圍繞高速公路地磅稱重系統(tǒng)進(jìn)行闡述，對地磅動態(tài)稱重系統(tǒng)和靜態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，簡要分析動態(tài)和靜態(tài)的利弊，得出稱重系統(tǒng)適宜采用動靜結(jié)合的測控系統(tǒng)。
一、引言
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加快了高速公路的建設(shè)步伐。高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、路況優(yōu)良、通行效率高，一直存在不法分子逃避繳納通行費(fèi)的作弊現(xiàn)象。實(shí)施全省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)之后，全省高速公路處在同一路網(wǎng)中，車輛單次行駛距離變長、繳費(fèi)額增大，通過一些技術(shù)手段逃費(fèi)，例如在車上裝上液壓設(shè)備，通過改變重心位置達(dá)到減少重量來逃費(fèi)。超載對橋梁和高速公路的路面損害巨大，無疑加重橋梁和道路的養(yǎng)護(hù)工程的負(fù)擔(dān)，并對交通安全、交通運(yùn)輸秩序構(gòu)成了極大的危害。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山東省內(nèi)各條段高速公路收費(fèi)站屢次出現(xiàn)大型貨車?yán)糜?jì)重設(shè)備漏洞，通過跳秤、軋秤、沖秤等方式，進(jìn)行偷逃通行費(fèi)現(xiàn)象，造成反復(fù)跳稱，長時(shí)間的堵車排隊(duì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，遭到其他過往車輛的抵觸與不理解，同時(shí)也給計(jì)重收費(fèi)的征管工作帶來許多困難。
二、地磅稱重系統(tǒng)
1 .動態(tài)稱重
動態(tài)稱重系統(tǒng)在高速稱重系統(tǒng)應(yīng)用較多，技術(shù)較成熟。動態(tài)測量是對運(yùn)動中車輛的軸重和軸數(shù)進(jìn)行測量，是由彎板傳感器和軸數(shù)識別器來測量的，對軸重的結(jié)果并不是很準(zhǔn)確，典型問題稱重誤差較大。
2.靜態(tài)稱重
靜態(tài)稱重系統(tǒng)是最近開始應(yīng)用的計(jì)重方式。靜態(tài)測量是對車輛的總重進(jìn)行測量，通過汽衡獲得軸重測量結(jié)果。
三、地磅稱重系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)
1.稱重系統(tǒng)的原理
通過稱重傳感器，選用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心( 單片機(jī)采用集成外圍電路的芯片，多端口) ，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。傳感器將重量信號轉(zhuǎn)變成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號，利用液晶顯示設(shè)備地址、過量程報(bào)警值、當(dāng)前測量值，通過設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)重量超出傳感器的量程時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)信號。
系統(tǒng)具體工作流程: 首先，由壓力傳感器將重量轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，經(jīng) I / V 轉(zhuǎn)換電路與 A / D轉(zhuǎn)換器，將重量信號變成數(shù)字量。然后，通過芯片 ＲS－ 485 通信收發(fā)器，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MODBUS 通信協(xié)議，將數(shù)字化后的重量信息傳遞給上位機(jī)。
上位機(jī)采用 QT 設(shè)計(jì)可視化界面，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、ASP以及 MD5 數(shù)字指紋加密技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的儲存和網(wǎng)絡(luò)傳輸，其功能主要包括稱重組態(tài)、稱重曲線繪制、用戶登錄、車輛信息、票據(jù)打印和網(wǎng)絡(luò)在線查詢等。
數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS 通信協(xié)議，CＲC校驗(yàn)采用數(shù)據(jù)計(jì)算的方法獲得。上位機(jī)使用控件通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，控件以事件驅(qū)動方式處理通信數(shù)據(jù)，控件的事件捕獲并處理這些通信事件，設(shè)置接收緩沖區(qū)，每收到一個(gè)字符就產(chǎn)生一個(gè)事件，數(shù)據(jù)發(fā)送不產(chǎn)生事件。設(shè)置二進(jìn)制取回?cái)?shù)據(jù)方式，同時(shí)，需要設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。
為保證系統(tǒng)的安全性，引入 MD5 數(shù)字指紋加密技術(shù)。當(dāng)用戶登錄時(shí)，系統(tǒng)對用戶輸入的密碼進(jìn)行MD5 運(yùn)算，然后與保存在數(shù)據(jù)庫中的 MD5 值進(jìn)行比較，以確定輸入的密碼是否正確。這樣，系統(tǒng)在并不知道用戶密碼的明碼情況下就可以確定用戶登錄系統(tǒng)的合法性，避免用戶的密碼被具有系統(tǒng)管理員權(quán)限的用戶知道。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中建立了多張表，分別是稱重?cái)?shù)據(jù)表、操作人員表、車輛信息數(shù)據(jù)表、稱重計(jì)費(fèi)表。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用動態(tài)服務(wù)界面，它可以與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，為用戶的數(shù)據(jù)查詢、密碼修改提供便捷。
2.硬件部分電路設(shè)計(jì)
（1）數(shù)字信號處理
DSP 處理器系統(tǒng)見圖 2。
（2）信號處理輸入信號的波形見圖 3。經(jīng)過處理的信號輸出的波形見圖 4。輸入信號的頻譜見圖 5。輸出信號的頻譜見圖 6。
3.干擾環(huán)境的信號處理
強(qiáng)干擾環(huán)境下的輸入波形見圖 7。經(jīng)過信號處理產(chǎn)生波形見圖 8。輸入信號的頻譜見圖 9。經(jīng)過信號處理的頻譜見圖 10。
4.濾波
四、地磅稱重系統(tǒng)的應(yīng)用
針對高速公路現(xiàn)行的稱重系統(tǒng)，被測車輛低速駛?cè)敕Q重區(qū)域，車頭觸發(fā)光幕，系統(tǒng)被觸發(fā)，自動進(jìn)入動態(tài)稱重狀態(tài)。車輛進(jìn)入汽車衡后，在重力作用下獲得與重量成比例的電信號，如果干擾信號強(qiáng)，先進(jìn)行濾波，消除干擾大的信號，然后經(jīng)過放大器將信號放大，通過模數(shù)器件將測量的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過 DSP 等器件的數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的冗余校驗(yàn)，最終獲得有效數(shù)據(jù)。由汽衡測出各軸的軸重、軸形，當(dāng)車的車尾通過光幕時(shí)，通過計(jì)算機(jī)將軸重、總重和軸形等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果存入計(jì)重?cái)?shù)據(jù)庫，并將收費(fèi)信息顯示在 LED 屏上。見圖 11。
五、 動態(tài)稱重系統(tǒng)的弊端
( 1) 設(shè)備按照要求，四臺面的稱重設(shè)備開挖面積大，施工難度大，設(shè)備安裝周期長，維護(hù)耗時(shí)，不易維修。( 2) 設(shè)備的穩(wěn)定性差，稱重準(zhǔn)確性差。( 3) 反作弊措施差。車輛走“S”型、“跳車”過稱、“拆分軸”過稱、車輛改裝、快速通過計(jì)重平臺、安裝液壓器、“增加軸”過稱、遮擋光幕等。建議在車道入口設(shè)置限速標(biāo)志，保障車道的正常通行。
六、地磅靜態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)用
1靜態(tài)稱重系統(tǒng)在計(jì)重收費(fèi)的應(yīng)用
車輛駛?cè)敕Q臺，光柵收尾后，一般程序會延遲一段時(shí)間，取其穩(wěn)定數(shù)值，自動上傳上位計(jì)算機(jī)，車無需停留稱臺。一般車未到收費(fèi)窗口，采集的計(jì)重?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)上傳到數(shù)據(jù)庫。
2.靜態(tài)稱重系統(tǒng)的利弊
（1）靜態(tài)稱重的優(yōu)點(diǎn)
1) 誤差小，精度高。根據(jù)現(xiàn)有資料，誤差范圍在5% 內(nèi)。2) 車輛通行速度加快，收費(fèi)效率高。( 3) 解決現(xiàn)存動態(tài)稱重系統(tǒng)的逃費(fèi)行為。
（2）靜態(tài)稱重的缺點(diǎn)
1) 造價(jià)高，土建開挖面積大。 2) 過車速度降低，前面的駛出稱臺后車才能進(jìn)道，大大降低了車輛的通行效率。3) 安裝設(shè)備具有局限性。在有些彎道和坡度大的坡道無法進(jìn)行安裝。
七、收費(fèi)系統(tǒng)的安防
針對現(xiàn)存非接觸 IC 卡的安全問題，可以在讀取時(shí)設(shè)置多位編碼，進(jìn)行簡單的加密處理。當(dāng)讀卡時(shí)，管理員可以看到特定的編碼，可以有效的防治對 IC卡的信息的寫入。
八、展望
高速公路應(yīng)用地磅稱重系統(tǒng)可以采取動靜結(jié)合的方式，彌補(bǔ)不足。采用靜態(tài)稱重系統(tǒng)的布設(shè)，采用靜態(tài)稱重系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對靜態(tài)稱重系統(tǒng)存在的問題，使用軟件處理使其具有動態(tài)稱重系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以便為人們的出行帶來更多的便利。
九、新技術(shù)在收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用
車型判別采用相控陣列雷達(dá)技術(shù)，可以快速分辨車的數(shù)量和種類，采用相控陣列雷達(dá)技術(shù)可以提高車輛識別的精度。今后可以根據(jù)車牌識別獲取車輛登記信息，對改裝車和未達(dá)標(biāo)車進(jìn)行黑名單處理，防止干擾正常車輛的通行。
目前正在國內(nèi)推廣使用的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的車載電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站 ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺結(jié)算處理，從而實(shí)現(xiàn)車輛通過路橋收費(fèi)站時(shí)無需停車、快捷交易。
相比傳統(tǒng)的人工收費(fèi)方式，避免了在車流量大的情況下造成的公路堵塞。不過，當(dāng)前很多 ETC 系統(tǒng)存在不同程度的局限性。一方面，汽車上的車載電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站 ETC 車道上的微波天線之間的通訊信號容易受到干擾; 另一方面，多輛汽車之間的車載電子標(biāo)簽容易互相干擾，從而容易導(dǎo)致汽車在通過 ETC車道自動交費(fèi)的過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。大多 ETC 收費(fèi)，只
有在限制汽車通行速度、前后車輛保持一定距離的前提下才能正常工作，否則會導(dǎo)致 ETC 無法識別汽車上的電子標(biāo)簽，以致收費(fèi)錯(cuò)誤或失敗。也就是說，這種技術(shù)上的局限性沒能從根本上緩解交通擁塞。
采用新技術(shù)的基于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的 ETC 系統(tǒng)，運(yùn)用了空間譜估計(jì)技術(shù)從空間域?qū)ζ谕盘柕竭_(dá)天線陣列的波達(dá)角( DOA) 進(jìn)行精確估計(jì)，再利用信號到達(dá)空間角度差異用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，極大地減少了信號干擾，增強(qiáng)了信號強(qiáng)度和辨識能力，使車輛通過 ETC 收費(fèi)系統(tǒng)的速度得到很大提高，從根本上緩解了原有 ETC 收費(fèi)站因信號誤讀、不能識別而導(dǎo)致的交通擁塞。
