高速公路機(jī)電系統(tǒng)第一講

高速公路機(jī)電系統(tǒng)系統(tǒng)組成以及各子系統(tǒng)的作用序論什么是高速公路機(jī)電系統(tǒng)？系統(tǒng)組成問題：高速公路機(jī)電系統(tǒng)由哪些部分組成？答：一般來說，高速公路機(jī)電系統(tǒng)主要是由監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、通風(fēng)和消防等子系統(tǒng)構(gòu)成。各子系統(tǒng)的組成和作用

交通監(jiān)控系統(tǒng)

交通監(jiān)控系統(tǒng)一般由監(jiān)控中心和外場設(shè)備兩部分組成。監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視控制系統(tǒng)、投影設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)組成。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能接入視頻、數(shù)據(jù)和語音信息，構(gòu)成一個(gè)多媒體信息平臺，具備方便的擴(kuò)展性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有每天24小時(shí)連續(xù)工作的能力。監(jiān)控軟件工程是交通監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂工程。它采集外場設(shè)備采集到的信息，進(jìn)行分析處理，生產(chǎn)相因的控制方案，通過外場的情報(bào)板等設(shè)備發(fā)布路況信息。各子系統(tǒng)的組成和作用各子系統(tǒng)的組成和作用

收費(fèi)系統(tǒng)

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)是高速公路建設(shè)費(fèi)用回收的主要途徑，收費(fèi)系統(tǒng)一般采用“收費(fèi)車道——收費(fèi)站——各高速公路公司收費(fèi)中心——收結(jié)算中心”的四級收費(fèi)體制。各級站點(diǎn)的核心都為計(jì)算機(jī)設(shè)備，這些設(shè)備都是通過以太網(wǎng)交換機(jī)連成網(wǎng)絡(luò)。收費(fèi)車道采集的原始收費(fèi)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞召M(fèi)站，收費(fèi)站將采集的數(shù)據(jù)集中后收費(fèi)結(jié)算中心和相應(yīng)的高速公路收費(fèi)中心。在收費(fèi)結(jié)算中心，對每次出口的收費(fèi)按照該車輛的車型、計(jì)重?cái)?shù)據(jù)、實(shí)際行駛所通過的路段、里程進(jìn)行分割計(jì)算，得出各路段的應(yīng)收款，然后存入收費(fèi)結(jié)算中心的數(shù)據(jù)庫，并將清分的結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的運(yùn)營高速公路公司的收費(fèi)中心。各子系統(tǒng)的組成和作用各子系統(tǒng)的組成和作用

通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)主要是為高速公路運(yùn)營管理及監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)提供必要的話音業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)、圖像信息傳輸通道，它是保障高速公路安全、高速、通暢、舒適、高效運(yùn)營及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化交通管理必不可少的手段。根據(jù)目前的技術(shù)狀況，通信系統(tǒng)基本采用兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種為SDH光線數(shù)字傳輸系統(tǒng)；另一種為可實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻三網(wǎng)合一的千兆以太網(wǎng)技術(shù)。各子系統(tǒng)的組成和作用各子系統(tǒng)的組成和作用

通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)可對車輛在道路上行駛過程中所產(chǎn)生的一氧化碳、煙霧，異味和可吸入顆粒物進(jìn)行充分的稀釋和排出。同時(shí)可以用于加強(qiáng)隧道內(nèi)部的空氣的流通和對流。到目前為止，高速公路的通風(fēng)系統(tǒng)所使用的最主要的設(shè)備就是射流風(fēng)機(jī)，它具有送風(fēng)量大，安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。射流風(fēng)機(jī)安裝在行車道的的正上方；國外也有采用隧道吊頂內(nèi)安裝風(fēng)管的通風(fēng)方式。各子系統(tǒng)的組成和作用

各子系統(tǒng)的組成和作用

消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)包括緊急廣播系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)；主要設(shè)備有：火災(zāi)探測器、消防控制器、火災(zāi)報(bào)警器、消火栓、滅火器、加壓設(shè)施、供水設(shè)施等。光纖知識

光纖是怎么誕生的

現(xiàn)在的布線和網(wǎng)絡(luò)使用了大量的光纖，那么光纖是怎么誕生的呢？ 人類從未放棄過對理想光傳輸介質(zhì)的尋找，經(jīng)過不懈的努力，人們發(fā)現(xiàn)了透明度很高的石英玻璃絲可以傳光。這種玻璃絲叫做光學(xué)纖維，簡稱“光纖”。

人們用它制造了在醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，例如做成胃鏡，可以觀察到距離一米左右的體內(nèi)情況。但是它的衰減損耗很大，只能傳送很短的距離。光的損耗程度是用每千米的分貝為單位來衡量的。直到20世紀(jì)60年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每公里1000分貝以上。每公里1000分貝的損耗是什么概念呢？每公里10分貝損耗就是輸入的信號傳送1公里后只剩下了十分之一，20分貝就表示只剩下百分之一，30分光纖知識

分貝是指只剩千分之一……1000分貝的含意就是只剩下億百分之一，是無論如何也不可能用于通信的。因此，當(dāng)時(shí)有很多科學(xué)家和發(fā)明家認(rèn)為用玻璃纖維通信希望渺茫，失去了信心，放棄了光纖通信的研究。激光器和光纖的發(fā)明，使人們看到了光通信的曙光。而要實(shí)現(xiàn)光纖通信，還需要在激光器和光纖的性能上有重大的突破。但是在這兩方面的突破遇到了許多困難，尤其是光纖的損耗要達(dá)到可用于通信的要求，從每千米損耗1000分貝降低到20分貝似乎不太可能，以致很多科學(xué)家對實(shí)現(xiàn)光纖通信失去了信心。就在這種情況下，出生于上海的英藉華人高錕（K.C.Kao)博士，通過在英國標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室所作的大量研究的基礎(chǔ)上，對光波通信作出了一個(gè)大膽的設(shè)想。他認(rèn)為，既然電可以沿著金屬導(dǎo)線傳輸，光也應(yīng)該光纖知識

可以沿著導(dǎo)光的玻璃纖維傳輸。1966年7月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有重大歷史意義的論文，論文分析了玻璃纖維損耗大的主要原因，大膽地預(yù)言，只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從每公里1000分貝降低到20分貝／公里，從而有可能用于通信。這篇論文使許多國家的科學(xué)家受到鼓舞，加強(qiáng)了為實(shí)現(xiàn)低損耗光纖而努力的信心。世界上第一根低損耗的石英光纖――1970年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地制成了傳輸損耗每千米只有20分貝的光纖。這是什么概念呢？用它和玻璃的透明程度比較，光透過玻璃功率損耗一半（相當(dāng)于3分貝）的長度分別是：普通玻璃為幾厘米、高級光學(xué)玻璃最多也只有幾米，而通過每千米損耗為20分貝光纖知識

分貝的光纖的長度可達(dá)150米。這就是說，光纖的透明程度已經(jīng)比玻璃高出了幾百倍！在當(dāng)時(shí)，制成損耗如此之低的光纖可以說是驚人之舉，這標(biāo)志著光纖用于通信有了現(xiàn)實(shí)的可能性。1970年激光器和低損耗光纖這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，使光纖通信開始從理想變成可能，這立即引起了各國電信科技人員的重視，他們競相進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。1974年美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法――CVD法（汽相沉積法），使光纖損耗降低到1分貝／公里；1977年，貝爾研究所和日本電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá)100萬小時(shí)（實(shí)用中10年左右）的半導(dǎo)體激光器，從而有了真正實(shí)用的激光器。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mb／s。

光纖知識

進(jìn)入實(shí)用階段以后，光纖通信的應(yīng)用發(fā)展極為迅速，應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)多次更新?lián)Q代。70年代的光纖通信系統(tǒng)主要是用多模光纖，應(yīng)用光纖的短波長（850納米）波段，（1納米=1000兆分之一米，即米）。80年代以后逐漸改用長波長（1310納米），光纖逐漸采用單模光纖，到90年代初，通信容量擴(kuò)大了50倍，達(dá)到2.5Gb／s。進(jìn)入90年代以后，傳輸波長又從1310納米轉(zhuǎn)向更長的1550納米波長，并且開始使用光纖放大器、波分復(fù)用（WDM）技術(shù)等新技術(shù)。通信容量和中繼距離繼續(xù)成倍增長。廣泛地應(yīng)用于市內(nèi)電話中繼和長途通信干線，成為通信線路的骨干。光纖知識

光纖分類光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。從材料角度分按照制造光纖所用的材料分類，有石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖等。塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）制成的。它的特點(diǎn)是制造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計(jì)算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。光纖知識

按傳輸模式分按光在光纖中的傳輸模式可分為：單模光纖和多模光纖。多模光纖多模光纖(Multi

Mode

Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。單模光纖單模光纖(Single

Mode

Fiber)：中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散光纖知識

這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITU－T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。光纖知識

按最佳傳輸窗口按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。常規(guī)型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300μm。色散位移型：光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個(gè)波長的光上，如：1300μm和1550μm。為了使光纖較好地工作在1.55μm處，人們設(shè)計(jì)出一種新的光纖，叫做色散位移光纖（DSF）。這種光纖可以對色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從1.31μm處移到1.55μm附近。這種光纖又稱為1.55μm零色散單模光纖，代號為G653。光纖知識

按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。階躍型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，因而產(chǎn)生時(shí)延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開發(fā)較早的一種光纖，現(xiàn)在已逐漸被淘汰了。為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變光纖。

光纖知識

漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進(jìn)入低折射率層中去，因此，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時(shí)，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。在這以后。和上述完全相同的過程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會自覺地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做自聚焦。光纖知識

按工作波長分按光纖的工作波長分類，有短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。常用光纖規(guī)格單模：

8/125μm，

9/125μm，

10/125μm多模：

50/125μm

歐洲標(biāo)準(zhǔn)

62.5/125μm

美國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：

100/140μm，

200/230μm塑料光纖：

98/1000μm

用于汽車控制。光纖知識

光纖制造目前通信中所用的光纖一般是石英光纖。石英的化學(xué)名稱叫二氧化硅（SiO2），它和我們?nèi)粘Ｓ脕斫ǚ孔铀玫纳白拥闹饕煞质窍嗤?。但是普通的石英材料制成的光纖是不能用于通信的。通信光纖必須由純度極高的材料組成；不過，在主體材料里摻入微量的摻雜劑，可以使纖芯和包層的折射率略有不同，這是有利于通信的。光纖知識

光纜光導(dǎo)纖維是一種傳輸光束的細(xì)微而柔韌的媒質(zhì)。光導(dǎo)纖維電纜由一捆光纖組成,簡稱為光纜。光纜是數(shù)據(jù)傳輸中最有效的一種傳輸介質(zhì)，它的優(yōu)點(diǎn)和光纖的優(yōu)點(diǎn)類似，主要有以下幾個(gè)方面：(1)頻帶較寬。(2)電磁絕緣性能好。光纖電纜中傳輸?shù)氖枪馐?，由于光束不受外界電磁干擾與影響，而且本身也不向外輻射信號，因此它適用于長距離的信息傳輸以及要求高度安全的場合。(3)衰減較小?？梢哉f在較長距離和范圍內(nèi)信號是一個(gè)常數(shù)(4)中繼器