高衛(wèi)平 穆海峰 吐爾遜·買買提 江峰

（1.新疆交通投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

一、引言

近年來，新疆交通運(yùn)輸系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，運(yùn)輸服務(wù)保障水平顯著增強(qiáng)，截至2021年底，新疆公路通車?yán)锍踢_(dá)到21萬公里；高速公路通車?yán)锍踢_(dá)7000公里，民用汽車擁有量達(dá)到436.13萬輛[1]。2020年，全區(qū)完成經(jīng)營性道路貨運(yùn)量902億噸，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量14189億噸[2]。因此，較獨(dú)特的自然地理環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和貨物運(yùn)輸需求的增長，對高速公路收費(fèi)系統(tǒng)升級改造、公路養(yǎng)護(hù)管理、道路運(yùn)輸、路政執(zhí)法和高速公路的運(yùn)輸安全均提出了更高的要求[3-6]。同時，隨著高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，其在性能指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等方面也不斷發(fā)生演變。在與貨車司機(jī)不斷偷逃通行費(fèi)的博弈中，收費(fèi)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展[7-9]。

從收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程來講，目前，貨車進(jìn)入高速公路的流程為貨車進(jìn)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?shù)绞召M(fèi)工控機(jī)→收費(fèi)員判斷車型→抓拍識別車號→確認(rèn)信息→確認(rèn)放行或打卡。通過初步分析發(fā)現(xiàn)，稱重平臺各種故障和異常主要集中在車軸數(shù)無法識別、軸數(shù)多（少）、分軸和丟軸或稱臺傳感器工作異常導(dǎo)致無法正確稱重等方面。

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

二、研究對象現(xiàn)狀

目前，新疆交通投資有限責(zé)任公司奎屯分公司承擔(dān)著塔西河匝道收費(fèi)站、石河子匝道收費(fèi)站、瑪納斯匝道收費(fèi)站等17個收費(fèi)站、63條收費(fèi)車道的管理任務(wù)。2020年，17個收費(fèi)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(fèi)系統(tǒng)的機(jī)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(xiàn)，導(dǎo)致收費(fèi)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(dǎo)致新疆高速公路計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)工作異常的主要因素。通過調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，目前各收費(fèi)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(jì)軸不準(zhǔn)問題，圖1為目前計(jì)軸失效情況的時間分布。

圖1 計(jì)軸失效情況的時間分布

稱臺式傳感器主要由鋼結(jié)構(gòu)件組成，雖經(jīng)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(shè)備的腐蝕。因此，稱臺式稱重設(shè)備每隔1年～2年必須更換傳感器，每年維護(hù)成本較高?？褪召M(fèi)站現(xiàn)有稱重系統(tǒng)防水和防沙性能無法滿足應(yīng)用需求。

三、研究方法與材料

（一）主要研究思路

本文擬采用現(xiàn)場調(diào)查、專家咨詢和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法，分析不同收費(fèi)站稱重設(shè)備異常狀態(tài)與冬季冰雪天氣之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，探索和揭示設(shè)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(shè)備故障成因及規(guī)律之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合稱重設(shè)備失靈的具體場景，從技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用場景等方面，分析現(xiàn)有不同型號稱重設(shè)備機(jī)械和電氣特性，進(jìn)而為后續(xù)的設(shè)備改進(jìn)、優(yōu)化，以及加熱裝置和引流裝置的設(shè)計(jì)提供支撐。

此外，本文結(jié)合擬設(shè)計(jì)加熱裝置的應(yīng)用場景，基于車輛通過車道的數(shù)據(jù)流，結(jié)合不同型號稱重設(shè)備的具體性能和運(yùn)行機(jī)理，分析加熱裝置對緩解計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)工作異常的作用，進(jìn)而為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)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(shù)如下：

表1 石墨烯加熱板

表2 硅橡膠技術(shù)參數(shù)

表3 防凍鋁箔加熱片技術(shù)參數(shù)

（三）實(shí)驗(yàn)方案

通過前期的專家咨詢和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，收費(fèi)站計(jì)量收費(fèi)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(dǎo)致不能正常判斷車軸類型。

為了進(jìn)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(xiàng)目組現(xiàn)場反復(fù)調(diào)研和論證分析發(fā)現(xiàn)，造成車輛輪軸識別儀傳感器丟軸并導(dǎo)致計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)失效的主要原因有三個：一是輪軸識別儀在設(shè)計(jì)之初，其機(jī)械和電氣參數(shù)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(dǎo)致工作時其傳感器的靈敏度有所下降，低溫影響傳感器內(nèi)部電子元件工作的穩(wěn)定性；二是稱臺的土建設(shè)計(jì)在傳感器與蓋板之間預(yù)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(jié)成為冰塵混合物，使得貨車經(jīng)過時不易觸發(fā)車輛輪軸識別儀中的壓力傳感單元，進(jìn)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(shù)據(jù)受到影響，就會影響車輛軸數(shù)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(shí)驗(yàn)方案：

1.稱臺和蓋板之間的縫隙結(jié)冰時的工作狀態(tài)實(shí)驗(yàn)

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

具體步驟：清理左右稱臺和蓋板縫隙；通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準(zhǔn)確識別軸兩次及以上，可判定稱臺和蓋板之間的縫隙結(jié)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(jì)軸的稱臺傳感器和稱臺間的45mm縫隙后（需打開蓋板），分析計(jì)軸情況。

具體步驟：清理45mm縫隙中的雜物；通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準(zhǔn)確識別軸兩次及以上，判定傳感器和稱臺間的45mm縫隙結(jié)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(shí)車實(shí)驗(yàn)（小型貨車3次），觀察是否能正常識別輪軸；如果準(zhǔn)確識別軸兩次及以上，可判定輪軸識別儀縫隙結(jié)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(jié)冰，使得輪軸識別儀在雨雪天氣下也可正常運(yùn)行傳輸信號。

具體步驟：加熱板表面設(shè)置石墨烯電熱膜，保證加熱質(zhì)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(dá)到遠(yuǎn)程控制裝置加熱的目的；設(shè)置溫度感應(yīng)器和溫度控制器，實(shí)時監(jiān)測當(dāng)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(shè)置加熱板的目標(biāo)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(yùn)行的設(shè)置如圖3所示，避免石墨烯加熱板長時間運(yùn)行產(chǎn)生高溫?fù)p壞輪軸識別儀。

圖3 溫度控制運(yùn)行流程示意圖

四、實(shí)例分析

（一）稱臺系統(tǒng)工作異常原因

本文基于上述實(shí)驗(yàn)方法，分析稱臺系統(tǒng)工作異常的原因。結(jié)果表明收費(fèi)對稱臺和蓋板之間的縫隙結(jié)冰、傳感器和稱臺之間的45mm縫隙結(jié)冰對傳感器的計(jì)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(fù)到正常工作狀態(tài)。因此，本文認(rèn)為傳感器內(nèi)部元件靈敏度是計(jì)軸異常的最主要影響因素。

（二）材料選取

本文通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定稱臺計(jì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅橡膠加熱板更符合收費(fèi)站稱臺系統(tǒng)加熱需求，同時實(shí)驗(yàn)表明其耐久性也滿足在嚴(yán)寒地區(qū)長期持續(xù)應(yīng)用的要求。

（三）實(shí)際應(yīng)用及效果評價

新疆冬季較長，冬季冰雪和低溫天氣對收費(fèi)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(yīng)該從材料耐久性和節(jié)能方面出發(fā)，適當(dāng)控制能源消耗。

本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)）+傳感器內(nèi)部溫度和伴熱帶溫度（120℃～60℃）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度在-12℃，加熱溫度在70℃左右時，傳感器內(nèi)部溫度可達(dá)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(fèi)站應(yīng)用本文方法實(shí)地示范和應(yīng)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(jì)軸情況。

表4 加熱前全車型和六軸型貨車計(jì)軸情況

表5 加熱后全車型和六軸型貨車計(jì)軸情況

3.前期通過現(xiàn)場調(diào)研、座談和問卷調(diào)查獲悉，本文方案實(shí)施后，收費(fèi)員工作效率明顯提升，進(jìn)而提高車道通行效率和服務(wù)水平，表6為本文方案實(shí)施后的計(jì)軸異常處理時間統(tǒng)計(jì)情況。

表6 計(jì)軸異常處理時間統(tǒng)計(jì)

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

五、結(jié)語

本文分析了新疆部分區(qū)域高速公路收費(fèi)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(yīng)的傳感器結(jié)冰和靈敏度下降的方法，經(jīng)過現(xiàn)場示范及應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：

1.通過硅橡膠加熱帶對傳感器表面加熱后可降低計(jì)軸異常率；

2.從收費(fèi)員工作效率、車道通行效率和高速公路的服務(wù)水平角度分析，本文方案實(shí)施后，收費(fèi)員的收費(fèi)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(fèi)站因設(shè)備異常造成的通行效率和服務(wù)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。