公路称重设备的应用现状与发展趋势

一、公路称重设备应用现状
随着应用的逐步深入，设备安装现场场地、工程造价、气候环境等条件和要求，以及设备的固有属性等技术短板，尤其是设备使用者——个别司乘人员不遵守设备使用要求，采用压秤边、蹲秤、跳秤、“S”形、高速冲秤等特殊行车，甚至是垫钢板、千斤顶、遥控光幕、私改车辆增加悬浮轴等违法舞弊行为，以达到减轻轴载的目的，致使车辆称量结果与实际不符，造成通行费漏收，而相关政策法规又对类似特殊行车无明确的界定标准，对舞弊行为缺乏管理监督机制，无法约束此类行为，造成了许多纠纷和社会不稳定因素。设备供应商和业主也无奈的在各种设备类型之间进行切换，实际情况总是在解决了一方面的问题，又带来新的问题，设备类型的频繁切换也在投资、改建方面造成了大量的人力、物力浪费，因而，切实依据特定的地域环境和实际的应用需求，合理地选择公路称重设备显得尤为重要，同时，探索创建一套流程简单、高效快捷且无争议的计重收费管理模式成为运输经营者、设备供应商、研究机构和公路收费管理部门共同面对的课题。
针对计重收费现状，需要寻求更加合理、完善的新型计重收费设备和管理模式。新型计重设备一方面要有更高的称重精度，规避车辆的不规范驾驶行为，也要有更人性化的操作流程，稳定的计量可靠性，还要有简化地计量检定操作，延长检定周期，另一方面也要成为促进计重收费和谐发展，并封堵通行费漏收，提高设备投资收益之公平、公正、合法工具。
二、新型公路称重设备技术特点及其应用
自计重收费实施以来，在不同的地域人文条件约定下以及人们对计重设备的认识逐步深入过程中，计重设备的应用经历了不同发展阶段，新型的公路称重设备，尤其是开始于2009年整车称重式计重设备的出现，与早期计重收费实施初期相比，无论是在设备结构和工作原理，还是在处理算法和工作流程上都有较大的升级和改进。
按秤台承载计量方式的不同，新型计重设备分为整车称重式，联体称重式，轮载称重式等，按设备核心感应元件或原理分为电阻应变计式，压电石英晶体式，压电薄膜式，压电陶瓷式，电容式和光纤式等。各种承载方式、传感器类型的计重设备都是依据不同的地域应用要求、特定的投资预算和使用需求而研制和实施，特性不同，适用范围也不尽相同。实际中可商用并已有应用的计重设备主要是电阻应变原理和压电原理的整车称重式汽车衡，联体称重式固定式轴重仪，轮载称重式弯板式轮重仪、一体化轮重台和压电石英式。
1. 整车称重式
整车称重式计重系统就是整辆车完全驶上秤台，对车辆进行称量的计重方式。专门为公路、桥梁及渡口等车辆计重收费和超载检测而设计，称重设备针对公路收费出口的特定工况环境和使用需求而专业设计。由加强型高强度动静态整车称重秤台、承载器（汽车衡）、轮胎识别器、红外线车辆分离器、数据采集处理器、称重控制计算机和控制柜等设备构成，实现自动称重检测。系统可额外配置功能性外部设备以组成完整的称重控制区，协同控制以实现处理倒车及异常称重，判别车型及行车方向，诊断外设故障等更为丰富的可连续过秤的自动检测功能。
整车称重检测系统的称量机理是车辆的全部质量行驶或保持在秤台上一次性称取总重，设备称量精度高，标定简单，有明确的国家标准和检定规程，常见的蹲秤、跳秤、“S”形、高速冲秤等特殊行车或无法实现或作为秤台与车辆整体加载系统的内力，避免了称重传感器的系统干扰，从设备的称重机理上完全、有效地解决恶意违规行驶对称重精度的影响。
整车称重检测系统的应用特点：
（1）智能型称重控制区
系统设备中议建立了完整的智能型称重控制区，可有效识别所有驶入、驶出该区域的复杂的车辆行驶状态、轴数和重量。
（2）称重准，完全解决恶意违规驾驶行为对称重精度的影响
车辆“S”型，高速冲、跳秤的干扰力作为整体加载系统的内力，从称重机理上彻底解决了恶意违规行车对称量精度的影响，称重准确度高，称量结果可信、可靠。
（3）不改变现行收费流程
现有收费系统无需改造，收费软件无需升级，从收费员的操作到司机的过秤流程、速度等均无需任何改变。
（4）防尘、防滑、耐腐蚀工艺处理
适应所有车型的表面防滑设计，并严格按照《水工金属防腐蚀工作管理办法》要求进行防腐处理，保证产品在磨损，尾气，风，霜，雨雾，散落腐蚀物及沿海腐蚀性环境的防滑耐磨防腐蚀。
（5）完美处理车辆排队、跟车过秤等复杂过秤情况
能够处理跟车过秤，倒车、半倒车，倒轴、半倒轴等正常车辆排队和人为异常的复杂过秤情况，轴组、轴重检测时序不混乱，轴数、总重、轴重检测准确。实现收费站排队缴费的车辆无打扰的连续跟车计重，车辆无需在称重平台前端等待前车完全驶下称重平台后再进行称重缴费，系统的应用提高了站点的通行速率和广场使用效率，缓解了收费站的交通拥堵压力。
（6）一次称重通过，称重无争议，减少拥堵，总体通行效率显著提高
在不改变现行计重收费流程的情况下，货车的轴数、称重计量精确，无争议，避免多次复称的往返倒车造成的收费站拥堵，大大提高了收费站的实际通行效率。
（7）社会效益、经济效应显著提高
精确的称重结果避免司机争议导致的收费站交通拥堵，也避免了由于车辆违规行车造成的通行费漏收，促进了计重收费的和谐、有序开展，实现了良好的社会效益和经济效益。
2. 联体称重式
联体秤台式计重设备是全新的计重收费产品，采用全新的联体秤台结构，具有更高的称重精度和更强的防作弊能力。
（1）更高的称重精度
新设备的称重秤台由主秤台和辅助秤台构成，两个秤台通过铰接的方式连接。主秤台由4只悬臂式传感器支起，辅秤台由两只传感器和两个铰接支点支起。这样设计可以使两个秤台同时对车辆进行称重，将有效称重区域提高至单秤台有效称重区域的两倍以上，从而提高了车辆的称重精度，检定误差可达到±1%以内。
称重算法上用小波变换，傅里叶技术分析，建立了秤台和汽车结构的物理模型，应用弹性力学，刚体力学等方法推出了汽车经过秤台的振动公式，并基于有限元理论应用ansys软件对秤台结构和汽车结构进行了整体模拟仿真，得到了秤台相关参数对重量的影响，从而实现高精度的称重。
（2）更强的车辆不规范行驶处理能力
新设备由于称重秤台的有效称重区域增加，货车以跳秤，点刹车等方式进行过秤时其真实重量一定会出现在秤台的有效称重区域内，因此相对于车辆的真实重量数据，具有更高的可还原性，使重量恢复修正更加合理。对作弊行为识别准确率≥90%，正常行驶车辆误判率≤3‰，对识别出的作弊车辆贴近真实重量的矫正误差≤±5%。
（3）较长的设备使用寿命
对于中间无框架结构的独立双称台结构长期使用中，双称台的限位装置容易松动，会导致称台的位移，导致称台卡死，造成称重失败。联体称台结构通过独特的铰接结构，从设计上根本杜绝此类问题的发生。
此外，联体秤台式计重设备与新一代防作弊单秤台式计重设备类似，同样具有较强的湿度及温度适应性，也具有防雷、防静电等抗电磁干扰能力，满足全天候稳定工作的要求。
3.轮载称重式
轮载称重式设备一般由左右两块（个）称重秤台交错布置安装，通过对动态通过的汽车单侧轮胎的称量，计算轴载荷、并累加计算整车重量的计重方式。轮载称重式检测系统因其安装简单、快捷和免维护而获得许多应用场合的亲睐，其应用往往需要设备供应商具备足够的综合技术研究力量和应用经验，要求秤台（传感器）的对环境、场地、温度、湿度等的耐候性和适应能力更强，也要求更为先进和复杂的动态称重算法的研究和实施能力。相对于整车称重式和轴载称重式设备，大多数的轮载称重式设备安装进一步大大简化，秤台几乎无需维护。
常见的轮载式称重设备有弯板式轮重仪、一体化轮重台和压电石英式动态衡，其中弯板式有平行弯曲梁式、弯曲平板式和剪切梁式 3 种结构，小弯板则实际上一种单峰输出型的正应力弯曲板，其设备安装、软件算法和应用特点雷同于压电石英式动态衡。
4.弯板式轮重仪
弯板式轮重仪的传感器有平行弯曲梁式、弯曲平板式和剪切梁式 3 种应变原理和结构，平行弯曲梁式和剪切梁式传感器不受侧向力影响，全桥惠斯通电路，灵敏度高，横向偏载小；弯曲平板式单应力半桥电路，灵敏度低，边界效应大，横向偏载大；剪切梁式边界应力集中较大，有灵敏度飘逸，安全系数小与长期稳定性互为矛盾；平行弯曲梁式双向纯应力，应力集中小，便于密封。
弯板式轮重仪检测系统的应用特点：
（1）安装简单、建设快
弯板式计重设备是采用先进的弯板称重技术的计重设备，采用弯板式称重传感器，具有高精度的特点。
（2）更长的使用寿命
弯板传感器是一种把秤体和称重传感器结合在一体的超大型称重传感器，采用单板式整体设计，剪切梁式力分流结构，传感器的弹性体即为秤体，二者合而为一，可以不受侧向冲击影响、稳定性好。采用剪切梁结构，使传感器以较小的形变就能采集重量，由于形变量较小，所以传感器就不容易产生疲劳塑性，因此大大的延长了计重弯板的使用寿命。
（3）设备安装简易
弯板为路面浅槽安装，基础开挖不大于70mm，切割路面浅，不会破坏车道内的水泥路面结构，采用环氧树脂浇筑，施工周期2~3天。
（4）日常免维护
弯板传感器为整体板式传感器，无需维护，不需清理和保养，维护成本较低。
5.石英动态衡
石英晶体式动态汽车衡由称重测量传感器，红外车辆分离器，控制器和显示器等组成。称重测量传感器主要完成车辆轮、轴的称重、速度检测、轴型判断等工作；车辆分离器用来进行车辆的分隔及提供开始、结束等信号；控制器用来处理来自于各传感器的信号、计算数据，把相关数据通过通讯方式送给计算机；根据需要配置显示器，动态显示称量车辆信息。
检测系统架构简单，应用模块标准化，传感器安装快捷简单，石英晶体传感器工作性能稳定，无信号漂移，基本上不受温度变化的影响，在正常的使用要求下，能在恶劣条件下稳定工作。
石英动态衡轮载称重式检测系统的应用特点：
•易安装：浅层基础安装，开挖少，路面伤害小，施工周期短。
•免维护：与路面融为一体的秤台传感器，无需垃圾清理等日常维护。
•称重精度稳定：耐候性好，无温度和时间漂移，横向偏载一致性好，固有频率高，称重准确度长期稳定可靠。
•操作简单：系统架构清晰，双秤交错布置，双通道多路称重，智能型数据采集处理器，先进的工作原理和流程，称重流程简单。
三、公路称重设备发展趋势
我国高速公路的发展和信息化建设步伐日益迅猛，ETC 不停车收费和 ITS 智能化交通也要求公路称重设备不断跟上新的形势，为计重收费系统提供可靠的称重计量结果，并不断适应高速公路发展的要求，为前瞻性的高速公路信息化做好准备，新型的公路称重设备必须满足和具备如下要求：
•更加准确的称量结果。轴数、轴重和总重的准确检测，胎型、轴型的准确识别。
•完全解决车辆不规范行驶对称量结果的影响。
•完全适应现有或者变化着的收费流程，不因公路称重设备的特定形式而限定收费管理模式。
•实现不停车的、可连续过秤的称重计量，不仅要提高收费广场的总体通行效率，也要为 ETC 不停车收费做好准备。
计重收费充分发挥了政策导向机制下经济杠杆的作用，在遏制恶意超限超载、减轻对公路和桥梁的损害，推动高速公路领域内的经济增长模式向高效、节能、减排和可持续性发展的转变方面发挥了重要作用，公路称重设备的应用和选型应基于当地地域人文环境对计重设备的总体要求，并对称重设备的技术研究持续跟踪。据此，新型可连续过秤的整车称重式计重系统由于称重精度高、计量无争议，完全地、彻底地解决了车辆不规范行驶，甚至是恶意作弊对称重结果造成的影响，杜绝了收费站计重设备的称重争议，维护了收费广场的行驶和合法的收费秩序，大大提高了道路的总体通行效率，同时，从技术手段上完全封堵了通行费漏收的缺口，提高了道路投资人的经济效益，也必将有利于计重收费系统在更为有效、有序、公平、公正的顺利开展和实施。