直接套用原有设计；再 者，各设计没有遵循统一的标准或规范【3 】。从机电系统的实际应用来看，由于建设资金 来源以及建设发展模式等的差异，造成了我国目前高速公路运行管理模式各不相同。在 高速公路机电系统的建设管理初期，主要采用了分段、分线建设管理的模式，高速公路 机电系统的整体效益难以得到充分发挥。以广东省高速公路建设为例，广东省高速公路 各个路段普遍采用了计算机收费和闭路电视监控等先进手段进行管理，但是，由于省内 4 长安大学硕士学位论文 所有的高速公路路段都采用了一路一管理子公司的形式，即每个管理子公司负责其所辖 路段的监控、运营、收费、养护等服务，各个管理子公司均使用自己的管理模式，因此 在道路规划和整个路网运行管理的协调上不可避免地存在不同程度和纷繁复杂的问题， 所有这些问题使得高速公路以及其机电系统以这种运营管理模式管理的自动化程度不 高，应用范围较窄1 7 】。目前在高速公路交通领域存在的主要问题有：偏重于行业及部门 内部管理，忽视外部面向社会大众的信息服务；设备及各种信息资源的共享程度不够； m i s 系统与i t s 以及电子商务、物流系统之间衔接与协调性考虑不足，系统集成性较差 1 8 9 1 。 1 4 多指标综合评价概述 所谓的多指标综合评价，就是通过一定的数学函数( 或称综合评价函数) 将多个评 价指标值“合成”为一个整体性的综合评价值。可以用于“合成”的数学方法很多，问 题在于我们如何根据决策的需要和被评价系统的特点来选择较为合适的方法【1 0 】。 2 0 世纪6 0 年代，模糊数学在综合评价中得到了较为成功的应用，产生了特别适合 于对主观或者定性指标进行评价的模糊综合评价法。2 0 世纪7 0 8 0 年代，是现代科学评 价蓬勃兴起的年代。在此期间，产生了多种应用广泛的评价方法，传统的评价方法有综 合评分法、标准化计分法、功效系数法、层次分析法，数据包络分析法等。2 0 世纪8 0 9 0 年代，是现代科学评价向纵深发展的年代，人们对评价理论，方法和应用开展了多方面 的、卓有成效的研究，涌现出了许多现代综合评价新方法，如b p 神经网络、灰色关联 评价方法等。 当前，综合评价已经涉及人类生活领域的各个方面，其应用的范围愈来愈广，所使 用的方法也愈来愈多。但由于各种方法出发点不同，解决问题的思路不同，适用对象不 同，又各有优缺点。评价方法的分类很多，按照评价与所使用信息特征的关系，可分为 基于数据的评价，基于模型的评价，基于专家知识的评价以及基于数据、模型、专家知 识的评价。根据各评价方法所依据的理论基础，把综合评价方法大体分为四大类。 ( 1 ) 专家评分法，如专家打分综合法。 ( 2 ) 运筹学与其他数学方法，如层次分析法、数据包络分析法、模糊综合评价法。 ( 3 ) 新型评价方法，如人工神经网络评价法、灰色综合评价法。 ( 4 ) 混合方法，这是几种方法混合适用的情况。如a h p + 模糊综合评判、模糊神 经网络评价法。 第一章绪论 总的来说，评价方法是实现评价目的的技术手段，评价目的与方法的匹配是体现评 价科学性的重点方耐1 0 1 。然而遗憾的是，各种方法的提出都有其特殊的背景和意义，因 而会有适合自己的应用范围；也就是说，方法的优劣与否没有绝对的甄别标准，单纯从 方法的机理上判断方法的好坏不可行。因此，从另一种角度出发，一些学者提出组合的 思想，以实现两者的优势互补，得到更为合理、科学的评价结果。这种综合的方法，就 是“组合评价法”。通过各种方法的组合，可以达到取长补短的效果。因为，每种方法 都有自身的优点和缺点，他们的适用场合也并不完全相同，通过将具有同种性质的综合 评价方法组合在一起，就能够使各种方法的缺点得到弥补，而同时兼有各方法的优点。 由于选用不同的方法实际上是从不同的角度进行的综合评价，如果仅仅用一种进行 评价，其结果是很难令人信服的。因而有必要选用多种方法进行评价，然后将几种评价 结果进行组合。从理论上来说组合评价方法应该比单一的评价方法更合理、更科学。而 且从评价结果来看，组合评价法的评价结果具有一定程度的互补性，在吸收两类方法优 点的同时，又克服了两类方法各自的缺陷，这样，就对评价对象作了更为全面的评价。 综合是个十分复杂的问题，它涉及评价对象集、评价指标集、评价方法集、评价专 家集，综合评价结果由以上诸因素特定组合所决定。对一个复杂对象的评价能否准确， 不但受所遴选的专家群及描述被评价对象特征的指标体系的影响，还受所选评价方法的 影响，对同一组对象使用不同方法进行评价其结论可能存在较大差异，这个问题在现实 中普遍存在，使用集成法可以有效解决这个问题。集成是在同时使用两种方法进行综合 评价的各个阶段根据需要进行“再造”。“两两集成 是两个( 或以上) 综合评价方法的 有机结合，可以缩小主观认识和客观实际的差距，这就更具科学性和可操作性，可以提 高评价结果的可靠性。 1 5 主要的研究内容 本文针对我国高速公路机电系统安全运行管理的现状和问题，借鉴国内外安全评价 的研究成果，运用层次分析法和模糊综合评价法相结合的现代评价方法，对高速公路机 电系统运行管理涉及的机电系统自身状况、机电系统运行效果、机电系统环境状况、机 电系统维护工程状况进行分析和研究，并侧重于安全运行管理的综合评价研究。所进行 的主要研究工作有： 1 、对国内外高速公路机电系统安全运行管理的相关研究成果进行分析与归纳，作 为分析研究机电系统安全运行管理的基础。 6 长安大学硕士学位论文 2 、对高速公路机电系统安全运行管理现状进行概述，提出了高速公路机电系统安 全运行管理评价体系的构建思路，并对关键要素进行定性和定量相结合的分析。 3 、明确高速公路机电系统安全运行管理指标体系的构建原则，对所选取的评价指 标，结合实地调研结果和专家意见进行反复筛选，最终建立高速公路机电系统安全运行 管理的指标评价体系。 4 、通过对多指标综合评价方法的选取方法的阐述，采用层次分析法确定评价指标 权重，根据权重值对指标体系进行再次修改，应用模糊综合评价法建立高速公路机电系 统安全运行管理评价模型，利用多级模糊综合评价方法选择效果较好的模糊算子进行评 价分析。 5 、针对河南高速郑州石人山段高速公路郑州分公司所辖路段高速公路机电系 统安全运行管理情况进行具体评价和模型验证，对评价结果进行分析，根据评价揭示的 问题及薄弱环节提出相应的改进方法。 7 第二章高速公路机电系统运行管理分析 第二章高速公路机电系统运行管理分析 高速公路运行管理的目标可以概括为“安全、快速、高效、舒适、环保”。在这些 目标中，安全是指在整个高速公路系统的运行管理中，要保证人员的安全、运输对象的 安全、车辆的安全和道路设施的安全；快速是指车辆以较高的速度通过高速公路，交通 延误、等待时间少；高效是指能够充分发挥高速公路快速运输的优势，达到最优交通量， 提高社会效益和经济效益；舒适是指车辆在行驶过程中，能够以适当的速度行驶，既能 体现快速、安全、高效的优点，又尽量少的出现紧急刹车、加速跟进等行为，使乘客感 觉舒适；环保则是指通过限速等管理手段，使车辆以稳定的速度行驶，减少废气排放， 减少噪音污染，减轻震动使人产生的不适【1 1 】。 为了达到高速公路运行管理所追求的目标，高速公路管理部门需要及时准确的采集 道路上交通流的状态，并对此状态进行评估，根据交通流的状态变化，通过诱导或者控 制手段，限制进入高速公路的车辆数量，指挥车辆改变速度、进行适度调整。显然，传 统的管理手段难以对高速公路纷繁复杂的交通流进行有效的控制，必须借助由先进的技 术设备所组成的系统( 交通监控、收费、通信、照明、隧道和供配电系统) 协助高素质 的管理人员，才能优质的完成高速公路的各项运行管理任务，达到高速公路运行管理所 追求的目标，这些系统在建造过程中称为“机电工程，在运行管理的过程中则称为机 电系统。 高速公路机电系统安全运行管理是指为了保证高速公路机电系统的正常稳定运行， 而采取的法规、技术、经济等管理措施的总称，高速公路机电系统同时又是高速公路运 行管理的支持系统，对提高高速公路运行管理水平起着无可比拟的重要的作用【1 2 1 。 高速公路机电系统安全运行管理体系的构成与要素分析是对影响高速公路机电系 统安全运行管理的诸多关键因素进行研究分析，以达到确定了解系统目标，科学合理选 取评价指标，使所构建的高速公路机电系统安全运行管理指标体系科学合理可行的目 的。 2 1 机电系统运行管理的内容与任务 高速公路机电系统投资大，技术复杂，机电设备分布的点多、线长、面广而且较为 松散，一旦出现故障，故障率高且修复时间紧。所以建立严密的管理制度和维护规程， 形成套行之有效的高速公路机电系统运行管理模式，不但有利于维持机电设备使用寿 长安大学硕士学位论文 命，创造经济效益，而且有利于专业技术的研究、拓展，使机电系统发挥应有的价值和 功能。 高速公路机电设备的运行管理直接关系到高速公路的运行安全和整体服务水平，可 以从使用管理和维护管理两个方面来分析高速公路机电系统的运行管理。 高速公路机电系统使用管理的基本任务是：为了保持设备完好状态，延长安全运行 周期。规范机电设备的使用行为( 包括操作、维护、维修、检测) ，保证机电设备得到 规范使用。负责机电设备的日常使用管理工作，使设备管理能够细致、全面、合理、到 位、避免因设备维护管理工作归口不一，出现松懈、扯皮、责任心不强等现象。设置机 电设备职能管理部门，落实设备管理细则、年度管理计划和运行维护质量管理。规范设 备维护管理和业务指导的顺序，规范设备运行情况的汇报责任与义务。 设备维护管理的基本任务是：规范机电设备维修工作。的故障报修程序、故障处理流 程以及确定故障处理的一般原则、方法，确保维修工作高效有序运作。保证机电系统运 行正常，迅速准确的排除各种障碍；保证设备的电气性能、机械性能及各项质量指标符 合标准；保证设备完整、清洁、备品备件完好、工作环境良好；合理适用设备，建立健 全必要的技术数据和维护档案；进行收费、监控、通信、供配电照明等系统的软硬件和 数据的维护；在保证维护质量的前提下，节约能源、器材和维护费用。还包括岗位责任 制、维护作业计划、技术档案的数据管理、仪器仪表和工具管理、备品备件管理、维护 责任划分、设备维护的基本原则、收费系统的维护、监控系统的维护、通信系统的维护、 供配电和照明系统的维护、隧道机电系统的维护、软件的管理与维护、网络资源的管理 与维护、维护质量管理、机房管理和安全保密等内型1 2 】。 2 2 高速公路机电系统分析 高速公路机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助系统，机电系统是包含多个 子系统，以电子、电气、控制、通信、机械和交通工程等技术为基础的综合性大系统， 它主要包括通信系统、监控系统、收费系统和配电照明系统等子系统组成，子系统内部 和各子系统之间由通信网联系，监控系统和收费系统大都为计算机控制系统，通过光缆 数字通信连接成远程计算机网络，各网络间信息共享。随着电子设备日益广泛的应用， 雷击造成的损害越来越大，综合防雷系统也越来越被高速公路设计者、管理者和使用者 注意。机电系统组成见图2 1 。 9 第二章高速公路机电系统运行管理分析 图2 1 机电系统结构图 2 2 1 监控系统分析 监控系统是实现高速公路运行管理的主要手段。监控系统的目的是保证行车“安全 和道路“畅通”。监控系统的作用是监视与控制，主要完成实时采集、记录和显示交通 流数据、事故信息、气象信息，并据此判断各路段的交通状况，发布交通控制信息，对 全线交通状况进行控制和调度。在此基础上，再实现高速、环境保护等其他目标。 监控对象属性在很大程度上决定监控系统的检测、控制方式、系统组成和设备配置。 监控需要了解高速公路交通会出现哪些情况( 交通流有几种状态) ，特别是那些影响“安 全 和“畅通”的状态有何特点；需要确定用什么方法来描述、检测和转变( 控制) 这 些状态。 监控系统的具体功能为： 1 、准确及时采集交通流、交通环境和主要交通设施状态的各种信息； 2 、根据已掌握的信息，迅速做出有针对性的处理和优化控制方案，并立即执行； 3 、建立多种信息发布渠道，为用户提供信息服务，通过驾驶员调整行驶行为，达 到交通流动态平衡； 4 、专项监控：如探测和确认交通事件、隧道火情控制、冬季路面使用状态检测等； 5 、对交通事故能够做出快速响应，迅速排除事故根源和提供救援服务； 6 、建立高速公路交通数据库，用以支持道路运行状况评价，为改善高速公路经营 和交通管理的决策提供数据分析【1 3 】。 监控系统功能方框图如图2 2 所示： l o 长安大学硕士学位论文 输入 ( 控制指标) 检测器 干扰 刮| | 倒鍪哥燃f信息i 器i 指令i 器l ( 发布信息)i 。父】置况 l 反馈信息 信息采集器 原始信息 图2 2 监控系统功能方框图 2 2 2 通信系统分析 通信系统是高速公路现代化运行管理的支撑系统，通信系统实现监控系统和收费系 统的高效运转，同时保证高速公路各管理部门间的业务联络畅通，并要为高速公路管理 部门和外界建立必要的联系网络，同时，通信系统也是交通信息最主要的传输载体，为 各种网络服务及电视会议系统提供传输通道。通信系统的主要任务是根据规定的技术要 求，确保整个系统数据、命令、图像及语音等多种信息传输的及时性和准确性。因此， 安全、可靠、完善和高效的通信系统是高速公路正常运行的重要保证1 1 4 】。+ 高速公路通信的特点有： 1 、专用性强，通信对象主要是高速公路管理部门内部各个单位和高速公路使用者； 2 、需要传输的信号种类繁多，有语音、活动图像、数据和g p s 定位信号等；对各 类信号的传输有明确要求，如活动图像和语音的实时性，控制指令和报警信号的高可靠 度，收费数据严格的连续性等； 3 、通信方式繁多，几乎包含了当前所有的通信方式，如光缆通信，程控电话，计 算机网络数据和多媒体通信，移动电话，微波和卫星通信等； 4 、数据、图像和语音的传输和处理直接相联，通信系统是作为监控、收费等计算 机网络的通信支网出现的，计算机直接参与通信是公路通信的特点之一； 5 、要求可靠性高，通信系统每天2 4 h 不间断运行，中断会丢失重要数据或造成事 故处理不当； 6 、通信系统建立分级管理体制，在各管理分中心建立通信分中心，为了保证信号 长距离传输不产生严重失真，还可以根据需要设立中继站i ”】。 高速公路通信系统一般由通信管道、通信光缆、通信电源、数字光纤传输系统、程 第二章高速公路机电系统运行管理分析 控交换系统、接入网、数据通信系统、紧急电话、指令电话、业务普通电话构成，其系 统分层架构图如图2 3 所示。 收费系统监控系统 业务电话 紧急电话 接入网系统 数据通信系统指令电话 数字程控交换系统 同步光传输系统 通信电缆 通信光缆 通信管道 图2 3 通信系统组成图 2 2 3 收费系统分析 收费系统在高速公路的运营管理中起着至关重要的作用，是高速公路规范化运作、 统一管理的基础保障系统。收费系统实现的主要功能有：收费口交通量统计和车辆分型， 按标准收取通行费并发放收据，汇总、整理与收费有关的数据和交通量数据，传送到收 费广场、收费管理中心、监控中心等各级管理部门的上一级计算机进行处理，编制各类 管理报表和进行数据分析，保存重要数据，并根据监控中心发布的命令，对出入高速公 路的车辆进行控制和调节。 通行费是高速公路管理部门最主要的经济收入，是完成运行管理、道路设备维修、 换代缴税、建设新路的财源。按章收费是收费系统的主要任务。 收费系统一般为三层次结构：收费车道、收费站( 或称收费监控广场) 、收费管理 中心，如图2 4 所示，收费系统在高速公路主线或匝道设有收费站，收费站根据进出交 通量和道路条件设有若干条入口和出口收费车道。收费车道由收费岛加以隔离，岛上设 置有各种收费设备。收费车道前后形成一个宽于道路路面的收费广场，以便车辆排队等 待交费和供车辆加减速缓冲用；广场旁设有收费监控楼，对收费广场的情况进行实时监 控。如果对收费采用计算机管理，则用计算机数据通讯网络将收费车道、监控广场和收 费管理中心三级设备组成一个高效率的计算机收费网络系统。 i 1 2 长安大学硕士学谊论文 目蛔 鬯：= 骼 趱 毋窜 图24收费系统体系结构圈 2 2 4 配电照明系统分析 配电照明系统是高速公路机电系统必不可少的辅助系统，是提供给收费、监控、通 信系统设备用电的系统。配电照明系统的主要功能是按照规定的技术要求，2 4 h 不间断 的对机房内部设备和外场终端安全供电。要求既能正常供电，也能紧急供电。其中正常 供电包含变电和配电两部分。变电建设有高压和低压配电闻以及装备各种配电箱和配电 屏。配电则按沿线布设电缆管道及各种规格电力电缆和控制通信电缆。紧急供电一般配 备柴油发电机组、防酸漏铅电瓶或u p s 电源旧。高速公路照明一般有三个部分：主车 道照明、广场( 立交和收费站) 和隧道照明。在运输繁忙、事故多发( 立交和匝道连接 点) 、重要( 主车道) 路段设置主线照明，可以改善夜间行车环境，减少道路交通事故 发生。照明能使c c t v 摄像机充分发挥夜间监视的作用；收费广场采用高杆照明，以保 证收费车辆的安全交汇和排队。隧道照明在白天和黑夜都是必须的，隧道内各区匿的亮 度分布需满足人的视觉适应特点；各路段的人工照明亮度需按照环境亮度条件进行调 节；隧道内还设置有断电和火灾时的应急照明系统。 供配电系统是机电系统的主要动力。电源的供电质量好坏和安全可靠程度直接影响 第二章高速公路机电系统运行管理分析 整个机电系统中各种设备的正常运行。它不仅是直接影响设备运行，而且对于保证交通 安全及收费起着决定性的作用。 高速公路机电设备供电系统目前大部分采用集中供电模式供电，即电源统一由站低 压配电房引出，经过参数稳压器稳压后再输出到电源房总配电箱，经总配电箱分配到监 控配电箱，收费u p s ，通信电源设备，外场监控设备电源经监控配电箱直接引出至设备， 收费设备电源经过u p s 后在收费配电箱分别引出到监控室设备，收费广场配电箱，到 收费广场后分别引到各收费车道控制箱再连接车道设备，见图2 5 所示。 电源房总配电箱 监控设备配电箱】(收费u p s】( 收费总配电箱) ( 通信电源设备 洲嗉瞧 图2 5 供配电系统结构图 2 2 5 综合防雷系统分析 雷电是集声、光、电为一体的自然现象，它既能促进人类进化、造福于人类，又对 人类的生存和安全有危害作用。在现代生活中，雷电对航空、通讯、电力、建筑、交通 等国民经济部门产生着重大的影响，高速公路机电系统与其他电气电子系统一样，把雷 电的危害及其防护技术措施放在重要的位置来考虑。 雷电具有强大的破坏力，按其破坏机制可以分为热效应、电磁效应和机械效应。所 谓热效应是指雷电集中物体并使物体产生很高的温度而发生融化、气化、燃烧等现象。 电磁效应体现在两个方面，一方面是指雷电放电时在导体上产生静电感应和电磁感应， 使导体产生火花引起火灾或爆炸，或是跨步电压造成人畜伤亡；另一方面，雷电沿着架 空线路或者金属管道等，损害设备，甚至危及人员安全，即雷电波入侵现象。机械效应 的作用时间很短，导体在此作用下常常发生炸裂、劈开【1 3 】。 雷电活动的普遍规律是：热而潮湿的区域比冷而干燥的区域多雷，陆地比海洋多雷， 1 4 长安大学硕士学位论文 山区比平原多雷。我国各地的雷暴日，西北地区一般为2 5 天以内，长江以北地区为2 0 4 0 天，长江以南地区为4 0 8 0 天，南方地区为8 0 天以上，海南岛有的地方达1 3 0 天以上。 从季节上划分，我国广东、广西、云南、贵州等省都是雷电季节较长的地区。 高速公路的雷电防护是一个系统工程，在所有的电力和工业设备上都很相似，要求 较高的可靠性。随着大规模电子设备日益广泛的应用，高速公路机电系统不同程度地遭 受了雷电侵害，轻则设备被雷电击坏，造成系统部分功能丧失，重则造成系统瘫痪，经 济损失惨重。高速公路具有点多、线长、面广的特点，既有大量的强电设备，又有监控、 通信、传感等弱电设备，因此对机电系统的防雷问题也应该从接地网、电源线、接地体、 电源系统、传输光缆、电缆、整体机房防雷等多个方面进行全方位整体防雷研究，及时 避免机电系统遭受雷击损害，构成完整的综合防雷体系。 高速公路机电系统设计和设备选购的基本原则是根据防护对象的性质、发生雷击事 故的可能性及其后果，以接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果、合理 布线等因素出发，采取防直击雷、防雷电感应、防雷电波入侵等各种防护措施。 2 3 高速公路机电系统运行管理分析 运营管理( o p e r a t i o nm a n a g e m e n t ) 是由生产管理( p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ) 演变 而来的【1 6 ，1