（交通运输工程专业论文）甘肃省高等级公路计重收费系统设计.pdf

t h e d e s i g no fh i g h w a yw e i g h t - c a l c u l a t i n gc h a r g e s y s t e mo f g a n s up r o v i n c e ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d a n gx i n y i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gg u i p i n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：它a 乙矽，年占月- r 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：眩旁乏一 铷一嗡 矽，年二月，g 日 户，年占月，日 摘要 随着我国高速公路的快速发展，按照车型收费的种种弊端也逐渐显现出来，超限 超载车辆的增多，引起公路路基、路面损坏，大大缩短了公路的正常使用寿命，超限 超载车辆行驶给道路交通安全带来极大影响，是引发交通事故的主要原因，超载超限 造成货物运价降低，对合法运输车辆造成损害，现行的按照车型收费的方式是造成“大 吨小标”和车辆改装的主要原因。同车型，空车与重车收费一致，不能真实反映车辆对 公路的占有和使用程度而计重收费作为一种更为公平、合理、并且具有经济调节机制 的收费模式逐渐被接受采纳。 本文通过对计重收费系统进行需求分析，针对功能性需求，对系统进行了模块化 设计。分别对系统模块：计重传感器模块、车辆分离模块、轮胎识别模块、单片机最 小系统模块等，进行了设计。控制器采用了f r e e s c a l e 公司生产的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 型单片 机，该型号单片机接口丰富并带有串行通信接口、c a n 总线通信接口。总线时钟频率 高达1 6 m h z ，并且可以采用锁相环倍频来获取更高的总线频率，完全可以满足计重系 统的测量速度要求。在软件设计方面主要对计重算法、车辆分离算法、轮胎识别算法、 压地作弊状态识别算法，进行了分析及设计，并对称重系统进行了实验测试，通过实 验数据与实际重量进行比较，得出该系统完全可以满足计重测量的工程应用标准。 在设计当中重点解决了：称重传感器的温度补偿及差动放大问题，在车辆分离系 统中关于红外抗日光干扰的问题、计重收费系统中影响计重收费精度的主要因素有哪 些、如何克服压地作弊的问题。 关键词：计重收费，传感器，单片机，锁相环，差动放大 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y si nc h i n a , a l lk i n d so fs h o r t c o m i n g sa l s o g r a d u a l l yr e v e a l e da c c o r d i n gt ot h em o d e lo fc h a r g i n g ，t h ei n c r e a s i n go fo v e r l o a dv e h i c l e s c a u s e dt h ed a m a g eo fh i g h w a y - s u b g r a d ea n dp a v e m e n t ，a n di tg r e a t l ys h o r t e n e dt h en o r m a l l i f eo fh i g h w a y o v e r l o a dv e h i c l e sh a v ed e e pi m p a c to ns a f e t yo fr o a dt r a f f i c ，w h i c hi st h e m a i nr e a s o no fl e a d i n gt or o a da c c i d e n t s o v e r l o a d i n gc a u s et h er e d u c t i o no ff r e i g h t t r a n s p o r tp r i c e ，a n da l s oc a u s et h ed a m a g ef o rl e g a lt r a n s p o r tv e h i c l e s a c t u a lw a y o ft o l lb y v e h i c l et y p ei st h em a i nr e a s o no f “s m a l ls t a n d a r do fb i gt o n a n dv e h i c l em o d i f i c a t i o n w i t h r e g a r dt ot h es a m em o d e l ，e m p t ya n dh e a v y v e h i c l ec h a r g e st h es a m ef e e s ，s oi tc a nn o tt r u l y r e f l e c tv e h i c l ep o s s e s s i o no nt h er o a da n du s el e v e l ，b u tc h a r g i n gb yw e i g h ti sg r a d u a l l yb e e n a c c e p t e dt h a tr e g a r d sa sam o r ef a i r ，r e a s o n a b l ea n dh a st h ec h a r g i n gp a t t e r no fe c o n o m i c r e g u l a t i o nm e c h a n i s m t h i st e x tm a k e sr e q u i r e m e n ta n a l y s i sb a s e do nt h ew e i g h t c a l c u l a t i n gc h a r g es y s t e m ， a n dm a k e st h em o d u l a rd e s i g nf o rt h es y s t e mi na c c o r d a n c ew i t hf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s s y s t e m m o d u l e i n c l u d i n g ：w e i g h t s e n s o rm o d u l e ，v e h i c l e s e p a r a t i o nm o d u l e ，t i r e i d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，m i c r o c o m p u t e rs y s t e mm o d u l ea n ds o o n c o n t r o l l e ra d o p t e d m c 9 s12 d g 12 8p r o d u c e db yf r e e s c a l ec o m p a n y , t h i st y p eo fs i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e ri s r i c hw i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b u sc l o c k f r e q u e n c yc a nu pt o16m h z a n dc a nu s ep l lm u l t i p l i e ra c c e s st oh i g h e rb u sf r e q u e n c y , w h i c hc a nc o m p l e t e l ys a t i s f yt h em e a s u r e m e n ts p e e dr e q u i r e m e n t so ft h ew e i g h ts y s t e m i n t h ef i e l d so fs o f t w a r ed e s i g n ，w e i g h ta l g o r i t h m ，v e h i c l es e p a r a t i o na l g o r i t h m ，t i r er e c o g n i t i o n a l g o r i t h ma n dt h es t a t eo fp r e s s u r et oc h e a tr e c o g n i t i o na l g o r i t h ma r em a i n l ya n a l y z e da n d d e s i g n e d a n dw e i g h t i n gs y s t e m w a se x p e r i m e n t a l l yt e s t e db yc o m p a r i s o nb e t w e e n e x p e r i m e n t a l d a t aa n da c t u a lw e i g h t ，a n di ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h e e n g i n e e r i n gs t a n d a r d so fw e i g h tm e a s u r e m e n t t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r em a i n l ys o l v e di nd e s i g n ：f i r s t ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n a n dt h ed i f f e r e n t i a la m p l i f y i n go fw e i g h t i n gs e n s o r ；s e c o n d ，i ra n t i i n t e r f e r e n c ep r o c e s s i n g i nv e h i c l es e p a r a t i o ns y s t e m ；t h i r d ，p r i n c i p a lf a c t o r sa f f e c t e dc h a r g i n ga c c u r a c yb yw e i g h ti n c h a r g i n gs y s t e ma n dh o w t oo v e r c o m et h ec h e a t i n gb yp i n n i n gt h eg r o u n d k e yw o r d s ：w e i g h t c a l c u l a t i n gc h a r g e ；s e n s o r ；s i n g l e c h i p ；p l l ；d i f f e r e n t i a la m p l i f i e 目录 第1 章绪论l 1 1 计重收费的背景研究1 1 1 1 车型收费方式的弊端1 1 1 2 计重收费方式的优越性l 1 2 国内计重收费实施情况2 1 2 1 国内计重收费发展现状2 1 2 - 2 计重收费实施后出现的问题4 1 3 论文的研究内容6 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统需求分析7 2 1 系统功能性需求7 2 2 可靠性需求7 2 2 1 系统界面及实时性要求7 2 2 2 安全要求8 2 2 3 稳定要求9 2 3 相关的政策及标准9 2 3 1 超载和超限认定9 2 3 2 计重收费标准1 0 2 3 3 计重收费算法1 3 2 3 4 相关政策规定1 4 2 4 系统运行环境1 4 2 4 1 硬件平台1 4 2 4 2 软件要求15 2 5 本章小结1 5 第3 章计重车道需求分析1 6 3 1 计重车道功能需求概述1 6 3 2 计重车道工作流程17 3 2 1 计重收费流程17 3 2 1 车型收费流程2 0 3 3 本章小结2 0 第4 章计重设备系统组成。2 2 4 1 测量原理概述2 2 4 2 硬件电路组成：2 2 4 2 1 传感器电路一2 2 4 2 2 信号放大与偏置电路2 5 4 2 3 单片机系统2 5 4 2 4 串口通信一2 7 4 3 计重电路存在的问题及解决方法2 8 4 4 计重系统软件算法2 9 4 5 实验测试数据3 1 4 6 本章小结3 1 第5 章车辆分离系统组成3 2 5 1 分离原理概述3 2 5 2 硬件电路组成3 3 5 2 1 红外传感器电路3 3 5 2 2 信号调制电路：3 4 5 2 3 信号解调电路一3 5 5 2 4 抗日光干扰原理3 5 5 3 车辆分离算法3 6 5 4 本章小结3 7 第6 章轮胎识别系统一3 8 6 1 轮胎个数识别3 8 6 2 车辆速度、加速度识别3 8 6 3 车辆轮轴识别原理3 9 6 4 车型识别4 0 6 5 轮胎识别器选型4 1 6 5 1 霍尔开关原理4 2 6 5 2 轮胎识别原理。4 2 6 5 3 相关技术指标。4 2 6 6 轮胎识别算法4 4 6 7 本章小结4 6 第7 章计重系统存在问题及对策4 7 7 1 计重设备在不同路面上的影响分析4 7 7 1 1 路面情况分析4 7 7 1 2 上下坡对称重的影响4 7 7 1 3 称重仪与路面相对位置的影响4 9 7 2 动态称重存在的问题及对策5 0 7 2 1 压地作弊原理分析51 7 2 2 应对方法5 l 7 3 本章总结5 4 总结5 5 参考文献5 6 攻读学位期间取得的研究成果5 8 致谢5 9 v 长安人学r t 程硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 计重收费的背景研究 1 1 1 车型收费方式的弊端 长期以来，我国公路收费一直以车辆核定装载质量为依据，按照车型分类的方式 收取车辆通行费。实践证明，这种收费方式存在诸多弊端。 ( 1 ) 超限超载车辆的增多，引起公路路基路面损坏，大大缩短了公路的正常使用寿 命； ( 2 ) 超限超载车辆行驶给道路交通安全带来极大影响，是引发交通事故的主要原 因： ( 3 ) 超载超限造成货物运价降低，对合法运输车辆造成损害； ( 4 ) 现行的按照车型收费的方式是造成“大吨小标”和车辆改装的主要的原因【l l ； ( 5 ) 同车型空车与重车收费一致，不能真实反映车辆对公路的占有和使用程度。 1 1 2 计重收费方式的优越性 计重收费是借助动态称重系统，根据收费站实地测量的车货总重及一定的收费标 准计算公路通行费收费额的一种通行费征收方式。收费公路实施计重收费考虑了新形 势变化的实际情况，其优越性体现在以下几个方面： ( 1 ) 充分体现了公平合理的原则 计重收费实测的车货总重为基础参数，比较准确地反映了车辆在收费公路行驶过 程中对道路损耗的经济补偿，真正地反映了车辆对公路的占有和使用程度，克服了以 往收费方式中重车、空车一个样、“一车多证”等不合理现象。多载多缴费、少载少缴 费，体现了公平合理的收费原则。 ( 2 ) 利用经济杠杆有效遏制超限运输、促进货运市场逐步迈向规范化 实施计重收费后，超载超限车辆必将为它给道路造成的损害付出应有的代价，使 其无利可图，合法装载的守法运输户利益也就得到有效保证，对于改变运输市场恶性 竞争以及不合理运价具有重要的意义，从而促进货运市场的健康发展。 ( 3 ) 收费公路路面、桥梁等得到了有效保护 实施计重收费后，运输业务合法装载，超载超限车辆大大减少，势必大大减小了 超限运输对公路路面和桥梁的过度损坏，同时，延长了公路的使用寿命。 ( 4 ) 有力提升高速公路服务水平 第1 章绪论 实施计重收费后，随着超载超限车辆的减少，交通事故大幅下降。据黑龙江省公 安厅交警总队2 0 0 9 年1 月交通事故统计资料，自1 月1 日计重收费实施后，全省交通 事故起数下降3 2 ，伤亡人数下降5 6 【羽。事故率的下降，减少了因事故产生的拥堵、 交通中断等行车延误，有力的提升了高速公路的服务水平，使高速公路安全行车环境 得到进一步改善，真正地发挥了高速公路在运输体系中的作用。 ( 5 ) 有利于汽车工业的健康发展 实施计重收费后，各类超载车辆，特别是“大吨小标”车辆，由于轴少载重多的明显 劣势，将不再有存在的市场。一方面，可以有效遏制非法改装的各类超载“怪车”的出现， 促进汽车技术的健康发展；另一方面，实施计重收费后，国家鼓励发展的推荐车型和 多轴载货车的车辆通行费将享受优惠，从政策导向上引导货运车辆发展、优化货运车 辆结构，促进我国汽车工业的健康规范发展1 3 l 。 1 2 国内计重收费实施情况 1 2 1 国内计重收费发展现状 国内首次出现计重收费是在2 0 0 1 年1 1 月天津的彩虹桥【4 】。随后的几年里，江苏、 河南等省份逐步在收费公路上开展计重收费试点工作。2 0 0 5 年1 0 月，交通部发布关 于收费公路试行计重收费的指导意见。截至2 0 0 9 年6 月1 日，全国有2 3 个省市实施 了计重收费，广东、甘肃、吉林、广西、浙江5 个省份计划实施，北京、上海有条件 实施。 已实施计重收费的省份，其计重收费方式和费率归纳如下： ( 1 ) 出入口车道均安装称重设备( 陕西) ；入口治超并对超限车辆劝返，并行干线 公路和农村公路设治超站；基本费率o 0 8 元吨公里；轴型按照国家标准划分；车货总 重1 0 吨至4 0 吨线性递减到5 0 ( 高速) 和8 0 ( 开放式路段) ，超载部分按基本费率 3 倍征收，超限部分按5 倍征收。 ( 2 ) 出口计重( 河南) ：仅出口设称重设备；轴载认定细分到单双轮胎；基本费率 0 0 9 元吨公里；费率无线性递减；超载3 0 以下按基本费率收取通行费，从3 0 5 0 、 5 0 , - - 1 0 0 、1 0 0 以上分别按基本费率的1 5 倍、2 倍、4 倍收取通行费，对超载车辆 属惩罚性收费性质。 ( 3 ) 出口计重( 青海) ：仅出口设称重设备；基本费率o 0 9 元吨公里；轴载同国 标；对超载车辆也属惩罚性收费，如超载3 0 以内，超载部分以2 倍重量计入车货总 重，按基本费率收费；3 0 以上的，原则要求卸载，难以卸载的超载3 0 - - - 5 0 、 长安大学工程硕上学位论文 5 0 0 * - 1 0 0 、1 0 0 以上各区间分别以超载部分的4 倍、6 倍和8 倍计入车货总重，按基 本费率收费。 ( 4 ) 出口计重( 宁夏) ：仅出口设称重设备；基本费率0 0 6 元吨公里；轴载认定 细分到单双轮胎；超载3 0 以内按基本费率收费，3 0 , - d 0 0 区间超出3 0 以上部分按 基本费率3 倍到6 倍线性递增收费。 此外，山东、江苏等省份也是实行出口计重，轴型认定细分程度不一，基本费率 不一；超载加收部分有线性递增和绝对数值之分。 不难看出，全国已实施计重收费的省份，大多数都实行出口计重，部分省份辅以 入口治超劝返，个别省份出、入口计重、治超三位一体：基本费率一般在0 0 8 - - 0 0 9 元 吨公里；部分省份对正常装载的某个区间有线性递减优惠；超载部分征收大部分省份 以线性递增方式收取，个别的以绝对倍数惩罚性收费，或以翻倍的重量计入总重按基 本费率收取。 对实施计重收费的贵州、江苏、河南、湖南、江西、福建和重庆七个省市调查分 析表明：实施计重收费后，车辆超限超载率下降，通行费有所增长，公路桥梁得到保 护，计重收费取得了显著的效果【5 1 。 ( 1 ) 超限运输超量明显减少 自实施计重收费以后，最直观的效果是货车超限运输车辆明显减少，严重超载超 限车辆得到有效遏制。 以江苏省的统计分析，2 0 0 6 年1 2 月超限3 0 - , 一5 0 的运输车辆从2 0 0 4 年1 2 月的 7 0 1 下降为3 4 8 ，超限5 0 1 0 0 的运输车辆从4 2 9 下降为1 0 0 ，而超限1 0 0 以 上的车辆更是从0 2 2 下降到0 0 3 。可见，计重收费实施后经济杠杆对超限运输的遏 制作用是比较明显的【6 1 。 ( 2 ) 运输结构更趋合理 计重收费通过经济杠杆，对国家鼓励发展的推荐车型和多轴大型车辆给予适当的 通行费优惠，用政策引导了货运车辆发展，优化了货运车辆结构。以贵州为例，自实 施计重收费后，大型货车比例明显上升，其中8 t 以上的大型货车上升了4 8 5 。运输 业发达程度居全国前列的江西高安市，计重收费前，有3 0 0 0 多辆严重“大吨小标”的2 轴、3 轴汽车从事运输，计重收费后，这部分车辆成本增加，纷纷采用加轴、变卖或转 挂其他地区，现只剩不到3 0 0 辆。由此看来，计重收费明显改善了运输市场的车型结 构，原来利润不高的5 轴、6 轴半挂车，其运输利润相对提高，车辆数明显增加，车型 一3 一 第1 章绪论 结构更加合理【丌。 ( 3 ) 通行费收入比例和结构日趋合理，通行费有所增长 原来按车型收费时，部分运输者为谋取利益，大吨小标、假证泛滥。实施计重收 费后，原来的一些漏洞不再存在，基本足额征收。而且原标准对超载部分无法足额收 取的通行费，实施计重收费后，超载部分不仅要缴费，还需加收，增加了费额。河南 自计重收费以来，正常通行费占到8 0 ，超载加收占2 0 ，高速公路通行费收入比例 和结构日趋合理。中原股份经营的g 1 0 7 干线公路收费站交通量比2 0 0 6 年同期递增了 7 4 ，通行费收入增加了1 3 2 。 ( 4 ) 有效治理“大吨小标”，公路运营管理效益普遍提升 计重收费实施后，车辆“大吨小标”没了用武之地，从根本上解决了“大吨小标”和涂 改行车证等偷逃通行费的行为，在一定程度上改善了运输市场恶性竞争等现象，堵住 了非法逃费的漏洞，减少了公路通行费的流失。同时也吸引了空车行驶高速公路，使 高速公路运营管理效益总体呈上升趋势。 ( 5 ) 促进公路运输业、汽车技术和汽车行业的健康发展 以江西为例，实施计重收费后，轻载率普遍下降，社会运输能力得到更充分的发 挥，运价也由平均0 3 8 元吨公里回归到o 4 7 元吨公里。同时，计重收费实施后，各 类“大吨小标”、改装怪车等无利可图，逐步退出运输市场，促进了汽车技术的健康发展。 ( 6 ) 国有资产得到有效保护 计重收费后，运输者多采用多轴车辆、合法装载，使得公路桥梁免遭超载破坏， 同时提高了行车安全。而公路管理部门也可将超载超限车辆加收的通行费全部用于公 路路面、桥梁的维护和公路技术等级的提高，从而使道路路面情况良好，桥梁安全得 到有效保护。 1 2 2 计重收费实施后出现的问题 虽然计重收费作为一种新的收费方式带来很多好处，但也正是因为它是一种新生 事物，还存在一个不断自我完善的过程，各种软硬件设施需要一个磨合期，出现一些 困难和问题也就在所难免。各地在实施计重收费工作中，主要存在以下问题【8 j ： ( 1 ) 认定标准不统一 各省根据各自情况，制定的计重收费费率不统一；计重收费轴限认定标准与治超 轴限认定标准不一致，导致运输业户对此有较大争议。 ( 2 ) 环境对计重设备有影响、计重存在的误差，容易引发争议 长安人学工程硕士学位论文 计重设备的稳定性在一定程度上受环境影响。如红外光栅在气候寒冷时容易结冰、 结霜，导致无法正常分离车辆；另外，动态称重设备本身受车速、称台受力方向、所 装货物形态等因素影响较大，不可避免会出现计量误差。对于有基坑的计重设备，大 量泥沙等杂物通过称台缝隙落入基坑而不及时清扫，会影响称重精度。当基坑积水时， 计重精度也会受影响。 称重系统也存在可靠性问题，如出现数据丢失、错误、轴型无法识别，数据叠加 和轴数判断错误等现象。 受以上因素影响，很容易引起司机抵触情绪，易发收缴矛盾。 ( 3 ) 收缴矛盾突出、出口车道通行能力下降 由于整个收费系统因计重改造，模块增加，反应速度明显变慢，影响车辆通行速 度；再者计重收费往往和治超工作捆绑在一起，大量的超限车辆需要劝返，争议频频 发生，故意堵塞车道的现象也经常出现；第三由于设备故障、软件问题使得车辆在车 道行驶情况复杂、特情增多。例如会出现轴型误判、多个称重数据、总轴数错判和车 辆分离不准确等问题，导致司机争议、车辆要求复称、收费员更改计重轴型、删除错 误数据等特情问题增多；第四，由于计重收费后收费额大幅增加，无钱缴费的现象较 车型收费模式下明显增多。以上种种因素，导致收费工作量大幅增加、收缴矛盾突出、 出口车道通行能力下降。 ( 4 ) 现场安全形势存在隐患 由于采用计重收费，司机往往为减轻计重重量，在通过称台时会突然加速，容易 对车道内车辆和人员安全构成威胁；或者倒车重称引起车辆碰撞事故；或者司机尽量 行驶在车道边道外侧，使一侧轮胎不从称重板压过，导致路缘石压坏，撞坏护栏或收 费岛头等收费设施，这样就造成道口存在安全隐患，容易引发堵车、追尾事件。另外， 也不排除一些不法车户不按章缴费，强行冲关，给正在征费区工作的人员带来安全隐 患。 ( 5 ) 治超站点与计重收费站点配合设置不合理，区域联动问题突出 从各省计重收费实施情况来看，实施的时间、进度和范围完全不统一，很多超载 超限车辆不按正常的行驶路线，总会想方设法找出一条没有集中收费或者计重收费最 少的路线，这样的路线一般路程较长，路况较差，运输效率低，安全性下降，对路的 损害又急剧增加，管理部门还要经常面对提出的诸如和“别的省没实行，你们省为什么 实行计重收费”、“你这个站计重，而平行的站点为什么不计重”和路段经营公司从自身 5 第l 章绪论 短期利益提出的“我这个站为什么要计重，而附近的站不计重”等投诉和质问。 ( 6 ) 衍生出更多逃费方式 实施计重收费后，超载超限车辆通行费较以往明显增多，这就使部分司机萌生了 逃费的念头。例如为减轻计重重量，部分司机在通过称台时突然加速，或者采用变换 车速、s 型行驶、反复进退等手段；更有甚者，在经过称台时采用垫钢板少轴组减轻重 量或遮挡光栅导致车辆无重等办法，以达到少交通行费的目的。诸多衍生的更多逃费 方式，在一定程度上影响计重收费的健康发展。 1 3 论文的研究内容 论文共分6 章内容，具体安排如下： 第1 章绪论。阐述论文的研究背景，确定研究内容。本章论述研究背景，分析国 内公路计重收费发展的现状、计重模式、存在的问题和发展趋势，并确定论文的研究 内容。 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统概述。对甘肃省高等级公路计重收费模式、 背景加以说明，并对系统进行概要性描述，明确有关业务、政策约定。 第3 章计重车道需求分析。对计重车道功能进行概要描述，对计重车道的业务流 程进行列举、描述。 第4 章计重设备系统组成。从计重系统结构出发，详细阐述了，计重传感器的结 构、计算以及如何使用温度补偿和差动放大的方法。在算法方面首先分析了造成计重 系统不准确的原因，其次根据其原因采用了平均值法这个简单而有效的方法来对数据 进行处理可以，以较小的计算成本获得较高的计算精度。 第5 章车辆分离系统组成。采用红外光幕式传感器对车辆分离系统进行设计，解 决了如何克服日光干扰的问题。 第6 章轮胎识别系统。通过对轮胎识别系统进行需求分析，总结出了轮胎个数识 别，轮胎加速度、速度算法、车辆轮轴识别原理等内容，从硬件和软件的两个方面分 别对轮胎识别系统做出了设计。 第7 章计重系统存在问题及对策。通过在不同路面情况下对车辆模型进行分析， 在称重仪与路面位置的不同情况下对车辆模型进行分析，得出了那些因素可以使测量 误差增大，并且对称重系统所存在的弊端，即跳秤现象进行了理论分析，并提出了相 应的算法来指示该次测量存在跳秤现象，从而可以弥补称重仪的不足。 长安人学工程硕士学位论文 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统需求分析 2 1 系统功能性需求 甘肃省高等级公路计重收费软件系统应通过在出口收费车道上安装称重检测装 置，对车辆进行重量检测及超限车辆的信息统计，判别车辆的超限超载情况，并以重 量划分进行收取费用的高速公路收费系统。因此其主要功能必须满足： 能对静态和低速通过的车辆进行称量： 能检测车辆通过车道时的速度； 能对车辆进行自动分离； 能检测车辆的轴、轴组及整车重量： 能记录车辆通过时间； 称重系统软件应在系统死机时能自动重新启动。 能形成完整的车辆称重信息，包括轴型、轴重、联轴信息、每轴的胎数、联轴 重量、轴距、总重等信息； 能通过数据接口将称重信息传输给车道收费计算机； 当最后一辆车不完全退出( 未收头) 并且再进入时，计重设备能够正确判断处 理该辆车的称重数据。 当车辆不完全进入( 未收尾) 并退出时，计重设备能够正确判断，撤销该辆车 的称重数据。 当车辆在称重平台上不完全倒车( 未收尾、也未收头) 并进入时，计重设备能 够j 下确判断处理该辆车的称重数据。 2 2 可靠性需求 2 2 1 系统界面及实时性要求 系统应从用户的角度去考虑问题，从用户的使用方便来设计系统，要使用户感到 一致、简洁、方便、快速；同时确保数据下载、上传及时。 ( 1 ) 有效性 在提高有效性方面采取如下措施：车道可离线独立工作，即车道机独立于收费站 数据库服务器，所有收费数据均可本地存储，当网络出现故障或服务器出现故障时， 车道机仍可独立工作；数据备份恢复，车道机可定期做数据备份，备份数据可随时导 出到软盘或光盘中，导出的数据还可直接导入收费站数据库。 - 7 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统需求分析 ( 2 ) 高效性 根据对车道处理效率的要求，软件能满足车道处理效率 ( 3 ) 灵活性 灵活性表明了在产品中增加新功能时所需工作量的大小。因此车道软件加大了灵 活性，由同一版本程序经过参数配置可以改为多个程序，如封闭式车道程序，可配置 为封闭式出口、封闭式入口、主线等； ( 4 ) 完整性 车道软件的完整性主要体现为身份验证、用户特权级别、访问约束或者保护的精 确数据。 保证收费数据的正确性、完整性、一致性是收费系统应该具备的功能，本系统采 用操作权限控制、密码控制、系统日志监督、数据更新严格凭证等多种手段以杜绝对 收费数据的窃取或篡改。 ( 5 ) 可用性 车道软件系统采用图形化的人机交互方式，使收费员对操作的每一步都很明了， 可最大程度的避免不必要的误操作。图形化的设备状态显示能使用户对当前的设备工 作情况有一个很形象的理解，既有利于用户做出正确的操作判断，也有利于系统的维 护管理。 ( 6 ) 可维护性 根据车道软件长期工作的特性，因此车道软件要求有较高的维护性，具有数据恢 复功能，软件自动升级功能。 ( 7 ) 适应性 适应性主要是要兼顾到高速路和等级路两种情况，车道机分别做成单独的程序可 能更好实现一些，站级管理部分利用功能树控制，对于开放使收费的等级路只需将i c 卡相关的交卡、领卡等业务屏蔽掉即可。 ( 8 ) 实时性 能够实时使用线程向监控程序发送消息包。 2 2 2 安全要求 系统应着重安全性设计，做到外界人员无法入侵到系统本身，内部人员操作能够 记录操作日志。 车道软件运行的操作系统环境，只允许有管理员用户，管理员密码不允许修改， 长安大学t 程硕上学位论文 来宾用户被停用，否则系统无法登陆。 车道软件用户密码由用户通过收费管理程序进行修改，密码必须完全保密，防止 他人盗用，否则可能会产生不必要损失。 车道维护员工号和密码为确定密码和工号，不允许修改。 2 2 - 3 稳定要求 系统在设计时应注意设计风格统一，使系统可调试性良好，尽可能在测试阶段发 现错误并能够及时修改，系统一旦交付使用，就应该有很好的稳定性。 车道系统属于长时间运行，高负载量工作的应用程序，应对其外部环境，内在因 素等条件产生的要求给与及时的反应和处理。 车道系统采用a c c e s s 数据库，非法关机和外部断电会对数据库产生影响和损坏。 因此，不允许在上班状态下非法关机，而且要求连接u p s 电源，以防在突然断电的情 况下对收费过程和收费数据产生影响。 软件长时间运行情况下，要求对设备及时反应，因此在系统资源大于8 5 情况下， 下班时会自动重新启动机器来释放资源。 2 3 相关的政策及标准 近年来，甘肃各级公路路政管理部门虽然加大超限超载车辆治理力度，但部分车 主仍违规超限超载，对公路路面和桥梁造成了严重损坏，也发生多起因超载引起的交 通事故。而高速公路实行计重收费有利于解决车辆超载问题，减少超限超载车辆对公 路路面的损坏和因此造成的交通事故，也将有助于遏制“大吨小标”和非法改装车辆，促 进公路运输业的健康发展。为此，经甘肃省政府批准，甘肃省交通厅决定于2 0 0 9 年6 月在全省高等级公路范围内7 5 个收费站实行计重收费，并在与高等级公路并行的部分 国省道干线等路段1 0 个收费站同时实施计重收费。 9 1 u o 】 2 3 1 超载和超限认定 根据公路法以及国家有关法规规定，在公路上行驶的车辆轴载质量应当符合 公路工程技术标准、道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值( 国家强制标准 g b l 5 8 9 2 0 0 4 ) 及交通部印发关于收费公路试行计重收费指导意见的通知( 交公路 发 2 0 0 5 1 4 9 2 号) 的要求。在实行计重收费的公路上行驶的载货类汽车如超过表2 1 认 定标准，则被视为已超过公路的承载能力。 根据七部委印发关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案的通知( 交 一9 一 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统需求分析 公路 2 0 0 4 1 2 1 9 号) 的要求，对载货类汽车执行统一的超限超载认定标准，所有车辆在 装载时，如超过表2 1 规定，则被认定为超限。 轴数认定不区分单、双联轴，按车辆受力轴数计总轴数。 表2 - 1 公路承载能力及超限认定标准【l l 】 轴型 公路承载能力认定标准( 吨)超限认定标准( 吨) 二轴货车 1 72 0 三轴货车 2 73 0 四轴货车 3 74 0 五轴货车 4 35 0 六轴及六轴以上货车 4 95 5 三轮货车 2| 低速货：乍( 四轮且最高设计车速 4 5| 小于7 0 公里) 2 3 2 计重收费标准 ( 1 ) 正常装载的合法运输车辆 正常装载的合法运输车辆行驶高等级公路时，其车辆通行费按现行车型分类标准 执行。 ( 2 ) 超过公路承载能力的车辆 超过公路承载能力的车辆行驶计重收费公路时，其车辆通行费收费标准按照如下 基本费率和计算办法确定。 高速公路计重收费基本费率按o 0 8 元吨公里执行，汽车二级专用公路基本费率按 o 0 7 元吨公里执行。 车货总重超过该车对应的公路承载能力认定标准但未超过超限认定标准的载货类 汽车，该车车货总重中小于等于1 0 吨的重量部分及超过公路承载能力认定标准的重量 部分按基本费率计重收取车辆通行费，车货总重中正常装载部分l o 吨至4 0 吨之间基 本费率线性递减到基本费率的5 0 t 1 ，如图2 1 、图2 2 所示。 ( 3 ) 超过超限认定标准的车辆 车货总重超过超限认定标准的载货类汽车，超限认定标准内的重量部分，按基本费率 的3 倍计重收取车辆通行费，超过超限认定标准的重量部分，按基本费率的6 倍计重 收取车辆通行费，如图2 1 2 3 所示。 0 0 0 0 x ( 费率) 长安大学工程硕士学位论文 j l 8 4 i r 1 02 03 04 0 k ( 费率) 图2 1 超载车辆费率图( 正常装载和1 0 , , - 4 0 t 间部分) t 吨) j li ：s 代表公路承载能力认定标 ：e 代表超限认定标准 8 4 r se 图2 2 超载车辆费率图( 超载部分) - ll - 第2 章甘肃省高等级公路计重收费系统需求分析 图2 3 超限车辆费率图 ( 4 ) 计费取整办法 实行计重收费后，高等级公路车辆通行费实行2 9 9 元以下舍，3 7 9 9 元归5 元，8 元以上归1 0 元。 按计重收费办法计算的收费金额，出现低于该车按现行车辆通行费收费标准计算 的收费金额时，按现行车辆通行费标准收取通行费。 按以上收费方式，归纳计重收费计算公式如表2 2 所示。 表2 - 2 计重收费计算公式 车货 g s l 01 0 e 总重 费率 m l 元吨1 0 吨( 含) 以下部分，按基本费率计e ( 含) 以下部分，按基 收，1 0 吨以上至4 0 吨之间基本费本费率3 倍计收，e 以 率线性递减到基本费率的5 0 ，k上部分，按基本费率6 为线性递减指数倍计收。 计算n g = n g = 【1 0 m + k 幸m 幸( s 1 0 ) + m 幸n g = 【3 m 幸e + 6 公式 g 幸m + l ( g - s ) 】l m 幸( g - e ) 】幸l 费率调未超过公路 车货总重中超过公路承载能力认定超限认定