基于ETC新收费模式下货车称重方案研究

赵 恺， 林 琴， 李永汉， 周 京， 徐联祺

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

早在上世纪50年代，欧洲、美国、日本、加拿大等就对动态称重系统进行了研究。现阶段，常见的动态称重系统主要包括压电式、单负载式、弯板式和压电石英式等[1]。而国内对动态称重系统的研究起步较晚，我国上世纪80年代才引入该技术。早期国内动态系统研究的主要代表为重庆公路研究所，其于“八五”期间研制了固定式的动态称重系统，可测量1～4个车道，轴中误差在10%区间以内[2]。近年来，国内一些研究学者将不停车收费系统和动态称重系统相互结合起来，使计重车辆在行驶中完成称重收费，大大地减少了车辆在收费站的停留时间，在一定程度上提高了收费站的通行效率。赵文博[3]对不停车计重收费系统的平面布置及其应用效果进行了研究。王磊[4]将计重、收费和治超进行有效结合，提出了重载公路智能计重系统，使计重车辆在30 km/h的速度下完成称重，且偏差在2%以内。

随着全国取消高速公路省界收费站的推进，全国高速公路货车收费由计重收费改为按车型收费。本文提出“高速公路动态称重系统”，该系统基于石英式称重传感器技术，能够实现24 h不间断自动检测车辆称重信息，判断车辆是否超载。这将大大提高高速公路超载查处效率，有效遏制高速公路超载运输局面，进而提高公路运输安全性，同时也为货车收费提供基础数据支撑。

1 动态称重技术研究

1.1 动态称重技术简介

不停车动态称重，即在非停车的运动状态下称重。与常见的静态称重技术相比，动态称重可以提高运输效率，减少交通堵塞、旅行时间、废弃污染等，确保称重检测对交通运行影响达到最小。因此运用动态称重系统不停车通过检查站和称重站对公路建设与管理具有着极为重要的意义，对车辆运输现代化管理也有较大的促进作用。现有动态称重系统主要包括弯板式称重系统和压电石英式称重系统。弯板式称重系统核心部件为弹簧钢板，其作用原理为不同重量的车辆在称重系统上时，钢板会发生不同程度的形变，内置检测系统会根据钢板形变程度计算出车辆载重；压电石英式称重系统是依靠压电效应，即根据不同载重的车辆在经过称重系统时，由压电效应产生与车轮载荷成正比的电荷，经系统内部软件分析得到称重结果。2种系统的各项特征如表1所示。

通过2种称重系统的分析对比可见，压电石英式称重系统施工难度较小、运营成本相对较低，而且对外界环境的影响较小，对不同路面的适用性较强，尤其是在车辆行驶速度30 km/h时，测量误差小于1.5%，核心部件维护难度较低，能够满足新型动态称重系统需求。

表1 弯板式与压电石英式称重系统性能对比表系统性能弯板式称重系统压电石英式称重系统系统特点系统基于弹簧钢板产生形变大小来测量车辆载重,准确性和精度易受车辆运行状况影响系统无需通过形变测量载重,是将传感器接受的电信号作为测量数据,准确性和精度均有保证精确性车辆速度30 km/h时,测量误差小于5%车辆速度30 km/h时,测量误差小于1.5%适用性适用性较差,易受外界环境的温度和湿度影响,适用的车辆速度范围为0～5 km/h适用性较强,对电磁环境与温度不敏感,不易受外界环境变化影响,适用的车辆速度范围为0～200 km/h维护难度系统为弹性结构,测量过程存在核心部件老化磨损,需要定期维护,维护周期短系统为刚性结构,测量过程无材料磨损,关键部件无老化风险,维护周期长运营成本设备基础建设周期长,运营成本高设备基础建设周期短,运营成本低

1.2 动态称重系统构成

动态称重检测系统设施主要以称重及车辆外廓尺寸检测仪等设备为主体，辅以一系列的外围设备构成。称重设备包括：称重平台、红外车辆分离器/车辆感应线圈、称重控制器。外围设备主要包括车道控制机、车牌识别仪、车道摄像机、雨棚摄像机、超限信息显示屏、声光报警器、自动栏杆、防撞雾灯等。动态称重系统主要工作流程如图1所示：

图1 动态称重系统工作流程示意图

2 收费站称重系统设计

本文主要针对高速公路收费站入口或出口ETC车道的治超系统进行分析研究，即在现有的ETC车道上增加治超设备，实现入口管控，满足取消省界主线收费站后收费模式由计重收费改为按车型收费要求。

ETC车道动态治超称重系统主要包括：计重系统、计算机系统、车牌识别、闭路电视系统、超限信息显示屏与报警系统、外廓尺寸检测系统等，具体构成如图2所示。

图2 ETC车道动态称重系统构成示意图

2.1 车道计重系统设计

计重系统是一个相对独立的系统，其基本组成为：计重传感器、轮轴识别器、红外车辆分离器、检测线圈、计重控制器和控制机箱以及动态连接库、专用计重软件等。其中动态连接库、专用计重软件安装在车道控制机内。

整个计重系统的核心是计重传感器(见图3)，包括由采用石英材料制成的称重检测传感器、治超控制器、控制柜、传输系统及供电设备等，系统24 h不间断自动检测车辆称重信息，获取计算车辆车轴数、轴重、总重等信息；按照七部委令判断有关车辆是否超限，作为车辆称重系统进行计算时的一个重要参数。

图3 石英式动态称重传感器示意图

2.2 计算机系统

各治超设施通过以太网、RS232、I/O等数据接口，接入车道工业控制机，并与收费广场以太网交换机进行组网，再接入至站级收费以太网交换机。全省高速公路入口治超系统在收费车道、收费站、管理处(路段分中心)、省中心等各级机构，均直接利用现有的服务器、工作站、存储设施等，并在此基础上进行必要扩容或升级。

2.3 车牌识别、闭路电视系统

通过车牌识别摄像机、车道摄像机、雨棚遥控摄像机，对车辆进行车牌识别、图像抓拍和车道监视，获得车辆的数字化信息，车辆抓拍图像与数据叠加后经广场以太网交换机上传至收费站监控室收费系统计算机及闭路电视系统存储，并通过通信系统上传至上级治超平台。

2.4 超限信息显示屏与报警系统

通过超限信息显示屏，提供超限检测信息发布。同时安装超限声光报警器，当车辆检测超限时，声光报警器报警，提示现场管理人员到车道现场处理。

2.5 外廓尺寸检测系统

通过激光雷达技术进行检测，获取车辆长宽高等外廓尺寸等信息。每个车道设置3套雷达系统。入口收费车道中心线雨棚正下方设置1台测长激光扫描仪，在计重简易岛位置左右各设置1台宽高激光扫描仪。

2.6 治超平台建设

关于治理货运车辆超限运输不停车检测非现场执法[5]，湖南省已经建立统一的治超平台，可直接接入，因此本文不再叙述。

3 石英动态治超系统的优势和施工改造

3.1 石英动态系统优势分析

石英动态系统适用于货车通过量极大、拥堵压力大、地势低洼地段、易遭暴雨水淹的收费站点，其施工开挖量小，开挖深度仅0.07 m，宽度0.07 m，不影响路面结构。同时，日常运行免维护，既不需要排水、排沙设施，也不需要定期清淤或防滑处理等。

3.2 具体施工改造要求

石英动态称重系统应用到具体收费站，针对收费站主要有以下几点要求。

3.2.1收费车道和收费岛

为了保证车辆进入动态称重车道后，系统有足够的时间识别车辆并记录信息，收费车道和收费岛应该满足以下几点：

1) 在收费岛前超限检测时，秤台至收费广场中心线距离23 m，治超岛尖至收费广场中心线距离28 m，称台控制柜至收费广场中心线17.5 m，具体示意如图4所示。

图4 ETC/MTC混合车道设备布置示意图(单位： cm)

2) 设置称重设备时，应将轮胎识别器、称重平台(或称重传感器)设置在同一块砼板块上，该板块应现场浇筑并预留称重设备的各预埋件、预埋管道等设施，设备预埋件边缘至板块边应≥0.5 m。收费车道内设置车辆检测线圈的砼板块应采用素砼板块，并保证在线圈前后两侧各0.5 m范围不得设有横、纵缝。计重设备处的路面板块划分应根据计重设备的要求和现场情况确定。

3) 对需设置手孔、设备基础或其他相关设备预埋件处的路面砼板块拆除，应结合收费车道路面改造，避免大范围对原路基、路面破复。一般将安装承重平台(或称重传感器)和轮胎检测器位置的砼板块整块拆除，其它均考虑部分拆改。

4) 对于车道环境恶劣，特别是收费车道上的计重设备均处于收费雨棚遮挡范围之外，应考虑可方便有效地清除车道内油污、雨水、灰尘及车辆遗撒等污物。

3.2.2预埋管道

为了保证称重系统正常有效运行，系统的供电、通信等管道设施应满足以下条件：

1) 各种管材的管身及管口不得变形，接续配件齐全有效，套管(套箍)内径与插口外径应吻合。

2) 管道工程所用的器材规格、质量，施工单位在使用前必须按有关规定进行检验，无出厂合格证的器材，不得用于本工程。

3) 钢管的连接采用套管焊接，套管长度为钢管外径的1.5～3倍，接续前应将管口磨圆或锉成坡边，保证光滑无棱。两根钢管应分别插入套管三分之一以上。钢管接续严禁采用对口焊接。

4) 管道铺设完毕后要进行试通，并穿φ3 mm钢丝，要采取妥当措施防止钢丝缩入管中，管口应封堵，防止异物进入管中。

4 结语

动态治超系统基于压电石英式动态称重技术，彻底改变了现有技术缺陷，能有效应对刹车跳称等异常行驶作弊逃费行为，规避因称重误差较大造成的事故责任；同时，能够实现中高速运行状况下精确测量车辆载重，大大提高了公路运输载重检测效率，可从根源上降低称重检测点附近路段交通拥赌，提升公路运输效率。