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公路計重收費和超限檢測系統構成及其選配
1．引言
目前計重收費系統在我國的使用越來越廣泛，江蘇、安徽和山東等省已經基本實現全覆蓋，其他很多省份處于調研或試點階段。很多衡器廠家和公路機電設備供應商看好其巨大的市場前景而紛紛上馬，但是計重收費系統有其特殊性：全天候工作，使用頻率遠高于一般汽車衡；動態稱重，技術含量高；雖一般為政府采購項目，但項目投資大，一個標段往往幾百萬甚至數千萬且付款周期長，若技術上沒有把握而匆匆上馬隱含著很大風險。我們在這幾年與相關同行的合作過程中，已經發現多起中標單位為省費用在沒有足夠技術力量和經驗的情況下自行“研制”，最后性能和可靠性遠遠不能滿足實用要求再來尋求我們幫助，造成重大損失。筆者本人與筆者所在單位作為國內主要動態稱重系統和稱重儀表供應商，實際參與了國內多數省份計重收費系統的開發，積累了很多經驗教訓，在這里與同行溝通，以盡可能減少風險。
2. 系統組成
目前多數計重收費系統包括以下幾個部分：1.計重秤臺； 2.專用稱重控制器； 3.輪軸識別器；4.紅外車輛分離器；5.信息顯示屏；6.收費計算機。以下分別敘述各部件的選用要點。
一、計重秤臺
對衡器廠家來說，計重秤臺似乎是最簡單的部分，事實上這里的問題也不少。目前秤臺主要有二大類型：常規鋼秤臺和彎板式秤臺。其中彎板式秤臺實際上是一個特殊傳感器，國內制造技術尚不成熟，應用也不多，我們這里只討論常規鋼制秤臺。
鋼制秤臺在結構上有兩種形式：稱重傳感器安裝于高于秤臺的位置，我們稱之為上翻式秤臺，另一種則是將傳感器裝在秤臺下面，與常規汽車衡一樣。二者對比，前者由于傳感器安裝在地面以上，不容易受水的浸泡，同時更換傳感器也比較方便。但這種結構兩頭有突起，必須將突起部分安裝于安全島內或另加保護以免被壓壞。同時制造成本也高于后者。
秤臺制造過程中的兩個主要問題是秤臺強度和限位裝置。在動態稱重系統中，秤臺的自振和變形都會對動態精度產生不良影響，高強度的秤臺不但能減小變形，提高使用壽命，也可大大減小自振的幅度，提高自振頻率，對動態性能的提高非常有利。
目前秤臺限位主要有兩種類型，一種是拉桿式限位，另一種是頂式限位。這兩種方式沒有本質的區別，只是在設計和安裝時需要特別注意限位機構不能將水平力轉化為垂直力，對拉桿式限位，也就是要確保拉桿的水平，這就需要現場調試人員充分認識到其重要性，仔細調試，同時加長拉桿長度也有利于調試。對頂式限位，一方面要保證被頂的限位塊垂直于秤體平面，同時頂塊采用鋼球等機構也有利于性能改善。為了改善調試質量，我們強烈建議使用一體化秤臺，在出廠前完整調試，整體安裝。
二、稱重顯示控制器
這是整個系統的核心部件，由于技術難度較大，目前國內可供選擇的用于計重收費系統的儀表不多。稱重顯示器的主要作用是：1、采集秤臺的重量信息，并據此計算出動態重量；2、采集輪軸識別器上傳的信息，判斷車輛類型；3、判斷車輛的進退；4、負責與計算機的通訊。
常有客戶詢問我們動態儀表的采樣率，以為采樣率越高動態精度越好，實際上這是一個誤解。動態稱重時確實需要有比靜態更高的采樣率，但只要采樣率符合Naquest定律的要求（即采樣率不低于信號最高有效頻率的二倍即可保證包含信號的所有信息），更高的采樣率是沒有任何意義的，事實上現在高速采樣的轉換器多如牛毛，若提高采樣率就可達到高精度那么動態稱重就沒有難度了。我們分析了大量采集到的汽車通過動態汽車衡的波形，在車輛速度不大于30km/h時，50HZ以上的分量很小，因此采用200HZ以上的采樣率即可。決定儀表動態性能的關鍵因數是算法，這里不展開討論。
這里需要著重談談車輛進退的判別問題。在收費車道上車輛的運動狀態非常復雜：正常正向行使、倒退、開上秤臺后又倒退、退上秤臺又前行……。若不能正確判斷車輛的這些運行軌跡，則可能造成車型判斷錯誤和收費計算機隊列混亂，造成不必要的糾紛。目前判斷行駛方向有兩種方法：一是在秤臺邊緣加一對或二對光電開關，這種方法簡單、成本低，但是在雨雪天車輪帶起的泥漿會很容易堵塞光電開關造成工作不正常。另一種方法就是在儀表上設計專用通道，利用秤臺的稱重傳感器兼做方向判別，這種方法不受干擾，只要能稱重就能判別行使方向，而且任何復雜的運行軌跡都能正確判別，實踐證明可靠性非常好。
三、輪軸識別器
輪軸識別器的作用是正確判別通過的車軸每側是單輪還是雙輪，同時與秤臺一起判別軸型是單軸還是雙聯軸或三聯軸。目前常見的輪軸識別器大體上有兩大類：一是采用多個傳感器，通過檢測車輪壓到傳感器的數目來判斷單/雙輪，另一種是采用壓電元件來識別，后者使用不多，我們只討論前者。
一個輪軸識別器包括一排傳感器和一個控制器，12個傳感器（視車道寬度不同可有增減）裝在一個框架內，車輪壓在輪軸識別器上時，控制器識別被壓到的傳感器數目和位置，當有三個以上傳感器被壓到或二個不連續的傳感器壓到則判為雙輪，否則為單輪。有少量輕型的雙輪軸，由于其車輪特別窄，某些輪胎正好從傳感器之間穿過，可能會出現誤判，但這些車輛的軸載均不可能超限，一般不在超限檢測的范圍。輪軸識別器上使用的傳感器通常有稱重傳感器和非接觸式開關兩大類，目前都有應用。相對來說，開關式的由于有機械運動，對防水要求特別高，也容易出現磨損問題，但控制電路較為簡單，無傳感器漂移等問題。稱重傳感器方式沒有機械運動，因而機械磨損要小得多，但防水性能仍是決定輪軸識別器可靠性的主要因數。同時稱重傳感器方式的控制電路較為復雜,傳感器在使用中容易產生零位漂移，需要在控制器中加以補償，否則會產生很高的故障率。我們研制了一種用稱重傳感器的控制器，不但能自動補償零點漂移，還能自動指示并且屏蔽故障的傳感器，大大延長了輪軸識別器的維修周期。
四、紅外車輛分離器
紅外車輛分離器的作用是檢測車輛是否已完全通過秤臺，由一組紅外發射/接收對管組成。考慮到拖掛車的檢測，相臨紅外管之間的間距不大于40mm，為能檢測各種車型，紅外管最低離地高度不大于50cm，最高點離地高度不小于160cm，高速公路上行駛的車輛比普通公路單純一些，一般可適當放寬高度要求。目前一般選用120cm的紅外分離器，高速公路也可用90cm規格。
除高度要求外，選用紅外分離器主要是要考慮足夠的檢測距離，要確保在惡劣氣候如濃霧、雨雪等條件下正常工作，為此在北方寒冷地區還需要加上電除霜裝置。有些紅外車輛分離器（如美國STI等）還能自動屏蔽粘在玻璃上的泥巴、小蟲等的影響，工作可靠性甚好。
有些業主要求配置地感線圈作為紅外分離器的備份。地感線圈是利用車輛經過埋有線圈的路面時引起線圈電感量變化來檢測車輛的，它不能可靠分離二輛靠得很近的車輛，也會將拖掛貨車誤判為二個車，因此準確率較低。由于紅外分離器故障率不高，且多數收費站都有冗余車道，本身已有全套備份，因此筆者認為實際意義不大。
3．結語
對衡器制造商來說，目前搞得轟轟烈烈的計重收費系統確實是一塊誘人的蛋糕，但是這也是一塊并不熟悉的蛋糕，吃不好會噎住。因此在打算進入這個市場前一定要做好樣機，積累實際經驗。做好調查研究，不要貪圖小利選用未經市場充分檢驗的配件，否則必然隱藏著很大風險。筆者和同事們也十分愿意與同行一道，把這個市場做好。
