本文主要介紹了京臺高速安徽段的GPRS通信和太陽能供電技術(shù)的應(yīng)用情況，并重點對太陽能發(fā)電原理及電池板功率計算方法進(jìn)行了詳細(xì)解釋，希望讀者喜歡。

    近幾年隨著國家對高速公路建設(shè)的大量投入，高速公路里程也迅速增加，截止到2007年底，安徽省的高速公路里程已經(jīng)達(dá)到了2200多公里。為保證高速公路正常高效運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮其舒適、快捷、安全、高效的性能，高速公路路況信息采集工作顯的更加重要，這對信息的依賴程度越來越高，絕對不可能獨立于信息化浪潮之外，必須采用現(xiàn)代化的手段，如應(yīng)用信息技術(shù)、能源技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能等技術(shù)，才能實現(xiàn)復(fù)雜路段下的路況信息采集，建立高速公路路況信息實時采集監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高速公路路況資源管理的信息化。

    京臺高速安徽段（G3高速）是國家公路網(wǎng)中7條首都放射線之一——它是北京到臺北高速公路的重要組成部分，也是連接北京、山東、浙江、福建、江西四省的省際干線公路，京臺高速合徐南段充分利用了GPRS通信和太陽能供電技術(shù)實現(xiàn)交通路況信息采集。

高速公路傳統(tǒng)路況信息傳輸模式
系統(tǒng)組成
    目前安徽省高速公路機(jī)電系統(tǒng)中主要包括：監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要包括信息采集、信息處理、信息提供和反應(yīng)決策等幾種功能。其是設(shè)在道路沿線的各種外場設(shè)備，能及時向各級監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)，實時反應(yīng)道路的各種運行狀況。這些外場設(shè)備主要有：車輛檢測器（環(huán)型線圈、微波、紅外、視頻等多種類型）、氣象檢測器、能見度檢測器、隧道內(nèi)的CO檢測器、煙霧等火災(zāi)檢測器、路側(cè)緊急電話機(jī)等。監(jiān)控中心也可以通過各種設(shè)備將交通運行狀況和各種決策信息及時告知司乘人員，這些設(shè)備主要有可變情報板、可變限速標(biāo)志、車道控制標(biāo)志及巡邏車等。

路況信息采集系統(tǒng)組成及傳統(tǒng)傳輸模式
    路況信息采集系統(tǒng)主要包括：車輛檢測器（環(huán)型線圈、微波、紅外、視頻等多種類型）、氣象檢測器、能見度檢測器、隧道內(nèi)的CO檢測器、煙霧等火災(zāi)檢測器等。

    傳統(tǒng)信息采集模式：路況采集終端設(shè)備一般有一個供傳輸?shù)慕涌?，該接口通過串口轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備經(jīng)高速公路通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等進(jìn)入通信中心（監(jiān)控中心），實現(xiàn)對路況信息的采集。這種傳輸模式需依附干線管道為設(shè)備提供電源和傳輸光纜，對特殊路段如離收費站點較遠(yuǎn)的地方，無法實現(xiàn)為采集設(shè)備提供電源和傳輸光纜，或者是實施成本太高。

GPRS通信和太陽能供電技術(shù)下的傳輸模式
    通過GPRS通信和太陽能供電技術(shù)在G3高速公路安徽合徐南段實現(xiàn)了交通路況信息采集，徹底改變傳統(tǒng)傳輸與供電模式，真正實現(xiàn)了哪里需要，哪里就可以實現(xiàn)交通路況信息的采集。

GPRS組網(wǎng)方案
    本次在G3高速公路安徽合徐南段建設(shè)的四個能見度儀和一個氣象站，分布在沿線多霧、彎道及事故的多發(fā)地段。設(shè)備采用太陽能供電，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與管理中心進(jìn)行信息傳輸，把采集到的空氣能見度、氣象（如溫度、風(fēng)向、風(fēng)力等）等信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、存儲等（通信前端現(xiàn)地采集站控制機(jī)理如圖1所示）。

[nextpage]     基于GPRS組建的網(wǎng)絡(luò)，接入方式有三種，即專線接入方式、公網(wǎng)接入方式和無線接入方式，本路段主要采用GPRS MODEM接入方式，接入示意圖如圖2。

    GPRS通訊方式采用申請專用VPN，移動運營商分配給數(shù)據(jù)中心Modem網(wǎng)內(nèi)固定IP地址；數(shù)據(jù)中心通過無線GPRS Modem與遙測站實現(xiàn)多點對中心數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)地遙測站根據(jù)配置的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)內(nèi)IP地址與數(shù)據(jù)中心建立數(shù)據(jù)通道。利用中國移動提供VPN業(yè)務(wù)，為用戶組建基于GPRS的虛擬專有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過分配一個固定IP地址網(wǎng)段，這些地址只能在該用戶的VPN內(nèi)部之間通信，不能與其他用戶的VPN節(jié)點通信，也不能與通過Internet接入的用戶節(jié)點通信。

    移動公司可為每一臺GPRS DTU的SIM卡分配固定IP地址，數(shù)據(jù)中心根據(jù)每臺DTU的ID號或IP地址進(jìn)行通訊，也可不必為每一臺DTU分配固定IP地址，DTU連接GPRS網(wǎng)絡(luò)后，在指定網(wǎng)段內(nèi)動態(tài)獲得IP地址，這種情況下，數(shù)據(jù)中心根據(jù)每臺DTU的ID號進(jìn)行注冊和通訊。用戶的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心經(jīng)無線GPRS Modem連接至移動公司GGSN服務(wù)器，這種接入方法的特點主要是：

·數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，外界的終端或節(jié)點不能進(jìn)入，數(shù)據(jù)安全性好；
·數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；
·接入成本僅為DDN專線接入的三分之一。費用降低，使用帶寬在40-80K之間，通訊性能完全滿足目前高速公路路況信息數(shù)據(jù)傳輸要求；
·中心接入點或遙測站均可綁定內(nèi)網(wǎng)固定IP，偶爾掉線可以控制再自動上線，不會丟失地址；
·在條件許可的情況下，移動還提供中心端專線（光纖）接入的方案，中心端帶寬更寬，可達(dá)2M，中心端IP也是固定的，數(shù)據(jù)也是在VPN專網(wǎng)內(nèi)傳輸，適合大批量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

GPRS 通信流程
    GPRS的通信具有一套詳細(xì)的流程（參見圖3），由GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將交通路況數(shù)據(jù)傳送到管理中心后，首先經(jīng)過防火墻，再由通信服務(wù)程序進(jìn)行檢錯、數(shù)據(jù)格式歸一化處理，以TCP/IP方式發(fā)送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，接著由入庫軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、標(biāo)記、合成等處理后，將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。還可以用WEB服務(wù)軟件從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)頁的方式，以圖形化的界面顯示實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析報表等。

GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點
無線網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：
·覆蓋范圍廣；
·不受距離與地形限制；
·使用費率低；[nextpage]
·設(shè)備功耗低、維護(hù)簡單，擴(kuò)展方便；
·速度高；
·技術(shù)成熟，設(shè)備兼容性好，設(shè)備選擇余地大。

    太陽能板發(fā)電量與日照量成正比，晴天時發(fā)電量大，陰天時發(fā)電量??；太陽直射時發(fā)電量大，偏移時發(fā)電量小。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理
    太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用如下：

·太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作；
·太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其它附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項；
·蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來；
·逆變器：太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮的因素具體如下：
1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？
2、系統(tǒng)的負(fù)載功率多大？
3、系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？
4、系統(tǒng)每天需要工作多少小時？
5、如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天？
6、負(fù)載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？
7、系統(tǒng)需求的數(shù)量。

太陽能電池板功率計算方法
    太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負(fù)載提供足夠的電源，就要根據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法。

1、首先應(yīng)計算出每天消耗的瓦時數(shù)（包括逆變器的損耗）
    若逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%，則當(dāng)輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應(yīng)為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則耗電量為111W×5小時=555Wh。

2、計算太陽能電池板
    按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應(yīng)為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。[nextpage]

    要求日照充足的條件下6小時充滿，蓄電池200W。要求太陽能電池板的功率為yW，太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負(fù)載提供足夠的電源，就要根據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件，也就是說，太陽能電池板的實際輸出功率為200W。

粗略的計算方法
    太陽能電池板吸收能量轉(zhuǎn)化需要損耗，轉(zhuǎn)換效率為80-95%，考慮到充電效率和充電過程中的損耗，這個過程的損耗為60-75%。分別取90%、70%，則y×90%×70=200，求出y=317.5W。

    當(dāng)然這只是粗略的求法，只是做個參考，比較準(zhǔn)確的算法是計算太陽能板的發(fā)電功率，太陽能電池板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率Wp。太陽能發(fā)電功率量值取決于負(fù)載24h所消耗的電力，由負(fù)載額定電源與負(fù)載24h所消耗的電力，決定了負(fù)載24h消耗的容量P（AH），再考慮到平均每天日照時數(shù)及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流IP（A）。

    由負(fù)載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個數(shù)及蓄電池浮充電壓VF（V），再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT（v）及反充二極管P-N結(jié)的壓降VD（v）所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓VP（V），由太陽能電池陣列工作電源IP（A）與工作電壓VP（v），便可決定平板式太陽能板發(fā)電功率，從而設(shè)計出太陽能板容量，由設(shè)計出的容量Wp與太陽能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。

太陽能電池陣列的具體設(shè)計步驟
1、計算負(fù)載24h消耗容量P
P=H/V
V——負(fù)載額定電源
2、選定每天日照時數(shù)T（H）
3、計算太陽能陣列工作電流
IP=P（1+Q）/T
Q——按陰雨期富余系數(shù)
Q=0.21?1.00
4、確定蓄電池浮充電壓VF
鎘鎳（GN）和鉛酸（CS）蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4-1.6V和2.2V。
5、太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓VT
VT=2.1/430（T-25）VF
6、計算太陽能電池陣列工作電壓VP
VP=VF+VD+VT
其中VD＝0.5-0.7
約等于VF
7、太陽能電池陣列輸出功率Wp（平板式太陽能電池板）
Wp＝IP×UP
8、根據(jù)VP、Wp在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。[nextpage]

蓄電池的容量計算
蓄電池的容量由下列因素決定：
1、蓄電池單獨工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。
2、蓄電池每天放電量。對于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的80%。
3、蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能電池板峰值電流的25倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。
4、蓄電池自身漏掉的電能，隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的5%，但對于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月10-15%。

    在水情遙測系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長短決定了蓄電池的容量。由遙測設(shè)備在連續(xù)陰雨天中所消耗能量（安時數(shù)加上20%因子，再加上10%電池自放電能安時數(shù)）便可計算出蓄電池的容量。

實際應(yīng)用
    合徐南道路監(jiān)控改造中，首次采用太陽能供電系統(tǒng)為能見度供電和采用GPRS傳輸方式，實現(xiàn)交通路況信息采集。

1、太陽能發(fā)電量計算
    根據(jù)上述原理分析及有關(guān)本區(qū)域特點，本地段的太陽能發(fā)電的全年日平均綜合有效率為10-15%。

    發(fā)電量（度）＝70W×4塊板×24小時×日平均有效率×0.001＝70×4×24×0.135×0.001＝0.9072（度）。

    現(xiàn)場測量兩組太陽能板充電電流一般在1-3A，按總充電電流5A、日照8小時計算，日充電量為：發(fā)電量（度）＝24V×5A×8小時×0.001=0.96（度）。

    即：4塊70瓦的太陽能板的日平均發(fā)電量為1度左右。

    上述計算未考慮300AH×2的蓄電池的最小充電電流及自身充電損耗。

2、VISIC620型能見度耗電量計算
    在該監(jiān)控路段中選用VISIC620型能見度（DC24V直流供電），加穩(wěn)壓器，GPRS傳輸增加RS485轉(zhuǎn)RS232方式，并通過測量，加負(fù)載后輸出電流在0.33A-0.37A（含穩(wěn)壓器及485轉(zhuǎn)換器），計算負(fù)載功率為：26V×0.35A=9.31W，日耗電量（度）為9.31×24×0.001=0.22344（度）。

    即：VISIC620型能見度的日平均耗電量為0.23度左右，不同負(fù)載功率的耗電對比情況見表1。

3、實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果（詳細(xì)參見以下相關(guān)測試記錄）
    101K自2008.05.23太陽能斷開負(fù)載；2008.05.30給負(fù)載加電，同時太陽能給電池充電；2008.06.3下午14:10切斷太陽能給電池充電，電池完全放電，測量蓄電池電壓25.8v；2008.06.4上午測量蓄電池電壓25.1v；6.9日下午14:15測量蓄電池電壓24.3v。2008.06.14上午無供電輸出，結(jié)論為101K的VISIC620型能見度已經(jīng)完全由電池連續(xù)供電十天。（本文作者張玉虎任職于安徽省高速公路總公司，張恒任職于安徽省高等級公路工程監(jiān)理有限公司）