收费站计量收费系统工作异常原因及对策

2022-02-25高卫平穆海峰吐尔逊买买提江峰

中国公路 2022年22期

高卫平穆海峰吐尔逊·买买提江峰

（1.新疆交通投资(集团)有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830001；2.新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

一、引言

近年来，新疆交通运输系统基础设施和运输网络逐渐完善，运输服务保障水平显著增强，截至2021年底，新疆公路通车里程达到21万公里；高速公路通车里程达7000公里，民用汽车拥有量达到436.13万辆[1]。2020年，全区完成经营性道路货运量902亿吨，货运周转量14189亿吨[2]。因此，较独特的自然地理环境、基础设施网络规模的扩大和货物运输需求的增长，对高速公路收费系统升级改造、公路养护管理、道路运输、路政执法和高速公路的运输安全均提出了更高的要求[3-6]。同时，随着高速公路收费系统的普遍应用，其在性能指标、环境适应性、经济性和实用性等方面也不断发生演变。在与货车司机不断偷逃通行费的博弈中，收费系统也在不断发展[7-9]。

从收费系统的工作流程来讲，目前，货车进入高速公路的流程为货车进入称台→称台轮轴识别仪识别车辆类型→称台称出重量→所有信息传输到收费工控机→收费员判断车型→抓拍识别车号→确认信息→确认放行或打卡。通过初步分析发现，称重平台各种故障和异常主要集中在车轴数无法识别、轴数多（少）、分轴和丢轴或称台传感器工作异常导致无法正确称重等方面。

分析发现，收费系统因每年少计、错计轴数造成的车型判断失误、增加的时间成本和造成的经济损失不容忽视。本文基于上述现状，以新疆交通投资有限责任公司奎屯分公司所辖收费站为例，分析了轴数异常原因，并提出一种缓解称台系统轴数异常的方法，从定量和定性角度分析该方法在收费站中的实际应用效果。

二、研究对象现状

目前，新疆交通投资有限责任公司奎屯分公司承担着塔西河匝道收费站、石河子匝道收费站、玛纳斯匝道收费站等17个收费站、63条收费车道的管理任务。2020年，17个收费站的交通流量约为998.71万辆（入口548.68万辆、出口450.03万辆），其中货车占34%（货车交通流量约339.68万辆，入口176.14万辆、出口163.54万辆）。

从收费系统的机械、电气、传输特性和新疆特有的气象环境等多个维度分析发现，导致收费系统工作性能下降的主要原因集中在以下几个方面：

北疆冬季冰雪天气和南疆夏季沙尘天气是导致新疆高速公路计量收费系统工作异常的主要因素。通过调查和分析发现，目前各收费站在冬季主要采取传统的人工清理和盖板加热方式解决计轴不准问题，图1为目前计轴失效情况的时间分布。

图1 计轴失效情况的时间分布

称台式传感器主要由钢结构件组成，虽经过一定的防腐处理，但仍难完全解决潮湿及汽车尾气等对设备的腐蚀。因此，称台式称重设备每隔1年～2年必须更换传感器，每年维护成本较高。奎屯收费站现有称重系统防水和防沙性能无法满足应用需求。

三、研究方法与材料

（一）主要研究思路

本文拟采用现场调查、专家咨询和现场实验法，分析不同收费站称重设备异常状态与冬季冰雪天气之间的内在关联，探索和揭示设备故障成因及规律。在以定量和定性分析冬季冰雪天气与设备故障成因及规律之间关联关系的基础上，结合称重设备失灵的具体场景，从技术参数和应用场景等方面，分析现有不同型号称重设备机械和电气特性，进而为后续的设备改进、优化，以及加热装置和引流装置的设计提供支撑。

此外，本文结合拟设计加热装置的应用场景，基于车辆通过车道的数据流，结合不同型号称重设备的具体性能和运行机理，分析加热装置对缓解计量收费系统工作异常的作用，进而为后续进一步改进轮轴识别仪提供思路。

（二）主要材料

本文拟采用加热轮轴识别传感器的方法改善其工作性能，用于加热的材料分别为石墨烯加热板、硅橡胶加热板和防冻铝箔加热片。

材料基本参数如下：

表1 石墨烯加热板

表2 硅橡胶技术参数

表3 防冻铝箔加热片技术参数

（三）实验方案

通过前期的专家咨询和现场调研发现，收费站计量收费系统工作异常的主要原因是其轮轴识别传感器容易受冰雪的影响，导致不能正常判断车轴类型。

为了进一步明确影响轮轴识别仪传感器异常的原因和部位，通过项目组现场反复调研和论证分析发现，造成车辆轮轴识别仪传感器丢轴并导致计量收费系统失效的主要原因有三个：一是轮轴识别仪在设计之初，其机械和电气参数未充分考虑到极端气候影响（如新疆冬季零下40℃左右时的情况）和恶劣工作环境因素（如粉尘、煤渣等），导致工作时其传感器的灵敏度有所下降，低温影响传感器内部电子元件工作的稳定性；二是称台的土建设计在传感器与盖板之间预留了45mm的缝隙，此处易堆积粉尘或货车掉落的杂物，传感器上下板之间容易被粉尘、杂物填满，低温时更易凝结成为冰尘混合物，使得货车经过时不易触发车辆轮轴识别仪中的压力传感单元，进而造成信号丢失；三是一套称重台的轮轴识别仪传感器一般有两个，两组传感器信号互相校正取得最终值，只要一组轮轴识别仪传感器数据受到影响，就会影响车辆轴数的最终读取，显示异常。轮轴识别仪传感器的主要布局及尺寸如图2所示。

图2 轮轴识别仪示意图

为了探明以上3种情况对轮轴识别仪工作性能的具体影响，本文制定了以下实验方案：

1.称台和盖板之间的缝隙结冰时的工作状态实验

目的：对比分析称台和盖板之间的缝隙结冰并发生丢轴的情况，以及清理盖板和称台缝隙后的计轴情况。

具体步骤：清理左右称台和盖板缝隙；通过实车实验（小型货车3次），观察是否能正常识别轮轴；如果准确识别轴两次及以上，可判定称台和盖板之间的缝隙结冰是丢轴的主要原因。

2.针对传感器和称台之间的45mm缝隙

目的：清理不能正常计轴的称台传感器和称台间的45mm缝隙后（需打开盖板），分析计轴情况。

具体步骤：清理45mm缝隙中的杂物；通过实车实验（小型货车3次），观察是否能正常识别轮轴；如果准确识别轴两次及以上，判定传感器和称台间的45mm缝隙结冰是丢轴的主要原因。

3.针对传感器和盖板及传感器自身上下板缝隙

目的：分析清理传感器、盖板及传感器自身上下板之间缝隙后，轮轴识别仪的工作情况。

具体步骤：打开盖板，用高压气枪和锯条清理缝隙；通过实车实验（小型货车3次），观察是否能正常识别轮轴；如果准确识别轴两次及以上，可判定轮轴识别仪缝隙结冰是丢轴的主要原因。

4.通过加热板对轮轴识别仪加热

目的：通过热量的传输融化轮轴识别仪表面的结冰，使得轮轴识别仪在雨雪天气下也可正常运行传输信号。

具体步骤：加热板表面设置石墨烯电热膜，保证加热质量；以电线和外部电源连接石墨烯加热板，通过温度控制箱、信号接收器，达到远程控制装置加热的目的；设置温度感应器和温度控制器，实时监测当前轮轴识别仪表面温度和传感器自身上下板缝隙的环境温度；设置加热板的目标启动温度，使石墨烯加热板在雨雪等寒冷天气下，自动通电加热除雪除冰，控制传感器自身上下板缝隙的环境温度；通过自动控制温度运行的设置如图3所示，避免石墨烯加热板长时间运行产生高温损坏轮轴识别仪。