（交通运输工程专业论文）陕西高速集团超限治理系统设计研究.pdf

摘要 随着经济的快速发展，高速公路交通量迅速增长，各种载重货车、大平板车、带挂 汽车和集装箱运输车的数量和比重也急骤上升，一些运输单位或个人为了增加利润，不 顾行车安全，擅自对车辆进行改装，不仅危害自身安全，还使高速公路、桥梁及其附属 设施遭到严重破坏，不断增加高速公路养护成本，延长高速公路收费还贷周期。 针对这一现象，陕西省政府及时采取治超措施，治理超载超限行为，为保护交通基 础设施不受损害奠定了坚实的基础。 根据治超工程实施的要求，论文从治超人员、司乘人员、管理人员及管理部门等方 面分析了治超系统的功能需求，从系统的架构、功能、各单元工作原理等方面进行了详 细阐述。对于治超过程中的数据可重复性较弱及数据误差问题，论文采用滤波和误差补 偿的方法进行了修正，并对其效果进行了分析，数据证明这些处理是有成效的。 经过对治超数据的跟踪，实践证明，治超系统的实施，使超限、超载车辆的数量和 比例急剧下降，收到了特别好的效果。 超限治理系统的实施，保护了路产，但从另一方面，降低了高速公路入口的通行效 率。针对这一问题，论文提出了优化方案，通过增加控制系统和隔离盘交通隔离的方法， 提高在入口的治超效率，使未超限的车辆通过，而使超限车辆返回。 关键词：超限治理治超系统功能效果分析优化 a b s t r a c t a se c o n o m yd e v e l o p e dq u i c k l y , v o l u m eo ne x p r e s sw a yg r e wr a p i d l y a l lk i n d so f v e h i c l es u c ha st r u c k , t o wt r u c ka n dv a l ls u r fi n t oe x p r e s sw a y t h ev o l u m ea n dp e r c e n to f t r u c kr i s eq u i c k l y m a n yv e h i c l e sw e r er e b u i l tb yc o m p a n yo ro w n e rj u s tf o rp r o f i tp r o g r e s s s u c hn o to n l yp r o d u c e dp r o b l e ms u c ha ss a f e t y , b u ta l s oh e a v i l yd a m a g e de x p r e s s w a y , b r i d g e a n do t h e ri n f r a s t r u c t u r e i ta l s oi n c r e a s e dm a i n t a i n i n gc o s ta n dd e l a yr e t u r n i n gl o a n t h i n ko ft h i s ，t h eg o v e m e n ta d o p tm e a s u r eo fd i s p e l l i n go v e r l o a da c t i o n ，a n di tm a k ea s t r o n gb a s ef o rc o m m u n i c a t i o ni n f r a s t r u c t u r ef r o mb e i n gd a m a g e d a c c o r d i n g t ot h er e q u e s to fd i s p e l l i n go v e r l o a de n g i n e e r i n g ，t h ep a p e ra n a l y s i sf u n c t i o n r e q u i r e m e n tt od i s p e l l i n go v e r l o a ds y s t e ma tt h er o l eo fd r i v e r s ，w o r k e r s ，m a n a g e r sa n d m a n a g e m e n t i n s t i t u t i o n i td e s c r i b e ds y s t e md e t a i l sf r o mf r a m e w o r k ，f u n c t i o n sa n dt h e o r y t o i s s u mo fd a t ae r r o ra n dw e a ks t a b i l i t y , t h ep a p e rc o r r e c t e de r r o r sb yf i l t e r i n ga n de r r o r c o m p e n s a t i o n d a t aa n a l y s i ss h o wt h e s em e a s u r e si se f f e c t i v e b yt r a c i n gt r a n s p o r t a t i o nd a t a s ，t h ef a c tp r o v e dt h ep e r c e n to fo v e r l o a dv e h i c l e sf a i l e d d o w nq u i c k l yu n d e rt h em e a s u r eo fd i s p e l l i n go v e r l o a da n dg e ti d e a l l yr e s u l t t h es y s t e mp r o t e c t e dt r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，i ta l s om a k et h ee f f e c t i o no fp a s t i n g e n t r a n c ed e c r e a s e t ot h i sp r o b l e m ，t h ep a p e rp r o v i d e da no p t i m i z e dp l a nt oi n c r e a s ep a s t i n g e f f e c t i o na te n t r a n c eb ya d d i n gc o n t r o ls y s t e ma n dv e h i c l ed i v i d i n gp l a t e k e yw o r d s ：d i s p e l l i n go v e r l o a d ；d i s p e l l i n go v e r l o a ds y s t e m ；f u n c t i o n ；e f f e c ta n a l y s i s ； o p t i m i z i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：沸气钐 巧 年g 月趣日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 耥电 彦永许 川 年g 月趣e t 年与月返e l 长安大学工程硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着我国经济的快速发展，高速公路交通量迅速增长，各种载重货车、大平板车、 带挂汽车和集装箱运输车的数量和比重也急骤上升，特别是一些运输单位或个人不顾车 辆和公路承载能力及行车安全，擅自对车辆进行改装，使高速公路、桥梁及其附属设施 遭到严重破坏，由此引发的交通事故也日益增多，同时也不断增加高速公路养护成本， 延长高速公路收费还贷周期。 目前，非法超限运输车辆掠夺性使用高速公路的现状相当严重。 为了保护高速公路不被违规使用，各省采用了不同治理方法，而计重收费成为高速 公路治理超限运输的主流手段。2 0 0 3 年，河南省首先开始了计重收费，通过费率调整， 限制超限运输。计重收费政策遵循公平原则，多运多收费，少运少收费，当货物重量超 过所规定的标准载荷后，开始从通行费用上分档实施惩罚，超得越多，惩罚越严厉。江 苏、四川、辽宁、山西、天津、河北等省份在后续的几年内相继实施计重收费政策。 计重收费对保护路产有一定的作用，但并不能从根本上治理超限运输，超限车辆所 缴纳的惩罚性费用不足以维持对破坏的路面养护。超限运输依然存在，对高速公路的破 坏仍然在持续，对与之相连的二级公路和其它等级公路也造成了严重的影响。 1 1引言 1 1 1 超限运输严重损害公路和桥梁 大量超过公路、桥梁限载标准的运输车辆在公路上行驶，致使公路严重损坏，大大地 缩短了其使用年限。根据公路工程技术标准的规定，我国公路路面的设计荷载为单 轴双轮荷载1 0 k n ，公路若按这个荷载承载，在理论上，公路的使用寿命接近设计年限。 但若车辆作用于路面的实际荷载超过路面的设计荷载，那么公路的使用寿命将大大缩短 【l 】o 根据公路沥青路面设计规范和公路水泥路面设计规范进行理论计算，将车 辆实际轴载换算为标准轴载，当车辆轴载质量超过标准轴载质量一倍时，车辆行驶沥青 路面一次相当于标准车辆行驶2 5 6 次；车辆行驶水泥路面相当于标准车辆行驶6 5 5 3 6 次， 可见，超限运输车辆对路面的损坏是成几何级数增加的。研究的结果和实践也表明，轴 重的超限会使水泥路面的使用年限缩短4 0 左右，沥青路面缩短2 0 3 0 左右。 第一章绪论 一条使用年限为1 5 年的高速公路，如经常进行超限运输，则一般只能使用8 年左 右。超限车辆是造成公路使用寿命折减的头号缩星。超限运输还给国家造成了巨大的经 济损失。据不完全统计，1 0 9 国道北京境内4 7 公里路段系1 9 9 6 年投资3 7 6 0 万元建成， 由于运煤车辆超载，改造后仅一年时间，公路路面全部损坏，桥梁涵洞也不同程度损毁， 直接经济损失达3 0 0 0 多万元。 山东省枣庄至木石一级汽车专用公路于1 9 9 5 年建成通车，设计使用年限2 0 年，由 于超限运输，结果仅使用3 年4 个月时间，水泥混凝土路面破损1 5 万多平方米，破损 率达2 3 ，其中南半幅路面因超限车辆行驶较多，破损率达4 4 ，北半幅路面因超限车 辆少，破损率只有1 3 ，二者差异极为明显。对超限车辆的整治已到了非治不可的地 步。 超限运输对桥梁的安全也构成了重大威胁。车辆严重超限，即使设计标准较高的水 泥混凝土桥梁也会产生桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢筋锈蚀，缩短 桥梁寿命，在桥梁的薄弱环节如伸缩缝接口的钢材焊口开焊破坏、桥头填土下沉产生桥 头跳车，甚至还可能由于车辆荷载超过桥梁设计极限使桥梁损毁崩塌。桥梁设计荷载7 0 年代大体为汽车1 5 级，以后提高到汽车2 0 级，目前，干道上少数桥梁的荷载标准为汽 车超2 0 级。正常的黄河1 5 0 型车，总重1 5 吨，后轴重1 0 0 k n ；合乎汽车一1 5 级标准， 如果超载6 0 ，后轴为1 3 3 k n ，即大于汽车2 0 级标准( 后轴荷载1 3 0 k n ) ；如果超载1 0 0 ，后轴重1 5 5 k n ，将大于汽车超2 0 级的重车标准( 后轴荷载1 4 0 k n ) 。 天津彩虹大桥是1 9 9 8 年建成的，造价3 8 亿元，通行一年半，因大型超限车辆过多， 引桥桥面的半刚性基层破坏，已经重修。江阴大桥路面质量与世界6 座著名桥梁等同， 其中，土耳其博斯普鲁斯海峡大桥日交通量为1 0 万辆，通车1 2 年桥面还很好，可是， 江阴大桥日交通量2 7 5 万辆，其中超限车辆约占5 0 以上；而超限3 0 以上的车辆又 占超限车总量的7 0 以上，其中不乏超限百分之百的车辆。因超限车辆过多，通车仅两 年，重车道就开始有局部损坏。京沪高速公路全线通车后一年时间桥面被压得支离破碎， 大桥不堪重负，桥梁局部钢结构出现变形；平坦的路面出现大面积龟裂，桥面沥青层原 为5 厘米，由于超限车的无情辗压，凹凸不平的桥面，有的面层厚度达8 厘米，有的仅 1 厘米，路面龟裂严重处竟能插进两指。其中，由北向南的车道“伤情”尤为严重。 1 1 2 超限运输车辆行驶公路严重影响交通安全 近年来我国发生的一系列群伤群死重大交通事故，许多均与车辆的超限、超载有关。 2 长安大学工程硕士学位论文 车辆严重超限，使车辆的技术状况大大降低，车辆的行驶稳定性、刹车性能、悬挂承荷 能力、转向可靠度趋差，轮胎爆胎可能性增大，极易引发交通安全事故。另一方面，汽 车长时间超负荷工作，磨损加剧，车辆使用寿命大大缩短。据了解，京沪高速公路江苏 沂淮段在一年时间内因车辆超限所造成的交通事故共4 6 起，死亡6 1 人，伤1 2 3 人。广 东京珠高速公路粤境北段开通半年就已经死了8 0 多人，经交警交通部门的专家分析， 也与车辆严重超载超限有直接关系。超限运输严重扰乱运输市场秩序，引起恶性竞争。 超限者以获取更大利益为目的。由于运输市场运力供大于求，竞争激烈。承运者为 争揽货源，竞相降低运输价格。以低运价吸引货主。压价的结果使社会必要运输价格低 于正常运价水平。为了弥补降价造成的经济损失，车主采用多装和逃避交通规费的办法 获得补偿，使运力过剩的矛盾更加突出，拉不到货的车主则以更低的运价争揽货源，又 以更多的超载来减少亏损。于是陷入一个“超载运力过剩压价再超载”的循 环往复、愈演愈烈的怪圈 2 1 3 1 1 4 1 。 2 0 世纪7 0 年代末和八十年代初，一般普通散货运价在0 3 元吨公里，但目前已降j 到不足0 2 元吨公里。例如，从安徽阜阳至宁波的公路货运，1 0 年前汽油价格为1 7 2 元升，运价为2 0 0 元吨，而今汽油价格约为2 8 元升，运价仅为1 1 0 元吨。八十年代 的物价水平低于现在，现在的运价却低于前，这是很不正常的运价水平倒置，不符合市 场经济规律，是一种非正常经济现象。因为竞相超限运输，部分汽车制造厂家被利益驱 动，迎合市场，非法生产“大吨小标”汽车和非法进行汽车改装，使超限运输呈规模化，、 进一步加剧超限运输。同时，由于国家对运输市场的调控力度不足，法规滞后，不能从 根本上对车辆超限现象及时予以整治，放任了对超限车辆的管理，在一定程度上又增加 了运输市场的无序竞争。 1 1 - 3 超限运输扰乱路桥收费政策，制造新的不公平 由于所有公路收费都是按车辆核定的吨位收费，超限车辆装载量超过核定的装载 量，使平均每吨位实际交费额减少，降低了单位运输成本。这样，在同样运价水平时， 超载运输者就可获得比守法经营者更多的利润。对于国家来讲，漏征了大量规费，对于 遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。运输者为了提高其利润水平，降低运输成本，少 交费，是降低成本增加收入的手段之一。超限运输降低了公路的使用效率，污染环境。 严重超限车辆一般车速都很低，有的不足4 0 k m t ，由于走不快，且由于超限车的车 体大，影响后车通行，常常造成交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。特别是高速公 第一章绪论 路，高速公路对货车的设计时速一般在7 0 公里以上，而严重超限车辆一般只能行驶三 四十公里，有的更低，造成高速公路低速行驶的尴尬局面。另外，超限车辆由于荷载大， 在起步、爬坡时大冒黑烟，造成路面和环境的污染【5 l 。 针对超限治理问题，不但要依靠治超人员的努力，还要依赖先进的技术手段，弥补 人工治理存在的不足。在这样的背景下，陕西省展开了系统化的治超行动，而超限治理 系统，为保障治超效果提供了最根本的手段。 在相当长时期内，静态称重磅秤一直是车辆超载检查的唯一技术装备，但是，这种 称重装置在工作时，需要从正常行驶的车流中拦截和引领少部分车辆到静态称重场地进 行称重检查，而且车辆必须停放在磅秤上，因此，其称重耗费的时间长，对车辆正常营 运造成了影响，故随着交通量的不断增长和超载现象的蔓延，这种传统检测手段已难以 达到有效监测的目的。 1 2 国内外超限治理现状 1 2 1 国内高速公路超载管理现状 超载超限运输已成为严重影响国家和人民财产、危及社会经济秩序稳定的一个突出 问题。近几年，交通部、公安部等相关部委在国务院的领导下，对全国高速公路超限运 输情况进行了综合治理。 开始实施时，主要是应用行政手段来治理超限超载，在各收费站前设置超限检测站 来治理超载超限运输，对将驶入高速公路的货车先进入超限检测站进行称重，如果不超 过规定的轴重和总重方可驶入高速公路，对于超过规定重量的车辆则不允许驶入高速公 路。这样保证了超载车辆不能行驶在高速公路上，不会由于超载运输对公路造成破坏。 但实施效果并不理想，一方面是征费和管理超限分开管理不便，另一方面设置超限检测 站，要配备相应的检测设备和工作人员，这些开支是比较大的，影响公路的经济效益。 为了更好地解决超限超载问题，结合收费系统，考虑采取经济手段，在收费站设置 计重系统，采用计重收费方式。从实施情况看效果不错。目前计重系统的设置主要有以 下几种形式： ( 1 ) 在收费广场的出口设置计重系统。在收费站分别对正常车辆和超限车辆征收 不同的通行费，使超载者无利可图，从而减少车辆超载。这种方式是主流的计重收费方 式，很多省都采用这种方式，如江苏、山东、安徽、河南、青海等省( 这5 个省是最早 4 长安大学工程硕士学位论文 实施计重收费的) 。这种方式对正常车辆和超载车辆按其实载吨位和行驶里程收取不同 的费用，对各通行车辆都是公平的。在这种条件下，根据车辆实际重量收取通行费是一 种比较合理而科学的收费方式，既能保证道路经营者的收益，又能切实保护守法承运人 的合法权益。该方式比较方便，可操作性强，不需要额外增加管理人员，收费员能一次 性完成整个计重和收费过程，但在初期超重车辆会对公路造成一定的损害。 ( 2 ) 在收费广场入口前端设置超限检测设备，对驶入收费站的车辆进行重量检测。车 辆如果超载，则令其退出收费广场，不允许驶入公路，以减轻对公路的损害。山西省采 用这种方式：在收费广场前设置指示信息，货车必须驶入专用的检测车道，货车专用检 测车道人1 2 1 收费岛头前5 0m 设置计重设备，对通过的车辆称重。如果超重，则引导车 辆在收费广场掉头，驶离高速公路；如果车辆正常，则让其驶入入口收费车道。这种方 式虽然能避免超载车辆对公路的损害，较好地保护公路，有效地延长公路的使用寿命， 节约公路维修费用，但对于交通量大的公路影响较大，收费广场的管理有一定难度。 ( 3 ) 主线高速预检和超限检测称量。此种方式是在公路的主干线上设置高速称重系 统，对通过的车辆提前进行检测，若发现车辆超载，则警示驾驶员必须进人检测站，在 检测站进行精确称量，并按规定卸载后，方可驶入公路。这种方式在重庆市部分高速公 路上采用，按规定对超载车辆实施卸载，但需在公路沿线设置多处检测站和货物堆放站 场，需要投入大量的人力、物力，同时也不利于对检测站数据、货物场货品进行统计和 集中管理。 1 2 2 国外超限治理现状 美国出台多部法律治超，早在1 9 1 3 年通过第一部限制车重的法律，在2 0 世纪5 0 年代就开始进行超载货车对道路的损坏研究，建立了严格的法律制度，广泛采用车辆静 态和动态称重设备对车辆超限情况进行检测。美国约有1 0 0 0 多个动态称重站，采用照 相机和路边控制器技术，并与高速公路巡警车中的笔记本计算机相连接，对货车进行检 查，可以及时观察数据和鉴别超载车辆的身份。多部联邦法律，对超限超载车辆的管理 做出了明确规定。目前，美国的超限超载车辆约占被检测货运车辆总数的3 5 。处理 超限超载车辆的主要措施有：一是向违章车辆发出违章传票，确定罚款金额。并辅以其 他惩罚措施，如交付路产补偿金、被列入驾驶员和运输企业不良记录档案等。二是卸载 或均载( 移动货物直到轴载不超限) 。三是对严重超限超载或屡次违章者采取司法行动， 包括刑事诉讼、短期拘留和多达1 年以上的监禁【6 】。 第一章绪论 韩国超限超载车辆仅占1 5 ，从1 9 7 3 年7 月开始对重车实行重点检查。1 9 9 4 年 1 0 月，超限超载车辆过多导致圣水大桥坍塌后，韩国政府进一步加大了治理力度，在全 国设立了4 0 0 余个超限超载检测站( 点) 。目前，韩国超限超载车辆仅占被检测货运车 辆数的1 5 【刀。 韩国法律规定，对超限行驶者或强迫驾驶员超限运营者判处1 年以下有期徒刑或处 以2 0 0 万元韩币( 约合人民币1 5 万元) 以下罚款；对擅自改装车辆或妨碍检测者处2 年以下有期徒刑或处以7 0 0 万元韩币( 约合人民币5 2 万元) 罚款。超限运输车辆一经 发现，将被公路部门直接引导至法院接受法律惩处。 德国在德国联邦货物运输局内，设有专门机构管理超限运输车辆，有权扣留并处 理违章车辆。在8 个州设有分部，还设有3 个小型机构对车辆违章罚款进行处理。在全 国1 1 万公里的高速公路上共设有7 0 0 多个检查站，对车辆超重、装载尺寸超限、司机 超时行驶、危险货物运输等进行检测，对违章车辆有权扣留并进行处理。如对超限运输 驾驶员的管理办法中规定，第一次驾驶员将被登记在案并口头警告；第二次被发现将面 临三个月的监禁：一年内发现超限三次以上的驾驶员，将吊销驾驶执照，登上”黑名单”， 终身不得从事驾驶行业工作，迫使没人敢开超限车。 南非重视自动称重技术的应用非常重视车辆自动称重技术的研究工作，将电子秤 应用于治理超限超载工作中。电子秤可以对时速不低于1 0 公里的重载车辆进行自动称 重，并显示在重载车辆信息管理系统上，管理部门据此对这些超重车辆进行卸载和处罚。 这一技术系统在近1 0 年来的治理超限超载工作中发挥了巨大的作用，目前南非超限超 载车辆的比例已下降到1 0 以下。 日本在近4 0 多年内，对公路超限超载运输的限制标准，采用了长期稳定不变的政 策，对运输车辆有严密的法规进行约束。做到有法可依，有法必依。实行一超三罚”制 度广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费站设有电子秤测 量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。在实施惩罚的手段和方式上，对超限超载 者从严处罚，采用罚货主、罚运输企业、罚司机的”一超三罚”制度。 根据日本相关法律，超过行驶证最大载重量的，处6 个月以下徒刑，1 0 万元罚款( 约 合人民币7 4 0 0 元) ；超过车辆总重量一般限值2 0 吨的，处以3 0 万元罚款( 约合人民币 2 2 万元) ；禁止货运企业接受超载运输业务或指示驾驶员进行超载运输等。】澳大利亚， 对超限超载的处理方式一般是修路，即按承运货物的起点到终点，负责修理该路段所有 的损坏路面。 6 长安大学工程硕士学位论文 为了减少超载车辆对道路基础设施的严重破坏，各国都在寻找有效的技术手段。传 统的方法对超载车辆的监测主要由静态磅秤完成，但这种系统不可能对全部通过道路的 车辆实施检测，往往只能抽取很小的一部分来进行，于是，研究开发更加有效的车辆称 重设备和技术成为许多国家的道路管理部门的科研重点。 美国自上个世纪5 0 年代开始着手研究车辆在正常行驶速度下测定车重的动态称重 系统；到7 0 年代和8 0 年代，嵌入式或外置式道路传感器进入商业应用；9 0 年代中期动 态称重系统( w m ，或称为不停车车重检测系统) 开始成为美国联邦公路局( f h w a ) 的研 究目标。同样，7 0 年代欧洲各国( 尤其法国和英国) 也开始开发动态称重系统，并于1 9 9 2 年推荐列入欧盟( e c ) 支持的优先研究项目( 即“运输科学和技术合作”计划c o s t 3 2 3 ， w 叫q ，1 9 9 3 - - 1 9 9 8 ) 。目前，全世界大约有1 0 0 0 个装备有动态称重系统的大型 车重检查站点，其中美国约占4 5 ，欧洲为3 0 ，澳大利亚为1 5 。 动态称重系统( w 娴可以克服静态磅秤耗时长、效率低和应用范围有限的缺点，但 也存在着不足，即不能像静态称重系统那样可以通过磅秤检查、建立、储存和检索其他 有关信息，这些信息包括客户、产品、货物承运人、司机身份证、车辆注册、挂车标志 牌、牵引车和挂车总重、供应商和目的地等。当然如果结合使用视频装置，动态称重系 统也可获得上述某些信息。 动态称重系统分为车载动态称重系统以及安装在路面和桥梁的动态称重系统等。前 者根据车内设备获取的作用力和加速度测量值，来测定车辆的总重；后者通过安装在路 面上、路面内或者桥梁结构内的传感器测定车轮作用力，再经过适当的算法计量相应的 静态载荷。 根据适应车辆通过速度的不同，路面动态称重系统还可以划分为两种基本类型：低 速动态称重系统( l s w v i ) 和高速动态称重系统( h 洲讧) 。低速动态称重系统安装在 规定的称重场地，当驶离交通流的车辆以低于1 5 k m h 的速度通过时，即可测定车辆重 量。这种系统的精度，足以满足车辆超载执法工作和道路收费标准的要求。高速动态称 重系统安装在行车道内，它可连续收集汽车在正常车速下通过时的车重、车速、行驶时 间、车轴构型和交通量结构。高速动态称重系统的主要优点是，所有汽车的相关信息可 以在很少或不中断交通流的条件下进行记录。这种系统所提供的信息，还可用于路面、 桥梁和道路管理中的统计计算。 7 第一章绪论 1 3 超限治理工作存在的问题 国内目前在高速公路计重管理中存在的主要问题就是计重设备的选择和系统工程 施工。 1 3 1 称量准确性的问题 计重管理中的动态称量设备可以选择动态汽车衡和动态轴重仪。其中动态汽车衡主 要用于海关、港口等部门对车流量较大的场合进行商业性称量，当然也可用于公路超载 车辆的检查，准确度等级通常为o 2 级和o 5 级。动态轴重仪主要用于公路超载车辆的 检查，也可用于较狭小场合对地质物品贸易结算的称量，准确度通常为0 5 级、1 级和2 级。如果准确度超过2 级，如5 级和1 0 级，则其称量示值只能作为对可能超载车辆的 预选，通常不作为对超载车辆的罚款依据。 国内目前安装计重系统的称量设备绝大多数为动态轴重仪，其厂家标称准确度一般 都为2 级( 2 ) 以上，满足贸易结算衡器的要求。但是，厂家宣称的准确度一般在高 速公路安装后均达不到，一方面是我国的高速公路在修建时绝大多数没有考虑计重管 理，因而也没有预留一个专门对超载车辆进行称量的区域，只好在高速公路的入口或出 口设置一个称重区，因陋就简，这样的称重区远远达不到动态轴重仪安装的技术要求。 另一方面，有些厂家急功近利，在产品设计、生产方面存在严重缺陷，因此，在实际使 用过程中，测量误差往往较大，引起车主较大的异议，甚至引起严重的暴力抗法事件， 对此，有此计重收费站点采取将实际测得的重量降低5 以后再计算超限率的办法，并 将减让后的重量显示在费额显示器上，以减少与车主的纠纷【8 】f 9 】0 0 1 。 按照o i m l r l 3 4 标准，动态轴重仪的安装应确保现场的环境对称量结果的影响减 至最小，衡器两端行车道应保持6 m 以上的直线距离，承载器及其两端的路面应处于水 平状态，路面起伏不应超过3 m m ，应提示过秤车辆的驾驶员按照要求的车速匀速通过， 如果称重衡器是安装在地坑中应具有排水系统。这样的要求对于我国目前的高速公路系 统来说是太高了，在现有的高速公路上几乎没有可能达到。因此在这种条件下安装的动 态轴重仪称量准确性是无法达到产品的设计值的。公路计重系统中称重系统准确性一起 是困扰管理部门、使用部门和生产厂家的难题。执法的严肃性受到质疑。 与此成为对照的是安装在各地超限监测站的动态轴重仪的技术状态。超限检测站基 本上都是在原有车道旁重新设置检测车道，有专门的停车场，因此如果施工条件良好的 长安大学工程硕士学位论文 话，是可以达到o i m l r l 3 4 规定的安装条件的，因此，安装在超限检测站的支柱轴重 仪称量准确性一般比安装在高速公路出入口的设备要高。 另外，某些设备生产厂家在产品制造过程中在结构设计、器件选型和施工等方面由 于认识不足或者出于降低成本的考虑，牺牲了系统地可靠性和稳定性，设备安装运行一 段时间后，称量准确度大幅度下降，这也是目前国内动态轴重仪表现出精度低的主要原 因之一。 1 3 2 设备检定和使用中的问题 在各地的高速公路计重管理系统中，都把车型判别作为超限判别的重要依据之一， 很多地方都参照g b l 5 8 9 2 0 0 4 道路车辆外廓尺寸、轴荷籍质量限值标准制定了各地 轴载质量和整车质量的超限标准，如河南省规定单轴单轮的计重标准为7 吨，单轴双轮 为1 1 5 吨，并装双轴为1 8 吨，并装双连轴为2 4 吨等。但这里隐含了一个问题，即用于 集中管理的轴重仪的轴载质量称量示值是否可以作为执法的依据。 目前国内对动态轴重仪的检定一般是按照j j g 9 0 7 2 0 0 3 动态汽车衡标准中关于 自动轴重仪的有关规定操作，该标准是按照国际建议第三搞o m l r l 3 4 a 车辆累计重 量为蓝本制定的。具有一定的局限性仅限于对“车辆整车示值”的要求，并未涉及 “车辆轴载示值或轴组载荷示值”所需内容。这样，计量技术机构由于缺少必要的技术手 段和法律依据，在对轴重仪的动态称量特性的考察中，仅以车辆总重累计示值是否合格 为判断产品是否合适的标准，忽略了轴载荷示值的检定，或者说难以对轴载荷示值进行 检定。而使用部门又使用动态轴重仪的轴载荷示值对超载车辆进行处罚，这样的矛盾是 普遍存在的。如果某一超载车辆车主对此提出复议要求，那么使用部门将陷入尴尬的地 步。 本研究项目的依托工程是“陕西省高速公路建设集团公司治超检测站紧急改造工 程”。 1 4 论文内容安排 结合“陕西省高速公路建设集团公司治超检测站紧急改造工程”，论文对治超过程的 技术方案进行了全面阐述，各章节安排如下： 论文第一章介绍了治超工作的背景环境，对国内外治超状况进行了简要分析，整理 了治超中存在的技术问题；论文第二章对治超系统的功能进行了分析，从系统的角度以 9 第一章绪论 及相关角色的角度，分别做了需求说明；论文第三章根据分析结果，涉及了治超系统的 架构及工作流程，并确定了软件系统的总体架构；论文第四章以系统软件为重点，设计 了软件功能并制订了数据通信协议：论文第五章重点介绍了独立工作的称重单元的结构 和组成及其工作原理，在第六章对称重数据的处理进行了重点阐述，通过多种滤波方法 和补偿方法提高系统数据精度；第七章对整个治超系统的控制单元进行了系统设计，使 得各部分能够协同工作，完成治超流程；在第八章对治超系统实施后的效果进行了分析； 通过运行效果分析和实践验证，对于现有系统中存在的问题，在第九章提出了优化方案， 通过设立隔离盘提高系统工作效率。 i o 长安大学工程硕士学位论文 2 1 系统总体分析 第二章系统需求分析 在治理高速公路超限车辆的工作中，系统的构成包括两大类：( 1 ) 系统涉及的实体； ( 2 ) 系统的相关规定，这是构成系统的基本要素【】0 2 。 车辆超限治理的工作，涉及路产路权，一般由路政部门负责。根据陕西省的具体情 况，集团设有路政支队，每个分公司有路政大队，管理所有路政中队。路政中队管理若 干超限治理点( 每个收费站的入口均有治理点) ，其对应关系为： 图2 1 超限治理机构层次结构图 每个治超站设有站长、若干班组，每个班组设有班长和治超员。同时，还有治超督 察人员。当治超站投入使用后，待检车辆就可驶入治超站，进行例行检查。 因此，系统的用户包括：站长、班长、治超员、督察员、司乘人员。 根据超限治理的有关文件规定，结合系统运行的具体环境条件，治超系统应该有如 下业务功能 2 1 1 业务功能需求 1 ) 系统支持两种检测称量模式，即动态称量和静态称量。般情况下，动态称量 可以满足使用要求，工作效率较高，特殊情况下( 如复称) ，需要通过静态称量 第二章系统需求分析 来提高称量精度，因此系统应该支持两种称量模式。 2 ) 准确计量车辆各轴重量及总重，并自动检测出车辆轴型、轴数、联轴、联轴数、 轮胎数、轴距、车速、车辆加速度等，并发送给车道控制机。 3 ) 能处理车辆排队、倒车、不完全进入、不完全倒车、完全进入后又倒车；左右 偏驶，走s 形、跳秤、点刹车、急加速、急刹车等，复杂多变的行驶状态。 4 ) 能够将测量数据在秤台仪表显示的同时，通过串口或以太网传送到控制管理计 算机； 5 ) 控制数据采集器具有进入标准状态的密码，通过输入密码进行参数及功能的调 试，不会因其它人员误触数据采集器的按键而影响收费的正常进行。 6 ) 计重设备的参数储存器具有保护连接装置，具有授权的访问密码，同时，可以 记录上一次的改动，记录包括数据、时间等。 2 1 2 其他需求约束 1 ) 系统中采用车辆分离器，在恶劣的环境气候中保证长期可靠运行，同时能保证 完全消除跟车现象和车辆错误分离操作，将半挂车，全挂车，单车可靠分离， 保证称重检测数据与车辆的一一对应，不会出现由于误判而产生多车或少车现 象。 2 ) 系统具有自动缓存功能，按照先进先出的方式存放，前一辆车的数据传到收费 计算机，但处理过程没有结束，后一辆车的数据暂存于车道控制柜数据采集器 缓存消息队列中，并尝试重发，直到发送完成，避免此次检测数据被冲掉，从 而保证称重检测数据的完整性，同时也保证车辆与检测数据的一一对应关系。 3 ) 系统具有故障自检功能。系统中各设备、线路故障时，系统能显示该错误信息 并能将故障信息传送给车道控制机。能检测出车辆异常行为，保证车辆信息的 准确性。 4 ) 系统提供与车道收费计算机的通讯接口及通讯协议及动态连接库，方便车道计 算机与计重系统的连接。 5 ) 计重设备具有开机自检，空闲时定时自检，零点校正和自动温度补偿功能。 6 ) 承载器单轴承载能力达到4 0 吨。 7 ) 承载器称重台采用浅基坑安装，具有防尘，防冲撞功能，安装维修量小，方便 等。 1 2 长安大学工程硕士学位论文 8 ) 可识别轮轴，具有较高的识别准确率。 9 ) 在每条车道安装环形检测线圈，直接相连至集线井，以提高车辆分离判别的正 确率。 l o ) 计重设备具有调试、检测用数字数据采集器显示面板，可以显示各种轴型、轴 重、车辆总重和车速。 1 1 ) 设备采用不锈钢材料，所有活动金属部件均有可靠的防锈功能。 1 2 ) 超限治理系统计重设备和计重收费系统统一考虑，充分考虑与计重收费设备的 兼容性，减少运行维护成本。 1 3 ) 远期，近期结合，既考虑系统开通初期的需要，又要考虑交通量增长对系统的 要求，设备应该有超前意识，更多的使用新技术、新产品。 1 4 ) 节约投资，提高效益，使系统更合理、更先进、更实用、更经济。 2 2 司乘人员的需求 1 ) 具有明确的引导指示，可将车辆导入称重称台； 2 ) 能直接看到当前车辆的载荷重量及超限情况，给出明确的超限正常提示； 3 ) 称重误差小，可进行倒车和重新称量； 4 ) 称重速度快，节约时间； 5 ) 交通畅通，公平合理。 2 3 治超人员的需求 1 ) 车辆到来时，系统有提示； 2 ) 显示车辆轴重和总重信息； 3 ) 对车辆的超限情况准确判断，给出明确信号； 4 ) 可处理倒车重新称重的流程： 5 ) 称重误差小，避免引起纠纷； 6 ) 称重速度快，避免交通阻塞； 7 ) 当设备故障时，系统能够自动报警。 1 3 第二章系统需求分析 2 4 治超督察的需求 1 ) 准确记录每个车辆的轴重、总重及超限情况； 2 ) 按照时间和车轴数来查询车辆称重数据； 3 ) 核对总车辆数、超限车辆数及正常车辆数； 4 ) 根据查询的车辆称重信息，查看对应视频； 5 ) 提供超限工作的月报表和任意时间段的报表。 2 5 上级管理机关的需求 1 ) 各个治超站将业务数据实时传送到上级管理部门； 2 ) 各个治超站准确记录每个车辆的轴重、总重及超限情况； 3 ) 按照时间和车轴数来查询某个治超站的车辆称重数据； 4 ) 提供各个治超站超限治理工作的月报表和任意时间段的报表； 5 ) 提供所辖治超站的总体情况月报表、季度报表、半年报表和年报表； 6 ) 提供所辖治超站任意时间段的总体情况报表； 2 6 系统辅助需求 1 ) 当班组进行交接班时，能够转换身份，具有权限管理功能； 2 ) 可将业务数据备份到计算机外，也可将已备份的数据恢复到系统中使用； 3 ) 系统软件与上级软件之间可进行数据交换与通信； 4 ) 可根据用户需求，删除冗余数据，整理存储空间。 1 4 长安大学工程硕士学位论文 第三章系统架构及工作流程设计 3 1 系统总体设计原则 称重检测站功能完备，自动化程度高，可以大大提高工作效率，减少不必要的人力 资源浪费。为了确保用户的投资得到最大利用率，系统的设计遵循以下原n e , , j ： 1 ) 可实现原则 一个系统的可实现性是成功的关键。称重检测站的建设是一个复杂的系统工程，其 情况也千变万化，虽然对系统的自动化需求较高，但应结合已有技术，保证系统的可实 现性 2 ) 稳定可靠原则 可靠性是一个系统的最重要因素，对于称重检测站来说尤为关键，称重数据的可靠 将减少许多不必要的麻烦。 3 ) 科技先导原则 称重检测站是一个基础建设，瞄准当今科技发展方向，充分考虑到系统整体设计的 先进性，并采用先进成熟的主流技术，保证系统设计在一个时期内的科技先导性。 4 ) 可扩充原则 可扩充性是对一个系统的基本要求，一个优秀的系统应能根据情况的变化进行扩展。系 统采用标准化设计，使系统极易扩展。 3 2 总体结构 根据治超工作的现场情况，结合系统的功能需求，治超系统分为动态称重子系统、 车型判别子系统、超限执法子系统、车道控制子系统、视频监视子系统、超限报警指示 子系统和数据交换子系统共七个子系统，以完成治超管理业务【1 3 】 1 4 1 。 第三章系统架构及工作流程设计 超融泊璎系绞 图3 1 治超系统总体结构图 撄 限 撤 警 指 不 了 系 统 教 掘 蹙 换 孑 惹 缓 3 2 1 各子系统功能 1 ) 动态称重子系统：在辅助设施的配合下，完成对车辆总质量、轴载质量的检测，显 示车辆的称重数据； 2 ) 车型判别子系统：对受检车辆根据轮轴类型进行自动判别分类； 3 ) 超限执法子系统：根据超限执法的需要，把实测数据与规定的限重数据加以比较， 判定是否超限，并贮存和打印检测结果； 4 ) 车道控制子系统：可对出入检测车道的汽车自动控制，保证检测通道的顺畅： 5 ) 视频监控子系统：通过多组检测现场摄像机和录像设备记录检测过程，将超限报警 信号通过视频的方式保存，同时可自动识别车牌照； 6 ) 远程数据交换子系统：通过收费系统的专网，更新系统参数，并将检测数据传输到 上层管理机构； 7 ) 超限报警指示子系统：通过外设声光报警器、称重显示屏将受检车辆的检测结果及 超限状况提示给现场执法人员及司机。 3 2 2 系统软件架构 治超系统的软件分为治超业务处理软件、称重数据处理软件、治超数据管理软件和 视频管理软件。 长安大学工程硕士学位论文 l ：级静艘帆伤 治膨嚣搿讼i 甲皱，牛 孢超 c 总数纥 _ f 臼通税坂敏獬 渐超业务管理软件l 兰兰! ! ! ! 叶一瓣超数据管理软件ii 税懒管理欤竹 橡煎数撼 称虚数编处甥软件 图3 2 治超系统软件结构图 1 ) 称重数据处理软件：通过一组传感器获取当前车辆的轴重信息，对数据进行处 理后，通过串口将数据传送给治超业务处理软件； 2 ) 治超业务处理软件：通过串口接收来自称重数据处理软件的称重数据，通过轮 轴识别器、车辆分离器等设施获取车辆到达和离开称重区的信号，计算车辆的 总重量，最终识别车型，通过治超法规数据，判断车辆是否超限，并通过显示 设备输出，提供司乘人员称重数据和超限判断结果； 3 ) 治超数据管理软件：存储和管理治超数据，提供查询等功能，并完成与上级管 理机构软件的数据交换； 4 ) 视频管理软件：对治超过程的实时录像数据进行实时显示、存储、调阅和备份 管理。 3 3 工作流程 治超的工作流程如下： 1 ) 引导车辆进入检测车道。 2 ) 指示车辆在距称台外缘1 0 m 处停驶，告知承运人通过检测设备注意事项和停车位置， 并查看行驶证递交处理人员；( 根据管理需要) ； 3 ) 车辆以低于5 公里的速度匀速通过检测设备，系统检测到有车通过，抓拍该车图片， 操作员根据图片输入车号信息； 1 7 第三章系统架构及工作流程设计 婶孪鳓 b 冀章蓟 l 氰拍车强豳曩 i 输入窜辫够绶自幼诹 i翱擎驹垮 图3 3 治超现场工作流程图 4 ) 车辆完全通过检测设备后，称重信息上传到管理控制器，系统对上传的信息进行识 别保存； 5 ) 如果该称重信息有效，则根据检测标准对车辆是否超载进行判断：对不超载车辆， 系统打印检测报告单并交给司机( 根据管理需要) ；对超载车辆，系统除打印检测报 告单外，还控制黄闪报警对工作人员进行提示，超载车辆检测报告单作为处理依据 存档。 6 ) 系统打印检测报告单的同时，生成并保存一条原始( 和图片关联对应) 检测记录， 供统计报表及稽查使用。 业大学i 程蜮学位论史 7 1 治超员根据检测报告单，根据超限判定依据进行处理 a 1 对车货总重超限车辆，指挥车辆调头驶离高速路区域 b ) 对几何尺寸超限的车辆，查看是否持有超限运输通行证有的准予通行，没有 的责令其办理超限运输通行证后方可通行。 8 ) 未超载超限车辆允许进入高速公路，入口发卡收费员凭未超重超限货车车辆的打印 报告单后方可发放通行卡并放行( 根据管理需要) 罔3 4 车辆驶入称重区 筇三章系统架拘i 忭流程计 图3 5 车辆单轴称重显示 l 主三兰j 主 兰r 一7 ：爿兰气 ，7 ， 。 、 e毛7 ，一1 ，勇 摩瑟霹羹i 器誉歹i 图3 6 重量累计显示 瞵翦霖蓊- 蔫 三二三 a i 墨三i 、蠢 ，：j j 孽曼鬣， 第j $ 系构拦i 作漉鞋 图3 9