冗余輪軸識(shí)別技術(shù)在整車(chē)式動(dòng)態(tài)地磅上的應(yīng)用
自貨車(chē)實(shí)行高速公路計(jì)重收費(fèi)以來(lái)，車(chē)輛計(jì)重收費(fèi)主要依據(jù)車(chē)輛軸型、自身重量以及行駛路程等因素。在動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)日益成熟的今天，傳統(tǒng)輪軸識(shí)別技術(shù)存在傳感器容易損壞、整個(gè)系統(tǒng)裝置故障率高且安裝鋪設(shè)困難等問(wèn)題，而冗余輪軸識(shí)別技術(shù)則可有效解決上述問(wèn)題，且可有效降低貨車(chē)計(jì)重收費(fèi)過(guò)程中的糾紛，提高收費(fèi)站通行效率。介紹冗余輪軸識(shí)別技術(shù)配合整車(chē)式動(dòng)態(tài)計(jì)重系統(tǒng)在酉沿高速公路重慶段收費(fèi)站的應(yīng)用，對(duì)冗余輪軸識(shí)別技術(shù)的可靠性和先進(jìn)性進(jìn)行有效驗(yàn)證。
貨車(chē)計(jì)重收費(fèi)自 2001 年 9 月在天津彩虹大橋率先實(shí)施以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，先后經(jīng)過(guò)靜態(tài)、軸載、整車(chē)等幾種計(jì)重方法，其中軸載和整車(chē)屬于動(dòng)態(tài)計(jì)重。根據(jù)交通運(yùn)輸部 2005 年發(fā)布的《關(guān)于，收費(fèi)公路試行計(jì)重收費(fèi)的指導(dǎo)意見(jiàn)》 計(jì)重收費(fèi)依據(jù)主要是車(chē)輛軸型和車(chē)輛載荷，而冗余軸型識(shí)別技術(shù)就是一種車(chē)輛軸型識(shí)別方法，其主要用于動(dòng)態(tài)計(jì)重地磅中以識(shí)別貨車(chē)軸型，為計(jì)重收費(fèi)提供準(zhǔn)確的軸型數(shù)據(jù)。本文介紹了酉沿高速公路重慶段計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)中大量采用了帶冗余輪軸識(shí)別技術(shù)的整車(chē)式計(jì)重系統(tǒng)，其成功應(yīng)用有效驗(yàn)證了冗余輪軸識(shí)別技術(shù)的可靠性和先進(jìn)性。
1.工程概況
酉沿高速公路是西部民族地區(qū)扶貧公路，也是重慶市“三環(huán)十射三聯(lián)線”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的六射支線，是黔東北地區(qū)通往鄂、豫等地區(qū)和長(zhǎng)江沿線的重要交通轉(zhuǎn)換通道，是渝黔兩地重要連接通道。
其重慶段起于重慶酉陽(yáng)城南小米坑落水洞附近，與貴州省沿河至榕江高速公路相連，全長(zhǎng) 30. 74 km,設(shè)計(jì)速度 80 km /h，雙向 4 車(chē)道.
酉沿高速公路通車(chē)后，將串起張家界、武隆、桃花源、烏江畫(huà)廊精品線路游，其將為酉陽(yáng)打通連接黔東北的交通阻隔，成為渝黔地區(qū)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力。
2 .常見(jiàn)軸型識(shí)別技術(shù)介紹
目前常見(jiàn)軸型識(shí)別技術(shù)主要有輪板式傳感器輪軸識(shí)別器和壓電傳感器式輪軸識(shí)別器 2 類(lèi)。這 2 類(lèi)輪軸識(shí)別器的檢測(cè)原理基本相同，只是使用的傳感器有所不同。
2. 1 基本檢測(cè)原理
目前，常見(jiàn)的 2 類(lèi)輪軸識(shí)別器根據(jù)車(chē)道寬度的不同，輪軸識(shí)別器長(zhǎng)度主要有 1. 6 和 2 m 兩種規(guī)格,其分別由均勻分布的 12 和 16 個(gè)傳感器組成，傳感器間隔約 120 mm。輪軸識(shí)別器基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
根據(jù) GB /T 2977—2008《載重汽車(chē)輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》的規(guī)定，輪胎斷面寬度范圍為127 ～ 457 mm，最小雙胎間距為 146 mm 且隨著輪胎斷面寬度的增加而加大。輪軸識(shí)別器要準(zhǔn)確判斷出輪軸是單胎或雙胎，則需要輪軸識(shí)別器的傳感器間距滿足以下要求: 最小斷面寬度的輪胎能至少壓 1個(gè)傳感器，最小雙胎間距之間至少有 1 個(gè)傳感器不承受壓力。
輪軸識(shí)別器的傳感器中心間距為 120 mm，這樣就能保證最小斷面在 127 mm 單胎通過(guò)時(shí)至少有 1個(gè)壓力傳感器能夠受力，保證不會(huì)出現(xiàn)輪胎從傳感器間距中間通過(guò)而漏掉檢測(cè)的現(xiàn)象，同時(shí)也可保證146 mm 最小雙胎間距在雙胎通過(guò)時(shí)其中間至少有1 個(gè)傳感器不會(huì)受力，從而準(zhǔn)確檢測(cè)車(chē)輛每根軸的輪胎數(shù)量.輪軸識(shí)別器傳感器受雙胎或單胎壓力示意圖如圖 2 所示。
在輪軸識(shí)別器處理單元檢測(cè)出車(chē)輛每根軸輪胎數(shù)量后，輪軸識(shí)別器處理單元依據(jù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn) GB1589—2016《道路車(chē)輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值，對(duì)車(chē)輛軸型與輪軸輪胎數(shù)量的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行綜合處理，計(jì)算車(chē)輛的軸型類(lèi)別。
2.2輪軸識(shí)別器簡(jiǎn)介
2.2.1輪板式傳感器輪軸識(shí)別器
輪板式傳感器輪軸識(shí)別器一般采用載荷 2 t 或3 t 的輪板式傳感器，其衩均勻固定在輪軸識(shí)別器結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，如圖 3 所示。
這類(lèi)輪軸識(shí)別器最早使用，但存在壽命短、施工開(kāi)挖大、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。
2. 2. 2 壓電傳感器式輪軸識(shí)別器
壓電傳感器式輪軸識(shí)別器一般采用壓電電纜或壓電陶瓷制成，即將壓電材質(zhì)先封裝在一個(gè)類(lèi)似輪式傳感器外觀的鋼體內(nèi)，鋼體示意如圖 4 所示。鋼體上壓板有一定的活動(dòng)范圍，當(dāng)上壓板受力擠壓壓電材料時(shí)，壓電材料就會(huì)產(chǎn)生電荷電壓，處理單元通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)的采集及處理。來(lái)識(shí)別輪軸輪胎數(shù); 然后再將封裝好的傳感器均勻分布在凹型型材內(nèi)，并用特殊封裝膠密封而成。國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的輪軸識(shí)別器外觀如圖 5 所示。
這類(lèi)輪軸識(shí)別器較輪板式輪軸識(shí)別器其壽命有所提高，但仍然存在開(kāi)挖路面、維護(hù)困難等問(wèn)題。
3.冗余軸型識(shí)別技術(shù)
3.1冗余軸型識(shí)別技術(shù)原理
根據(jù) GB 1589—2016《道路車(chē)輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》規(guī)定，并裝雙軸的軸距在 1 ～ 1. 8 m之間，雙前橋貨車(chē)兩軸之間的距離在 1. 8 ～ 2. 15 m之間。冗余軸型識(shí)別技術(shù)正是利用了上述這一特征，把 2 條壓力傳感器埋設(shè)距離設(shè)為 2. 2 m。這樣根據(jù)車(chē)輛通過(guò)壓力傳感器所產(chǎn)生的波形及時(shí)序，通過(guò)軟件的冗余數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件自動(dòng)識(shí)別，就能很容易地判斷出車(chē)輛通過(guò)傳感器是雙前橋、雙聯(lián)軸還是三聯(lián)軸。壓力傳感器鋪設(shè)如圖 6 所示。
單軸、雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸、普通兩軸汽車(chē)通過(guò)傳感器的波形如圖 7 所示。
從圖 7 可以看出，不同軸型通過(guò)傳感器后，傳感器波形差異還是很明顯的。在安裝傳感器時(shí)，設(shè)傳感器埋設(shè)距離為 2. 2 m，車(chē)輛通過(guò)傳感器后每個(gè)傳感器上都會(huì)產(chǎn)生波形。2 個(gè)傳感器第 1 個(gè)波峰之間的距離就是傳感器埋設(shè)的間距，每個(gè)傳感器第 1 個(gè)
波峰和第 2 個(gè)或第 3 個(gè)波峰之間的距離就是軸距。根據(jù) 2 個(gè)傳感器中波形產(chǎn)生的時(shí)間序列，就能判斷出當(dāng)前通過(guò)車(chē)輛是雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸、雙前橋還是普通軸。
將傳感器信號(hào)放大并進(jìn)行 AD 采樣后，對(duì)傳感器波形的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，并利用軟件對(duì)波形的時(shí)序進(jìn)行冗余處理。設(shè) 1 輛車(chē)分別通過(guò) 2 個(gè)傳感器，其共產(chǎn)生了 2n 個(gè)波形，第 1 個(gè)傳感器到第 2
個(gè)傳感器的波形時(shí)間序列由小到大排列為:
t11 ，t12 …t1n，t21，t22 …t2n ，設(shè) k 初始值為 1。
軟件通過(guò)如下步驟進(jìn)行判斷:
S1: 若 k ＜ n，且 t1k ＜ t2k ，則轉(zhuǎn)入 S2; 否則結(jié)束判斷。
S2: 若 t1k ＜t2k ＜t1k+1 ＜t2k+1 ，則為普通軸，此時(shí) k = k+ 1，轉(zhuǎn)入 S1; 若 t1k ＜t1k+1 ＜t2k ＜t2k+1 ，則轉(zhuǎn)入 S3。
S3: 若 t1k ＜t1k+1 ＜t1k+2 ＜t2k ＜t2k+1 ＜t2k+2( t1k ＜t1k+1 ＜t2k ＜
t1k+2 ＜t2k+1 ＜t2k+2 ) ，則為三聯(lián)軸，此時(shí) k = k+3，轉(zhuǎn)入 S1; 否則為雙聯(lián)軸，此時(shí) k = k+2，轉(zhuǎn)入 S1。
利用上述的算法計(jì)算判斷出軸型后，結(jié)合稱重 設(shè)備的光柵、線圈等信號(hào)就能判斷整輛車(chē)的軸型類(lèi)別。
3.2 冗余輪軸識(shí)別技術(shù)在整車(chē)式動(dòng)態(tài)地磅上的應(yīng)用
目前計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)大多采用整車(chē)式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡，為了解決車(chē)輛同上同下的問(wèn)題，基本都在整車(chē)式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡秤體兩端鋪設(shè)了 1 條稱重觸發(fā)器。冗余輪軸識(shí)別技術(shù)正是借助于該觸發(fā)器，在距上秤觸發(fā)器 2. 2 m 處增加了 1 條相同的觸發(fā)器，如圖 8 所示。觸發(fā)器在秤體生產(chǎn)時(shí)由廠家直接安裝好，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需額外開(kāi)挖路面。這類(lèi)觸發(fā)器一般采用更大量程的稱重傳感器，因此解決了傳統(tǒng)輪軸識(shí)別器中稱重傳感器量程小且易損壞的問(wèn)題。
3.3與其他軸型識(shí)別器對(duì)比
根據(jù)前期研究及使用情況，本文對(duì)各類(lèi)輪軸識(shí)別器的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表 1 所示。
由表 1 可以看出，冗余輪軸識(shí)別技術(shù)采用復(fù)雜的軟處理算法，解決了安裝破壞大、維護(hù)性高等問(wèn)題，在降低產(chǎn)品成本的同時(shí)保證了輪軸識(shí)別精度。
4.冗余軸型識(shí)別技術(shù)在酉沿高速公路中的應(yīng)用
酉沿高速公路重慶段收費(fèi)車(chē)道計(jì)重設(shè)備采用了冗余輪軸識(shí)別的整車(chē)式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，自 2016 年 6月 15 日開(kāi)通以來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。根據(jù)主線收費(fèi)站不完全統(tǒng)計(jì)，冗余輪軸識(shí)別器對(duì)車(chē)輛軸型識(shí)別準(zhǔn)確率超過(guò) 99. 8%。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文主要介紹了冗余輪軸識(shí)別技術(shù)的技術(shù)原理及其在酉沿高速公路重慶段整車(chē)計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)上的應(yīng)用。整車(chē)計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)借用現(xiàn)有計(jì)重設(shè)備部分傳感器信號(hào)通過(guò)冗余輪軸識(shí)別技術(shù)的軟件處理得到車(chē)輛的輪軸識(shí)別結(jié)果，在保證輪軸識(shí)別精度的同時(shí)節(jié)約了產(chǎn)品成本，且安裝時(shí)無(wú)需開(kāi)挖路面，減少了對(duì)路面的破壞。
