車輛超載檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

祝文允 王金琳

（1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶隧源建筑勞務(wù)有限公司，重慶 401121）

目前，我國公路橋梁超重運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象越來越普遍，且超載比例逐漸增高。貨運(yùn)部門通常會(huì)通過改裝車身后軸和輪胎等手段來大幅度提高車輛的裝載能力[1]。由于重載、超載車輛的頻繁作用，路面板下基層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不均勻塑性變形，致使結(jié)構(gòu)過早破壞。 有些橋梁和公路根本達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)的使用年限，甚至在通車后很短時(shí)間內(nèi)，就出現(xiàn)各種病害[2]。 對(duì)水泥混凝土路面來說，在使用初期會(huì)出現(xiàn)唧泥、錯(cuò)臺(tái)、斷裂等破壞；對(duì)瀝青路面來說則會(huì)出現(xiàn)車轍、坑槽、開裂、沉陷等破壞。

超載車輛的危害是巨大的。 超載車輛控制能力低很容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國由于車輛超載引發(fā)的道路安全事故占到事故總數(shù)的百分之七十， 這些事故給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 超載車輛的長期作用會(huì)使高速公路、橋梁結(jié)構(gòu)路面使用壽命縮短，對(duì)公路和橋梁造成嚴(yán)重?fù)p害[3]。 研究表明，一條設(shè)計(jì)使用年限為15年的公路，如果行駛車輛超載1 倍，其使用壽命將縮短90%，也就是說只能使用一年半左右[4]。 而且超載車輛一般體積龐大，車速偏慢，容易造成交通擁擠，嚴(yán)重制約道路的通行能力。 車輛超載還會(huì)使車主偷稅漏稅，造成國家稅收的大量流失。 由于油料不能充分燃燒，超載車輛排出的一氧化碳等有害氣體增多，噪聲增大，這些都對(duì)公路周邊的環(huán)境造成嚴(yán)重污染[5]。

車輛的超重行駛加劇了路面的損害， 降低了路面服務(wù)功能，使路面提前進(jìn)入大修期，縮短了路面的預(yù)期使用壽命，危及公路的安全使用，大大增加了公路部門的維護(hù)和改建資金的投入[6-7]。 因此，對(duì)上路超載車輛的監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重大的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。

1 傳統(tǒng)車輛超載檢測(cè)系統(tǒng)分類及其原理

車輛超載對(duì)橋梁的破壞是觸目驚心的， 國內(nèi)橋梁大多存在由重車超載造成的橋面開裂問題， 部分橋梁甚至發(fā)生橋板垮塌、橋梁斷裂等嚴(yán)重事故。 超限車輛造成的直接和間接損失是不可估計(jì)的[8]。 近年來，國家出臺(tái)了一系列超載運(yùn)輸?shù)膽土P措施， 也在改進(jìn)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以適應(yīng)超載交通的要求方面投入了大量的人力和財(cái)力。 加強(qiáng)橋梁及公路的超限運(yùn)輸管理， 研發(fā)預(yù)警超載車輛上路上橋的新型檢測(cè)技術(shù)對(duì)公路橋梁安全至關(guān)重要。

現(xiàn)有技術(shù)中， 超載車輛的檢測(cè)技術(shù)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩大類。 靜態(tài)檢測(cè)即傳統(tǒng)的稱重，它主要通過安裝在地面的電子地磅對(duì)經(jīng)過的車輛進(jìn)行稱量， 這種固定式的地磅一般設(shè)在路邊的車輛超載檢查站或者高速路口的收費(fèi)站。 還有一種攜帶方便的便攜式軸重儀也是一種重要的車重計(jì)量?jī)x。 靜態(tài)檢測(cè)流程較為復(fù)雜， 故而檢測(cè)速度緩慢，維修不便，容易造成交通擁擠。 同時(shí)靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備的性能受外界環(huán)境如溫度、氣候等的影響較大，計(jì)量準(zhǔn)確度低。 由于靜態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)自身的缺點(diǎn)，其檢測(cè)效率低，需要人工干預(yù)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有車輛的24 小時(shí)不停車監(jiān)控和動(dòng)態(tài)測(cè)量。

動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要有軸重檢測(cè)和橋梁應(yīng)變檢測(cè)兩種[9]。軸重檢測(cè)主要是通過測(cè)量行駛車輛的動(dòng)態(tài)輪胎受力情況來實(shí)現(xiàn)對(duì)超載車輛的檢測(cè)，它主要由識(shí)別系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)組成。 當(dāng)車輛駛?cè)肼访姹O(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，一方面識(shí)別系統(tǒng)會(huì)記錄下車輛的牌照、輪胎數(shù)等基本信息； 另一方面路面設(shè)置的特定傳感器會(huì)感受車輛的軸載壓力信號(hào)并稱重。 然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)， 再通過數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理并計(jì)算得到車輛的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)， 如果車重符合要求則繼續(xù)行駛，若超重則控制系統(tǒng)會(huì)識(shí)別并報(bào)警，整個(gè)檢測(cè)過程不需要停車，其工作流程如圖1 所示。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心為動(dòng)態(tài)稱重傳感器， 傳統(tǒng)的傳感器主要有感應(yīng)圈式傳感器、 壓電式傳感器和粘貼式應(yīng)變傳感器等。 這些傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量結(jié)果受環(huán)境因素如溫度、時(shí)間、濕度等的干擾太大，抗電磁干擾差，安裝不方便，不能滿足現(xiàn)代交通的需求。 近年來發(fā)展起來的微加速傳感器提高了系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。 同時(shí)，隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展， 光纖動(dòng)態(tài)傳感器也開始在動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)中使用[10]。 光纖傳感可實(shí)現(xiàn)快速和高密度檢測(cè)，且使用時(shí)操作簡(jiǎn)便。 雖然經(jīng)過了這么多年的發(fā)展，但是這些動(dòng)態(tài)技術(shù)都用來對(duì)超載車輛進(jìn)行稱重。 利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車輛載重雖然提高了檢測(cè)效率，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，但是需要依靠比較昂貴的傳感設(shè)備來實(shí)施檢測(cè)，成本較高，也在一定程度上限制了運(yùn)營速度。

2 超載檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

隨著公路、 橋梁覆蓋率的增加和運(yùn)輸行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，超載運(yùn)輸?shù)臋z測(cè)技術(shù)越來越受到重視。 國際上許多國家都開始致力于研究預(yù)警、 檢測(cè)行駛車輛動(dòng)態(tài)情況的設(shè)備和阻止超載車輛上路、上橋的裝置。 國外最早的超載檢測(cè)是在車輛靜止的情況下對(duì)其荷載進(jìn)行稱重的靜態(tài)檢測(cè)，如大型的電子地磅等。 后來，研究人員開發(fā)出來一種小型的便攜式靜態(tài)稱重裝置和一套低速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。不停車車重檢測(cè)在歐洲已經(jīng)有20 多年的歷史，又被稱為WIM（Weight In Motion）技術(shù)。這種技術(shù)在許多國家都得到了廣泛應(yīng)用， 如澳大利亞研制出一種卡爾維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，美國在早期車輛超載檢測(cè)中使用壓力盒式檢測(cè)儀。

圖1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

我國早期的靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備較為常用的是大型地磅，后來自行研制出BQZ-I 型便攜式汽車軸重儀， 它是一種對(duì)汽車軸重進(jìn)行稱量的靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備，輕便可移動(dòng)，安裝使用方便。 目前推廣的超載車輛監(jiān)測(cè)技術(shù)大都是動(dòng)態(tài)檢測(cè)，如公路車輛動(dòng)態(tài)測(cè)試儀等。 鄭軍庭[11-12]等研究出一種用于橋梁車輛超載的高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法， 使用的是高精度微傳感器。 當(dāng)車輛通過橋面時(shí)引起橋梁響應(yīng)，安裝在橋梁下面的微傳感器就會(huì)測(cè)量并記錄響應(yīng)。 通過建立測(cè)量信號(hào)與車輛載重之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得動(dòng)態(tài)車輛的載重。這種間接測(cè)量方法只需將傳感器固定在橋下即可， 操作方便而且測(cè)量精度高。 目前國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的人群大多集中在高等學(xué)校。 交通部重慶公路科學(xué)研究所研制出一種由稱重傳感器和電子測(cè)量?jī)x構(gòu)成的固定式動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的軸重誤差小于10%， 置信度為95%，能夠精確檢測(cè)超載車輛。 北京交通大學(xué)的馬應(yīng)林[13]研究出一種基于車載稱重裝置和短消息技術(shù)的車輛超載動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 能夠在車輛不限速的情況下檢測(cè)車輛的超載情況。陳廣華[14]等人通過安裝在汽車鋼板彈簧上的粘貼式應(yīng)變傳感器測(cè)量車輛鋼板彈簧承受的載荷信息來計(jì)算車輛總荷載，阻止超載車輛上路。

3 結(jié)論

利益的驅(qū)使和監(jiān)管不力使超載成為危害國家和人民財(cái)產(chǎn)及人身安全的重大問題。 治理車輛超載問題除了要加大宣傳和執(zhí)法力度、制定相應(yīng)的監(jiān)管措施、加強(qiáng)公路和橋梁結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，還應(yīng)注重改進(jìn)和優(yōu)化超載檢測(cè)技術(shù)。不管是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)超載檢測(cè)都存在一些缺點(diǎn)， 因此開發(fā)出一種既方便又準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)十分必要。 目前使用較多的超載檢測(cè)方法都是利用輪胎受力情況來感知荷載的變化， 所以考慮是否可以開發(fā)出一種具有壓敏性的混凝土作為感應(yīng)區(qū)設(shè)置在橋或路的進(jìn)口， 進(jìn)而阻止超重車輛上路或上橋，達(dá)到預(yù)警的作用，這也許可以為交通管理的智能化奠定基礎(chǔ)。

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