重载公路EWTC系统效能提升研究

摘要：目前我国对重车收费大多采用静态称重，人工收费，少数地区虽采用动态称重，但称重精度较低，所以汽车只能低速通过，由此导致通行效率低，收费站大面积拥堵，其中最主要的原因在于：现有动态汽车衡无法在重车高速行驶或不规范行驶时保证其称重精度。为此，本文通过研究传感器的性能以及布局和动态称重精度的关系，利用计算机建模和实地测试相结合的方法，对不停车计重收费（EWTC）系统进行优化，使重车以30km/h通过动态汽车衡误差在±1.5以内。

Abstract： At present， most of the heavy vehicles in China adopt static weighing， manual charging. A small number of regions use dynamic weighing， but the weighing accuracy is low， so the cars can only pass at low speed. This leads to low pass efficiency and large congestion of the toll station. The most important reason is that the existing dynamic truck scale can not ensure the weighing accuracy of heavy truck with high speed or irregular travel. To this end， through the study of the sensor's performance and the relationship between the layout and dynamic weighing accuracy， this paper uses computer modeling and field testing methods to optimize EWTC system to make the error in ±1.5 of the heavy car passing the dynamic automobile scale with the speed of 30km/h.

关键词：可靠性；重车；称重精度；传感器

Key words： reliability；heavy vehicles；weighing precision；sensor

中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0225-03

0 引言

近年来，随着交通的发展，道路运输因其方便、快捷的优势逐渐成为物流运输的重要环节。截止到2015年底，我国公路里程已达到450万公里，在很大程度上促进了物流产业的发展，但是重车在收费站的拥堵问题直接影响了通行效率，造成了不必要的损失。本世纪以来有研究人员提出EWTC模式，把收费和计重系统有机结合，通过车牌识别、自动称重，出口读数、收费的方式来实现不停车收费。本文所研究的内容是整个系统的核心环节――如何保证重车以高速或不规范行驶状态通过汽车衡时的称重精度。在研究中选取合适的传感器并优化其布局，提出最佳优化方案，解决交通拥堵问题，提高公路通行能力。

1 称重设备的选取

EWTC系统实施的成败取决于动态称重（WIM）设备的选择。目前我国重载公路EWTC系统采用的WIM主要有弯板式和压电石英式两种。本文对两种WIM设备的性能进行了详细的调查分析，综合评价其优缺点，最终选取合适的WIM设备。

1.1 弯板式WIM设备

弯板式WIM设备利用下方粘结有传感器的金属板进行测量，主要由框架、应变计、支承条、板式弹性体和定位条等部份组成。弯板式WIM设备布设时路面开挖宽度约65cm，深度约6cm。布置如图1、图2所示。

1.2 压电石英式WIM设备

石英晶体WIM是利用传感器的正压电效应，车轮荷载根据传感器受到车轮碾压时产生的电荷计算。埋置石英晶体传感器时路面开挖量较小，其深度仅有7cm左右，刻槽宽度为8cm左右，铺设宽度与道路宽度保持一致。具体布设如图3、图4所示。

1.3 WIM设备的比选

根据调查分析，对两种WIM设备的技术指标进行了汇总，具体如表1所示。

根据以上分析可知，压电石英式WIM设备受外界因素影响较小、实施工程量小、周期短、后期维护小、寿命长。当重车以30km/h左右压电石英式WIM设备时，误差较小，仅为±1.5%左右，能保证称重精度，满足EWTC系统的要求。因此推荐选取压电石英式WIM设备。

2 传感器数量对动态称重精度的影响

受车辆振动影响，传感器的测量误差较大，如采用单排传感器进行测量，其值具有很大的随机性。增加传感器的数量，测量值的随机性会显著下降，称重精度得到提升。但随着传感器数量的增加，测量值的可靠度并不是无限增大，而是趋于稳定。为得出传感器的最佳布设数量，本文进行了以下计算和试验。

P为传感器测量值的平均值；

P0为静态称重值。

设传感器布设n个，Pi为i 点传感器的读数，即车轮荷载，Pn为n个传感器的多点误差值。

通过设定传感器数量，将振动频率f、相位角φ和车速v代入表达式，可以计算测量误差Pn。因此，在一定范围改变三个值，可求得在某个传感器设置数量的测量误差的最大值Pnmax，此误差值可剔除。同时改变传感器设置数量可以计算出使测量误差的最大值Pnmax为最小的传感器设置数量，这个值就是传感器数量设置的最佳值。

根据取样调查，车身振动频率变化最大幅度在1.5～5Hz之间，规定车速在20～40km/h之间变化，对传感器数量（2排、3排、4排）分别进行测试结果如表2、表3、表4所示。

对表2、3、4的数据进行汇总，如图5所示。

由以上结果可知，传感器排数越多，测试误差越小。与两排相比，3排及4排传感器误差分别减小0.54%及0.68%。采用宽板能明显减小称重误差，各测试方案减小1.5%左右，因此推荐采用4排+宽板传感器。

3 传感器布设间距对称重精度的影响

增加传感器数量时调整传感器之间的间距，使传感器的布设宽度远大于轮迹宽度，以保证重车通过时车轮表面能与传感器完全接触，可以有效提高测量值的可靠度。

重车通过动态称重设备时，传感器测得路面响应，系统计算出平均路面响应，然后经过曲线拟合程序得出去耦后的路面响应，最后通过（3）进行轮载计算。

根据Cebon提出的理论，传感器的测量精度与车辆承载轨迹之间存在一定的关系，这是由于适当的传感器布设间距能抵消由部分承载所引起的测量误差，并可起到完全承载的作用。由图6可知，确定合适的传感器布设间距，再通过去耦可以进一步消除误差，得到较高的动态称重精度。

传感器最佳布设间距与平均过秤速度和振动频率有关，但布设传感器时一般选取坡度≤3°，长度>120m的直线车道，而且布设区域一般采用水泥混凝土路面，因此振动频率的基本保持不变。

设行车速度为v，车辆振荡波长为λ，利用经验法得到的估计函数：

带入i点测量误差得到：Pn=P0-（1/n）・∑P（xi） （i=1，2，3…n） （4）

经计算得出，传感器的优化间隔由以下几个因素决定：

行车速度v：10km/h～80km/h

振动周波数f：1.5Hz～4.5Hz

相位？准：0～360°

当确定第一条传感器的初始位置后，由以上推导可知传感器的最佳间距，假设车身振动频率在1.5～5Hz之间，车速在20～60km/h之间变化，传感器的最佳布设间距如表5的2.5列所示数值。

根据以上试验可知，传感器最优布设间距随着车身振动频率的增加逐渐减小，随车速的增加逐渐增大。与车辆振动频率相比，车速对传感器最优布设间距的影响比较明显。一般情况下重车的振动频率在2～3Hz之间，通过收费站时车速在30km/h左右，因此当四排称重传感器结合宽板布设时，推荐传感器间距为0.83～1.67m之间。

4 结论

传感器布局采用4排压电石英动态称重传感器结合宽板对称布设，间距为0.8m、0.8m、1.4m。测试结果图7所示。

结果表明：重车在高速（出于安全考虑只测试到30km/h，传感器极限过秤速度可达到60km/h）过秤时精度能够达到±2.5%以内数据经过优化处理后能达到±1.5%以内，完全可以与静态秤媲美，为重车的不停车计费模式的实现提供了依据。

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