趙 愷， 林 琴， 李永漢， 周 京， 徐聯(lián)祺

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

早在上世紀(jì)50年代，歐洲、美國(guó)、日本、加拿大等就對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了研究。現(xiàn)階段，常見的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要包括壓電式、單負(fù)載式、彎板式和壓電石英式等[1]。而國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究起步較晚，我國(guó)上世紀(jì)80年代才引入該技術(shù)。早期國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究的主要代表為重慶公路研究所，其于“八五”期間研制了固定式的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，可測(cè)量1～4個(gè)車道，軸中誤差在10%區(qū)間以內(nèi)[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些研究學(xué)者將不停車收費(fèi)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)相互結(jié)合起來(lái)，使計(jì)重車輛在行駛中完成稱重收費(fèi)，大大地減少了車輛在收費(fèi)站的停留時(shí)間，在一定程度上提高了收費(fèi)站的通行效率。趙文博[3]對(duì)不停車計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的平面布置及其應(yīng)用效果進(jìn)行了研究。王磊[4]將計(jì)重、收費(fèi)和治超進(jìn)行有效結(jié)合，提出了重載公路智能計(jì)重系統(tǒng)，使計(jì)重車輛在30 km/h的速度下完成稱重，且偏差在2%以內(nèi)。

隨著全國(guó)取消高速公路省界收費(fèi)站的推進(jìn)，全國(guó)高速公路貨車收費(fèi)由計(jì)重收費(fèi)改為按車型收費(fèi)。本文提出“高速公路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)”，該系統(tǒng)基于石英式稱重傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)24 h不間斷自動(dòng)檢測(cè)車輛稱重信息，判斷車輛是否超載。這將大大提高高速公路超載查處效率，有效遏制高速公路超載運(yùn)輸局面，進(jìn)而提高公路運(yùn)輸安全性，同時(shí)也為貨車收費(fèi)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)研究

1.1 動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)簡(jiǎn)介

不停車動(dòng)態(tài)稱重，即在非停車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下稱重。與常見的靜態(tài)稱重技術(shù)相比，動(dòng)態(tài)稱重可以提高運(yùn)輸效率，減少交通堵塞、旅行時(shí)間、廢棄污染等，確保稱重檢測(cè)對(duì)交通運(yùn)行影響達(dá)到最小。因此運(yùn)用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不停車通過(guò)檢查站和稱重站對(duì)公路建設(shè)與管理具有著極為重要的意義，對(duì)車輛運(yùn)輸現(xiàn)代化管理也有較大的促進(jìn)作用。現(xiàn)有動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要包括彎板式稱重系統(tǒng)和壓電石英式稱重系統(tǒng)。彎板式稱重系統(tǒng)核心部件為彈簧鋼板，其作用原理為不同重量的車輛在稱重系統(tǒng)上時(shí)，鋼板會(huì)發(fā)生不同程度的形變，內(nèi)置檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)鋼板形變程度計(jì)算出車輛載重；壓電石英式稱重系統(tǒng)是依靠壓電效應(yīng)，即根據(jù)不同載重的車輛在經(jīng)過(guò)稱重系統(tǒng)時(shí)，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生與車輪載荷成正比的電荷，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部軟件分析得到稱重結(jié)果。2種系統(tǒng)的各項(xiàng)特征如表1所示。

通過(guò)2種稱重系統(tǒng)的分析對(duì)比可見，壓電石英式稱重系統(tǒng)施工難度較小、運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低，而且對(duì)外界環(huán)境的影響較小，對(duì)不同路面的適用性較強(qiáng)，尤其是在車輛行駛速度30 km/h時(shí)，測(cè)量誤差小于1.5%，核心部件維護(hù)難度較低，能夠滿足新型動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)需求。

表1 彎板式與壓電石英式稱重系統(tǒng)性能對(duì)比表系統(tǒng)性能彎板式稱重系統(tǒng)壓電石英式稱重系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)基于彈簧鋼板產(chǎn)生形變大小來(lái)測(cè)量車輛載重,準(zhǔn)確性和精度易受車輛運(yùn)行狀況影響系統(tǒng)無(wú)需通過(guò)形變測(cè)量載重,是將傳感器接受的電信號(hào)作為測(cè)量數(shù)據(jù),準(zhǔn)確性和精度均有保證精確性車輛速度30 km/h時(shí),測(cè)量誤差小于5%車輛速度30 km/h時(shí),測(cè)量誤差小于1.5%適用性適用性較差,易受外界環(huán)境的溫度和濕度影響,適用的車輛速度范圍為0～5 km/h適用性較強(qiáng),對(duì)電磁環(huán)境與溫度不敏感,不易受外界環(huán)境變化影響,適用的車輛速度范圍為0～200 km/h維護(hù)難度系統(tǒng)為彈性結(jié)構(gòu),測(cè)量過(guò)程存在核心部件老化磨損,需要定期維護(hù),維護(hù)周期短系統(tǒng)為剛性結(jié)構(gòu),測(cè)量過(guò)程無(wú)材料磨損,關(guān)鍵部件無(wú)老化風(fēng)險(xiǎn),維護(hù)周期長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)成本設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè)周期長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)成本高設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè)周期短,運(yùn)營(yíng)成本低

1.2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)構(gòu)成

動(dòng)態(tài)稱重檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)施主要以稱重及車輛外廓尺寸檢測(cè)儀等設(shè)備為主體，輔以一系列的外圍設(shè)備構(gòu)成。稱重設(shè)備包括：稱重平臺(tái)、紅外車輛分離器/車輛感應(yīng)線圈、稱重控制器。外圍設(shè)備主要包括車道控制機(jī)、車牌識(shí)別儀、車道攝像機(jī)、雨棚攝像機(jī)、超限信息顯示屏、聲光報(bào)警器、自動(dòng)欄桿、防撞霧燈等。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要工作流程如圖1所示：

圖1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程示意圖

2 收費(fèi)站稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)高速公路收費(fèi)站入口或出口ETC車道的治超系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，即在現(xiàn)有的ETC車道上增加治超設(shè)備，實(shí)現(xiàn)入口管控，滿足取消省界主線收費(fèi)站后收費(fèi)模式由計(jì)重收費(fèi)改為按車型收費(fèi)要求。

ETC車道動(dòng)態(tài)治超稱重系統(tǒng)主要包括：計(jì)重系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車牌識(shí)別、閉路電視系統(tǒng)、超限信息顯示屏與報(bào)警系統(tǒng)、外廓尺寸檢測(cè)系統(tǒng)等，具體構(gòu)成如圖2所示。

圖2 ETC車道動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.1 車道計(jì)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)重系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，其基本組成為：計(jì)重傳感器、輪軸識(shí)別器、紅外車輛分離器、檢測(cè)線圈、計(jì)重控制器和控制機(jī)箱以及動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、專用計(jì)重軟件等。其中動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、專用計(jì)重軟件安裝在車道控制機(jī)內(nèi)。

整個(gè)計(jì)重系統(tǒng)的核心是計(jì)重傳感器(見圖3)，包括由采用石英材料制成的稱重檢測(cè)傳感器、治超控制器、控制柜、傳輸系統(tǒng)及供電設(shè)備等，系統(tǒng)24 h不間斷自動(dòng)檢測(cè)車輛稱重信息，獲取計(jì)算車輛車軸數(shù)、軸重、總重等信息；按照七部委令判斷有關(guān)車輛是否超限，作為車輛稱重系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。

圖3 石英式動(dòng)態(tài)稱重傳感器示意圖

2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

各治超設(shè)施通過(guò)以太網(wǎng)、RS232、I/O等數(shù)據(jù)接口，接入車道工業(yè)控制機(jī)，并與收費(fèi)廣場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，再接入至站級(jí)收費(fèi)以太網(wǎng)交換機(jī)。全省高速公路入口治超系統(tǒng)在收費(fèi)車道、收費(fèi)站、管理處(路段分中心)、省中心等各級(jí)機(jī)構(gòu)，均直接利用現(xiàn)有的服務(wù)器、工作站、存儲(chǔ)設(shè)施等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行必要擴(kuò)容或升級(jí)。

2.3 車牌識(shí)別、閉路電視系統(tǒng)

通過(guò)車牌識(shí)別攝像機(jī)、車道攝像機(jī)、雨棚遙控?cái)z像機(jī)，對(duì)車輛進(jìn)行車牌識(shí)別、圖像抓拍和車道監(jiān)視，獲得車輛的數(shù)字化信息，車輛抓拍圖像與數(shù)據(jù)疊加后經(jīng)廣場(chǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)上傳至收費(fèi)站監(jiān)控室收費(fèi)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)及閉路電視系統(tǒng)存儲(chǔ)，并通過(guò)通信系統(tǒng)上傳至上級(jí)治超平臺(tái)。

2.4 超限信息顯示屏與報(bào)警系統(tǒng)

通過(guò)超限信息顯示屏，提供超限檢測(cè)信息發(fā)布。同時(shí)安裝超限聲光報(bào)警器，當(dāng)車輛檢測(cè)超限時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)管理人員到車道現(xiàn)場(chǎng)處理。

2.5 外廓尺寸檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，獲取車輛長(zhǎng)寬高等外廓尺寸等信息。每個(gè)車道設(shè)置3套雷達(dá)系統(tǒng)。入口收費(fèi)車道中心線雨棚正下方設(shè)置1臺(tái)測(cè)長(zhǎng)激光掃描儀，在計(jì)重簡(jiǎn)易島位置左右各設(shè)置1臺(tái)寬高激光掃描儀。

2.6 治超平臺(tái)建設(shè)

關(guān)于治理貨運(yùn)車輛超限運(yùn)輸不停車檢測(cè)非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法[5]，湖南省已經(jīng)建立統(tǒng)一的治超平臺(tái)，可直接接入，因此本文不再敘述。

3 石英動(dòng)態(tài)治超系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和施工改造

3.1 石英動(dòng)態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

石英動(dòng)態(tài)系統(tǒng)適用于貨車通過(guò)量極大、擁堵壓力大、地勢(shì)低洼地段、易遭暴雨水淹的收費(fèi)站點(diǎn)，其施工開挖量小，開挖深度僅0.07 m，寬度0.07 m，不影響路面結(jié)構(gòu)。同時(shí)，日常運(yùn)行免維護(hù)，既不需要排水、排沙設(shè)施，也不需要定期清淤或防滑處理等。

3.2 具體施工改造要求

石英動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)用到具體收費(fèi)站，針對(duì)收費(fèi)站主要有以下幾點(diǎn)要求。

3.2.1收費(fèi)車道和收費(fèi)島

為了保證車輛進(jìn)入動(dòng)態(tài)稱重車道后，系統(tǒng)有足夠的時(shí)間識(shí)別車輛并記錄信息，收費(fèi)車道和收費(fèi)島應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：

1) 在收費(fèi)島前超限檢測(cè)時(shí)，秤臺(tái)至收費(fèi)廣場(chǎng)中心線距離23 m，治超島尖至收費(fèi)廣場(chǎng)中心線距離28 m，稱臺(tái)控制柜至收費(fèi)廣場(chǎng)中心線17.5 m，具體示意如圖4所示。

圖4 ETC/MTC混合車道設(shè)備布置示意圖(單位： cm)

2) 設(shè)置稱重設(shè)備時(shí)，應(yīng)將輪胎識(shí)別器、稱重平臺(tái)(或稱重傳感器)設(shè)置在同一塊砼板塊上，該板塊應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)澆筑并預(yù)留稱重設(shè)備的各預(yù)埋件、預(yù)埋管道等設(shè)施，設(shè)備預(yù)埋件邊緣至板塊邊應(yīng)≥0.5 m。收費(fèi)車道內(nèi)設(shè)置車輛檢測(cè)線圈的砼板塊應(yīng)采用素砼板塊，并保證在線圈前后兩側(cè)各0.5 m范圍不得設(shè)有橫、縱縫。計(jì)重設(shè)備處的路面板塊劃分應(yīng)根據(jù)計(jì)重設(shè)備的要求和現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

3) 對(duì)需設(shè)置手孔、設(shè)備基礎(chǔ)或其他相關(guān)設(shè)備預(yù)埋件處的路面砼板塊拆除，應(yīng)結(jié)合收費(fèi)車道路面改造，避免大范圍對(duì)原路基、路面破復(fù)。一般將安裝承重平臺(tái)(或稱重傳感器)和輪胎檢測(cè)器位置的砼板塊整塊拆除，其它均考慮部分拆改。

4) 對(duì)于車道環(huán)境惡劣，特別是收費(fèi)車道上的計(jì)重設(shè)備均處于收費(fèi)雨棚遮擋范圍之外，應(yīng)考慮可方便有效地清除車道內(nèi)油污、雨水、灰塵及車輛遺撒等污物。

3.2.2預(yù)埋管道

為了保證稱重系統(tǒng)正常有效運(yùn)行，系統(tǒng)的供電、通信等管道設(shè)施應(yīng)滿足以下條件：

1) 各種管材的管身及管口不得變形，接續(xù)配件齊全有效，套管(套箍)內(nèi)徑與插口外徑應(yīng)吻合。

2) 管道工程所用的器材規(guī)格、質(zhì)量，施工單位在使用前必須按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，無(wú)出廠合格證的器材，不得用于本工程。

3) 鋼管的連接采用套管焊接，套管長(zhǎng)度為鋼管外徑的1.5～3倍，接續(xù)前應(yīng)將管口磨圓或銼成坡邊，保證光滑無(wú)棱。兩根鋼管應(yīng)分別插入套管三分之一以上。鋼管接續(xù)嚴(yán)禁采用對(duì)口焊接。

4) 管道鋪設(shè)完畢后要進(jìn)行試通，并穿φ3 mm鋼絲，要采取妥當(dāng)措施防止鋼絲縮入管中，管口應(yīng)封堵，防止異物進(jìn)入管中。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)治超系統(tǒng)基于壓電石英式動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，徹底改變了現(xiàn)有技術(shù)缺陷，能有效應(yīng)對(duì)剎車跳稱等異常行駛作弊逃費(fèi)行為，規(guī)避因稱重誤差較大造成的事故責(zé)任；同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)中高速運(yùn)行狀況下精確測(cè)量車輛載重，大大提高了公路運(yùn)輸載重檢測(cè)效率，可從根源上降低稱重檢測(cè)點(diǎn)附近路段交通擁賭，提升公路運(yùn)輸效率。