渠珊珊　程澤宇　張超　趙文崢

摘 要：隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國的高速公路建設(shè)里程每年都在不斷地發(fā)生著巨大變化，以及海關(guān)、水泥廠等運(yùn)貨量大且需要按重量交易的場(chǎng)所不斷增加，因此運(yùn)輸車量的超載以及測(cè)重問題隨之而來。本論文為實(shí)現(xiàn)車輛的不停車測(cè)重，稱重器由光纖光柵壓力傳感器和高級(jí)材料相結(jié)合構(gòu)成稱重秤體，進(jìn)而進(jìn)行靜態(tài)載荷下的試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文中不停車測(cè)重裝置具有幾乎零誤差、對(duì)載荷的變化靈敏、具有較好可靠性等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：車輛 不停車測(cè)重 光纖光柵

中圖分類號(hào)：U260 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（c）-0101-03

1 研究概況

如今的道路交通發(fā)展突飛猛進(jìn)，交通事故的傷亡數(shù)字不堪入目，因此現(xiàn)如今我們面對(duì)的最大問題是如何進(jìn)行機(jī)動(dòng)車有效管理。尤其是由于超載導(dǎo)致的事故越來越多，超載不僅對(duì)人民群眾遭受人身及財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)道路也有極大的傷害。近些年來超載檢測(cè)系統(tǒng)的研究取得了巨大的發(fā)展，各種檢測(cè)系統(tǒng)不斷地被研發(fā)應(yīng)用?，F(xiàn)有的有關(guān)超載檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)有：汽車輪載檢測(cè)系統(tǒng)、根據(jù)不停車稱重的快速路段超載檢測(cè)系統(tǒng)一級(jí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車超載移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。近年來由于其在車輛超載查處中起到的巨大作用，逐步受到社會(huì)各界的重視，但對(duì)其研究大多不能全面推廣到所有道路中，原因是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究還不完善，稱重結(jié)果不夠準(zhǔn)確，動(dòng)態(tài)不停車超載檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)是以后研發(fā)的主要方向。不停車車輛重量檢測(cè)主要用于城市快速路和高速公路入口及橋梁，應(yīng)用于檢測(cè)汽車的動(dòng)態(tài)重量，有效制止了行駛在道路上的車輛超出限重量的情況，有效避免了因?yàn)槠嚦鱿拗亓繉?duì)路面造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，用預(yù)防工作取代處罰工作。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比效率提高十倍甚 至數(shù)十倍，創(chuàng)造出新型的檢測(cè)測(cè)重裝置，彌補(bǔ)了中國在動(dòng)態(tài)車輛稱重檢測(cè)方面的不足。

2 不停車測(cè)重裝置

2.1 系統(tǒng)功能

快速檢測(cè)動(dòng)態(tài)車輛超重；對(duì)超載車輛進(jìn)行語音提示，通過LED顯示屏告知當(dāng)事人違反事實(shí)，誘導(dǎo)其進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求查詢，打印檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)處罰決定；將車輛檢測(cè)到的所有信息實(shí)時(shí)地上傳至高速公路信息比對(duì)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有超載超重的車輛，工作人員及時(shí)查處，同時(shí)禁止未經(jīng)檢測(cè)的車輛進(jìn)入高速公路；系統(tǒng)將檢測(cè)情況錄入數(shù)據(jù)庫，為公安機(jī)關(guān)等執(zhí)法部門提供基礎(chǔ)信息。

2.2 系統(tǒng)原理

動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置在高速公路收費(fèi)口約150m，以安裝檢測(cè)行駛時(shí)車重的設(shè)備，車身自動(dòng)檢測(cè)、道路監(jiān)控設(shè)施、車牌辨識(shí)裝置、計(jì)算機(jī)管理檢測(cè)設(shè)施等。在車輛進(jìn)入收費(fèi)口時(shí)，可以就此實(shí)現(xiàn)零干擾無需停車的快速檢測(cè)流程，其中包括車輛實(shí)際重量、車牌照等。如果發(fā)生車輛超重現(xiàn)象，該系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)提醒超載車輛要減輕負(fù)載，對(duì)需要繼續(xù)上路的超載車輛通過情報(bào)板進(jìn)行報(bào)警的自動(dòng)檢測(cè)裝置。車輛在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，全程監(jiān)控記錄，方便查處違法車輛，固定證據(jù)。

稱體載荷大小可以根據(jù)應(yīng)力的改變來反向計(jì)算。因此我們把簡支梁選取作為實(shí)驗(yàn)秤體。我們將采用一端為可動(dòng)鉸支，另一端為固定鉸支。我們要綜合考慮不同情況下的載荷大小，這是由于在載荷的變動(dòng)和傳感器不同位置變化的作用下，整體梁上各個(gè)截面積的剪力和彎矩并不是總能用一個(gè)相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行詳細(xì)描述。因此為了準(zhǔn)確測(cè)定載荷大小，先要固定兩個(gè)FBG傳感器，我們假定簡支梁長為L，坐標(biāo)原點(diǎn)為簡支梁的固定鉸支端，這兩個(gè)FBG傳感器與簡支梁的固定鉸支端的距離分別記為X1，X2，其中X1

由實(shí)驗(yàn)過程可知，當(dāng)兩個(gè)傳感器之間被加載載荷時(shí)的的情況。我們結(jié)合材料力學(xué)分析：當(dāng)我們固定好載荷位置時(shí)（X為常數(shù)），應(yīng)變與載荷呈現(xiàn)出線性關(guān)系。借此，如果我們使用固定載荷位置的方式，即F作為固定常量時(shí)，載荷的位置點(diǎn)X也與應(yīng)變呈現(xiàn)出線性關(guān)系。這就是我們前面所說的稱體載荷大小可以根據(jù)應(yīng)力的改變來反向計(jì)算。

但是在實(shí)際生活中，由于現(xiàn)實(shí)因素導(dǎo)致承重結(jié)構(gòu)所承受的力并非是集中力，而是一部分的均布力（某一小部分面積上的）。我們可以根據(jù)已知的應(yīng)力計(jì)算公式求得，應(yīng)變大小與加載位置上的均布力也呈現(xiàn)出線性關(guān)系。并且當(dāng)固定加載位置時(shí)，如若傳感器的一個(gè)應(yīng)變值已知，我們就可以計(jì)算出加載位置X及載荷F。

2.3 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)車輛行駛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，感應(yīng)線圈、動(dòng)態(tài)稱重器等設(shè)施將會(huì)被自動(dòng)觸發(fā)，動(dòng)態(tài)車輛得以稱重。同時(shí)，也會(huì)自動(dòng)觸發(fā)監(jiān)控設(shè)備、車牌識(shí)別設(shè)施，車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)的圖像將會(huì)被自動(dòng)捕捉，圖像將會(huì)被自動(dòng)傳送至控制計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)再自動(dòng)進(jìn)行車輛信息的提取工作。

通過感應(yīng)區(qū)，對(duì)采集到的車輛信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，得出稱重結(jié)果，計(jì)算機(jī)自動(dòng)與規(guī)定裝載重量進(jìn)行比較，判斷車輛是否超載。

如果當(dāng)前檢測(cè)車輛超載，系統(tǒng)將信息傳送給計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)將誘導(dǎo)車輛駛向復(fù)驗(yàn)區(qū)。倘若當(dāng)前的受檢車輛超出限載量，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電腦反饋，系統(tǒng)將提示車輛開往復(fù)驗(yàn)區(qū)。

若車輛沒有超出，系統(tǒng)將誘導(dǎo)車輛駛?cè)敫咚俟?。如果車輛被確定超載，工作人員對(duì)超載車輛進(jìn)行處理，并引導(dǎo)車輛進(jìn)入超載貨物過境區(qū)或接受其他處理措施。

對(duì)車輛未按誘導(dǎo)方向行駛未進(jìn)入復(fù)驗(yàn)區(qū)的，及時(shí)將第一次檢測(cè)的車輛信息，超載情況發(fā)送給高速路收費(fèi)口，阻止車輛駛?cè)敫咚俟贰?/p>

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

該車輛測(cè)重裝置采用復(fù)合型材料制成，復(fù)合型材料具有重量輕、剛度大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)稱重裝置的傳感器運(yùn)用了光線布拉格光柵裝置，實(shí)驗(yàn)過程中，將該裝置貼在秤體上，其運(yùn)行原理是：光源發(fā)出的寬帶光途徑光纖傳送至被檢測(cè)點(diǎn)，因?yàn)楣鈻啪哂羞x擇性，所以反射回一窄帶近紅外光，經(jīng)過光分路器的處理后傳輸?shù)讲ㄩL鑒別器或波長解調(diào)儀，然后通過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。最后當(dāng)稱重器受到了外界壓力而形變時(shí)，光柵反射的窄帶光波長也會(huì)發(fā)出相應(yīng)的變化，從而反映出稱重器所受的壓力值。FBR光纖光柵壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、性能可靠、線性度好、靈敏度、受外界干擾小等多個(gè)特點(diǎn)

3.2 復(fù)合材料秤體動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為研究復(fù)合型材料稱體的實(shí)用性，首先選擇長度為1000m的具有硬化路面且路狀良好的局段，作為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)路段；此實(shí)驗(yàn)路段，應(yīng)當(dāng)按照國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)施工，建立秤體的混凝土基礎(chǔ)；使用國家專用檢衡車，用增減標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式，來測(cè)量不同速度及不同重量下的準(zhǔn)確度；并且在稱體附近加測(cè)試平臺(tái)，集中測(cè)試設(shè)備對(duì)秤體傳感器采集數(shù)據(jù)及對(duì)光電測(cè)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和應(yīng)用。

用以往的老式測(cè)重方式測(cè)量出的值定為標(biāo)準(zhǔn)，方便用不停車測(cè)重值和標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)比，計(jì)算不停車測(cè)重存在的誤差。首先，在做不停車測(cè)重實(shí)驗(yàn)之前，使用砝碼對(duì)稱重器進(jìn)行定值，A、B兩個(gè)稱重器上分別放置車輪狀的砝碼，但受砝碼形狀的限制，每個(gè)稱重器僅能放置一個(gè)砝碼，由于稱重器對(duì)同一個(gè)位置的載荷線性度相同，可以通過放置砝碼的方式解算稱重器的形變載荷公式。通過疊加方形砝碼的方式來檢驗(yàn)雙輪上稱時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生的線性變化。疊加方形碼時(shí)，一次增加1t、3t、5t，通過三次的測(cè)量值來計(jì)算線性公式的斜率，如表1、圖1所示。兩個(gè)稱重器的斜率十分接近，說明了兩個(gè)稱重器很穩(wěn)定。

通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有一定的離散性，而離散性會(huì)對(duì)稱重器的可靠性產(chǎn)生影響。主要有兩方面原因：一是離散度很大的測(cè)量結(jié)果都是在車輪位置比較靠近秤體邊緣的位置上，即為無效區(qū)域；二是稱重器早期的設(shè)計(jì)是為了處理單輪胎行駛過稱重器時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)雙輪胎的測(cè)量只能利用砝碼檢稱時(shí)的線性關(guān)系計(jì)算得出，這個(gè)問題有待解決。

4 結(jié)語

針對(duì)高速公路超載問題的特征，設(shè)計(jì)了“動(dòng)態(tài)預(yù)檢和靜態(tài)復(fù)檢”雙重結(jié)合的不停車測(cè)重系統(tǒng)。該系統(tǒng)十分有效地解決了高速公路上行駛車輛超出限重量的問題，及超出限重量的車輛會(huì)對(duì)道路橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p毀的問題。針對(duì)各用戶進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并擬定了系統(tǒng)的功能及流程，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出機(jī)動(dòng)車載重量。

不停車智能測(cè)重裝置是一種創(chuàng)新的管理模式。不停車檢測(cè)的整個(gè)過程全封閉、全自動(dòng)，在該過程中人工不可干預(yù)，信息獲取、收集公開透明，全程多關(guān)把控，互相監(jiān)督，有效地避免了公路“三亂”現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)了治理超載的執(zhí)法人員，使執(zhí)法環(huán)境得到了良好的改善，文明執(zhí)法得到充分體現(xiàn)。該檢測(cè)裝置系統(tǒng)不僅大幅度地降低了一線執(zhí)法工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且減少了車輛溫室氣體的排放量。待檢測(cè)的車輛不需要消耗過多的油耗，可以為國家環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)。另一方面，該系統(tǒng)與以往的測(cè)重方式相比，放行的速度大幅加快，收費(fèi)口不必進(jìn)行過多的拓寬改造就可以引進(jìn)該裝置，節(jié)約了工程改造費(fèi)用。

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