公路超载车辆预检系统的设计

公路超载车辆预检系统的设计一．国内外研究现状1.1国外研究现状动态超限监控技术在欧洲已有20多年的历史，拥有较多的生产制造商，可是一些产品在实际应用中会出现技术问题，迫切需要稳定性好精度高的WIM系统。

于是欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEH]RI)根据欧盟运输委员(ECTD)会提供的程序架构，进行了高速公路上动态车辆载荷监控相关问题的研究，且13COST323计划，经过30个月的实际测试，所选入的WIM系统通过稳定性、相关性能等的比较，最后德国PAT公司的车辆动态预检系统脱颖而出。

1994年，欧盟进行WAVE(Weighing in motion of Axle and Vegucles for Europe)计划，其中著名的CET(Cold Environment Test)测试，第一名仍然是德国PAT公司的产品。

德国PAT公司的产品具有较高声望，产品占领世界大部分市场，于1999年通过国家技术监督局的《计量器具型式批准证书》进入我国市场，我国科研人员通过学习PAT公司的SAW.15C II型便携式称重系统，通过实际标定检测，测量结果稳定且精度高，成为我国自主研发车辆动态称重预检系统的样本。

1.2 国内研究现状改革开放后我国经济建设突飞猛进发展，车辆超限超载运输情况也十分严重，早期我国只有少数的科研机构和高校致力于车辆动态称重预检系统的研究。

我国最早自主研发的动态车辆称重预检系统等相关产品，是由重庆公路科学研究所生产的，它实现了公路车辆轴载检测的全自动化，以及限重执法和交通调查等功能。

相对于发达国家，虽然我国目前的研究尚不完善，但根据我国国情今后将以开发低成本、高精度、高车速的动态称重预检系统为主要研究开发方向。

1.3 车辆动态称重系统的有关规范车辆动态称重的目的有：1）贸易结算，多是整车重量的测量，要求精度低；2）法律规定的强制测量，交通执法部门确认是否超载，主要是车重、轮荷、轴荷和轴组荷的测量，在测量不同位置时需要相应的检测仪，测量精度要求降低；3）采集相关的交通数据，对高速公路设计、建造和维护等提供相关数据等。

1995年，美国试验及材料协会(ASTM)通过了ASTM E1318．94标准，该标准针对动态称重预检系统的称重设备的应用类型、特征以及系统准确度做出了具体规定。

根据动态预检系统应用场合的不同，ASTM E1318.94标准将其分成四类，如表1.1所示。

根据四种类型准确度等级及其最大允许误差，要求系统置信度为95％，如表1.2所示。

表1.1ASTM E1318.94WIM标准系统分类分类车速范围/1-km应用场合车道⋅hⅠ16~130 交通数据采集站1或多个车道Ⅱ24~130 交通数据采集站1或多个车道Ⅲ16~130 车辆载荷检测站二车道以上Ⅳ3~16 车辆载荷检测站二车道以上表1.2ASTM E1318—94 WIM标准最大允许误差分类轮载荷轴载荷轴群载荷车辆载荷速度轴间距Ⅰ±25%±20%±15%±10%±2km/h±0.15m Ⅰ±20%±30%±20%±15%±2km/h±0.15m Ⅰ±20%±15%±10%±6%±2km/h±0.15mⅣ/质量kg≥2300≥5400≥11300≥27200±2km/h±0.15mⅣ/偏误差kg±100±200±500±1100±2km/h±0.15m 2016年9月21日起，我国交通运输部办公厅、公安部办公厅联合发布《整治公路货车违法超限超载行为专项行动方案》的公告，规定标准如下表1.3所示。

表1.3 公路货运车辆超限超载认定标准．二轴货车车货总重还应当不超过行驶证标明的总质量。

二．动态称重预检系统的方案分析2.1 公路超载车辆动态预检系统的总体设计车辆动态称重WIM(Weight in Motion)是指车辆以一定速度通过称重平台，通过测量行驶状态下的车重，从而推算出真实重量的过程。

WIM系统改善了以往停车排队称重所造成的交通堵塞等问题，更加符合现在高速发展的交通运输。

车辆动态称重检测站由车辆动态称重预检系统和超限检测站两部分组成，称重预检系统设立在公路主干道上，离超限检测站大约1～1．5公里处，可以根据路段的实际情况设立，预检区域的主要工作是对行驶车辆进行轴载荷和总载荷的测量，由车牌识别仪记录车牌信息，通过路一旁的工控机系统进行信息处理，并将超载车辆的车牌信息显示在前方引导屏上，疑似超载车辆按指定闸道进入超限检测站进行静态精确称重，这样有效的筛选出超载车辆，减少了检测站工作人员的工作压力，改善了逢车必查的现象，实现了智能化、高效的动态称重系统。

如图2.1所示。

图2.1车辆动态称重系统的总体结构示意图国外大量实例证明，高速公路上动静态结合的称重检测系统是治理超载超限的最佳解决方案，尤其在车流量大，车道多的公路上。

车辆动态称重预检系统，是以不妨碍公路交通运输正常运行为前提，同时预防驾驶员凭经验“跳磅”，真实有效的获取车辆的轴重，通过参考规定的载荷范围，分离出有超载嫌疑的车辆。

动态称重预检系统大多位于高速公路主干线，公路上的车辆种类多、行驶情况较为复杂，所以设计的系统要能应对各种车辆跨线、压线行驶的情况。

图2.2是动态称重预检系统示意图，图2.3是超限检测系统整体工作流程。

图2.2动态称重预检系统示意图图2.3超限检测系统整体流程图2.2车辆动态称重预检系统的构成与原理2.2.1称重预检系统的构成动态称重预检系统是由传感器和支持系统功能的相关硬件设备构成，通过测量正常行驶状态下的车辆动态轴载重量，计算出实际车重，最后显示、存储这些车辆信息的过程。

本设计中主要硬件有地感线圈、弯板传感器、车牌识别仪、引导屏和嵌入式工控机。

动态称重系统中的压力传感器主要是利用压电效应，本设计中采用应变式传感器中的弯板传感器，应变式压力传感器是将被测压力转换成相应电阻值的变化，应变计中应用最多的是粘贴式应变计，多用于计重收费系统、高速动态称重和港口桥梁的载荷流量统计。

弯板式称重传感器的安置应与路面处在同一水平面，当有车辆经过时，弯板传感器感受到的轴重信号转换成电压信号，通过传感器放大单元将信号放大输入给工控机，工控机将收到的重量信号和车速、车牌信息经过处理，最后得到车辆的静态重量。

2.2.2称重预检系统的工作原理当车辆驶入称重预检区域，首先，地感线圈检测到有车辆进入，车辆自身的铁质会改变线圈磁通量变化，引起回路电感量的变化，变化的信号送入工控机中启动其他模块进入工作状态。

随后车辆经过传感器，受到动态载荷的作用，传感器上的应变电阻发生变化，以电压信号的形式输出，电压信号通过数字滤波、放大等转换成数字信号送入工控机中进行数据处理。

结合测量的车速和车牌信息，最后得到车辆的整体静态重量。

若车辆超重，则通过引导屏显示车牌信息，引导疑似超载车辆进入超限站进行复查，同时超限站的工作人员也会收到工控机传来的超载车辆信息。

系统硬件部分采用模块化设计实现，如图2.4所示。

图2.4预检系统模块图汽车以一定速度经过一定宽度的传感器，有传感器测出汽车每个轮的重量，然后累加得到每个轴的重量，在将每个轴重量累加进而得出汽车的总重。

称重过程是一个强实时过程，需及时采集汽车每个轴的数据并快速计算出其重量。

图2.5汽车称重模块框图2.3传感器的选择秤台与传感器模块对整个汽车动态称重系统来说是至关重要的部分，传感器的精度，灵敏度和秤台的各项动态特性基本上决定了整个动态称重系统可以达 到的精度水平。

目前应用于汽车动态称重的传感器类型主要有光纤式、石英晶 体式和应变片式传感器三种，其中光纤式与石英晶体式称重传感器主要用于高 速动态称重，应变片式传感器用于低速动态称重。

表2.1国内外常见动态称重类型及特点比较类型 平板式 弯板式 压电聚合物电缆 石英晶体式传感器应变传感器在应变机体上贴应变片压电聚合体加工成的同轴电缆 石英晶体传感器 工作原理采用应变原理，惠斯顿桥路，需供电采用应变原理，惠斯顿桥路，需供电压电原理，电缆受到压力或被拉伸，产生电压信号压电原理，主动式传感器，传感器无需供电 应用范围 静态和低速称重 静态和低速称重动态称重准静态和动态称重 速度范围h km /40~0h km /50~0h km /100~5 h km /100~1使用寿命循环（变形）次数循环（变形）次数标称4000万次 理论上无限，实际寿命取决于路面寿命水平力的影响 较大 大 较大（PVDF 压电膜横向、纵向均有压电效应） 无影响温度适应性温度漂移大，受气候、季节影响明显 温度漂移大，受气候、季节影响明显受温度影响较大，温度变化时灵敏度、输出幅值变化温度漂移小%02.0 ，-40℃至+85℃正常工作 与路面的结合有缝隙，不能与路面有效的结合，接合部易损坏有缝隙，不能与路面有效的结合，接合部易损坏较好无缝隙，与路面结合为整体，可与路面打磨平整，不易损坏路面适应性坡度对路面结果影响大，桥面无法安装坡度对测量结果影响大不确定坡度对测量结果影响小施工工程量和周期开挖量大，周期长，对道路结构破坏大，土建投资大开挖量中等，（深度）100mm×（宽度）508mm开挖量小，周期短，开挖19mm×19mm或19mm×25mm开挖量小，周期短，开挖深度55mm，宽度72mm，路面施工不超过一个工作日，对路面强度和交通影响最低设备成本低高低高建设成本开挖量大，建设成本高中等开挖量小，建设成本低开挖量小，建设成本低维护和保有成本总体拥有成本（TOC）需要定期排水，清除泥沙，传感器定期校正和更换，维护工作量大主要是弯板的金属疲劳以及接缝处密封材料，需定期更换和维修，维护量大寿命短免维护，可长期稳定运行应用领域公路计重收费、低速精检系统（超限检测）等公路计重收费、低速精检系统（超限检测）等边界入侵监测、安全防护栏、车辆分类和计数等公路计重收费、低速精检系统（超限检测）、高速预检系统（超限检测），交通信息采集和统计等三．车辆动态称重影响因素及信号预处理方法3.1车辆动态称重预检系统的影响因素车运动的过程复杂多变，因此动态预检系统就具有不确定性和不可预测性。

本设计的主要目的是提高动态称重预检系统的精度要求，因此就要详细分析影响车辆动态称重精度的影响因素。

3.1.1与车辆相关因素1)车辆自身悬架系统车辆都是通过悬架系统将车轮与车身弹性的连接在一起的，并且通过悬架系统将车身的力传递给车轮，而车辆的轴重也就包括了车身通过悬架系统对车轮的作用力。