车辆超载检测技术的研究进展

祝文允 王金琳

（1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆隧源建筑劳务有限公司，重庆 401121）

目前，我国公路桥梁超重运输的现象越来越普遍，且超载比例逐渐增高。货运部门通常会通过改装车身后轴和轮胎等手段来大幅度提高车辆的装载能力[1]。由于重载、超载车辆的频繁作用，路面板下基层内会产生不均匀塑性变形，致使结构过早破坏。 有些桥梁和公路根本达不到预期设计的使用年限，甚至在通车后很短时间内，就出现各种病害[2]。 对水泥混凝土路面来说，在使用初期会出现唧泥、错台、断裂等破坏；对沥青路面来说则会出现车辙、坑槽、开裂、沉陷等破坏。

超载车辆的危害是巨大的。 超载车辆控制能力低很容易导致交通事故的发生。 据统计，在我国由于车辆超载引发的道路安全事故占到事故总数的百分之七十， 这些事故给国家和人民造成巨大的经济损失。 超载车辆的长期作用会使高速公路、桥梁结构路面使用寿命缩短，对公路和桥梁造成严重损害[3]。 研究表明，一条设计使用年限为15年的公路，如果行驶车辆超载1 倍，其使用寿命将缩短90%，也就是说只能使用一年半左右[4]。 而且超载车辆一般体积庞大，车速偏慢，容易造成交通拥挤，严重制约道路的通行能力。 车辆超载还会使车主偷税漏税，造成国家税收的大量流失。 由于油料不能充分燃烧，超载车辆排出的一氧化碳等有害气体增多，噪声增大，这些都对公路周边的环境造成严重污染[5]。

车辆的超重行驶加剧了路面的损害， 降低了路面服务功能，使路面提前进入大修期，缩短了路面的预期使用寿命，危及公路的安全使用，大大增加了公路部门的维护和改建资金的投入[6-7]。 因此，对上路超载车辆的监测预警具有重大的社会、环境和经济意义。

1 传统车辆超载检测系统分类及其原理

车辆超载对桥梁的破坏是触目惊心的， 国内桥梁大多存在由重车超载造成的桥面开裂问题， 部分桥梁甚至发生桥板垮塌、桥梁断裂等严重事故。 超限车辆造成的直接和间接损失是不可估计的[8]。 近年来，国家出台了一系列超载运输的惩罚措施， 也在改进路面结构设计以适应超载交通的要求方面投入了大量的人力和财力。 加强桥梁及公路的超限运输管理， 研发预警超载车辆上路上桥的新型检测技术对公路桥梁安全至关重要。

现有技术中， 超载车辆的检测技术有静态和动态监测两大类。 静态检测即传统的称重，它主要通过安装在地面的电子地磅对经过的车辆进行称量， 这种固定式的地磅一般设在路边的车辆超载检查站或者高速路口的收费站。 还有一种携带方便的便携式轴重仪也是一种重要的车重计量仪。 静态检测流程较为复杂， 故而检测速度缓慢，维修不便，容易造成交通拥挤。 同时静态检测设备的性能受外界环境如温度、气候等的影响较大，计量准确度低。 由于静态监测技术自身的缺点，其检测效率低，需要人工干预，无法实现对所有车辆的24 小时不停车监控和动态测量。

动态检测主要有轴重检测和桥梁应变检测两种[9]。轴重检测主要是通过测量行驶车辆的动态轮胎受力情况来实现对超载车辆的检测，它主要由识别系统、传感器、数据采集系统和数据控制系统组成。 当车辆驶入路面监测区域时，一方面识别系统会记录下车辆的牌照、轮胎数等基本信息； 另一方面路面设置的特定传感器会感受车辆的轴载压力信号并称重。 然后经过数据采集系统储存数据， 再通过数据控制系统对采集到的信号进行分析和处理并计算得到车辆的动态称重数据， 如果车重符合要求则继续行驶，若超重则控制系统会识别并报警，整个检测过程不需要停车，其工作流程如图1 所示。

动态监测技术的核心为动态称重传感器， 传统的传感器主要有感应圈式传感器、 压电式传感器和粘贴式应变传感器等。 这些传统的传感器测量结果受环境因素如温度、时间、湿度等的干扰太大，抗电磁干扰差，安装不方便，不能满足现代交通的需求。 近年来发展起来的微加速传感器提高了系统计算的准确性。 同时，随着光纤技术的飞速发展， 光纤动态传感器也开始在动态检测技术中使用[10]。 光纤传感可实现快速和高密度检测，且使用时操作简便。 虽然经过了这么多年的发展，但是这些动态技术都用来对超载车辆进行称重。 利用动态监测车辆载重虽然提高了检测效率，减少了劳动强度，但是需要依靠比较昂贵的传感设备来实施检测，成本较高，也在一定程度上限制了运营速度。

2 超载检测的研究现状

随着公路、 桥梁覆盖率的增加和运输行业规模的扩大，超载运输的检测技术越来越受到重视。 国际上许多国家都开始致力于研究预警、 检测行驶车辆动态情况的设备和阻止超载车辆上路、上桥的装置。 国外最早的超载检测是在车辆静止的情况下对其荷载进行称重的静态检测，如大型的电子地磅等。 后来，研究人员开发出来一种小型的便携式静态称重装置和一套低速动态称重系统。不停车车重检测在欧洲已经有20 多年的历史，又被称为WIM（Weight In Motion）技术。这种技术在许多国家都得到了广泛应用， 如澳大利亚研制出一种卡尔维数据采集系统，美国在早期车辆超载检测中使用压力盒式检测仪。

图1 动态检测系统工作流程

我国早期的静态检测设备较为常用的是大型地磅，后来自行研制出BQZ-I 型便携式汽车轴重仪， 它是一种对汽车轴重进行称量的静态检测设备，轻便可移动，安装使用方便。 目前推广的超载车辆监测技术大都是动态检测，如公路车辆动态测试仪等。 郑军庭[11-12]等研究出一种用于桥梁车辆超载的高速动态检测方法， 使用的是高精度微传感器。 当车辆通过桥面时引起桥梁响应，安装在桥梁下面的微传感器就会测量并记录响应。 通过建立测量信号与车辆载重之间的对应关系，获得动态车辆的载重。这种间接测量方法只需将传感器固定在桥下即可， 操作方便而且测量精度高。 目前国内研究动态称重技术的人群大多集中在高等学校。 交通部重庆公路科学研究所研制出一种由称重传感器和电子测量仪构成的固定式动态车辆称重系统， 该系统的轴重误差小于10%， 置信度为95%，能够精确检测超载车辆。 北京交通大学的马应林[13]研究出一种基于车载称重装置和短消息技术的车辆超载动态监测系统， 能够在车辆不限速的情况下检测车辆的超载情况。陈广华[14]等人通过安装在汽车钢板弹簧上的粘贴式应变传感器测量车辆钢板弹簧承受的载荷信息来计算车辆总荷载，阻止超载车辆上路。

3 结论

利益的驱使和监管不力使超载成为危害国家和人民财产及人身安全的重大问题。 治理车辆超载问题除了要加大宣传和执法力度、制定相应的监管措施、加强公路和桥梁结构安全设计，还应注重改进和优化超载检测技术。不管是动态还是静态超载检测都存在一些缺点， 因此开发出一种既方便又准确的检测技术十分必要。 目前使用较多的超载检测方法都是利用轮胎受力情况来感知荷载的变化， 所以考虑是否可以开发出一种具有压敏性的混凝土作为感应区设置在桥或路的进口， 进而阻止超重车辆上路或上桥，达到预警的作用，这也许可以为交通管理的智能化奠定基础。

［1］王振清.公路超限运输概论［M］.北京:人民交通出版社，1997：70-120.

［2］郭兰英.车辆超载运输对高速公路使用寿命的影响［J］.路基工程，2005（4）:42-46.

［3］何兆益,唐伯明,等.超重车辆对重庆市公路路面使用寿命影响分析［J］.重庆交通学院学报,2001,20（20）:48-52.

［4］种曼婷.治理超载、超限运输的对策［J］．综合运输论文，2004（2）：19-23．

［5］王守峰.车辆超限自动检测系统的研究与开发［D］.山东科技大学，2007.

［6］倪富健，邓学钧.轴重限值与道路养护维修费用的相关分析［J］.重庆交通学院学报，1999，18（2）:27-31.

［7］倪富健，程新春.车辆超载及超限对沥青混凝土路面使用影响分析［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2002，25（6）:1175-1179.

［8］杜鹃，刘晓东.我国车辆超载现状分析及对策研究［J］.价值工程，2012（2）：279-280.

［9］王奎洋， 唐金花. 超重车辆超载检测与阻止装置研究［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（4）172-174.

［10］吴奇峰.基于光纤传感的车辆动态称重检测系统的研制［D］.大连海事大学，2006.

［11］郑军庭，李建勋，杨恒，李玉芳.基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测研究［J］.系统仿真学报，2007.19（1）:197-200.

［12］郑军庭.基于位移传感器的高速动态车辆超载检测技术［D］．上海交通大学，2006.

［13］马应林.车辆超载动态监测系统的研究与实现［D］.北京交通大学，2010.

［14］陈广华，鞠娜，杨飞，李建伟，基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统［J］.北京航空航天大学学报，2011，37（4）：409-414.