基于窄條壓阻傳感器的公路車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)研究

收稿日期：2024-03-05

作者簡介：呂剛（1975—），男，碩士，工程師，研究方向：公路交通工程。

摘要 載重型貨車的違法超載行為對公路基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生巨大的破壞作用。采用公路動態(tài)稱重系統(tǒng)進行治理超載非現(xiàn)場執(zhí)法，讓超載行為無處遁形，將大幅提高治超執(zhí)法的效率，對超載行為產(chǎn)生強大的震懾作用。文章研究了基于窄條壓阻傳感器的公路車輛動態(tài)稱重系統(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、性能特點和安裝方法等，分析了動態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件流程。

關(guān)鍵詞 動態(tài)稱重；傳感器；汽車；軟件流程

中圖分類號 U492.321文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）11-0012-03

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，載重型貨車在公路通行車輛中占據(jù)了較大比重，公路貨運運輸總量也在不斷增加。有研究表明：汽車的載荷增大2倍，公路路面的損壞將擴大到原來的16倍[1]。為了遏制超限超載對公路基礎(chǔ)設(shè)施的巨大破壞作用，政府執(zhí)法機構(gòu)對超載行為加大了打擊力度，由此也產(chǎn)生了采用公路動態(tài)稱重系統(tǒng)的非現(xiàn)場執(zhí)法模式。通過動態(tài)稱重系統(tǒng)[2-3]，執(zhí)法機構(gòu)可以在不影響車輛正常通行的情況下判別出哪些貨運車輛存在超載行為，進行針對性的執(zhí)法，讓超載行為無處遁形。因此，大幅提高了治超執(zhí)法的效率，對超載行為產(chǎn)生強大的震懾作用。

1 動態(tài)稱重系統(tǒng)

以某公路上應(yīng)用的公路動態(tài)稱重系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要由動態(tài)稱重WIM（Weigh In Motion）系統(tǒng)、外廓尺寸測量系統(tǒng)、信息公示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控抓拍系統(tǒng)、交通標識系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其采用先進的動態(tài)稱重傳感技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)濾波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[4]，能夠精準測量速度為0.5～100 km/h正常行駛甚至異常行駛貨運車輛的車貨總質(zhì)量，并對車輛牌照進行識別同時錄制監(jiān)控視頻現(xiàn)場取證。行駛在公路上的載貨車輛通過公路動態(tài)稱重系統(tǒng)時，系統(tǒng)對車輛進行動態(tài)稱重，稱重數(shù)據(jù)及判決結(jié)果發(fā)送到后臺超載檢測綜合執(zhí)法信息平臺，并在信息公示系統(tǒng)的電子顯示屏顯示。車輛未超載時，電子顯示屏提示車輛繼續(xù)正常行駛；車輛超載時，提示違法車輛到指定地點卸載超載物資并接受超載處罰。同時，超載檢測綜合執(zhí)法信息平臺給超載車輛駕駛員及車主發(fā)送信息，提示車輛違規(guī)超載，需要到指定地點卸載超載物資并接受處罰，不接受處罰的，執(zhí)法部門將對其進一步從重處理，從而提高超載違法成本，保證對超載違法行為的打擊力度。

2 窄條壓阻傳感器

公路動態(tài)稱重系統(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態(tài)稱重傳感器，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)檢測車輛車輪對地面的壓力，產(chǎn)生與所受壓力成正比的電流輸出值，計算出車輛的單軸軸重。由于壓電傳感器較窄，僅取樣車輛輪胎的小部分荷重，因而總輪胎荷重通過該測量值對輪胎與地面接觸長度在車輛行進方向上的積分得出[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，其整體寬度小于車輛接觸地面寬度。窄條壓阻傳感器的電阻應(yīng)變片由沿長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原理，因而檢測靈敏度高。但傳感器存在蠕變現(xiàn)象和溫度漂移，需要進行蠕變補償和溫度補償[5]。目前采用的窄條壓阻傳感器，單根長度0.9 m。實際應(yīng)用時窄條傳感器沿行車方向布設(shè)三排，而且半幅車道為一組，左右兩組相互錯開，交錯布局[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

由于傳感器的長度為0.9 m，因此在實際布設(shè)時不可能剛好為道路寬度，可比道路稍寬。以中間無隔離的雙向兩車道公路路面為例，正常車道寬3.75 m，非機動車道寬1.5 m，那么整個路面寬度就為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行動態(tài)稱重，還可以進行靜態(tài)稱重，但石英壓電傳感器只能進行動態(tài)稱重。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：①尺寸較小，因此安裝施工非常方便，對公路路面破壞較小，施工周期短。②不僅可以進行動態(tài)稱重，還可以進行靜態(tài)稱重。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由于稱重接觸面一般在5～10 cm，因此在使用中，對路面施工的要求較高，如路面不平整會產(chǎn)生較大誤差。窄條壓阻傳感器的技術(shù)指標如下：①單軸荷載能力為30 t。②單軸過載能力為150%。③稱重誤差為動態(tài)5級（0.5～100 km/h范圍內(nèi)）。④使用壽命：≥2 000萬軸次。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。對于普通瀝青路面，應(yīng)將16 m長范圍內(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，先對混凝土路面需要安裝窄條壓阻傳感器的位置進行開槽，如圖4所示。接下來將窄條傳感器進行定位，采用金屬支架及螺栓進行固定，如圖5所示。然后使用特種速干水泥對安裝窄條傳感器的槽位進行灌漿。待水泥完全固化后，使用研磨機對窄條傳感器承載接觸面進行打磨，使承載接觸面與路面的高差控制在2 mm以內(nèi)。

4 動態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件流程

動態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。當車輛在正常行駛中經(jīng)過稱重檢測區(qū)時，動態(tài)稱重系統(tǒng)的動態(tài)稱重WIM單元對車輛進行高速動態(tài)稱重，外廓尺寸測量系統(tǒng)對車輛進行外廓尺寸進行測量，視頻監(jiān)控抓拍系統(tǒng)對車輛的車牌進行識別。數(shù)據(jù)處理計算機對這些數(shù)據(jù)進行處理后，根據(jù)《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、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，作為車輛限載標準判斷出車輛是否超載。數(shù)據(jù)處理計算機將檢測結(jié)果通過LED屏顯示出來，并將結(jié)果上傳到超載檢測綜合執(zhí)法信息平臺。車輛未超載時，LED屏提示車輛繼續(xù)正常行駛；車輛超載時，LED屏提示違法車輛到違法處理點接受處理。

在動態(tài)稱重系統(tǒng)提示超載的車輛進入違法處理點后，工作人員引導車輛進行靜態(tài)高精度稱重復核。如果車輛復核后未超載，超載檢測綜合執(zhí)法信息平臺的非現(xiàn)場執(zhí)法數(shù)據(jù)處理計算機對之前記錄的車輛違法標記進行清除，車輛就可以離開違法處理點，恢復正常行駛。如果車輛復核后確認超載，工作人員將對駕駛員及車主進行違法處理，然后引導車輛進行卸貨。車輛超載的物資卸貨完成后，再進行靜態(tài)高精度稱重復檢，復檢確認不超載后，工作人員對車輛放行，恢復正常行駛。

5 結(jié)語

隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展，對公路車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)的準確度和車輛通行允許速度產(chǎn)生越來越嚴格的要求。這就需要采用更先進的稱重技術(shù)來研制性能更優(yōu)的傳感器，并采用更有效的算法提高對軸重信號的處理能力。公路車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，能有效遏制超載違法行為，更好地保護公路基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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