基于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)的軸載譜檢測(cè)研究

吳 昊，盧 勇，溫肖博

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展帶來(lái)各行各業(yè)的欣欣向榮，交通領(lǐng)域高速公路的建設(shè)也取得了令人矚目的成就，然而早期公路建設(shè)的質(zhì)量參差不齊，交通的不斷發(fā)展、交通荷載的增加以及超載超限車(chē)輛的增多導(dǎo)致越來(lái)越多的車(chē)轍、裂縫等路面病害，導(dǎo)致瀝青路面使用性能下降。因此需要采取措施預(yù)防瀝青路面損傷，而軸載譜的準(zhǔn)確測(cè)定是關(guān)鍵部分之一。

過(guò)去為控制大型貨車(chē)載重量，公路管理人員會(huì)在收費(fèi)站設(shè)置稱(chēng)重秤，在大貨車(chē)停車(chē)?yán)U費(fèi)的過(guò)程中進(jìn)行稱(chēng)重，這種措施在規(guī)范使用的前提下精度可以得到保證，但很多貨車(chē)司機(jī)會(huì)采取措施致使稱(chēng)重值偏小，結(jié)果真實(shí)性難以得到保障。除此之外，靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量效率低，難以測(cè)得單軸重量，存在局限性。歐美國(guó)家于20世紀(jì)90年代率先進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的研究，其中以德國(guó)PAT公司的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重產(chǎn)品最為著名，我國(guó)研究起步較歐美國(guó)家稍晚，且研究重點(diǎn)在靜態(tài)荷載測(cè)量與低速動(dòng)態(tài)荷載測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)稱(chēng)重方法主要包括：①參數(shù)估計(jì)法；②專(zhuān)家系統(tǒng)；③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；④ADV(位移速度法)；⑤位移積分法[1]。

鑒于國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)仍處于發(fā)展階段，本文將通過(guò)介紹動(dòng)態(tài)荷載測(cè)量技術(shù)原理和軸載測(cè)定方法，分析其影響因素，并提出測(cè)量精度和準(zhǔn)確性的改進(jìn)措施。

1 軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定技術(shù)原理

交通荷載檢測(cè)對(duì)路面結(jié)構(gòu)選用、設(shè)計(jì)和路用性能分析具有重要意義，當(dāng)量軸載作用次數(shù)(equivalent standard axle load，ESAL)一般依據(jù)等破壞與等厚度原則，將道路上作用的多種交通荷載按不同次數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)能夠反映交通荷載總體水平的標(biāo)準(zhǔn)軸載，然而這種方法難以根據(jù)試驗(yàn)路段數(shù)據(jù)反映實(shí)際道路的結(jié)構(gòu)厚度、結(jié)構(gòu)形式等對(duì)交通荷載作用的影響。美國(guó)公路合作研究項(xiàng)目(NCHRP)提出采用軸載譜取代當(dāng)量軸載作用次數(shù)。

我國(guó)將車(chē)輛分為13種類(lèi)型，其中1～3類(lèi)車(chē)輛的質(zhì)量較輕，不會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成顯著影響。因此，一般考慮4～13類(lèi)車(chē)輛進(jìn)行軸載檢測(cè)。常用車(chē)輛分類(lèi)檢測(cè)器包括地感線(xiàn)圈檢測(cè)器、基于波頻的車(chē)輛檢測(cè)器和視頻車(chē)輛分類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)。趙延慶等[2]將涉及軸載譜的重要參數(shù)確定為以下5個(gè)：①車(chē)輛類(lèi)型分布系數(shù)?？疾烀糠N類(lèi)型車(chē)輛的比例。②月調(diào)節(jié)系數(shù)。針對(duì)某一月份，分析特定車(chē)型的比例。③小時(shí)分布系數(shù)?？疾炷昶骄战煌吭诿總€(gè)小時(shí)內(nèi)的比例。④軸數(shù)系數(shù)。確定特定車(chē)型中特性軸類(lèi)型的平均軸數(shù)。⑤軸載分布系數(shù)。對(duì)特定車(chē)型的軸型，分析其軸重在各個(gè)區(qū)間內(nèi)的比例。這5個(gè)參數(shù)可以描述車(chē)輛軸載組成，并用于分析交通荷載對(duì)路面的影響。

1.1 原理分析

軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定技術(shù)是在車(chē)輛行駛過(guò)程中動(dòng)態(tài)測(cè)量車(chē)輛輪胎壓力，將其換算為靜態(tài)車(chē)輛質(zhì)量的方法，公路應(yīng)用的軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器和數(shù)據(jù)處理器組成的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，可以測(cè)量?jī)x器所在地各時(shí)段行駛車(chē)輛的動(dòng)態(tài)胎壓，并由其通過(guò)時(shí)間、車(chē)長(zhǎng)等參數(shù)計(jì)算車(chē)輛的總質(zhì)量、車(chē)速、軸距等信息，再進(jìn)行辨析證明所測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)誤后輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)在不影響車(chē)輛行駛的前提下全自動(dòng)采集車(chē)輛數(shù)據(jù)，最后計(jì)算軸載譜。

動(dòng)態(tài)荷載檢測(cè)需要將稱(chēng)重系統(tǒng)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)得到的動(dòng)態(tài)胎壓換算成車(chē)輛的靜態(tài)真實(shí)質(zhì)量，其計(jì)算方式是對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行多次測(cè)量，根據(jù)測(cè)得的平均質(zhì)量結(jié)合時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。測(cè)量方法包括質(zhì)量法、沖量法、體積法、重力法等。

1.1.1 質(zhì)量法

質(zhì)量法是通過(guò)加速度傳感器和置于地下的壓力傳感器測(cè)定車(chē)輛的加速度和胎壓，計(jì)算其施加給地面的力F和車(chē)輛自身的加速度a，進(jìn)而計(jì)算車(chē)輛承載的整車(chē)質(zhì)量。 計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，m為整車(chē)質(zhì)量，kg；F為施加給地面的力，N；a為加速度，km/h。

1.1.2 沖量法

沖量法是由兩個(gè)不同時(shí)刻的車(chē)輛速度，以及這段時(shí)間內(nèi)施加的力計(jì)算沖量，進(jìn)而計(jì)算整車(chē)質(zhì)量，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中，v1為t1時(shí)刻的速度，km/h；v2為t2時(shí)刻的速度，km/h；F為t時(shí)刻的力,N。由于單位時(shí)間內(nèi)的力是根據(jù)函數(shù)模型得到，所以該計(jì)算方法精度較低。

1.1.3 體積法

體積法是已知物料密度，根據(jù)CCTV(closed circuit television，閉路電視監(jiān)控)系統(tǒng)進(jìn)行圖像測(cè)算得到體積數(shù)據(jù)，推算車(chē)輛承載的貨物質(zhì)量，但由于密度在運(yùn)輸過(guò)程中多變，且體積并不穩(wěn)定，也不宜測(cè)量，所以測(cè)量難度較大。

1.1.4 重力法

重力法是采用應(yīng)變傳感器將車(chē)輛駛過(guò)時(shí)的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，按照輪胎的觸地面積和胎壓等數(shù)據(jù)將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為重力，從而得到車(chē)輛承載的貨物質(zhì)量。

現(xiàn)階段動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)常采用重力法。其優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)潔、易操作控制，對(duì)車(chē)輛駛過(guò)時(shí)的行程時(shí)間和力較為敏感。但其也存在缺點(diǎn)，即忽略了一定的環(huán)境因素或車(chē)輛本身的體積因素等問(wèn)題，例如汽車(chē)自身的振動(dòng)會(huì)與稱(chēng)重臺(tái)形成周期性的諧振。但客觀(guān)因素對(duì)軸載稱(chēng)重的影響較小，振動(dòng)對(duì)于應(yīng)變測(cè)量的影響可以通過(guò)算法優(yōu)化將其弱化。因此，重力法仍然適合于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)。

軸載譜動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要通過(guò)軸型識(shí)別技術(shù)對(duì)車(chē)輛荷載進(jìn)行分類(lèi)，軸型識(shí)別過(guò)程可依時(shí)序分割為識(shí)別多個(gè)單軸的軸型，再綜合每個(gè)單軸的軸型得出整個(gè)車(chē)輛的軸型。車(chē)輛軸型識(shí)別知識(shí)庫(kù)內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)狀態(tài)判斷、軸序數(shù)判斷、單雙輪判斷、聯(lián)軸判斷、車(chē)輛軸型匹配及修正。

通常車(chē)輛過(guò)秤會(huì)產(chǎn)生多個(gè)有效稱(chēng)重段，這些有效稱(chēng)重段所包含的軸信息部分重復(fù)。為解決這一問(wèn)題，在計(jì)算整車(chē)總質(zhì)量和軸載荷時(shí)，首先要對(duì)這些有效稱(chēng)重段所包含的軸組配重信息進(jìn)行識(shí)別，然后依照一定規(guī)則進(jìn)行選取，再用于計(jì)算。由于每個(gè)有效稱(chēng)重段的重量信息都存在誤差，所以在計(jì)算整車(chē)質(zhì)量時(shí)應(yīng)盡可能減小誤差，避免將整車(chē)質(zhì)量分割過(guò)多次。軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定技術(shù)流程

1.2 干擾因素分析

通常情況下軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定系統(tǒng)需結(jié)合精確性原則、經(jīng)濟(jì)性原則和可靠性原則進(jìn)行原材選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輔助軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)正常的交通和駕駛員駕駛不應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，還應(yīng)考慮稱(chēng)重平臺(tái)的隱蔽性，防止車(chē)輛采用繞道或跨線(xiàn)等方式影響稱(chēng)重的準(zhǔn)確性。同時(shí)，稱(chēng)重系統(tǒng)還應(yīng)適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，不應(yīng)受到天氣的過(guò)度影響，以收集某一條公路各時(shí)段各季節(jié)的軸載，為后續(xù)研究提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

相對(duì)于靜態(tài)測(cè)定系統(tǒng)，軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定更符合現(xiàn)在對(duì)于軸載測(cè)算的要求，但軸載測(cè)算也存在缺點(diǎn)，一方面，由于車(chē)輛在高等級(jí)公路上的行駛速度較快，受到風(fēng)力、路面質(zhì)量等影響較大，車(chē)輛產(chǎn)生較大振動(dòng)，會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重平臺(tái)造成影響；另一方面，路面自身出現(xiàn)裂縫、下沉等現(xiàn)象，溫度與濕度變化也會(huì)影響稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性[3-4]。將干擾因素進(jìn)行細(xì)分，主要分為以下幾點(diǎn)。

(1) 動(dòng)態(tài)測(cè)定算法自身的限制。由于動(dòng)態(tài)軸載譜測(cè)定需要較強(qiáng)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速處理和運(yùn)算，所以算法本身的限制和系統(tǒng)的運(yùn)行速度會(huì)影響軸載的測(cè)定速度，繼而影響測(cè)定結(jié)果。

(2) 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的影響。車(chē)輛駛過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重臺(tái)的振蕩；稱(chēng)重臺(tái)固有振動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響；稱(chēng)重臺(tái)受地基沉降影響引起自身測(cè)量誤差；路面傾斜、高差等引起稱(chēng)重臺(tái)誤差；外界電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響；隨時(shí)間延長(zhǎng)稱(chēng)重臺(tái)臺(tái)面變形以及傳感器固有的非線(xiàn)性測(cè)量引起的誤差。

(3) 測(cè)定地點(diǎn)周邊環(huán)境的影響。車(chē)輛經(jīng)過(guò)路況較好的路段，車(chē)輛能夠保持在一定的速度時(shí)，更易于軸載譜的動(dòng)態(tài)測(cè)定，當(dāng)出現(xiàn)擁堵等現(xiàn)象時(shí)，可能會(huì)影響軸載譜測(cè)定。

針對(duì)上述問(wèn)題，動(dòng)態(tài)軸載測(cè)定盡量使用便于數(shù)據(jù)調(diào)取的系統(tǒng)，如分層式數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重設(shè)備需要采取改進(jìn)措施，以適應(yīng)各種公路的稱(chēng)重要求。首先需要選定動(dòng)態(tài)稱(chēng)重臺(tái)位置，盡量將稱(chēng)重臺(tái)設(shè)置在水平直道上，避免路線(xiàn)因素對(duì)稱(chēng)重臺(tái)造成影響，必要時(shí)可加入平直引道，既排除路線(xiàn)影響，又可起到緩沖作用，減小車(chē)輛激振力的影響；其次應(yīng)保證稱(chēng)重臺(tái)的臺(tái)面平整光滑，減小由于稱(chēng)重臺(tái)不平導(dǎo)致的振蕩，為了讓稱(chēng)重臺(tái)在荷載作用時(shí)變形不超過(guò)限值，并保證其結(jié)構(gòu)具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)特性，稱(chēng)重臺(tái)一般焊接成箱形結(jié)構(gòu)；最后，保證稱(chēng)重臺(tái)附近環(huán)境的穩(wěn)定性，盡量防止電磁設(shè)備等干擾，降低溫度、濕度的影響。

2 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)

采用靜態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)可以獲知整車(chē)質(zhì)量，但難以進(jìn)行軸載譜的測(cè)定，軸型分辨、各軸重量測(cè)定和動(dòng)態(tài)記錄車(chē)輛分類(lèi)是采用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)檢測(cè)軸載的難點(diǎn)。鑒于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，基于多傳感器進(jìn)行車(chē)型、軸型等分類(lèi)具備可行性。

軸載譜動(dòng)態(tài)測(cè)定技術(shù)中的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)包括攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)、超限報(bào)警系統(tǒng)、低速稱(chēng)重系統(tǒng)、高速稱(chēng)重系統(tǒng)和感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)[5]。PAT公司的daw動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)平面布置[6]如圖2所示。

圖2 daw動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)平面布置

稱(chēng)重系統(tǒng)通常用于高速公路上對(duì)運(yùn)行中的車(chē)輛進(jìn)行超限控制，具備實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，主要由以下子系統(tǒng)構(gòu)成。

1) CCTV系統(tǒng)

CCTV系統(tǒng)可對(duì)超限車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2) 高速檢測(cè)系統(tǒng)

高速檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)行車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)，在對(duì)交通不造成干擾的情況下獲取荷載信息，并將檢測(cè)信息傳遞到信息指示系統(tǒng)。

3) 低速精確稱(chēng)重系統(tǒng)

低速精確稱(chēng)重系統(tǒng)主要用于對(duì)公路主線(xiàn)車(chē)輛進(jìn)行低速稱(chēng)重，確保稱(chēng)重準(zhǔn)確性。

4) 信息指示系統(tǒng)

信息指示系統(tǒng)用于接收檢測(cè)系統(tǒng)傳遞的信息，若車(chē)輛超限超載，指示系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)，引導(dǎo)車(chē)輛駛離主線(xiàn)，進(jìn)入專(zhuān)用執(zhí)法區(qū)域接受交通執(zhí)法檢查。

5) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的配合，協(xié)助工作人員對(duì)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)行控制[3]。

采用重力式方法進(jìn)行車(chē)輛荷載檢測(cè)時(shí)，多個(gè)應(yīng)變傳感器在經(jīng)受車(chē)輛輪胎應(yīng)力作用下產(chǎn)生響應(yīng)，根據(jù)提前輸入的車(chē)輛分類(lèi)信息，對(duì)應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行分析，由不同車(chē)輛應(yīng)變之間的差異性檢測(cè)車(chē)輛類(lèi)型，并將測(cè)得的各輛車(chē)的軸型、軸重、軸距等信息，按車(chē)輛類(lèi)型記錄。

在得到相關(guān)信息后對(duì)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，四軸車(chē)輛應(yīng)變響應(yīng)圖[7]如圖3所示。圖3(a)為數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)對(duì)傳感器傳遞的信息處理后的曲線(xiàn)，圖3(b)是平滑處理后進(jìn)行分析的曲線(xiàn)。

(a) 原始圖像

由圖3(b)可知，圖中4個(gè)峰值對(duì)應(yīng)4個(gè)車(chē)輛軸載，4個(gè)不同的應(yīng)變值表明前2個(gè)車(chē)軸軸重大于后2個(gè)車(chē)軸軸重，第一個(gè)、第二個(gè)車(chē)軸與第三個(gè)、第四個(gè)車(chē)軸的峰值距離較遠(yuǎn)，結(jié)合多個(gè)傳感器輸出計(jì)算車(chē)速，再根據(jù)橫軸時(shí)間差得到軸距。張文斌[7]研究動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)中處理多組傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)時(shí)，采用特征提取、多分類(lèi)支持向量機(jī)分類(lèi)以及決策融合的方法將不同車(chē)輛及時(shí)分類(lèi)。針對(duì)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重方法對(duì)實(shí)時(shí)處理的需求，李冰瑩[8]選用DSP(damage per second,秒傷害)處理器作為軸重測(cè)量數(shù)據(jù)處理的核心硬件，便于對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，最終可以得到軸載譜。

整車(chē)式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡是目前常用的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)，不但具有軸重秤的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)點(diǎn)，也具有整車(chē)式靜態(tài)秤準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)。整車(chē)秤在高速公路收費(fèi)站的應(yīng)用，有效遏制了跳秤、沖秤、S形路線(xiàn)、點(diǎn)剎等行為，同時(shí)可準(zhǔn)確識(shí)別超限超載車(chē)輛并第一時(shí)間限制其繼續(xù)行駛，避免路面和橋梁結(jié)構(gòu)遭受破壞，保障道路運(yùn)輸安全。

高速公路整車(chē)秤計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)示意如圖4所示。收費(fèi)車(chē)道設(shè)置的車(chē)輛識(shí)別器、軸組識(shí)別器、車(chē)輛紅外分離器、地感線(xiàn)圈、稱(chēng)重顯示控制器等設(shè)備聯(lián)動(dòng)工作，經(jīng)數(shù)據(jù)采集計(jì)算得出每車(chē)每軸軸重、每軸輪胎數(shù)、軸型、速度、軸數(shù)、整車(chē)質(zhì)量，以此將上述信息整合為收費(fèi)信息數(shù)據(jù)包，傳輸至收費(fèi)崗?fù)さ挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)作為收費(fèi)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)按質(zhì)量收費(fèi)的計(jì)重收費(fèi)功能。

圖4 高速公路整車(chē)秤計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)示意

高速公路整車(chē)秤計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)工作流程為：車(chē)輛分離器識(shí)別車(chē)輛進(jìn)入，島頭通行信號(hào)燈顯示紅燈，禁止后車(chē)跟進(jìn)稱(chēng)重臺(tái)；輪胎(軸)識(shí)別器識(shí)別車(chē)輛軸進(jìn)入稱(chēng)重臺(tái)，整車(chē)式稱(chēng)重系統(tǒng)開(kāi)始稱(chēng)重，檢測(cè)軸重，判定軸組；當(dāng)車(chē)輛通過(guò)車(chē)輛分離器，完全駛上稱(chēng)重臺(tái)，稱(chēng)重臺(tái)穩(wěn)定時(shí)，自動(dòng)記錄車(chē)貨總質(zhì)量并修正軸重；稱(chēng)重系統(tǒng)向車(chē)道計(jì)算機(jī)發(fā)送計(jì)重信息(軸數(shù)、軸組、軸重、車(chē)貨總質(zhì)量等)，車(chē)道計(jì)算機(jī)自動(dòng)判定超限，計(jì)算收費(fèi)金額，進(jìn)行相關(guān)收費(fèi)操作；收費(fèi)完畢后，車(chē)輛駛出稱(chēng)重平臺(tái)，稱(chēng)重臺(tái)回零，島頭通行信號(hào)燈顯示綠燈，指示下一輛車(chē)駛?cè)?。在此期間，系統(tǒng)可以自動(dòng)采集符合要求車(chē)輛的軸載、軸型、車(chē)貨總質(zhì)量等信息，并經(jīng)過(guò)處理輸入為軸載譜；不符合要求的車(chē)輛則需要進(jìn)行相應(yīng)處理，處理后重新錄入軸載。

3 軸載譜分析

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)于2017年9月1日正式實(shí)施，該版規(guī)范較舊版改變了以車(chē)型為基礎(chǔ)的交通量軸載換算方法，以實(shí)際動(dòng)態(tài)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，規(guī)范了軸載譜和交通量參數(shù)的調(diào)查分析方法。為進(jìn)一步提升交通軸載參數(shù)的獲取精度，本文采用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)得的軸載數(shù)據(jù)，對(duì)江蘇省高速公路典型軸載譜開(kāi)展研究。

江蘇省自2003年開(kāi)始對(duì)全省路橋收費(fèi)站分批實(shí)施計(jì)重收費(fèi)，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重設(shè)備逐步應(yīng)用于全省高速路網(wǎng)收費(fèi)站系統(tǒng)。高速公路計(jì)重收費(fèi)數(shù)據(jù)分布在入口車(chē)道原始記錄表、出口車(chē)道原始記錄表和軸重原始數(shù)據(jù)表。計(jì)重收費(fèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)主要包括：車(chē)輛到達(dá)時(shí)間、車(chē)輛分類(lèi)、車(chē)軸數(shù)量、各軸類(lèi)型、各軸重量，計(jì)重收費(fèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路上行駛車(chē)輛軸載信息的翔實(shí)記錄。

《江蘇省高速公路軸載譜的調(diào)查研究》課題研究對(duì)江蘇省內(nèi)16條高速公路20個(gè)斷面的收費(fèi)站動(dòng)態(tài)稱(chēng)重樣本信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，其車(chē)型、軸型分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)參考美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO)標(biāo)準(zhǔn)要求，與《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)分類(lèi)要求一致。結(jié)合該課題研究成果，研究分析江蘇省高速公路軸載譜時(shí)間、空間分布發(fā)展規(guī)律。

3.1 軸載譜時(shí)間發(fā)展規(guī)律

以廣靖錫澄高速公路樣本數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計(jì)2004—2006年和2016—2017年兩個(gè)年限區(qū)間單軸雙輪軸載分布，廣靖錫澄高速公路單軸雙輪軸載分布如圖5所示。

(a) 2004—2006年

由圖5可知，2004—2006年和2016—2017年，廣靖錫澄高速公路單軸雙輪軸載均呈現(xiàn)雙峰分布，且峰值區(qū)間保持一致。其中，2016—2017年第一峰值的軸重區(qū)間為4～6 t，第二峰值的軸重區(qū)間為12～14 t。

整體來(lái)看，近年來(lái)單軸雙輪軸載分布基本保持一致，單軸雙輪軸載超載率統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 單軸雙輪軸載超載率統(tǒng)計(jì)

由表1可知，江蘇省高速公路治超成果較顯著，單軸雙輪軸載超載率由2004—2006年的32.03%降至2016—2017年的17.32%，降低了45.93%。

以廣靖錫澄高速公路樣本數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計(jì)2004—2006年和2016—2017年兩個(gè)年限區(qū)間雙聯(lián)軸雙輪軸載分布系數(shù)，廣靖錫澄高速公路雙聯(lián)軸雙輪軸載分布如圖6所示。

(a) 2004—2006年

由圖6可知，2004—2006年和2016—2017年，廣靖錫澄高速公路雙聯(lián)軸雙輪軸載均呈現(xiàn)雙峰分布，第一峰值軸重區(qū)間保持一致，均為6～8 t，第二峰值軸重區(qū)間由2004—2006年的16～18 t增至2016—2017年的20～22 t。

整體來(lái)看，近年來(lái)雙聯(lián)軸雙輪軸載的第二峰值區(qū)間有所后移，但是重載的分布比例卻呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，雙聯(lián)軸雙輪軸載超載率統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 雙聯(lián)軸雙輪軸載超載率統(tǒng)計(jì)

由表2可知，江蘇省高速公路治超成果顯著，雙聯(lián)軸雙輪超載率由2004—2006年的61.39%降至2016—2017年的23.33%，降低了62.00%。

3.2 軸載譜空間發(fā)展規(guī)律

根據(jù)上述分析和2007年《江蘇省高速公路軸載譜的調(diào)查研究》相關(guān)數(shù)據(jù)，相同時(shí)期內(nèi)，軸載譜的空間分布規(guī)律基本一致，江蘇省高速公路治理貨車(chē)超載問(wèn)題成果顯著?，F(xiàn)針對(duì)2016—2017年，江南(滬寧高速公路、廣靖錫澄高速公路)、江北(寧宿徐高速公路、連徐高速公路)4條典型高速公路的軸載譜空間分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4條高速公路單軸雙輪軸重空間分布如圖7所示。

(a) 滬寧高速公路

由圖7可知，4條高速公路的單軸雙輪軸重均呈雙峰分布，且峰值區(qū)間保持一致，第一峰值的軸重區(qū)間為4～6 t，第二峰值軸重區(qū)間為12～14 t。以同軸型軸重分布情況來(lái)看，區(qū)域(江南、江北)和交通量等級(jí)(特重、中)因素對(duì)軸重的分布影響并不顯著，即同時(shí)期內(nèi)，江蘇省高速公路路網(wǎng)的單軸雙輪軸載空間分布較穩(wěn)定。

4條高速公路雙聯(lián)軸雙輪軸重空間分布如圖8所示。

(a) 滬寧高速公路

由圖8可知，4條高速公路雙聯(lián)軸雙輪軸重空間均呈雙峰分布，且峰值區(qū)間保持一致，第一峰值的軸重區(qū)間為6～8 t，第二峰值的軸重區(qū)間為16～18 t。與單軸雙輪軸重分布結(jié)果相比，區(qū)域和交通量等級(jí)因素對(duì)雙聯(lián)軸軸重空間分布的影響并不顯著，同時(shí)期內(nèi)，江蘇省高速公路路網(wǎng)雙聯(lián)軸雙輪軸載空間分布較穩(wěn)定。

4條高速公路三聯(lián)軸雙輪軸重空間分布如圖9所示。

(a) 滬寧高速公路

由圖9可知，4條高速公路三聯(lián)軸雙輪軸重空間均呈雙峰分布，且峰值區(qū)間保持一致，第一峰值的軸重區(qū)間為6～8 t，第二峰值的軸重區(qū)間為26～28 t。與單軸、雙聯(lián)軸軸重空間分布相比，區(qū)域和交通量等級(jí)因素對(duì)三聯(lián)軸雙輪軸重空間分布的影響并不顯著，同時(shí)期內(nèi)，江蘇省高速公路路網(wǎng)三聯(lián)軸雙輪軸載空間分布較穩(wěn)定。

綜上，通過(guò)對(duì)同一高速公路不同時(shí)間段不同軸型研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段江蘇省高速公路路網(wǎng)貨車(chē)超限超載治理成效顯著，超載分布比例較早期下降顯著，有利于保證公路使用年限內(nèi)的路用性能；在同時(shí)期內(nèi)，以4條高速公路的主要軸型數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，可知其軸載空間分布較為穩(wěn)定，各條高速公路間數(shù)據(jù)無(wú)明顯差異，可以認(rèn)為省級(jí)軸載譜的統(tǒng)計(jì)合理可行。

4 總結(jié)

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)相較于靜態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)具有更好的實(shí)時(shí)性和更高的精確性，應(yīng)用多種傳感器系統(tǒng)與可人工操作界面集成，形成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)由于電路集成較多，容易損壞，需要考慮車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振蕩和其他因素對(duì)傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)可以利用多傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)車(chē)輛行駛速度、通過(guò)時(shí)間、傳感器測(cè)得應(yīng)變等得到軸載數(shù)量、車(chē)輛類(lèi)型、各軸軸重和軸間距等數(shù)據(jù)，從而建立軸載譜得到軸載譜參數(shù)以評(píng)估路用性能。

通過(guò)研究江蘇省動(dòng)態(tài)測(cè)量軸載譜發(fā)現(xiàn)，同一時(shí)期不同高速公路軸載分布在省際范圍內(nèi)基本一致，同一高速公路在不同時(shí)期內(nèi)的軸載空間分布有所不同，但主要軸載的曲線(xiàn)趨勢(shì)和峰值對(duì)應(yīng)軸型基本一致。因此，江蘇省內(nèi)軸載譜研究具有參考價(jià)值。

目前動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于江蘇省內(nèi)收費(fèi)站，并應(yīng)用于軸載檢測(cè)，但其設(shè)置未遍及全省各條公路。因此，無(wú)法對(duì)高速公路以外公路進(jìn)行軸載測(cè)定。同時(shí)本文研究軸載集中于江蘇省，其他地區(qū)可能會(huì)由于地形等因素出現(xiàn)軸載差異，軸載研究結(jié)論無(wú)法應(yīng)用于其他地區(qū)，各省區(qū)市還需因地制宜進(jìn)一步研究。