收稿日期：2024-03-05

作者簡(jiǎn)介：呂剛（1975—），男，碩士，工程師，研究方向：公路交通工程。

摘要 載重型貨車(chē)的違法超載行為對(duì)公路基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生巨大的破壞作用。采用公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)行治理超載非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法，讓超載行為無(wú)處遁形，將大幅提高治超執(zhí)法的效率，對(duì)超載行為產(chǎn)生強(qiáng)大的震懾作用。文章研究了基于窄條壓阻傳感器的公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的組成和治超處理方案，介紹了窄條壓阻傳感器的工作原理、性能特點(diǎn)和安裝方法等，分析了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軟件流程。

關(guān)鍵詞 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重；傳感器；汽車(chē)；軟件流程

中圖分類(lèi)號(hào) U492.321文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0012-03

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，載重型貨車(chē)在公路通行車(chē)輛中占據(jù)了較大比重，公路貨運(yùn)運(yùn)輸總量也在不斷增加。有研究表明：汽車(chē)的載荷增大2倍，公路路面的損壞將擴(kuò)大到原來(lái)的16倍[1]。為了遏制超限超載對(duì)公路基礎(chǔ)設(shè)施的巨大破壞作用，政府執(zhí)法機(jī)構(gòu)對(duì)超載行為加大了打擊力度，由此也產(chǎn)生了采用公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法模式。通過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)[2-3]，執(zhí)法機(jī)構(gòu)可以在不影響車(chē)輛正常通行的情況下判別出哪些貨運(yùn)車(chē)輛存在超載行為，進(jìn)行針對(duì)性的執(zhí)法，讓超載行為無(wú)處遁形。因此，大幅提高了治超執(zhí)法的效率，對(duì)超載行為產(chǎn)生強(qiáng)大的震懾作用。

1 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)

以某公路上應(yīng)用的公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要由動(dòng)態(tài)稱(chēng)重WIM（Weigh In Motion）系統(tǒng)、外廓尺寸測(cè)量系統(tǒng)、信息公示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控抓拍系統(tǒng)、交通標(biāo)識(shí)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其采用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)濾波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[4]，能夠精準(zhǔn)測(cè)量速度為0.5～100 km/h正常行駛甚至異常行駛貨運(yùn)車(chē)輛的車(chē)貨總質(zhì)量，并對(duì)車(chē)輛牌照進(jìn)行識(shí)別同時(shí)錄制監(jiān)控視頻現(xiàn)場(chǎng)取證。行駛在公路上的載貨車(chē)輛通過(guò)公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)及判決結(jié)果發(fā)送到后臺(tái)超載檢測(cè)綜合執(zhí)法信息平臺(tái)，并在信息公示系統(tǒng)的電子顯示屏顯示。車(chē)輛未超載時(shí)，電子顯示屏提示車(chē)輛繼續(xù)正常行駛；車(chē)輛超載時(shí)，提示違法車(chē)輛到指定地點(diǎn)卸載超載物資并接受超載處罰。同時(shí)，超載檢測(cè)綜合執(zhí)法信息平臺(tái)給超載車(chē)輛駕駛員及車(chē)主發(fā)送信息，提示車(chē)輛違規(guī)超載，需要到指定地點(diǎn)卸載超載物資并接受處罰，不接受處罰的，執(zhí)法部門(mén)將對(duì)其進(jìn)一步從重處理，從而提高超載違法成本，保證對(duì)超載違法行為的打擊力度。

2 窄條壓阻傳感器

公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是窄條傳感器，包括石英壓電傳感器和窄條壓阻傳感器。石英壓電傳感器是一種剛性條狀動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感器，其由壓電石英晶體片、電極板和特制的梁式承載器組合而成。石英壓電傳感器利用壓電效應(yīng)檢測(cè)車(chē)輛車(chē)輪對(duì)地面的壓力，產(chǎn)生與所受壓力成正比的電流輸出值，計(jì)算出車(chē)輛的單軸軸重。由于壓電傳感器較窄，僅取樣車(chē)輛輪胎的小部分荷重，因而總輪胎荷重通過(guò)該測(cè)量值對(duì)輪胎與地面接觸長(zhǎng)度在車(chē)輛行進(jìn)方向上的積分得出[5]。窄條壓阻傳感器由承載器、電阻應(yīng)變片、基礎(chǔ)三部分組成，如圖2所示。

圖2 窄條壓阻傳感器

窄條壓阻傳感器的寬度通常小于10 cm，其整體寬度小于車(chē)輛接觸地面寬度。窄條壓阻傳感器的電阻應(yīng)變片由沿長(zhǎng)度方向上依次排布的4片電阻應(yīng)變片組成。4片電阻應(yīng)變片阻值相同，組成了惠斯頓電橋。由于采用了電橋檢測(cè)原理，因而檢測(cè)靈敏度高。但傳感器存在蠕變現(xiàn)象和溫度漂移，需要進(jìn)行蠕變補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償[5]。目前采用的窄條壓阻傳感器，單根長(zhǎng)度0.9 m。實(shí)際應(yīng)用時(shí)窄條傳感器沿行車(chē)方向布設(shè)三排，而且半幅車(chē)道為一組，左右兩組相互錯(cuò)開(kāi)，交錯(cuò)布局[6]，如圖3所示（黑色為窄條傳感器）。

圖3 窄條傳感器布設(shè)圖

由于傳感器的長(zhǎng)度為0.9 m，因此在實(shí)際布設(shè)時(shí)不可能剛好為道路寬度，可比道路稍寬。以中間無(wú)隔離的雙向兩車(chē)道公路路面為例，正常車(chē)道寬3.75 m，非機(jī)動(dòng)車(chē)道寬1.5 m，那么整個(gè)路面寬度就為10.5 m，10.5÷0.9=11.7≈12，因此一排就需要12條傳感器，安裝后的傳感器比路面每側(cè)寬15 cm，那么該系統(tǒng)就需要36條傳感器。

窄條壓阻傳感器不僅可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，還可以進(jìn)行靜態(tài)稱(chēng)重，但石英壓電傳感器只能進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。窄條壓阻傳感器橫向一致性好，石英壓電傳感器橫向一致性差。因此目前工程上較多采用窄條壓阻傳感器。窄條壓阻傳感器具有如下特點(diǎn)：①尺寸較小，因此安裝施工非常方便，對(duì)公路路面破壞較小，施工周期短。②不僅可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，還可以進(jìn)行靜態(tài)稱(chēng)重。③橫向一致性好。④耐候性好，可在?40～+80 ℃范圍內(nèi)連續(xù)不間斷工作。⑤由于稱(chēng)重接觸面一般在5～10 cm，因此在使用中，對(duì)路面施工的要求較高，如路面不平整會(huì)產(chǎn)生較大誤差。窄條壓阻傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：①單軸荷載能力為30 t。②單軸過(guò)載能力為150%。③稱(chēng)重誤差為動(dòng)態(tài)5級(jí)（0.5～100 km/h范圍內(nèi)）。④使用壽命：≥2 000萬(wàn)軸次。⑤MTBF≥20 000 h。

3 窄條壓阻傳感器的安裝

窄條壓阻傳感器采用在水泥混凝土路面淺表層鑲嵌安裝。對(duì)于普通瀝青路面，應(yīng)將16 m長(zhǎng)范圍內(nèi)的普通瀝青路面改造成水泥混凝土路面。在路面平整度符合要求后，先對(duì)混凝土路面需要安裝窄條壓阻傳感器的位置進(jìn)行開(kāi)槽，如圖4所示。接下來(lái)將窄條傳感器進(jìn)行定位，采用金屬支架及螺栓進(jìn)行固定，如圖5所示。然后使用特種速干水泥對(duì)安裝窄條傳感器的槽位進(jìn)行灌漿。待水泥完全固化后，使用研磨機(jī)對(duì)窄條傳感器承載接觸面進(jìn)行打磨，使承載接觸面與路面的高差控制在2 mm以?xún)?nèi)。

4 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軟件流程

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。當(dāng)車(chē)輛在正常行駛中經(jīng)過(guò)稱(chēng)重檢測(cè)區(qū)時(shí)，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重WIM單元對(duì)車(chē)輛進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，外廓尺寸測(cè)量系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行外廓尺寸進(jìn)行測(cè)量，視頻監(jiān)控抓拍系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的車(chē)牌進(jìn)行識(shí)別。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)《汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB 1589—2016）規(guī)定的最大允許總質(zhì)量限值，作為車(chē)輛限載標(biāo)準(zhǔn)判斷出車(chē)輛是否超載。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)LED屏顯示出來(lái)，并將結(jié)果上傳到超載檢測(cè)綜合執(zhí)法信息平臺(tái)。車(chē)輛未超載時(shí)，LED屏提示車(chē)輛繼續(xù)正常行駛；車(chē)輛超載時(shí)，LED屏提示違法車(chē)輛到違法處理點(diǎn)接受處理。

在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)提示超載的車(chē)輛進(jìn)入違法處理點(diǎn)后，工作人員引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)行靜態(tài)高精度稱(chēng)重復(fù)核。如果車(chē)輛復(fù)核后未超載，超載檢測(cè)綜合執(zhí)法信息平臺(tái)的非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)之前記錄的車(chē)輛違法標(biāo)記進(jìn)行清除，車(chē)輛就可以離開(kāi)違法處理點(diǎn)，恢復(fù)正常行駛。如果車(chē)輛復(fù)核后確認(rèn)超載，工作人員將對(duì)駕駛員及車(chē)主進(jìn)行違法處理，然后引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)行卸貨。車(chē)輛超載的物資卸貨完成后，再進(jìn)行靜態(tài)高精度稱(chēng)重復(fù)檢，復(fù)檢確認(rèn)不超載后，工作人員對(duì)車(chē)輛放行，恢復(fù)正常行駛。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展，對(duì)公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和車(chē)輛通行允許速度產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)格的要求。這就需要采用更先進(jìn)的稱(chēng)重技術(shù)來(lái)研制性能更優(yōu)的傳感器，并采用更有效的算法提高對(duì)軸重信號(hào)的處理能力。公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，能有效遏制超載違法行為，更好地保護(hù)公路基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]丁健， 趙闖. 基于窄條式傳感器動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的研究及分析[J]. 青海交通科技， 2019（2）： 21-39.

[2]施昌彥. 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)， 2000（1）： 18-20.

[3]張崇高， 季國(guó)慶， 辛星. 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)在高速公路上的應(yīng)用[J]. 公路， 2008（6）： 207-210.

[4]程路， 張宏建， 曹向輝. 車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2006（8）： 943-948.

[5]吳宏偉， 唐亮， 孫棣華， 等. 高速公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)及誤差分析[J]. 交通信息與安全， 2009（S1）： 88-94.

[6]劉勁松， 葉程. 基于窄條傳感器的高精度動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)交通信息化， 2016（3）： 99-115.