【摘 要】高速公路机电系统能耗优化是实现交通行业绿色发展的重要环节。研究选取典型山区高速公路为案例，通过创建多目标优化模型，探寻机电系统节能控制策略。首先剖析机电系统能耗特性，找出主要耗能环节；其次建立兼顾能耗、成本和服务质量的优化模型；最后给出智能化的节能控制方案。案例应用显示，该方案可有效缩减系统能耗，同时保障运营服务质量，为高速公路节能运营提供新的技术思路。

【关键词】高速公路；机电系统；能耗优化；智能控制

引言

本文以降低高速公路项目中隧道机电工程的运营成本和投资为目标，利用多目标的优化途径探寻关于机电系统的整体优化计划，重点解决三大方面的问题，即如何处理好节能目标与服务品质之间关系的问题、怎样让不同的子系统做到协同优化，以及如何制订出能够适应动态变化的交通需求的有效方法，旨在为高速公路绿色运行赋予理论上的支持[1]。

一、高速公路机电系统概述

（一）系统组成与功能

高速公路机电系统主要由收费系统、监视系统、通信系统三大子系统构成。收费系统由车道控制器、费额显示器、自动栏杆机等设备组成，实现车辆通行费的准确计算并完成无感支付；监视系统由视频摄像机、气象观测器、可变情报板等组成，承担交通流监测、危险警报以及紧急指挥的任务；通信系统依靠光纤网络和无线基地台达成数据传输并保证各个系统之间的联系[2]，且供电系统和照明系统作为基础保障单元，共同组成完备的机电体系架构，各系统相互协作，从而实现高速公路“自动收费，智能监视，通信网络化”的运营目标。

（二）能耗构成与分布

高速公路机电系统能耗具有“三高”特征，即高基础负荷、高时空波动性、高设备关联性。从子系统占比看，照明系统能耗最高，特别是隧道照明，占总能耗45%～60%，其能耗强度与光照度调控策略相关；供配电系统占20%～30%；收费系统与监控系统分别占10%～15%和5%～10%。从空间分布看，隧道群、枢纽立交等重要节点的单位里程能耗是普通路段的3～5倍。从时间维度看，夏季制冷负荷与冬季供暖需求造成季节性峰谷差达30%以上，夜间照明与白天监控设备交替运行产生典型的“双峰”日负荷曲线[3]。

二、高速公路机电系统能耗特征分析

（一）不同路段能耗特征

高速公路机电系统能耗受地形影响明显。山区路段由于隧道多、纵坡大，能耗比平原路段高出40%～60%，隧道照明和通风系统占山区路段总能耗的70%以上，长隧道需24小时高强度照明，基础负荷高；平原路段能耗较为稳定，主要由收费系统和道路照明构成，但大型互通立交监控设备密集，局部能耗依然较高；桥梁路段由于结构特殊，需配备防雷、结构健康监测等系统，能耗比普通路段增加15%～20%[3]。总体来看，山区路段单位里程能耗是平原路段的2～3倍，优化重点放在隧道群智能调控上。

（二）不同季节能耗特征

机电系统能耗存在明显季节性波动。夏季高温时，监控设备散热及隧道通风能耗急剧增长，峰值负荷比春秋季高出25%～35%；冬天低温致使照明系统和供配电设备能耗提升10%～20%；春秋季气候适宜，整体能耗最低，不过春季雨水较多，可能会加大可变情报板和路侧传感器的使用频率[4]。值得留意的是，极端天气状况下，单日能耗可能会骤然上涨50%以上，需建立动态应对机制。

（三）不同时段能耗特征

能耗日内呈“双峰三谷”态势。早晚交通高峰期7：00—9：00、17：00—19：00时，收费车道设备和情报板满负荷运作，出现能耗峰值。午后12：00—14：00及凌晨0：00—5：00车流缩减，一些设施进入休眠状态，能耗降到谷值状况；凌晨时段虽整体能耗较低，但隧道照明占用全天总能耗达三成到四成，而收费系统在电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）扩大应用以后，夜里能耗占比不到5%[5]。