动态称重系统在信息化治超管理的应用＊

2023-08-19梁原达黄玉俊黎恒王德南

广东通信技术 2023年7期

［梁原达黄玉俊黎恒王德南］

1 前言

随着互联网平台经济兴起，物流行业需求量不断增长，而大部分公路和桥梁承载能力有限，超载现象时有发生，交通管理部门运行监管压力不断加大，特别是老旧道路承载力趋于饱和，公路和桥梁基础设施运行压力有所增大，诸多公路运输安全隐患仍然存在，尽管目前超载超限交警、运管、路政联合执法，但由于货车密度、出行时间、车辆速度等客观条件的影响，效果不明显，推行新的治超模式成为一种必然[2]。近年来各地公路治超也在往智能化方向发展，有效提升了治超执法工作效率，保障了道路和桥梁运输安全，维护了执法公平。但目前治超管理工作仍存在一些缺陷。一是尚未建成覆盖范围广泛的监测网络，二是建设筹资模式较单一，三是存在信息孤岛的问题，四是执法人员需要增强利用信息技术执法的能力。本文针对治超工作中的“堵、乱、难、差”等问题提出科技治超方案，完成了整个系统智能、高效、稳定、协调的监管与运转，提高道路和桥梁使用寿命，改善道路和桥梁通行环境的需要，提高道路和桥梁执法安全和道路通行安全的需要。

2 系统结构

依据国家部委治超文件要求，治超非现场执法系统[3]从总体结构划分为硬件信息系统（即前端感知与边缘计算系统）和软件系统（即科技治超可视化数字综合管控平台）。硬件系统主要完成对道路现场车辆重量数据精准采集、车辆外形轮廓拍照、车牌识别、超高超宽车辆的报警信息推送。软件系统主要完成对各个站点上传数据的采集、存储、分析等业务。硬件设备主要包括动态称重 WIM（Weigh-In-Motion）检测设备、外形轮廓检测设备、车牌智能识别设备、视频监控设备、LED 显示设备、信息数据智能处理系统、网络传输等。软件系统主要是面向交通运输执法机构，有利于执法机构对车辆检测数据进行管理以及开展执法工作。软件系统包括运行监管系统、执法管理系统、货运车联网数据服务系统、指挥调度系统、综合分析评价系统、公众信息服务系统等。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

3 系统详细设计

本文提出的基于动态称重技术的治超系统由五大部分组成：前端感知与边缘计算系统、设备远程物联管理系统、交通标识牌、网络安全与传输、后端管理系统组成。

3.1 前端感知与边缘计算系统

前端感知与边缘计算系统包括动态称重系统、外廓尺寸系统、智能车辆识别分析系统、智能视频监控系统、信息实时发布系统、非现场执法边缘计算管理系统等子系统，系统结构如图2 所示，系统效果如图3 所示。

图2 前端感知与边缘计算机系统结构

图3 前端感知与边缘计算系统效果图

3.1.1 动态称重系统

主要用于车辆总重量、单轴载荷或货轴组载荷、轴数、速度等检测与识别。系统采用动态称重传感技术，并融合卷积神经网络[4～7]和自学习滤波算法[8]，准确测量车辆总质量，测量结果经边缘计算处理后实时上传至可视化数字综合管控平台。

（1）系统结构

动态称重系统由多个关键边缘设备组成，主要石英晶体传感器[9]、电荷放大器[10]、车辆智能检测器、动态称重智能测控仪等组成，如图4 所示。

图4 动态称重系统结构

（2）主要功能或特征

①石英晶体式传感器：石英传感器核心压电测量元件采用新型石英晶体，灵敏度是传统石英的三倍，硬度达莫氏八级，特别适用于对“高中低”全速度段的测量，被广泛应用于治超、治超非现场执法、道路、桥梁的监测监控等动态检测。石英晶体传感器利用石英压电原理，称重车辆通过石英传感器输出传感器信号，经过称重处理器的计算处理，生成车辆重量信息。石英晶体称重传感器采用三承载器的方式布局，相比传统应变式秤台有着明显的优势。其中石英传感器两排，轨迹检测器一排，轨迹检测器用来检测车辆的异常行驶。

②电荷放大器

电荷放大器采用 19 英寸标准机架式结构，工业级设计；独立嵌入式处理器[11]，具有传感器波形输出功能。实现将石英晶体传感器的微弱信号[12]进行放大以便后续需处理，配置24 路电荷信号输入接口，2 个串行信号输出接口，最大支持 4 车道同步控制。

③算法集成

动态称重是指车辆在行驶过程中对车辆重量进行测量的技术。但车辆行驶过程中，由于悬架的振动和路面不平对车辆在垂直于路面方向产生了加速度而引起动态力[13]，因此运动状态下的轮载荷是静态重量和动态力的总和。综上所述，计算静态重量的算法是决定动态称重精准度的关键因素。本次设计采用基于卷积神经网络的桥梁动态称重算法模型[14]，车辆正常行驶、逆向行驶、S 型行驶、压线行驶、多车同向同时行驶、压缝行驶等10 余项行驶状态均可精准测量。同时采用自适应滤波算法，根据环境自适应调节从而保障长期稳定性和精度准确性。

3.1.2 外廓尺寸系统

系统主要用于对车辆外形轮廓进行识别，包括车辆长、宽、高等检测与识别。外廓尺寸测量系统利用激光雷达三维成像技术[15]、AI 边缘计算技术对行驶中的车辆外形轮廓进行测量，实时分析、记录超限车辆，并将数据上传至物联网平台。外廓尺寸系统结构如图5 所示。

图5 外廓尺寸系统结构

（1）系统结构

外廓尺寸系统由激光测量单元和边缘计算建模单元组成。

（2）主要功能或特征

在货运车辆正常通过非现场执法监测点时，自动开启对货运车辆长、宽、高外廓尺寸的识别和测量，并输出正确的分析结果至非现场执法边缘管理服务器。

系统可以实现对外廓尺寸超限值和超限率计算判断功能，具备车辆前、后图像抓拍功能，可以实现对货运车辆并行、变道行驶、黑色材料遮挡物覆盖和高反射率材料货运车辆的外廓尺寸检测功能[16]。可以实现对货运机动车车型、交通流量调查、车速检测功能。外廓尺寸检测设备安装在龙门架上。

3.1.3 智能车辆识别分析系统

主要用于识别车辆进入检测区、车牌识别、抓拍取证以及车体识别分析（遮挡车牌智能分析），智能车辆识别分析系统智能高清识别抓拍子系统和车体车脸智能识别分析子系统（遮挡车牌智能分析）组成。智能高清识别抓拍子系统主要用于车辆进入非现场执法监测点时，系统自动触发并实时抓拍识别车牌号码，自动获取车辆正面、背面以及侧面照片[17]。抓拍范围包含机动车道、非机动车道、路肩等所有过往车辆信息，为路网交通管控与运行监测提供基础数据，并自动叠加相关信息上传至边缘管理服务器。车体智能识别分析子系统（遮挡车牌智能分析）主要是用于识别和分析遮挡车牌的违法车辆，通过车体特征识别、人脸识别等技术与数据库中存储的车辆照片进行自动比对，智能分析判断疑似车辆的车牌号码，配合货车北斗卫星定位系统，确认遮挡车牌违法车辆。

车牌识别智能抓拍子系统由智能抓拍单元、补光灯和气体爆闪灯等组成。为获取清晰的取证图片，增加补光灯和气体爆闪灯，保障片清晰辨别车辆车牌区域、驾驶室、车身颜色、运输货物细节等特征。

3.1.4 智能高清视频监控系统

智能高清视频监控系统主要用于全天候视频监控、违法车辆视频取证。主要包括全天候视频监控和违法车辆视频取证监控。全天候视频监控主要用于 24 小时全天候、全方位摄像录像非现场执法监测点，违法车辆视频取证监控主要用于违法车辆通过监测点时，自动保存车辆经过监测点时的视频和 LED 信息发布屏违法信息内容，以保存更加完整的违法证据链，同时能够对监测点的视频进行智能分析，兼顾路段整体监控需求，可识别交通异常事件、统计交通参数、检测道路资产信息。

（1）系统组成

智能高清视频监控系统包括高清网络球形摄像机、视频记录分析管理终端、立柱式交通监控杆。

（2）主要功能或特征

高清网络球形摄像机采用一体化设计，集成先进的视频分析处理算法和多目标实时跟踪算法程序，能够实现全景拼接。智能分析目标行为并发出报警信息。

3.1.5 信息实时发布系统

信息实时发布系统主要用于提示和预警违法车辆，发布违法车辆信息和相关数据。根据货运车辆动态称重数据、外廓尺寸测量数据等监测情况，通过 LED 可变情报发布屏实时发布监测结果[18]，提醒违法车辆驾驶人员到指定地点进行违法处理。同时系统还可以根据后端管理系统信息，实时发布政策、管理、动态等信息。LED 可变情报发布屏通常位于监测点后方 150～250 m 处，该距离需要综合考虑发布策略、行车速度两项指标，需保证超限超载车辆驾驶员能够看到违法预警提示。LED 可变情报发布屏数量按照超限超载检测方向每方向配置 1 套，大多采用 F 型悬臂梁式结构，尺寸建议 6 m2以上，有条件地区亦可采用龙门架式。信息实时发布系统结构如图6 所示。

图6 信息实时发布系统结构

3.1.6 非现场执法边缘计算管理系统

主要用于重量、外廓、照片、视频数据边缘计算与匹配、发布违法信息以及与后台管理平台数据加密传输。边缘计算及信息数据智能处理系统边缘计算及信息数据智能处理系统由边缘计算管理服务器和边缘计算软件两部分组成，主要用于数据匹配软件、轮轴判别软件、异常形式判别软件等，对称重检测数据进行转换，判别异常行驶行为和修正数据。

3.2 设备远程物联管理系统

（1）能够实现设备故障诊断与报警功能；

（2）通过远程设备管理系统软件，有权限的设备管理员可以对设备进行远程实时维护

（3）通过远程设备管理系统，合理安排设备检修、保养等时间，减少因为设备修理及零配件生产周期不定等带来的高额成本；

（4）通过远程设备管理系统软件故障报警，智能诊断，确定故障原因及解决办法，还可以远程排故，减少系统故障时间，有效降低故障带来的损失；

（5）通过远程设备管理系统软件对设备进行OTA 升级服务。

3.3 交通标志牌

交通标志标线由标识牌、交通标线、防撞设施等组成。

3.4 网络安全与传输

本系统在后端监控中心部署核心交换机[19]，核心交换机增强核心层网络性能和提高核心层网络稳定，接入层交换机将前端感知设备进行接入、汇聚，并通过租用运营商光纤链路，将采集数据信息上传至平台。

3.5 科技治超可视化数字综合管控平台

3.5.1 系统概述

科技治超数字可视化综合管理平台采用物联网技术、AI 算法、数据仓库、边缘计算技术、车路协同等技术集合，通过数据实时分析与处理，为交通管理部门提供实时可靠的信息。

3.5.2 系统架构

科技治超可视化数字综合管控平台使用分层架构进行开发，前端使用 HUI、vue；web 服务使用 spring、springmvc、hibernate；项目管理使用 maven；数据库使用 PostgreSQL；服务间通讯方式有 MQ(TLQ)、HTTP、HPP。从软件架构上分为数据采集层、服务应用层、业务应用层和前端展示层。

（1）数据采集层

数据采集层主要包括以视频编码设备、球机为主的视频设备，以及以称重终端、诱导发布屏、称重设备为主的称重系统。由这些设备组成了不停车检测系统、固定治超站系统、源头超限检测点。

（2）数据服务层

数据服务层为软件底层依赖的视频组件、多媒体调度组件、称重对接服务、诱导发布服务、手机 app 服务和超限 web 服务，服务之间相互解耦，通过组件和服务的集成来支撑整个服务应用。

（3）业务应用层

平台根据公路局治超的业务需求，实现了实时预警、信息查询、统计分析、证据审核、超限处罚等科技治超业务系统，探索源头治超[20]、联合执法和案件抄告，实现常态化治超。

（4）前端展示层

软件支持指挥中心大屏上墙、PC 端业务应用和手机app，同时根据移动执法和指挥调度的需求实现 PC 端、手机、单兵、车载的群组对讲。

3.5.3 系统功能

（1）数据列表

通过非现场不停车检测、精检站检测、源头检测、流动检测的数据罗列，点开后以列表形式展现，每个列表的字段包括了所有检测的车辆、通过时间、是否合格等信息。最上方显示列表数据对应的视频、图像、车牌截图，支持人性化的点击切换。

（2）执法管理

执法管理是各类治超站点对超限车辆进行交警录入、审核、处理、归档、抄报和抄告台账（普遍存在源头治超）等操作，其页面组成由可查询的列表页和执法详情页组成。工作人员可以在这里进行治超的审核、复审、打回、处理、抄送操作。

其列表中的状态可跟随每次的操作而变化。同时，所有的数据支持根据站点、车牌、轴数、超限幅度、总重量以及时间来筛选，提供了筛查数据的入口。

（3）数据统计分析

支持对超限率的详细分析，首先是 3 个环形图提供了超限率的分时统计：当日超限率、当月超限率、当年超限率；超限率的趋势分析：默认当前一年中按月份的的超限走势图，折线图中有柱状（检测数、超限数）、折线图（超限率）；可选择检测来源类型、可输入天数直接查询、可自定义始末时间查询显示。同时支持图表导出，导出的是根据查询结果得出的折线图。

（4）系统运营管理

平台集成了设备和服务的监控功能，可以对现场环境以及设备状态进行实时监控，同时也对软件服务平台的各种信息进行监控。

4 动态称重系统技术在国省道桥梁治超管理的应用

为切实加强桥梁养护管理，确保公路交通安全通行。坚决纠正各类违法超限超载行为，严格监管并实施卸载等措施，坚决制止严重危及桥梁安全的违法超限车辆上桥。2022 年3 月，广西北投信创科技投资集团有限公司在广西百色市G357 田林经八桂至定安公路八渡三桥搭建了一套动态称重系统。该系统在车辆行驶经过称重区域时，通过石英检测传感器对车辆S 弯行驶、跨道、压实线、逆行、短时间内走走停停等的行驶位置信息、时间及重量信息进行采集，采用数据模型对测量值进行修正与补偿，还原真实过车波形数据，同时利用神经网络学习算法，拥有强大的纠偏能力，实现对车辆异常行驶行为的判定。