高衛(wèi)平 穆海峰 吐爾遜·買買提 江峰

（1.新疆交通投資(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.新疆農業(yè)大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

一、引言

近年來，新疆交通運輸系統(tǒng)基礎設施和運輸網絡逐漸完善，運輸服務保障水平顯著增強，截至2021年底，新疆公路通車里程達到21萬公里；高速公路通車里程達7000公里，民用汽車擁有量達到436.13萬輛[1]。2020年，全區(qū)完成經營性道路貨運量902億噸，貨運周轉量14189億噸[2]。因此，較獨特的自然地理環(huán)境、基礎設施網絡規(guī)模的擴大和貨物運輸需求的增長，對高速公路收費系統(tǒng)升級改造、公路養(yǎng)護管理、道路運輸、路政執(zhí)法和高速公路的運輸安全均提出了更高的要求[3-6]。同時，隨著高速公路收費系統(tǒng)的普遍應用，其在性能指標、環(huán)境適應性、經濟性和實用性等方面也不斷發(fā)生演變。在與貨車司機不斷偷逃通行費的博弈中，收費系統(tǒng)也在不斷發(fā)展[7-9]。

從收費系統(tǒng)的工作流程來講，目前，貨車進入高速公路的流程為貨車進入稱臺→稱臺輪軸識別儀識別車輛類型→稱臺稱出重量→所有信息傳輸到收費工控機→收費員判斷車型→抓拍識別車號→確認信息→確認放行或打卡。通過初步分析發(fā)現，稱重平臺各種故障和異常主要集中在車軸數無法識別、軸數多（少）、分軸和丟軸或稱臺傳感器工作異常導致無法正確稱重等方面。

分析發(fā)現，收費系統(tǒng)因每年少計、錯計軸數造成的車型判斷失誤、增加的時間成本和造成的經濟損失不容忽視。本文基于上述現狀，以新疆交通投資有限責任公司奎屯分公司所轄收費站為例，分析了軸數異常原因，并提出一種緩解稱臺系統(tǒng)軸數異常的方法，從定量和定性角度分析該方法在收費站中的實際應用效果。

二、研究對象現狀

目前，新疆交通投資有限責任公司奎屯分公司承擔著塔西河匝道收費站、石河子匝道收費站、瑪納斯匝道收費站等17個收費站、63條收費車道的管理任務。2020年，17個收費站的交通流量約為998.71萬輛（入口548.68萬輛、出口450.03萬輛），其中貨車占34%（貨車交通流量約339.68萬輛，入口176.14萬輛、出口163.54萬輛）。

從收費系統(tǒng)的機械、電氣、傳輸特性和新疆特有的氣象環(huán)境等多個維度分析發(fā)現，導致收費系統(tǒng)工作性能下降的主要原因集中在以下幾個方面：

北疆冬季冰雪天氣和南疆夏季沙塵天氣是導致新疆高速公路計量收費系統(tǒng)工作異常的主要因素。通過調查和分析發(fā)現，目前各收費站在冬季主要采取傳統(tǒng)的人工清理和蓋板加熱方式解決計軸不準問題，圖1為目前計軸失效情況的時間分布。

圖1 計軸失效情況的時間分布

稱臺式傳感器主要由鋼結構件組成，雖經過一定的防腐處理，但仍難完全解決潮濕及汽車尾氣等對設備的腐蝕。因此，稱臺式稱重設備每隔1年～2年必須更換傳感器，每年維護成本較高?？褪召M站現有稱重系統(tǒng)防水和防沙性能無法滿足應用需求。

三、研究方法與材料

（一）主要研究思路

本文擬采用現場調查、專家咨詢和現場實驗法，分析不同收費站稱重設備異常狀態(tài)與冬季冰雪天氣之間的內在關聯(lián)，探索和揭示設備故障成因及規(guī)律。在以定量和定性分析冬季冰雪天氣與設備故障成因及規(guī)律之間關聯(lián)關系的基礎上，結合稱重設備失靈的具體場景，從技術參數和應用場景等方面，分析現有不同型號稱重設備機械和電氣特性，進而為后續(xù)的設備改進、優(yōu)化，以及加熱裝置和引流裝置的設計提供支撐。

此外，本文結合擬設計加熱裝置的應用場景，基于車輛通過車道的數據流，結合不同型號稱重設備的具體性能和運行機理，分析加熱裝置對緩解計量收費系統(tǒng)工作異常的作用，進而為后續(xù)進一步改進輪軸識別儀提供思路。

（二）主要材料

本文擬采用加熱輪軸識別傳感器的方法改善其工作性能，用于加熱的材料分別為石墨烯加熱板、硅橡膠加熱板和防凍鋁箔加熱片。

材料基本參數如下：

表1 石墨烯加熱板

表2 硅橡膠技術參數

表3 防凍鋁箔加熱片技術參數

（三）實驗方案

通過前期的專家咨詢和現場調研發(fā)現，收費站計量收費系統(tǒng)工作異常的主要原因是其輪軸識別傳感器容易受冰雪的影響，導致不能正常判斷車軸類型。

為了進一步明確影響輪軸識別儀傳感器異常的原因和部位，通過項目組現場反復調研和論證分析發(fā)現，造成車輛輪軸識別儀傳感器丟軸并導致計量收費系統(tǒng)失效的主要原因有三個：一是輪軸識別儀在設計之初，其機械和電氣參數未充分考慮到極端氣候影響（如新疆冬季零下40℃左右時的情況）和惡劣工作環(huán)境因素（如粉塵、煤渣等），導致工作時其傳感器的靈敏度有所下降，低溫影響傳感器內部電子元件工作的穩(wěn)定性；二是稱臺的土建設計在傳感器與蓋板之間預留了45mm的縫隙，此處易堆積粉塵或貨車掉落的雜物，傳感器上下板之間容易被粉塵、雜物填滿，低溫時更易凝結成為冰塵混合物，使得貨車經過時不易觸發(fā)車輛輪軸識別儀中的壓力傳感單元，進而造成信號丟失；三是一套稱重臺的輪軸識別儀傳感器一般有兩個，兩組傳感器信號互相校正取得最終值，只要一組輪軸識別儀傳感器數據受到影響，就會影響車輛軸數的最終讀取，顯示異常。輪軸識別儀傳感器的主要布局及尺寸如圖2所示。

圖2 輪軸識別儀示意圖

為了探明以上3種情況對輪軸識別儀工作性能的具體影響，本文制定了以下實驗方案：

1.稱臺和蓋板之間的縫隙結冰時的工作狀態(tài)實驗

目的：對比分析稱臺和蓋板之間的縫隙結冰并發(fā)生丟軸的情況，以及清理蓋板和稱臺縫隙后的計軸情況。

具體步驟：清理左右稱臺和蓋板縫隙；通過實車實驗（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準確識別軸兩次及以上，可判定稱臺和蓋板之間的縫隙結冰是丟軸的主要原因。

2.針對傳感器和稱臺之間的45mm縫隙

目的：清理不能正常計軸的稱臺傳感器和稱臺間的45mm縫隙后（需打開蓋板），分析計軸情況。

具體步驟：清理45mm縫隙中的雜物；通過實車實驗（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準確識別軸兩次及以上，判定傳感器和稱臺間的45mm縫隙結冰是丟軸的主要原因。

3.針對傳感器和蓋板及傳感器自身上下板縫隙

目的：分析清理傳感器、蓋板及傳感器自身上下板之間縫隙后，輪軸識別儀的工作情況。

具體步驟：打開蓋板，用高壓氣槍和鋸條清理縫隙；通過實車實驗（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準確識別軸兩次及以上，可判定輪軸識別儀縫隙結冰是丟軸的主要原因。

4.通過加熱板對輪軸識別儀加熱

目的：通過熱量的傳輸融化輪軸識別儀表面的結冰，使得輪軸識別儀在雨雪天氣下也可正常運行傳輸信號。

具體步驟：加熱板表面設置石墨烯電熱膜，保證加熱質量；以電線和外部電源連接石墨烯加熱板，通過溫度控制箱、信號接收器，達到遠程控制裝置加熱的目的；設置溫度感應器和溫度控制器，實時監(jiān)測當前輪軸識別儀表面溫度和傳感器自身上下板縫隙的環(huán)境溫度；設置加熱板的目標啟動溫度，使石墨烯加熱板在雨雪等寒冷天氣下，自動通電加熱除雪除冰，控制傳感器自身上下板縫隙的環(huán)境溫度；通過自動控制溫度運行的設置如圖3所示，避免石墨烯加熱板長時間運行產生高溫損壞輪軸識別儀。

圖3 溫度控制運行流程示意圖

四、實例分析

（一）稱臺系統(tǒng)工作異常原因

本文基于上述實驗方法，分析稱臺系統(tǒng)工作異常的原因。結果表明收費對稱臺和蓋板之間的縫隙結冰、傳感器和稱臺之間的45mm縫隙結冰對傳感器的計軸性能影響不大，即清除縫隙的冰雪和雜物之后，在氣溫回升前傳感器也不能恢復到正常工作狀態(tài)。因此，本文認為傳感器內部元件靈敏度是計軸異常的最主要影響因素。

（二）材料選取

本文通過現場實驗確定稱臺計軸傳感器工作異常的原因后，對比分析石墨烯加熱板、硅橡膠加熱板和防凍鋁箔加熱片的加熱效率，以及節(jié)能、耐久性、性價比和抗低溫等方面性能。

結果發(fā)現，硅橡膠加熱板更符合收費站稱臺系統(tǒng)加熱需求，同時實驗表明其耐久性也滿足在嚴寒地區(qū)長期持續(xù)應用的要求。

（三）實際應用及效果評價

新疆冬季較長，冬季冰雪和低溫天氣對收費站稱臺系統(tǒng)輪軸識別傳感器的影響較明顯，通過加熱措施改善稱臺系統(tǒng)工作性能時，應該從材料耐久性和節(jié)能方面出發(fā)，適當控制能源消耗。

本文通過室內實驗法確定較合適的加熱溫度。

1.連續(xù)測試環(huán)境溫度+傳感器表面溫度（2個點）+傳感器內部溫度和伴熱帶溫度（120℃～60℃）發(fā)現，當環(huán)境溫度在-12℃，加熱溫度在70℃左右時，傳感器內部溫度可達到19℃左右。因此本文中硅橡膠的溫度控制在75℃。

2.在北疆某收費站應用本文方法實地示范和應用后，效果良好。表4和表5分別為加熱前和加熱后全車型和六軸型貨車計軸情況。

表4 加熱前全車型和六軸型貨車計軸情況

表5 加熱后全車型和六軸型貨車計軸情況

3.前期通過現場調研、座談和問卷調查獲悉，本文方案實施后，收費員工作效率明顯提升，進而提高車道通行效率和服務水平，表6為本文方案實施后的計軸異常處理時間統(tǒng)計情況。

表6 計軸異常處理時間統(tǒng)計

初步估算，如果六軸型貨車按平均丟三軸計算，1000輛車所需的處理時間大約120000s，即3.3333h，（收費系統(tǒng)無法獲得收費員加軸的具體數據）。

五、結語

本文分析了新疆部分區(qū)域高速公路收費站稱臺系統(tǒng)在冬季極端天氣下工作異常的原因，提出了通過加熱手段防止對應的傳感器結冰和靈敏度下降的方法，經過現場示范及應用發(fā)現：

1.通過硅橡膠加熱帶對傳感器表面加熱后可降低計軸異常率；

2.從收費員工作效率、車道通行效率和高速公路的服務水平角度分析，本文方案實施后，收費員的收費和放行單車時間效率提高43%～50%；

3.本文方法可有效緩解高速公路收費站因設備異常造成的通行效率和服務水平下降問題，同時為減少極端天氣對稱臺系統(tǒng)的影響方面提供了思路和方法。