車輛超載檢測技術的研究進展

祝文允 王金琳

（1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶隧源建筑勞務有限公司，重慶 401121）

目前，我國公路橋梁超重運輸的現象越來越普遍，且超載比例逐漸增高。貨運部門通常會通過改裝車身后軸和輪胎等手段來大幅度提高車輛的裝載能力[1]。由于重載、超載車輛的頻繁作用，路面板下基層內會產生不均勻塑性變形，致使結構過早破壞。 有些橋梁和公路根本達不到預期設計的使用年限，甚至在通車后很短時間內，就出現各種病害[2]。 對水泥混凝土路面來說，在使用初期會出現唧泥、錯臺、斷裂等破壞；對瀝青路面來說則會出現車轍、坑槽、開裂、沉陷等破壞。

超載車輛的危害是巨大的。 超載車輛控制能力低很容易導致交通事故的發生。 據統計，在我國由于車輛超載引發的道路安全事故占到事故總數的百分之七十， 這些事故給國家和人民造成巨大的經濟損失。 超載車輛的長期作用會使高速公路、橋梁結構路面使用壽命縮短，對公路和橋梁造成嚴重損害[3]。 研究表明，一條設計使用年限為15年的公路，如果行駛車輛超載1 倍，其使用壽命將縮短90%，也就是說只能使用一年半左右[4]。 而且超載車輛一般體積龐大，車速偏慢，容易造成交通擁擠，嚴重制約道路的通行能力。 車輛超載還會使車主偷稅漏稅，造成國家稅收的大量流失。 由于油料不能充分燃燒，超載車輛排出的一氧化碳等有害氣體增多，噪聲增大，這些都對公路周邊的環境造成嚴重污染[5]。

車輛的超重行駛加劇了路面的損害， 降低了路面服務功能，使路面提前進入大修期，縮短了路面的預期使用壽命，危及公路的安全使用，大大增加了公路部門的維護和改建資金的投入[6-7]。 因此，對上路超載車輛的監測預警具有重大的社會、環境和經濟意義。

1 傳統車輛超載檢測系統分類及其原理

車輛超載對橋梁的破壞是觸目驚心的， 國內橋梁大多存在由重車超載造成的橋面開裂問題， 部分橋梁甚至發生橋板垮塌、橋梁斷裂等嚴重事故。 超限車輛造成的直接和間接損失是不可估計的[8]。 近年來，國家出臺了一系列超載運輸的懲罰措施， 也在改進路面結構設計以適應超載交通的要求方面投入了大量的人力和財力。 加強橋梁及公路的超限運輸管理， 研發預警超載車輛上路上橋的新型檢測技術對公路橋梁安全至關重要。

現有技術中， 超載車輛的檢測技術有靜態和動態監測兩大類。 靜態檢測即傳統的稱重，它主要通過安裝在地面的電子地磅對經過的車輛進行稱量， 這種固定式的地磅一般設在路邊的車輛超載檢查站或者高速路口的收費站。 還有一種攜帶方便的便攜式軸重儀也是一種重要的車重計量儀。 靜態檢測流程較為復雜， 故而檢測速度緩慢，維修不便，容易造成交通擁擠。 同時靜態檢測設備的性能受外界環境如溫度、氣候等的影響較大，計量準確度低。 由于靜態監測技術自身的缺點，其檢測效率低，需要人工干預，無法實現對所有車輛的24 小時不停車監控和動態測量。

動態檢測主要有軸重檢測和橋梁應變檢測兩種[9]。軸重檢測主要是通過測量行駛車輛的動態輪胎受力情況來實現對超載車輛的檢測，它主要由識別系統、傳感器、數據采集系統和數據控制系統組成。 當車輛駛入路面監測區域時，一方面識別系統會記錄下車輛的牌照、輪胎數等基本信息； 另一方面路面設置的特定傳感器會感受車輛的軸載壓力信號并稱重。 然后經過數據采集系統儲存數據， 再通過數據控制系統對采集到的信號進行分析和處理并計算得到車輛的動態稱重數據， 如果車重符合要求則繼續行駛，若超重則控制系統會識別并報警，整個檢測過程不需要停車，其工作流程如圖1 所示。

動態監測技術的核心為動態稱重傳感器， 傳統的傳感器主要有感應圈式傳感器、 壓電式傳感器和粘貼式應變傳感器等。 這些傳統的傳感器測量結果受環境因素如溫度、時間、濕度等的干擾太大，抗電磁干擾差，安裝不方便，不能滿足現代交通的需求。 近年來發展起來的微加速傳感器提高了系統計算的準確性。 同時，隨著光纖技術的飛速發展， 光纖動態傳感器也開始在動態檢測技術中使用[10]。 光纖傳感可實現快速和高密度檢測，且使用時操作簡便。 雖然經過了這么多年的發展，但是這些動態技術都用來對超載車輛進行稱重。 利用動態監測車輛載重雖然提高了檢測效率，減少了勞動強度，但是需要依靠比較昂貴的傳感設備來實施檢測，成本較高，也在一定程度上限制了運營速度。

2 超載檢測的研究現狀

隨著公路、 橋梁覆蓋率的增加和運輸行業規模的擴大，超載運輸的檢測技術越來越受到重視。 國際上許多國家都開始致力于研究預警、 檢測行駛車輛動態情況的設備和阻止超載車輛上路、上橋的裝置。 國外最早的超載檢測是在車輛靜止的情況下對其荷載進行稱重的靜態檢測，如大型的電子地磅等。 后來，研究人員開發出來一種小型的便攜式靜態稱重裝置和一套低速動態稱重系統。不停車車重檢測在歐洲已經有20 多年的歷史，又被稱為WIM（Weight In Motion）技術。這種技術在許多國家都得到了廣泛應用， 如澳大利亞研制出一種卡爾維數據采集系統，美國在早期車輛超載檢測中使用壓力盒式檢測儀。

圖1 動態檢測系統工作流程

我國早期的靜態檢測設備較為常用的是大型地磅，后來自行研制出BQZ-I 型便攜式汽車軸重儀， 它是一種對汽車軸重進行稱量的靜態檢測設備，輕便可移動，安裝使用方便。 目前推廣的超載車輛監測技術大都是動態檢測，如公路車輛動態測試儀等。 鄭軍庭[11-12]等研究出一種用于橋梁車輛超載的高速動態檢測方法， 使用的是高精度微傳感器。 當車輛通過橋面時引起橋梁響應，安裝在橋梁下面的微傳感器就會測量并記錄響應。 通過建立測量信號與車輛載重之間的對應關系，獲得動態車輛的載重。這種間接測量方法只需將傳感器固定在橋下即可， 操作方便而且測量精度高。 目前國內研究動態稱重技術的人群大多集中在高等學校。 交通部重慶公路科學研究所研制出一種由稱重傳感器和電子測量儀構成的固定式動態車輛稱重系統， 該系統的軸重誤差小于10%， 置信度為95%，能夠精確檢測超載車輛。 北京交通大學的馬應林[13]研究出一種基于車載稱重裝置和短消息技術的車輛超載動態監測系統， 能夠在車輛不限速的情況下檢測車輛的超載情況。陳廣華[14]等人通過安裝在汽車鋼板彈簧上的粘貼式應變傳感器測量車輛鋼板彈簧承受的載荷信息來計算車輛總荷載，阻止超載車輛上路。

3 結論

利益的驅使和監管不力使超載成為危害國家和人民財產及人身安全的重大問題。 治理車輛超載問題除了要加大宣傳和執法力度、制定相應的監管措施、加強公路和橋梁結構安全設計，還應注重改進和優化超載檢測技術。不管是動態還是靜態超載檢測都存在一些缺點， 因此開發出一種既方便又準確的檢測技術十分必要。 目前使用較多的超載檢測方法都是利用輪胎受力情況來感知荷載的變化， 所以考慮是否可以開發出一種具有壓敏性的混凝土作為感應區設置在橋或路的進口， 進而阻止超重車輛上路或上橋，達到預警的作用，這也許可以為交通管理的智能化奠定基礎。

［1］王振清.公路超限運輸概論［M］.北京:人民交通出版社，1997：70-120.

［2］郭蘭英.車輛超載運輸對高速公路使用壽命的影響［J］.路基工程，2005（4）:42-46.

［3］何兆益,唐伯明,等.超重車輛對重慶市公路路面使用壽命影響分析［J］.重慶交通學院學報,2001,20（20）:48-52.

［4］種曼婷.治理超載、超限運輸的對策［J］．綜合運輸論文，2004（2）：19-23．

［5］王守峰.車輛超限自動檢測系統的研究與開發［D］.山東科技大學，2007.

［6］倪富健，鄧學鈞.軸重限值與道路養護維修費用的相關分析［J］.重慶交通學院學報，1999，18（2）:27-31.

［7］倪富健，程新春.車輛超載及超限對瀝青混凝土路面使用影響分析［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2002，25（6）:1175-1179.

［8］杜鵑，劉曉東.我國車輛超載現狀分析及對策研究［J］.價值工程，2012（2）：279-280.

［9］王奎洋， 唐金花. 超重車輛超載檢測與阻止裝置研究［J］.中國安全生產科學技術，2012，8（4）172-174.

［10］吳奇峰.基于光纖傳感的車輛動態稱重檢測系統的研制［D］.大連海事大學，2006.

［11］鄭軍庭，李建勛，楊恒，李玉芳.基于橋梁應變的高速動態車輛超載檢測研究［J］.系統仿真學報，2007.19（1）:197-200.

［12］鄭軍庭.基于位移傳感器的高速動態車輛超載檢測技術［D］．上海交通大學，2006.

［13］馬應林.車輛超載動態監測系統的研究與實現［D］.北京交通大學，2010.

［14］陳廣華，鞠娜，楊飛，李建偉，基于粘貼式應變傳感器的車輛超載監測系統［J］.北京航空航天大學學報，2011，37（4）：409-414.