基于动态称重技术的轴载谱检测研究

吴 昊，卢 勇，温肖博

(苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

我国经济的蓬勃发展带来各行各业的欣欣向荣，交通领域高速公路的建设也取得了令人瞩目的成就，然而早期公路建设的质量参差不齐，交通的不断发展、交通荷载的增加以及超载超限车辆的增多导致越来越多的车辙、裂缝等路面病害，导致沥青路面使用性能下降。因此需要采取措施预防沥青路面损伤，而轴载谱的准确测定是关键部分之一。

过去为控制大型货车载重量，公路管理人员会在收费站设置称重秤，在大货车停车缴费的过程中进行称重，这种措施在规范使用的前提下精度可以得到保证，但很多货车司机会采取措施致使称重值偏小，结果真实性难以得到保障。除此之外，静止状态下测量效率低，难以测得单轴重量，存在局限性。欧美国家于20世纪90年代率先进行动态称重系统的研究，其中以德国PAT公司的动态称重产品最为著名，我国研究起步较欧美国家稍晚，且研究重点在静态荷载测量与低速动态荷载测量。目前国内外动态称重方法主要包括：①参数估计法；②专家系统；③神经网络法；④ADV(位移速度法)；⑤位移积分法[1]。

鉴于国内动态称重技术仍处于发展阶段，本文将通过介绍动态荷载测量技术原理和轴载测定方法，分析其影响因素，并提出测量精度和准确性的改进措施。

1 轴载谱动态测定技术原理

交通荷载检测对路面结构选用、设计和路用性能分析具有重要意义，当量轴载作用次数(equivalent standard axle load，ESAL)一般依据等破坏与等厚度原则，将道路上作用的多种交通荷载按不同次数转换为一个能够反映交通荷载总体水平的标准轴载，然而这种方法难以根据试验路段数据反映实际道路的结构厚度、结构形式等对交通荷载作用的影响。美国公路合作研究项目(NCHRP)提出采用轴载谱取代当量轴载作用次数。

我国将车辆分为13种类型，其中1～3类车辆的质量较轻，不会对路面结构造成显著影响。因此，一般考虑4～13类车辆进行轴载检测。常用车辆分类检测器包括地感线圈检测器、基于波频的车辆检测器和视频车辆分类监测技术。赵延庆等[2]将涉及轴载谱的重要参数确定为以下5个：①车辆类型分布系数。考察每种类型车辆的比例。②月调节系数。针对某一月份，分析特定车型的比例。③小时分布系数。考察年平均日交通量在每个小时内的比例。④轴数系数。确定特定车型中特性轴类型的平均轴数。⑤轴载分布系数。对特定车型的轴型，分析其轴重在各个区间内的比例。这5个参数可以描述车辆轴载组成，并用于分析交通荷载对路面的影响。

1.1 原理分析

轴载谱动态测定技术是在车辆行驶过程中动态测量车辆轮胎压力，将其换算为静态车辆质量的方法，公路应用的轴载谱动态测量系统是由多个传感器和数据处理器组成的动态称重系统，可以测量仪器所在地各时段行驶车辆的动态胎压，并由其通过时间、车长等参数计算车辆的总质量、车速、轴距等信息，再进行辨析证明所测数据无误后输入数据库中，以实现在不影响车辆行驶的前提下全自动采集车辆数据，最后计算轴载谱。

动态荷载检测需要将称重系统在车辆运行过程中检测得到的动态胎压换算成车辆的静态真实质量，其计算方式是对被测对象进行多次测量，根据测得的平均质量结合时间进行计算。测量方法包括质量法、冲量法、体积法、重力法等。

1.1.1 质量法

质量法是通过加速度传感器和置于地下的压力传感器测定车辆的加速度和胎压，计算其施加给地面的力F和车辆自身的加速度a，进而计算车辆承载的整车质量。 计算公式见式(1)。

(1)

式中，m为整车质量，kg；F为施加给地面的力，N；a为加速度，km/h。

1.1.2 冲量法

冲量法是由两个不同时刻的车辆速度，以及这段时间内施加的力计算冲量，进而计算整车质量，见式(2)。

(2)

式中，v1为t1时刻的速度，km/h；v2为t2时刻的速度，km/h；F为t时刻的力,N。由于单位时间内的力是根据函数模型得到，所以该计算方法精度较低。

1.1.3 体积法

体积法是已知物料密度，根据CCTV(closed circuit television，闭路电视监控)系统进行图像测算得到体积数据，推算车辆承载的货物质量，但由于密度在运输过程中多变，且体积并不稳定，也不宜测量，所以测量难度较大。

1.1.4 重力法

重力法是采用应变传感器将车辆驶过时的应变转化为电信号，对电信号进行处理，按照轮胎的触地面积和胎压等数据将应变转换为重力，从而得到车辆承载的货物质量。

现阶段动态称重系统常采用重力法。其优点在于原理简洁、易操作控制，对车辆驶过时的行程时间和力较为敏感。但其也存在缺点，即忽略了一定的环境因素或车辆本身的体积因素等问题，例如汽车自身的振动会与称重台形成周期性的谐振。但客观因素对轴载称重的影响较小，振动对于应变测量的影响可以通过算法优化将其弱化。因此，重力法仍然适合于动态称重系统。

轴载谱动态监测需要通过轴型识别技术对车辆荷载进行分类，轴型识别过程可依时序分割为识别多个单轴的轴型，再综合每个单轴的轴型得出整个车辆的轴型。车辆轴型识别知识库内容主要包括：系统状态判断、轴序数判断、单双轮判断、联轴判断、车辆轴型匹配及修正。

通常车辆过秤会产生多个有效称重段，这些有效称重段所包含的轴信息部分重复。为解决这一问题，在计算整车总质量和轴载荷时，首先要对这些有效称重段所包含的轴组配重信息进行识别，然后依照一定规则进行选取，再用于计算。由于每个有效称重段的重量信息都存在误差，所以在计算整车质量时应尽可能减小误差，避免将整车质量分割过多次。轴载谱动态测定技术流程如图1所示。

图1 轴载谱动态测定技术流程

1.2 干扰因素分析

通常情况下轴载谱动态测定系统需结合精确性原则、经济性原则和可靠性原则进行原材选择和系统设计。辅助轴载谱动态测定的测量系统对正常的交通和驾驶员驾驶不应产生影响。因此，还应考虑称重平台的隐蔽性，防止车辆采用绕道或跨线等方式影响称重的准确性。同时，称重系统还应适合长期监测，不应受到天气的过度影响，以收集某一条公路各时段各季节的轴载，为后续研究提供准确可靠的数据。

相对于静态测定系统，轴载谱动态测定更符合现在对于轴载测算的要求，但轴载测算也存在缺点，一方面，由于车辆在高等级公路上的行驶速度较快，受到风力、路面质量等影响较大，车辆产生较大振动，会对动态称重平台造成影响；另一方面，路面自身出现裂缝、下沉等现象，温度与湿度变化也会影响称重系统的测量准确性[3-4]。将干扰因素进行细分，主要分为以下几点。

(1) 动态测定算法自身的限制。由于动态轴载谱测定需要较强的算法进行数据的快速处理和运算，所以算法本身的限制和系统的运行速度会影响轴载的测定速度，继而影响测定结果。

(2) 动态称重系统的影响。车辆驶过动态称重台的振荡；称重台固有振动对测量信号的影响；称重台受地基沉降影响引起自身测量误差；路面倾斜、高差等引起称重台误差；外界电磁干扰对数据传输质量的影响；随时间延长称重台台面变形以及传感器固有的非线性测量引起的误差。

(3) 测定地点周边环境的影响。车辆经过路况较好的路段，车辆能够保持在一定的速度时，更易于轴载谱的动态测定，当出现拥堵等现象时，可能会影响轴载谱测定。

针对上述问题，动态轴载测定尽量使用便于数据调取的系统，如分层式数据库。另外，动态称重设备需要采取改进措施，以适应各种公路的称重要求。首先需要选定动态称重台位置，尽量将称重台设置在水平直道上，避免路线因素对称重台造成影响，必要时可加入平直引道，既排除路线影响，又可起到缓冲作用，减小车辆激振力的影响；其次应保证称重台的台面平整光滑，减小由于称重台不平导致的振荡，为了让称重台在荷载作用时变形不超过限值，并保证其结构具有较高的固有频率和良好的动态特性，称重台一般焊接成箱形结构；最后，保证称重台附近环境的稳定性，尽量防止电磁设备等干扰，降低温度、湿度的影响。

2 动态称重系统

采用静态称重系统可以获知整车质量，但难以进行轴载谱的测定，轴型分辨、各轴重量测定和动态记录车辆分类是采用动态称重系统检测轴载的难点。鉴于动态称重系统的发展与应用，基于多传感器进行车型、轴型等分类具备可行性。

轴载谱动态测定技术中的动态称重系统包括摄像系统、数据计算系统、超限报警系统、低速称重系统、高速称重系统和感应识别系统[5]。PAT公司的daw动态称重系统平面布置[6]如图2所示。

图2 daw动态称重系统平面布置

称重系统通常用于高速公路上对运行中的车辆进行超限控制，具备实时性的优点，主要由以下子系统构成。

1) CCTV系统

CCTV系统可对超限车辆进行实时监控。

2) 高速检测系统

高速检测系统对高速运行车辆进行检测，在对交通不造成干扰的情况下获取荷载信息，并将检测信息传递到信息指示系统。

3) 低速精确称重系统

低速精确称重系统主要用于对公路主线车辆进行低速称重，确保称重准确性。

4) 信息指示系统

信息指示系统用于接收检测系统传递的信息，若车辆超限超载，指示系统会发出信号，引导车辆驶离主线，进入专用执法区域接受交通执法检查。

5) 计算机系统

计算机系统协调各系统的配合，协助工作人员对称重系统进行控制[3]。

采用重力式方法进行车辆荷载检测时，多个应变传感器在经受车辆轮胎应力作用下产生响应，根据提前输入的车辆分类信息，对应变响应进行分析，由不同车辆应变之间的差异性检测车辆类型，并将测得的各辆车的轴型、轴重、轴距等信息，按车辆类型记录。

在得到相关信息后对数据记录系统产生的应变响应曲线进行分析，四轴车辆应变响应图[7]如图3所示。图3(a)为数据采集记录系统对传感器传递的信息处理后的曲线，图3(b)是平滑处理后进行分析的曲线。

(a) 原始图像

由图3(b)可知，图中4个峰值对应4个车辆轴载，4个不同的应变值表明前2个车轴轴重大于后2个车轴轴重，第一个、第二个车轴与第三个、第四个车轴的峰值距离较远，结合多个传感器输出计算车速，再根据横轴时间差得到轴距。张文斌[7]研究动态称重系统中处理多组传感器检测到的数据时，采用特征提取、多分类支持向量机分类以及决策融合的方法将不同车辆及时分类。针对动态称重方法对实时处理的需求，李冰莹[8]选用DSP(damage per second,秒伤害)处理器作为轴重测量数据处理的核心硬件，便于对所得到的数据进行合理分析，最终可以得到轴载谱。

整车式动态汽车衡是目前常用的动态称重技术，不但具有轴重秤的动态性能优点，也具有整车式静态秤准确度高的优势。整车秤在高速公路收费站的应用，有效遏制了跳秤、冲秤、S形路线、点刹等行为，同时可准确识别超限超载车辆并第一时间限制其继续行驶，避免路面和桥梁结构遭受破坏，保障道路运输安全。

高速公路整车秤计重收费系统示意如图4所示。收费车道设置的车辆识别器、轴组识别器、车辆红外分离器、地感线圈、称重显示控制器等设备联动工作，经数据采集计算得出每车每轴轴重、每轴轮胎数、轴型、速度、轴数、整车质量，以此将上述信息整合为收费信息数据包，传输至收费岗亭的计算机系统作为收费依据，从而实现按质量收费的计重收费功能。

图4 高速公路整车秤计重收费系统示意

高速公路整车秤计重收费系统工作流程为：车辆分离器识别车辆进入，岛头通行信号灯显示红灯，禁止后车跟进称重台；轮胎(轴)识别器识别车辆轴进入称重台，整车式称重系统开始称重，检测轴重，判定轴组；当车辆通过车辆分离器，完全驶上称重台，称重台稳定时，自动记录车货总质量并修正轴重；称重系统向车道计算机发送计重信息(轴数、轴组、轴重、车货总质量等)，车道计算机自动判定超限，计算收费金额，进行相关收费操作；收费完毕后，车辆驶出称重平台，称重台回零，岛头通行信号灯显示绿灯，指示下一辆车驶入。在此期间，系统可以自动采集符合要求车辆的轴载、轴型、车货总质量等信息，并经过处理输入为轴载谱；不符合要求的车辆则需要进行相应处理，处理后重新录入轴载。

3 轴载谱分析

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)于2017年9月1日正式实施，该版规范较旧版改变了以车型为基础的交通量轴载换算方法，以实际动态称重数据为基础，规范了轴载谱和交通量参数的调查分析方法。为进一步提升交通轴载参数的获取精度，本文采用动态称重测得的轴载数据，对江苏省高速公路典型轴载谱开展研究。

江苏省自2003年开始对全省路桥收费站分批实施计重收费，动态称重设备逐步应用于全省高速路网收费站系统。高速公路计重收费数据分布在入口车道原始记录表、出口车道原始记录表和轴重原始数据表。计重收费相关的数据主要包括：车辆到达时间、车辆分类、车轴数量、各轴类型、各轴重量，计重收费实现了对高速公路上行驶车辆轴载信息的翔实记录。

《江苏省高速公路轴载谱的调查研究》课题研究对江苏省内16条高速公路20个断面的收费站动态称重样本信息进行了统计研究，其车型、轴型分类标准参考美国国家公路与运输协会(AASHTO)标准要求，与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)分类要求一致。结合该课题研究成果，研究分析江苏省高速公路轴载谱时间、空间分布发展规律。

3.1 轴载谱时间发展规律

以广靖锡澄高速公路样本数据为例，统计2004—2006年和2016—2017年两个年限区间单轴双轮轴载分布，广靖锡澄高速公路单轴双轮轴载分布如图5所示。

(a) 2004—2006年

由图5可知，2004—2006年和2016—2017年，广靖锡澄高速公路单轴双轮轴载均呈现双峰分布，且峰值区间保持一致。其中，2016—2017年第一峰值的轴重区间为4～6 t，第二峰值的轴重区间为12～14 t。

整体来看，近年来单轴双轮轴载分布基本保持一致，单轴双轮轴载超载率统计如表1所示。

表1 单轴双轮轴载超载率统计

由表1可知，江苏省高速公路治超成果较显著，单轴双轮轴载超载率由2004—2006年的32.03%降至2016—2017年的17.32%，降低了45.93%。

以广靖锡澄高速公路样本数据为例，统计2004—2006年和2016—2017年两个年限区间双联轴双轮轴载分布系数，广靖锡澄高速公路双联轴双轮轴载分布如图6所示。

(a) 2004—2006年

由图6可知，2004—2006年和2016—2017年，广靖锡澄高速公路双联轴双轮轴载均呈现双峰分布，第一峰值轴重区间保持一致，均为6～8 t，第二峰值轴重区间由2004—2006年的16～18 t增至2016—2017年的20～22 t。

整体来看，近年来双联轴双轮轴载的第二峰值区间有所后移，但是重载的分布比例却呈现显著下降趋势，双联轴双轮轴载超载率统计如表2所示。

表2 双联轴双轮轴载超载率统计

由表2可知，江苏省高速公路治超成果显著，双联轴双轮超载率由2004—2006年的61.39%降至2016—2017年的23.33%，降低了62.00%。

3.2 轴载谱空间发展规律

根据上述分析和2007年《江苏省高速公路轴载谱的调查研究》相关数据，相同时期内，轴载谱的空间分布规律基本一致，江苏省高速公路治理货车超载问题成果显著。现针对2016—2017年，江南(沪宁高速公路、广靖锡澄高速公路)、江北(宁宿徐高速公路、连徐高速公路)4条典型高速公路的轴载谱空间分布规律进行统计分析。

4条高速公路单轴双轮轴重空间分布如图7所示。

(a) 沪宁高速公路

由图7可知，4条高速公路的单轴双轮轴重均呈双峰分布，且峰值区间保持一致，第一峰值的轴重区间为4～6 t，第二峰值轴重区间为12～14 t。以同轴型轴重分布情况来看，区域(江南、江北)和交通量等级(特重、中)因素对轴重的分布影响并不显著，即同时期内，江苏省高速公路路网的单轴双轮轴载空间分布较稳定。

4条高速公路双联轴双轮轴重空间分布如图8所示。

(a) 沪宁高速公路

由图8可知，4条高速公路双联轴双轮轴重空间均呈双峰分布，且峰值区间保持一致，第一峰值的轴重区间为6～8 t，第二峰值的轴重区间为16～18 t。与单轴双轮轴重分布结果相比，区域和交通量等级因素对双联轴轴重空间分布的影响并不显著，同时期内，江苏省高速公路路网双联轴双轮轴载空间分布较稳定。

4条高速公路三联轴双轮轴重空间分布如图9所示。

(a) 沪宁高速公路

由图9可知，4条高速公路三联轴双轮轴重空间均呈双峰分布，且峰值区间保持一致，第一峰值的轴重区间为6～8 t，第二峰值的轴重区间为26～28 t。与单轴、双联轴轴重空间分布相比，区域和交通量等级因素对三联轴双轮轴重空间分布的影响并不显著，同时期内，江苏省高速公路路网三联轴双轮轴载空间分布较稳定。

综上，通过对同一高速公路不同时间段不同轴型研究发现，现阶段江苏省高速公路路网货车超限超载治理成效显著，超载分布比例较早期下降显著，有利于保证公路使用年限内的路用性能；在同时期内，以4条高速公路的主要轴型数据为例进行分析，可知其轴载空间分布较为稳定，各条高速公路间数据无明显差异，可以认为省级轴载谱的统计合理可行。

4 总结

动态称重系统相较于静态称重系统具有更好的实时性和更高的精确性，应用多种传感器系统与可人工操作界面集成，形成数据自动采集系统。动态称重系统由于电路集成较多，容易损坏，需要考虑车辆行驶过程中产生的振荡和其他因素对传感器测量准确性的影响。动态称重系统可以利用多传感器采集到的数据进行分析，根据车辆行驶速度、通过时间、传感器测得应变等得到轴载数量、车辆类型、各轴轴重和轴间距等数据，从而建立轴载谱得到轴载谱参数以评估路用性能。

通过研究江苏省动态测量轴载谱发现，同一时期不同高速公路轴载分布在省际范围内基本一致，同一高速公路在不同时期内的轴载空间分布有所不同，但主要轴载的曲线趋势和峰值对应轴型基本一致。因此，江苏省内轴载谱研究具有参考价值。

目前动态称重系统已经应用于江苏省内收费站，并应用于轴载检测，但其设置未遍及全省各条公路。因此，无法对高速公路以外公路进行轴载测定。同时本文研究轴载集中于江苏省，其他地区可能会由于地形等因素出现轴载差异，轴载研究结论无法应用于其他地区，各省区市还需因地制宜进一步研究。