基于北斗的車載計重綜合監控管理系統

文| 中國航天科技集團公司第四研究院第四十四研究所 張榮軍 羅向東 許晨光 張偉

基于北斗的車載計重綜合監控管理系統

文| 中國航天科技集團公司第四研究院第四十四研究所 張榮軍 羅向東 許晨光 張偉

摘 要：針對目前貨車的源頭治超，貨車的電子不停車收費（Electronic Toll Collection，ETC）、渣土處理及物流信息化等難題，提出基于北斗的車載計重綜合監控系統的解決方案。本系統整合了北斗衛星導航系統、地理信息系統（GIS ）、車載計重系統、公用通信網絡、大數據技術、自動化監控平臺等，通過安裝北斗車載定位、計重及監控單元的方式，形成對載重車輛的綜合監控。批量試點應用表明，系統稱重精度高、定位準確、性能穩定、適用性強，能夠滿足當前車載計重綜合監控的要求。

關鍵詞:車載計重 北斗系統 地理信息系統 大數據技術 綜合監控

一、引言

隨著國民經濟及交通運輸業的迅猛發展，載貨汽車數量大幅增加，隨之帶來公路、交通的一系列問題，道路運輸事故也呈上升趨勢，道路運輸安全問題已經成為社會關注的熱點。如載貨車輛的超限超載、道路擁堵以及引發公路、橋梁基礎設施安全、道路交通事故等，給國家和人民生命財產帶來極大損失，甚至影響社會穩定。提高載貨車輛綜合監管，減少人民群眾生命財產損失，提高營運效率等，是政府部門、營運企業、司機以等多方共同關心的問題。為了有效遏制載重車輛的超限超載，我國設置了多級超載超限檢測站，安裝軸重儀、整車式稱重系統等計重設備，有效的控制了車輛超載運輸。但是在使用過程中先后暴露出了稱重精度差、通行效率低、防作弊能力差、監管治理難度大等問題，經常出現由于計重準確性問題帶來的糾紛和交通擁堵，給管理部門和公路運營企業造成了巨大的壓力。

隨著北斗衛星導航技術及車載稱重技術的發展，為解決上述問題提供了解決方案，基于北斗的車載計重綜合監控系統集北斗衛星通信技術、衛星導航技術、大數據技術、車載稱重技術、地理信息技術于一體，可實現對載貨車輛載重量、行駛速度、位置信息的實時監控。能夠解決載重車輛的自動在線監測、超限治理、貨車不停車收費、渣土車治理、物流信息化等諸多難題，越來越得到社會的廣泛關注。

二、系統方案

基于北斗的車載計重綜合監控管理系統是面向相關行業、政府職能部門、車隊等提供相關服務及信息的綜合監控平臺，實現對載重車輛的實時監控，提供實時位置信息及地理信息，能夠對車輛的載重信息、偏載信息、超載信息、運行狀態、駕駛狀態等進行實時數據采集及處理，根據處理結果做出相應的處理。按照功能分為四部分：車載計重單元、基于北斗的車載智能監控終端、無線通信網絡及綜合監控服務管理平臺。系統構成原理圖見圖1。

圖1 系統構成原理圖

車載計重單元安裝在載貨車輛的車軸或底盤上，用來檢測貨車的載重信息；車載智能監控終端安裝在駕駛室內，用于實現載重量處理、偏載處理、位置信息、無線傳輸、ETC設備數據交互等功能；綜合監控服務管理平臺由接入設備、通信服務器、數據庫服務器、GIS服務器、監控終端、電視墻等組成，實現對載重車輛相關信息的實時監控、信息的處理、存儲、發布等功能，通過與地理信息系統相結合，將載重車輛的位置信息直接反映在電子地圖上，并可實現軌跡回放。

三、車載監控單元

1.車載計重單元

（1）基于應變放大的工作原理

貨車在設計時，出于安全性考慮，貨車的車軸設計安全系數裕度較大，因此車軸受載荷作用后，應變/變形非常微小，不能滿足測試要求。同時，在應力應變或形變測試過程，力傳遞環節、邊界剛性及應變區及非應變區強度等原因，導致敏感器件感受到的應力應變大幅衰減，因此傳統的測量方法不能滿足車載計重的要求。本系統通過將車軸一定區域的形變集中到車載傳感器彈性體應變區的方式，來實現應變的傳遞及放大，再通過電路轉換，獲取了具有一定信噪比的電信號，此電信號和載重量成一定的比例關系，從而間接獲取貨車載重量。

（2） 測量方法

針對車軸類型（前軸、驅動軸、半掛車車廂后軸），對車軸進行靜力學分析，以確定有效敏感區應變值及有效敏感區域的分布狀態。

（3） 車載敏感器件

在車輛行駛過程中，專用傳感器承受持續的交變載荷（振動、沖擊等）的作用，對彈性元件的疲勞特性及可靠性要求極高，傳統的敏感器件難以滿足要求，為此采用濺射薄膜工藝解決了車載稱重系統敏感器件的可靠性問題、溫度補償及熱沖擊問題。

（4）車載傳感器的布局及信息融合

車載計重傳感器根據稱重精度要求的不同，可采用每根車軸中部布局一只傳感器或每根車軸兩側各布局一只傳感器兩種方式，后者可消除裝載貨物質心沿軸向的位置偏差。

根據車軸強度的不同，采用同類信息融合技術，對傳感器進行分組分類，分別進入車載智能監控終端，通過求取通道耦合系數，進而得到裝載貨物的靜態重量信息。

（5）車載智能監控終端

車載智能監控終端由ARM嵌入式微控制器單元、北斗/GPS雙模定位單元、無線數傳單元、電源單元、稱重信號放大與調理單元、模數轉換單元、顯示單元、數字I/O接口單元、數據存儲單元等構成，是基于北斗系統的前端設備，實現對車輛位置信息、重量信息、狀態信息、及其他相關信息的采集、處理、傳輸、存儲等功能。

系統采用ARM系列LPC2378處理器。它包含10/100Ethernet MAC、USB2.0 全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個串行外圍設備接口、2個同步串行端口、3個I2C接口、1個I2S接口和1個8位存儲控制器，LPC2378處理器作為車載智能監控終端的核心，內嵌有操作軟件，完成稱重數據采集的控制與運算處理；定位數據的識別與處理；數據存儲的控制；ETC數據的交互；北斗/GPS模塊的數據交互以及實現對顯示單元的人機界面的控制等任務。

車載智能監控終端軟件包含：車輛定位模塊、稱重管理模塊、監控模塊、存儲模塊、遠程交互模塊、人機交互與權限管理等。主程序由多個實時、獨立的任務構成，任務0用于定位處理，任務1用于稱重處理，任務2用于監控管理，任務3用于本地存儲，任務4用于遠程交互，任務5用于人機交互及權限管理，各任務之間采用全局變量進行交互。主要實現車輛基本信息、重量信息、定位信息、狀態信息、數據交互、報警等信息的操作及管理功能。

四、北斗衛星導航定位

北斗定位模式在定位精度、覆蓋范圍、通信手段、技術支持、保密性、可持續發展等方面具有優越性：①定位精度高。國內區域定位精度可達5m以內。②以衛星導航通信和3G網絡兩種通信方式進行信息傳輸，保障通信鏈路的暢通，確保信息及時傳送。

本系統北斗定位單元由“北斗/GPS”雙模定位模塊構成，主要完成地理信息定位以及在特殊環境或緊急事件下的事件消息的傳遞。在我國的一些邊陲地區和偏遠山區，無線公共網絡、第三代數字通信覆蓋不到或者當出現事故，無線公共網絡阻塞或癱瘓無法實現車載監控信息的傳遞時，可以利用北斗系統的短報文功能實現信息的無線傳輸。

五、綜合監控服務管理平臺

綜合監控服務管理平臺面向貨運車輛的全過程，以貨運車輛運營過程的相關部門和各個環節為服務對象，以裝載信息服務、位置信息服務、交互信息服務的綜合服務管理平臺,管理平臺由數據庫服務器、GIS服務器、通信服務器、WEB服務器、監控終端、網絡設備、大屏幕等部分組成，見圖2。

圖2 綜合監控服務管理平臺組成示意圖

圖3 電子地圖監控界面

平臺數據接入系統采用專用網絡和公用網絡兩種傳輸模式，專用網絡使用短距離無線通信，用于內部測試和區域組網。公用網絡則適用于長距離廣域傳輸。其中專用網絡由ZigBee、WiFi等構成，為仿真測試平臺提供了測試通信通道；使用3G公用網絡實現廣域網絡傳輸，與北斗通信構成互補的數據傳輸體系。針對每種傳輸模式的特點，采用統一的上層傳輸協議及不同的通信驅動軟件，既兼顧各自通信體系的獨立性，又保證服務軟件處理信息的一致性。

GIS 是基于數據庫管理系統的管理空間對象的信息系統，數據是GIS的重要內容；方法為GIS建設提供解決方案；人員是系統建設中的關鍵和能動性因素，本系統通過GIS服務器獲得準確經緯度信息及地理信息（城市名、道路、街道等），滿足綜合監控服務管理平臺服務器的綜合管理要求。

系統針對大量的貨運載重車輛進行實時監控，利用大數據數據體量巨大、數據類型繁多、處理速度快等特點，實現對海量交通數據的分析與挖掘，提高交通運營效率及道路網的通行能力。

主要實現和車載智能終端進行相關數據信息的交互，實現載貨車輛的實時在線監控功能；通過與地理信息（GIS）系統功能相結合，可以將載貨車輛位置信息直觀反映在電子地圖上，如圖3。

綜合監控服務管理平臺軟件架構分為B/S和C/S組合模式，其中，C/S結構的服務平臺軟件主要用于數據接入、設備管理、終端測試及調試；B/S結構主要用于應用仿真、服務接口等，綜合監控管理軟件主要包括：服務平臺軟件、B/S監控終端軟件及B/S服務軟件，服務平臺軟件主要實現數據接入、數據庫管理、數據監控、鏈接狀態管理、調試及標定等功能；B/S監控終端軟件主要實現車輛信息管理、實時數據監控、歷史數據查詢、車輛定位管理、報警、數據查詢等；B/S服務軟件主要實現網上車輛信息查詢及應用服務接口。

六、典型應用案例

1.源頭治超

針對目前超載治理實施比較分散，地區設備層次不一，信息化水平不高，車輛重量信息無法實時獲取及共享，增加執法難度；現有固定式源頭治超模式，需要投入大量的人力、物力及財力，但效果不佳；監管、執法的難度大等問題，運用基于北斗的計重貨運車聯網系統解決了以上問題。

結合北斗衛星通信技術、導航技術、車載稱重技術、地理信息技術、大數據技術、無線通信技術、數據庫等技術等實時對貨車的裝載量進行實時監測，一旦達到超載狀態，智能車載終端將會將超載信息上傳到治超管理中心，同時超載信息直接和車輛的點火裝置聯動，超載狀態下車輛將無法點火啟動。

2.貨車ETC

針對貨車ETC，提出以下兩種基于車載的稱重的貨車ETC解決方案：一是車載智能稱重終端直接集成車載設備（OBE），重量信息直接上傳給路側設備（RSE），從而實現貨車的ETC繳費過程。二是車載智能終端將重量信息及車輛信息 （車牌號、車型等）通過ZigBee或WiFi方式直接上傳給收費計算機,車輛信息通過車載設備上傳給路側設備（RSE），再通過數據匹配方式實現貨車的ETC繳費過程。

七、結束語

基于北斗的車載計重綜合監控管理平臺作為計重車聯網的重要組成部分，采用北斗衛星通信技術、車載稱重技術、地理信息等技術，實現對載貨車輛載重量、行駛速度、位置信息、運行時間等信息進行實時監控，解決貨車源頭治超、貨車超限治理、渣土車治理、物流信息化、智能交通等諸多難題。

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