文| 中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十四研究所 張榮軍 羅向東 許晨光 張偉

基于北斗的車載計(jì)重綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)

文| 中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十四研究所 張榮軍 羅向東 許晨光 張偉

摘 要：針對目前貨車的源頭治超，貨車的電子不停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection，ETC）、渣土處理及物流信息化等難題，提出基于北斗的車載計(jì)重綜合監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)整合了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS ）、車載計(jì)重系統(tǒng)、公用通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動化監(jiān)控平臺等，通過安裝北斗車載定位、計(jì)重及監(jiān)控單元的方式，形成對載重車輛的綜合監(jiān)控。批量試點(diǎn)應(yīng)用表明，系統(tǒng)稱重精度高、定位準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、適用性強(qiáng)，能夠滿足當(dāng)前車載計(jì)重綜合監(jiān)控的要求。

關(guān)鍵詞:車載計(jì)重 北斗系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng) 大數(shù)據(jù)技術(shù) 綜合監(jiān)控

一、引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)及交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，載貨汽車數(shù)量大幅增加，隨之帶來公路、交通的一系列問題，道路運(yùn)輸事故也呈上升趨勢，道路運(yùn)輸安全問題已經(jīng)成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)。如載貨車輛的超限超載、道路擁堵以及引發(fā)公路、橋梁基礎(chǔ)設(shè)施安全、道路交通事故等，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來極大損失，甚至影響社會穩(wěn)定。提高載貨車輛綜合監(jiān)管，減少人民群眾生命財產(chǎn)損失，提高營運(yùn)效率等，是政府部門、營運(yùn)企業(yè)、司機(jī)以等多方共同關(guān)心的問題。為了有效遏制載重車輛的超限超載，我國設(shè)置了多級超載超限檢測站，安裝軸重儀、整車式稱重系統(tǒng)等計(jì)重設(shè)備，有效的控制了車輛超載運(yùn)輸。但是在使用過程中先后暴露出了稱重精度差、通行效率低、防作弊能力差、監(jiān)管治理難度大等問題，經(jīng)常出現(xiàn)由于計(jì)重準(zhǔn)確性問題帶來的糾紛和交通擁堵，給管理部門和公路運(yùn)營企業(yè)造成了巨大的壓力。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及車載稱重技術(shù)的發(fā)展，為解決上述問題提供了解決方案，基于北斗的車載計(jì)重綜合監(jiān)控系統(tǒng)集北斗衛(wèi)星通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、車載稱重技術(shù)、地理信息技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)對載貨車輛載重量、行駛速度、位置信息的實(shí)時監(jiān)控。能夠解決載重車輛的自動在線監(jiān)測、超限治理、貨車不停車收費(fèi)、渣土車治理、物流信息化等諸多難題，越來越得到社會的廣泛關(guān)注。

二、系統(tǒng)方案

基于北斗的車載計(jì)重綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)是面向相關(guān)行業(yè)、政府職能部門、車隊(duì)等提供相關(guān)服務(wù)及信息的綜合監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)對載重車輛的實(shí)時監(jiān)控，提供實(shí)時位置信息及地理信息，能夠?qū)囕v的載重信息、偏載信息、超載信息、運(yùn)行狀態(tài)、駕駛狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集及處理，根據(jù)處理結(jié)果做出相應(yīng)的處理。按照功能分為四部分：車載計(jì)重單元、基于北斗的車載智能監(jiān)控終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)及綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺。系統(tǒng)構(gòu)成原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

車載計(jì)重單元安裝在載貨車輛的車軸或底盤上，用來檢測貨車的載重信息；車載智能監(jiān)控終端安裝在駕駛室內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)載重量處理、偏載處理、位置信息、無線傳輸、ETC設(shè)備數(shù)據(jù)交互等功能；綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺由接入設(shè)備、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS服務(wù)器、監(jiān)控終端、電視墻等組成，實(shí)現(xiàn)對載重車輛相關(guān)信息的實(shí)時監(jiān)控、信息的處理、存儲、發(fā)布等功能，通過與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，將載重車輛的位置信息直接反映在電子地圖上，并可實(shí)現(xiàn)軌跡回放。

三、車載監(jiān)控單元

1.車載計(jì)重單元

（1）基于應(yīng)變放大的工作原理

貨車在設(shè)計(jì)時，出于安全性考慮，貨車的車軸設(shè)計(jì)安全系數(shù)裕度較大，因此車軸受載荷作用后，應(yīng)變/變形非常微小，不能滿足測試要求。同時，在應(yīng)力應(yīng)變或形變測試過程，力傳遞環(huán)節(jié)、邊界剛性及應(yīng)變區(qū)及非應(yīng)變區(qū)強(qiáng)度等原因，導(dǎo)致敏感器件感受到的應(yīng)力應(yīng)變大幅衰減，因此傳統(tǒng)的測量方法不能滿足車載計(jì)重的要求。本系統(tǒng)通過將車軸一定區(qū)域的形變集中到車載傳感器彈性體應(yīng)變區(qū)的方式，來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的傳遞及放大，再通過電路轉(zhuǎn)換，獲取了具有一定信噪比的電信號，此電信號和載重量成一定的比例關(guān)系，從而間接獲取貨車載重量。

（2） 測量方法

針對車軸類型（前軸、驅(qū)動軸、半掛車車廂后軸），對車軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，以確定有效敏感區(qū)應(yīng)變值及有效敏感區(qū)域的分布狀態(tài)。

（3） 車載敏感器件

在車輛行駛過程中，專用傳感器承受持續(xù)的交變載荷（振動、沖擊等）的作用，對彈性元件的疲勞特性及可靠性要求極高，傳統(tǒng)的敏感器件難以滿足要求，為此采用濺射薄膜工藝解決了車載稱重系統(tǒng)敏感器件的可靠性問題、溫度補(bǔ)償及熱沖擊問題。

（4）車載傳感器的布局及信息融合

車載計(jì)重傳感器根據(jù)稱重精度要求的不同，可采用每根車軸中部布局一只傳感器或每根車軸兩側(cè)各布局一只傳感器兩種方式，后者可消除裝載貨物質(zhì)心沿軸向的位置偏差。

根據(jù)車軸強(qiáng)度的不同，采用同類信息融合技術(shù)，對傳感器進(jìn)行分組分類，分別進(jìn)入車載智能監(jiān)控終端，通過求取通道耦合系數(shù)，進(jìn)而得到裝載貨物的靜態(tài)重量信息。

（5）車載智能監(jiān)控終端

車載智能監(jiān)控終端由ARM嵌入式微控制器單元、北斗/GPS雙模定位單元、無線數(shù)傳單元、電源單元、稱重信號放大與調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、顯示單元、數(shù)字I/O接口單元、數(shù)據(jù)存儲單元等構(gòu)成，是基于北斗系統(tǒng)的前端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對車輛位置信息、重量信息、狀態(tài)信息、及其他相關(guān)信息的采集、處理、傳輸、存儲等功能。

系統(tǒng)采用ARM系列LPC2378處理器。它包含10/100Ethernet MAC、USB2.0 全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個串行外圍設(shè)備接口、2個同步串行端口、3個I2C接口、1個I2S接口和1個8位存儲控制器，LPC2378處理器作為車載智能監(jiān)控終端的核心，內(nèi)嵌有操作軟件，完成稱重數(shù)據(jù)采集的控制與運(yùn)算處理；定位數(shù)據(jù)的識別與處理；數(shù)據(jù)存儲的控制；ETC數(shù)據(jù)的交互；北斗/GPS模塊的數(shù)據(jù)交互以及實(shí)現(xiàn)對顯示單元的人機(jī)界面的控制等任務(wù)。

車載智能監(jiān)控終端軟件包含：車輛定位模塊、稱重管理模塊、監(jiān)控模塊、存儲模塊、遠(yuǎn)程交互模塊、人機(jī)交互與權(quán)限管理等。主程序由多個實(shí)時、獨(dú)立的任務(wù)構(gòu)成，任務(wù)0用于定位處理，任務(wù)1用于稱重處理，任務(wù)2用于監(jiān)控管理，任務(wù)3用于本地存儲，任務(wù)4用于遠(yuǎn)程交互，任務(wù)5用于人機(jī)交互及權(quán)限管理，各任務(wù)之間采用全局變量進(jìn)行交互。主要實(shí)現(xiàn)車輛基本信息、重量信息、定位信息、狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)交互、報警等信息的操作及管理功能。

四、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位

北斗定位模式在定位精度、覆蓋范圍、通信手段、技術(shù)支持、保密性、可持續(xù)發(fā)展等方面具有優(yōu)越性：①定位精度高。國內(nèi)區(qū)域定位精度可達(dá)5m以內(nèi)。②以衛(wèi)星導(dǎo)航通信和3G網(wǎng)絡(luò)兩種通信方式進(jìn)行信息傳輸，保障通信鏈路的暢通，確保信息及時傳送。

本系統(tǒng)北斗定位單元由“北斗/GPS”雙模定位模塊構(gòu)成，主要完成地理信息定位以及在特殊環(huán)境或緊急事件下的事件消息的傳遞。在我國的一些邊陲地區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)，無線公共網(wǎng)絡(luò)、第三代數(shù)字通信覆蓋不到或者當(dāng)出現(xiàn)事故，無線公共網(wǎng)絡(luò)阻塞或癱瘓無法實(shí)現(xiàn)車載監(jiān)控信息的傳遞時，可以利用北斗系統(tǒng)的短報文功能實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸。

五、綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺

綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺面向貨運(yùn)車輛的全過程，以貨運(yùn)車輛運(yùn)營過程的相關(guān)部門和各個環(huán)節(jié)為服務(wù)對象，以裝載信息服務(wù)、位置信息服務(wù)、交互信息服務(wù)的綜合服務(wù)管理平臺,管理平臺由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS服務(wù)器、通信服務(wù)器、WEB服務(wù)器、監(jiān)控終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、大屏幕等部分組成，見圖2。

圖2 綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺組成示意圖

圖3 電子地圖監(jiān)控界面

平臺數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)采用專用網(wǎng)絡(luò)和公用網(wǎng)絡(luò)兩種傳輸模式，專用網(wǎng)絡(luò)使用短距離無線通信，用于內(nèi)部測試和區(qū)域組網(wǎng)。公用網(wǎng)絡(luò)則適用于長距離廣域傳輸。其中專用網(wǎng)絡(luò)由ZigBee、WiFi等構(gòu)成，為仿真測試平臺提供了測試通信通道；使用3G公用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)絡(luò)傳輸，與北斗通信構(gòu)成互補(bǔ)的數(shù)據(jù)傳輸體系。針對每種傳輸模式的特點(diǎn)，采用統(tǒng)一的上層傳輸協(xié)議及不同的通信驅(qū)動軟件，既兼顧各自通信體系的獨(dú)立性，又保證服務(wù)軟件處理信息的一致性。

GIS 是基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的管理空間對象的信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容；方法為GIS建設(shè)提供解決方案；人員是系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵和能動性因素，本系統(tǒng)通過GIS服務(wù)器獲得準(zhǔn)確經(jīng)緯度信息及地理信息（城市名、道路、街道等），滿足綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺服務(wù)器的綜合管理要求。

系統(tǒng)針對大量的貨運(yùn)載重車輛進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)體量巨大、數(shù)據(jù)類型繁多、處理速度快等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對海量交通數(shù)據(jù)的分析與挖掘，提高交通運(yùn)營效率及道路網(wǎng)的通行能力。

主要實(shí)現(xiàn)和車載智能終端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的交互，實(shí)現(xiàn)載貨車輛的實(shí)時在線監(jiān)控功能；通過與地理信息（GIS）系統(tǒng)功能相結(jié)合，可以將載貨車輛位置信息直觀反映在電子地圖上，如圖3。

綜合監(jiān)控服務(wù)管理平臺軟件架構(gòu)分為B/S和C/S組合模式，其中，C/S結(jié)構(gòu)的服務(wù)平臺軟件主要用于數(shù)據(jù)接入、設(shè)備管理、終端測試及調(diào)試；B/S結(jié)構(gòu)主要用于應(yīng)用仿真、服務(wù)接口等，綜合監(jiān)控管理軟件主要包括：服務(wù)平臺軟件、B/S監(jiān)控終端軟件及B/S服務(wù)軟件，服務(wù)平臺軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、鏈接狀態(tài)管理、調(diào)試及標(biāo)定等功能；B/S監(jiān)控終端軟件主要實(shí)現(xiàn)車輛信息管理、實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、車輛定位管理、報警、數(shù)據(jù)查詢等；B/S服務(wù)軟件主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上車輛信息查詢及應(yīng)用服務(wù)接口。

六、典型應(yīng)用案例

1.源頭治超

針對目前超載治理實(shí)施比較分散，地區(qū)設(shè)備層次不一，信息化水平不高，車輛重量信息無法實(shí)時獲取及共享，增加執(zhí)法難度；現(xiàn)有固定式源頭治超模式，需要投入大量的人力、物力及財力，但效果不佳；監(jiān)管、執(zhí)法的難度大等問題，運(yùn)用基于北斗的計(jì)重貨運(yùn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決了以上問題。

結(jié)合北斗衛(wèi)星通信技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、車載稱重技術(shù)、地理信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)等實(shí)時對貨車的裝載量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦達(dá)到超載狀態(tài)，智能車載終端將會將超載信息上傳到治超管理中心，同時超載信息直接和車輛的點(diǎn)火裝置聯(lián)動，超載狀態(tài)下車輛將無法點(diǎn)火啟動。

2.貨車ETC

針對貨車ETC，提出以下兩種基于車載的稱重的貨車ETC解決方案：一是車載智能稱重終端直接集成車載設(shè)備（OBE），重量信息直接上傳給路側(cè)設(shè)備（RSE），從而實(shí)現(xiàn)貨車的ETC繳費(fèi)過程。二是車載智能終端將重量信息及車輛信息 （車牌號、車型等）通過ZigBee或WiFi方式直接上傳給收費(fèi)計(jì)算機(jī),車輛信息通過車載設(shè)備上傳給路側(cè)設(shè)備（RSE），再通過數(shù)據(jù)匹配方式實(shí)現(xiàn)貨車的ETC繳費(fèi)過程。

七、結(jié)束語

基于北斗的車載計(jì)重綜合監(jiān)控管理平臺作為計(jì)重車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)、車載稱重技術(shù)、地理信息等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對載貨車輛載重量、行駛速度、位置信息、運(yùn)行時間等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，解決貨車源頭治超、貨車超限治理、渣土車治理、物流信息化、智能交通等諸多難題。

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