机电工程复习要点.docx
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机电工程复习要点.docx
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机电工程复习要点
01绪论
高速公路定义:
我国交通部“公路工程技术标准”规定,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”。
高速公路特点
行车速度快、通行能力大。
●一般高速公路行车速度在120km/h以上。
一条车道每小时可通过1000辆中型车,比一般公路高出3~4倍。
●在美国高速公路仅占公路总里程的1.1%,却承担全国公路运输任务的19%,
物资周转快、经济效益高。
●运距在300km以内,使用大吨位车辆运输,无论从时间或经济角度考虑,均优于铁路和普通公路运输。
虽然高速公路的投资大,但是综合经济效益也大,能促进了沿路地区的经济发展,其投资一般在5~7年内收回。
如我国的广佛高速公路,其投资费用回收期不到6年。
。
交通事故少、安全舒适好
●严格的管理系统,采用先进的自动化交通监控手段和完善的交通设施,全封闭、全立交,无横向干扰,因此交通事故大幅度地下降。
●高速公路具有完备的交通安全设施、管理设施和服务设施,且道路线性好,路况佳,服务质量好、排除了混合交通,行车安全舒适性高。
高速公路组成
高速公路交通运输是一个综合系统,由公路交通设施、车辆和人组成。
公路交通设施由道路设施和交通工程设施两大部分组成;交通工程设施包含机电系统、安全、服务设施、交通标志与标线等。
机电系统6个子系统:
监控、收费、通信、照明、供配电和隧道安全运行保障子系统
机电系统定义
机电系统是在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术,并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成系统。
机电系统五大要素1、动力2、传感器3、机械结构4、执行机构5、计算机
02监控系统
交通监控是对高速公路交通流运行状态及其交通设施和交通环境的监测(视)与控制。
由现场监控站和各级监控中心组成监控系统,是实现高速公路运行管理的主要手段。
监控系统基本功能要求
5R(Real-time)实时采集实时处理实时分析实时预测实时控制
交通监控系统的意义和目标
●对高速公路交通流运行状态及交通设施和交通环境的监测。
●对高速公路交通流行为的控制。
●监控系统的目的是保证行车“安全”和“畅通”,在此基础上再实现高速、环境保护等其他目标。
(监控系统目标,或者,最大行车安全、道路通畅、交通设施状态完好、其他优化目标如用户总旅行时间最小对环境污染最小等)
交通监控功能图
闭环可控,注意其输入输出、干扰、控制对象、控制器
交通流特性
●易变干扰容易激发状态变化。
如一辆车驾驶失误,可引起后随车辆车速和车间距离出现很大改变。
●变化幅度大沿高速公路不同路段呵不同时间,交通流的状态可能相差很大。
●随机性状态变化无法准确预测,但是具有一定的特征性倾向。
描述这种变化特征的物理量服从一定条件下的统计规律,可用统计方法研究其分布特性。
P15交通流状态
交通流状态可分为稳态和动态两类。
前者指不考虑各参数随时间的变化,只沿公路长度方向有不同分布;后者则既随空间也随时间变化。
交通流状态可按不同方法对其分类,对监控而言,可分为两类:
1、流动(流动可分为通畅和拥挤两种,通畅流动又可细分为自由流和稳定流两种)
2、停车排队等待
自由流和稳定流属于连续流,拥挤流是一种不稳定流。
干扰组成:
气象环境道路环境交通环境
交通流变化主要因素是干扰。
需要采集的信息按性质可分为:
数据、图像、语音三种类型。
从信息所反映的功能可归属为:
交通流、环境干扰、设备状态三大类。
(P32页表2-8)
中值滤波
中值滤波是一种非线性信号处理方法,与其对应的中值滤波器也就是一种非线性滤波器。
原理:
中值滤波就是用一个奇数点的移动窗口,将窗口中心点的值用窗口内各点的中值代替。
假设窗口内有五点,其值为80、90、200、110和120,那么此窗口内各点的中值即为110。
高速公路监控的特点
●监控对象复杂
●监控系统复杂
●监控手段多样
●人的特殊作用
检测设备
环形线圈、超声检测器、红外检测器、微波交通检测器、视频车辆检测器、车辆磁印象检测器
各设备工作原理及特点:
1.环形线圈
目前,高速公路检测交通流状态用的最多的传感器件是环形线圈。
它可以检测交通量、车速、占有率、车头时距、车长和车辆存在等多个项目。
环形线圈的特点
●适应性强。
可改变线圈形状,适应不同的需要。
●检测精度高。
检出率90%以上。
●抗干扰能力强。
●使用寿命长。
>10年
●施工要求高。
●破坏路面,维修和更换需封闭车道。
2.红外检测器
主动式:
将红外光发射器和接收器对中,水平安装在车道两旁。
无车时,接收器接收细束线状红外光,车辆通过时,遮断光束,接收器无输出。
通/断的转换即是对车辆的检测信号。
被动式(p54):
在路面相隔一定距离的地方,以特种涂料画出两个明显的区域,使他们在给定的环境温度下,辐射出比较稳定的能量。
并安装好红外接受器。
无车时,接收器分别感受两个特定区域的辐射能量,有车时,感受车辆的能量。
红外检测器特点
●抗干扰性强。
●路面温度变化对检测精度无影响。
●静态检测和动态检测。
●工作环境:
-40度—70度,湿度>95%。
3.车辆磁映像检测器
磁映像检测器利用车辆通过时对地磁场的影响,检测车辆交通参数。
它利用高灵敏度的磁材料,将地磁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形变,产生原始信号,经处理输出一个随时间变化的曲线,从而检测出交通量、速度、车头时距、车场以及路面状况等信息。
车辆磁印象检测器特点:
检测器体积小、质量轻、安装不许破坏路面,直接平放于路面,加一薄保护罩即可工作;检测数据可先储存后处理,也可计算机现场实时处理,很适合做交通调查等科研使用。
4.视频车辆检测器
●视频车辆检测器是运用视频图像处理和计算机图形识别技术的检测器,可进行高效益的广域视频监视并现场实时采集各种交通参数。
●在需要检测的路段,安装一台或多台数字式摄像机,将一定范围的交通图像,经过图像处理软件分析处理,可得到交通量、平均车速、占有率、车头间距和排队长度等参数。
视频车辆检测器特点
●功能强大。
(图像直观,软件控制,便于升级。
)
●多车道检测。
(6条车道/台摄像机)
●使用方便。
(不破坏路面,不封闭车道。
)
●受环境影响干扰。
(受恶劣气候影响,夜间需辅助照明。
)
5.微波交通检测器
微波检测器向检测区发射小功率以不同中心频率连续调制微波,中心频率大于10GHz(波长约3cm),带宽45MHz,进行分区扫描,获得被测物的反射回波。
检测器最多可检测八个车道的交通量、平均车速、占有率、按长度划分的车型和排队长度等参数。
组成:
微波发射探头、微波接收探头、控制器、调制解调器和电源。
安装方式:
前视安装和俯视安装。
微波交通检测器特点
●多车道检测。
●全天候工作。
不受风、雨、雾、雪的影响。
●使用方便。
不破坏路面
●检测精度高。
正确率>90%
●漏检率低。
2%左右
6.超声检测器
超声检测器由波束发射器、接收器和时控电路组成。
发射器和接收器主要用于波束的发射与接收,时控电路主要控制发射间隔,并计算发射接受时间差。
将检测到的时间差与正常值进行比较,从而得出结果。
超声检测器可对车速、时间占有率、交通量等变量做出检测。
超声检测器特点
●优点:
1、价格便宜。
2、安装方便。
3、使用寿命长。
●缺点:
1、检测精度不高。
2、抗干扰能力不强。
闭路电视交通监视系统(CCTV)
功能:
1.获取实时的交通图像。
2.与信息技术相结合,自动检测交通参数和交通事件。
CCTV系统组成=前端设备+后端设备
前端设备:
摄像机,镜头,云台,防护罩,解码器。
后端设备:
监视器,视频控制切换器,视频分割切换器,视频矩阵,硬盘录像机。
●摄像头:
●1、照度,普通(>2-3Lx),微光(0.1-0.5Lx)。
●2、CCD的尺寸1/2—1/3寸。
●3、云台:
采用控制水平、竖直自由度的步进电机。
串口通讯。
●4、解码器:
对远端的控制信号进行解码,并对云台、镜头,除雾等控制。
03通信系统
公路专用通信的系统构成
●光缆系统(主干线)
●紧急电话系统
●移动通信系统
●微波通信系统
●卫星通信系统
高速公路通信特点
●专用性强通信对象主要针对公路管理部门和公路沿线行驶客户
●信号类型复杂
类型:
语音、图像、控制信息、GPS定位信息等
要求:
图像和语音的实时性、控制指令和报警信号的可靠性、收费数据的连续性。
●通信方式繁多光缆通信、程控电话、移动通信、卫星通信等。
●计算机直接参与公路通信。
●可靠传输。
全天候24小时不间断工作
●通信里程受限。
属小型通信系统,通信里程50—400km。
终端不超过1000个。
●严格的分级管理体制。
在各管理分中心建有通信分中心,为保证长距离信号的有效传输,可设立中继站。
高速公路为什么是专用通信系统?
高速公路管理需要将多种信号沿公路传输和交换,通信成为高速公路管理、监控、收费不可缺少的工具。
为了保证通信的高可用性,高速公路建有专用通信系统。
高速公路普遍建造专用通信网的另一个原因是在道路修建时预设通信管道,可节省通信建设投资。
通信系统定义:
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。
组成:
信源、信宿、传输介质(信道)和接收设备、发送设备。
●
信源
消息的产生地,其作用是把各种消息转换成原始电信号,称之为消息信号或基带信号。
●信道传输信号的物理媒质。
●无线信道:
大气(自由空间)。
●有线信道:
电缆或光纤。
●信宿传输信息的归宿点。
作用:
将复原的原始信号转换成相应的消息。
●噪声源
●不是人为加入的设备,而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的。
●噪声的来源是多样的,它可分为内部噪声和外部噪声,而且外部噪声往往是从信道引入的.
●为了分析方便,把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。
信息:
信息可以是语音、图像、文字和数据等,由模拟和数字两类信号表示。
凡幅度可连续取值的为模拟信号,信号只在有些时间区间才出现,幅度也只能用有限个数量近似表示的为数字信号。
模拟通信的主要特点
●抗干扰能力差。
●不易于保密通信。
●设备不易于大规模集成。
●不适应飞速发展计算机通信的要求。
●简单、易于实现。
数字通信优点:
●抗干扰能力强;
●差错可控;
●易于与各种数字终端连接;
●易于集成化;
●易于加密处理。
数字通信不足:
占用带宽大;需要同步。
有线信道
1.对称电缆(双绞线)
●在同一保护套内有多对相互绝缘的双导线的传输媒质。
●导线材料是铝或铜,直径为0.4~1.4mm。
●为了减小各线对之间的相互干扰,每一对线都拧成扭绞状。
●类型:
非屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)
●特点
●电缆的传输损耗比较大。
●传输特性比较稳定。
●价格便宜。
●安装容易。
●用途主要用于市内交通信息中继线路。
●STP与UTP的区别特性相同,由于加入了屏蔽措施,对噪声有更好的屏蔽作用,但是其价格要昂贵一些。
2.同轴电缆
●由同轴的两个导体构成,外导体是圆柱形的导体,内导体是金属线,它们之间填充绝缘介质。
●实际应用中同轴电缆的外导体是接地的,对外界干扰具有较好的屏蔽作用,所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。
●在交通视频信息有线传输中大量采用的同轴电缆
●为了增大容量,将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内,构成多芯同轴电缆。
3.光纤
主要用于高速公路沿线设施之间的通信,为监控、收费系统的数据、传真、图像提供传输通道。
●光纤通信的特点
●传输衰减小,传输距离长。
●传输频带宽(300T),通信容量大。
●抗电磁干扰,传输质量好。
●体积小、重量轻、便于施工。
●原材料丰富,节约有色金属,有利于环保。
●易碎不易接续。
●便于保密。
无线信道
●1.微波通信主要用于高速公路设施与车辆的短距离通信,如ETC、轮渡监控、运河监控。
两个地面站之间传送距离:
50-100km
●频率范围一般在几百兆赫至几十兆赫。
●在自由空间沿视距传输,不能存在阻挡。
●两点间的传输距离一般为30~50km。
●长距离通信需建立中继站。
微波通信特点
●具有传输容量大。
●长途传输质量稳定。
●节约有色金属。
●投资少、维护方便。
●2.卫星中继信道利用人造卫星作为中继站构成的通信信道,用于紧急事物处理和军事服务。
主要特点
●通信容量大
●传输质量稳定
●传输距离远
●覆盖区域广
●信号衰减大
●信号延迟大
模拟信号数字化(采样量化编码解码)
采样将时间上连续的信号变成时间上离散信号的过程。
用冲激脉冲进行理想采样,采样时间间隔均匀。
量化
●用预先规定的有限个电平来表示模拟采样值的过程
●上述过程中有限个电平称为量化电平。
●注意:
●采样是把时间上连续信号变换成时间上离散的信号。
●量化是将取值连续的采样信号变成取值离散的采样值序列。
编码
●把量化的电平值表示成二进制码组的过程。
●将模拟信号的经过采样、量化变换为数字信号,然后再变换成代码传输,这种方式称为脉冲编码调制(PCM)。
解码
●是编码的反变换。
●采用专门的编码和解码芯片。
差错控制方式
●常用的分组码
1.奇偶校验码(VRC)见P141图3-20
表示成为(n,n-1)。
如果是奇监督码,在附加上一个监督元以后,码长为n的码字中“1”的个数为奇数个。
如果是偶监督码,在附加上一个监督元以后,码长为n的码字中“1”的个数为偶数个。
2.方块校验码(LRC)
字符
位1
位2
位3
位4
位5
位6
位7
校验位(偶)
N
1
0
0
1
1
1
0
0
E
1
0
0
0
1
0
1
1
T
1
0
1
0
1
0
0
1
W
1
0
1
0
1
1
1
1
O
1
0
0
1
1
1
1
1
校验位(偶)
1
0
0
0
1
1
1
0
3.循环冗余校验码(LRC)
检错思想:
收发双方约定一个生成多项式G(x)(其最高阶和最低阶系数必须为1),发送方在帧的末尾加上校验和,使带校验和的信息帧的多项式能被G(x)整除。
接收方收到后,用G(x)除多项式,若有余数,则传输有错。
●二进制码元的代数表示(报文多项式)
●模2多项式代数运算法则(加法=减法?
)
●预备知识:
XOR(异或)
04收费系统
我国高速公路的特征
1.投资方式多元化。
国家、地方政府、外资、社会集资、合资建设。
2.道路须收费。
偿还贷款、保证投资利润、运营管理、日常维护。
3.管理方多样化。
谁投资、谁管理、谁受益,管理方由不同业主组成,收费管理模式也不相同。
世界各国高速公路的收费系统通常采用四种制式:
开放式、封闭式、混合式和浮动式。
开放式
●1.开放式收费又称栅栏式收费或路障式收费系统。
收费站建在主线上,距离较长的高速公路可建多个收费站,间距一般在40~60km。
各个立交的出入口不再设站。
车辆可以自由进出公路,高速公路对外界呈“开放”状态。
●2.不计行驶里程多少,仅按车型和车辆通过次数,一次性征收固定费额。
●3.适用范围:
大中型桥梁、隧道、机场,以及里程不长、无匝道出入口或较少出入口以主线交通流为主的公路。
●优点:
收费过程与历史信息无关,用户缴费方便,收费设备简单,投资少,建设周期短、人员配置少,易于管理。
●4.分类:
均一式和广义开放式
开放式
均一式是最简单的一种收费方式。
●其收费站一般设置在高速公路的各个匝道入口处或出口处。
●车辆只需经过一个收费站交费然后驶入高速公路。
收费标准仅因车种不同而不同,与行驶里程无关,且各个入口收费站都采取同一收费标准。
●均一收费制式适合于城市近郊高速公路,此式收费制式,手续简便,效率很高,对交通影响较小。
●缺点是设站多,工作人员多,收取的费用对道路使用者不够公平。
广义开放式
●用于里程较长的跨省份国道、高速公路主干道的分段收费。
●收费站的设置根据车流分布等因素确定,距离<40km。
●不合理(车辆行驶距离不同征收相同费额、未经过收费站的车辆未征收费额)
封闭式
●在高速公路的起点、终点建立主线收费站,在所有立交的出、入口建立匝道收费站。
车辆进入高速公路都受到控制,在高速公路内部则可以自由行驶,高速公路对外界呈“封闭”状态。
●封闭式收费系统根据车辆类别和行驶里程征收路费,通常都是按入口发卡、出口收费的原则来进行设计,可防止作弊,比较适合于人工式收费系统。
●但是随着交通流量的不断增大,收费口服务水平不能满足使用要求。
除出现排队问题外,还会因交通网络的逐步完善和规模增大,限制了客户行车路线的自由变更,缺乏机动性。
●特点封闭式收费的最大优点是收费合理,无漏收多收,但系统复杂,投资大,建设周期长,管理难度大。
混合式收费
●开放式和封闭式两种收费方式的混合,其基本出发点是将两者的优点结合起来,形成一种新型的、简单有效的收费制式,用在中长距离的收费公路上。
●这种收费制式在主线上设一定数量的收费站,间距大于40km,在两主线站之间的部分匝道设收费站。
●特点混合收费设备简单,用户缴费也相对方便,有一定的现实作用。
但是,要保证收费的基本合理,又不过多的增加用户停车缴费的次数,站的数目设置和地点,各站的收费额度都需要根据OD流进行优化。
浮动式
●路费费率不固定,随时间而变化。
●高峰期费率高,低谷期费率低。
●可用于调节车流,改善交通拥挤状况。
国家明文规定以下车辆可以享受免费待遇:
●高速公路营运管理车辆,如路政车,救护车,维修车等。
●执行紧急任务车辆,如消防车,救护车,警车等。
●军队牌照车辆。
●地方文件规定的特许车辆。
收费方式由以下要素形成
●通行劵
●付款方式
●车辆分类
●收费自动化程度
付款方式
●现金
●预付款(预付于高速公路管理公司)
●预付款(预付于银行)
●后付款
●免费
●冲卡
1.现金由驾驶员将现金直接交与收费员
特点操作简单。
收费设备少。
跨省行车缴费方便。
2.预付款(预付于高速公路管理公司)用户到高速公路管理公司预先交付一定数量的金额,并领取储值卡。
特点:
●无需找零,提高收费车道的通行率和管理效率。
●无现金交易,减少舞弊行为。
●用户与高速公路管理公司形成资金链,不便于政府部门和业主监管。
3.预付款(预付于银行)用户在高速公路制定的委托银行建立专用账号,存储一定金额。
特点:
●充分利用现有的金融系统,减少收费系统的建设投资。
●可拓展交通服务的范围。
●对用户、银行、高速公路管理公司、政府有较强的透明度。
4.后付款对长期用户采用的互惠互利的付款方式。
如长途客运公司,货运公司
特点:
●无现金交易,减少收费服务时间,提高通过率。
●可利用为该类用户开设的快速通道,缩短行车时间。
●方便用户资金周转。
6.冲卡为逃避缴费,强行通过收费车道的违法行为。
冲卡的原因(驾驶员强行通过。
收费人员有意放行。
收费设备功能的缺陷。
)
什么是ETC系统?
电子不停车收费系统是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导,实现车辆不停车自动收费的智能交通子系统。
它通过车载电子标签与微波天线之间的专用短程通讯(DedicatedShortRangeCommunication,简称DSRC),在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下,自动完成收费处理全过程。
特征:
不停车、无人工操作、无现金交易。
ETC的系统构成
Ø已运行的电子收费系统采用的工作频率有:
915MHz,2.45GHz,5.8GHz。
我国无线电委员会推荐使用5.8GHz。
Ø系统通讯方式有:
✓主动式:
功率大,通信距离远,双工通信。
✓被动式:
通讯距离较短,半双工通信。
ETC的前台工作任务
Ø识别车辆通行凭证
Ø确定车辆进、出口的地址和时间
Ø判别车型
Ø计算通行费额
Ø对通行车辆进行控制管理
Ø编制收费数据文件
Ø对冲卡车辆现场取证
Ø与后台通讯
ETC的后台工作任务
Ø发售标示卡,卡的初始化
Ø用户补缴金额和查询
Ø接受前台收费数据文件
Ø交易和结算
Ø向前台发送补交金额和黄、黑卡名单
三大关键技术:
车辆自动识别技术(AutomaticVehicleIdentificationSystems——AVI)
自动车型分类技术(AutomaticVehicleClassificationSystems—AVC)
违章车辆抓拍技术(VideoEnforcementSystems—VES)
ETC的优点
▪对业主的益处
▪对用户的益处
▪网络化运行特点
▪更好的服务水平
1)更高的收费站通行能力通行能力:
1条ETC车道=3~5条MTC车道
2)更少的基建投入2条ETC车道+6条MTC车道=14条MTC车道
3)更低的运营成本
14条MTC车道=120万/年
2条ETC车道+6条MTC车道=60万/年
4)更好的服务水平
更通畅的通行环境更低的排放和环境污染更便捷的付费服务更准确的运营数据服务
ETC在运营中的问题
▪1)误入车辆引起ETC车道拥堵。
缓解措施——交通诱导
▪2)ETC系统跟车干扰严重。
▪3)短通信区车辆通行速度低。
▪4)自动栏杆附近存在通信盲区。
▪5)恶意旁道插队逃费现象无法解决。
▪6)各类ETC系统间的兼容问题。
2)ETC系统跟车干扰严重;
跟车干扰情况:
(1)前车无电子标签,后车有电子标签;
(2)两辆车都安装有电子标签;
(3)前车有电子标签,后车无电子标签。
缓解措施:
(1)统一电子标签的灵敏度。
(2)规范车辆电子标签的安装位置。
(3)通过宣传和增加ETC车道诱导标识的手段。
(4)提高ETC车道软件逻辑判断能力。
区域收费公式
区域收费方法:
标记法、最短路径法、最长路径法、最大概率法、路网平衡法
标记法
●当车辆进过道路连接点处时予以标记,以确定行驶的实际路线。
●非电子收费系统不能提供相应功能。
最短路径法
●计费时采用最短路径为收费的标准。
●计算简单。
●没有考虑驾驶员选择路径是的道路、交通,气候、服务水平等影响因素。
最长路径法
●计费时采用最长路径为收费的标准。
●要求驾驶员主动取得路段的标记,否则按最长路径计算征费。
05照明系统
影响道路照明的因素
道路特征:
沿线地形,道路线性,路面状况,立交数量,桥长和航道净空。
交
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