城市橋梁超限系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

方黎剛，杜榮樂，儲(chǔ)偉偉，張 碩

（1.杭州市路橋集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310015；2.杭州市市政設(shè)施管理中心，浙江 杭州 310005；3.杭州路網(wǎng)科技信息有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，橋梁的建設(shè)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的橋梁進(jìn)入運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。在橋梁使用年限內(nèi)，超限車輛的通行將會(huì)破壞橋梁結(jié)構(gòu)，影響橋梁使用年限，因超限運(yùn)輸而引發(fā)的重大交通安全事故，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全（杭州 715 事故）。超限車輛通行后，增大了道路橋梁建設(shè)成本和養(yǎng)護(hù)成本，所造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交通運(yùn)輸帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。超限問題已成為各級(jí)政府管理工作的一個(gè)公共難題。為了應(yīng)對(duì)以上難題，運(yùn)用稱重系統(tǒng)、視聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立高度集成的管理系統(tǒng)變得尤為迫切［1-3］。

早在 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)在應(yīng)對(duì)車輛超限問題時(shí)，開發(fā)了 WIM 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，經(jīng)過十幾年的不斷完善，直至 1985 年前后在美國(guó)各州推廣使用 WIM 稱重系統(tǒng)，取得了治理超限方面的一些成效。1988 年英國(guó)研制了一種新型壓電稱重傳感器 Vibetek5，該新型傳感器超越了 1974 年法國(guó)研制的 Vibracoax。直到 21 世紀(jì)美國(guó) MSI 公司開發(fā)了共聚物壓電軸傳感器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，同時(shí)測(cè)量車輛的車速、車軸并進(jìn)行智能分類［4，5］。國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究相對(duì)較晚，20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)開始蓬勃發(fā)展，北京、西安等車輛研究所開始研究車輛超限監(jiān)測(cè)。當(dāng)時(shí)，研究車輛超限主要通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，但是因?yàn)閲?guó)際環(huán)境復(fù)雜，引進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備大多都是已經(jīng)淘汰的落后技術(shù)與殘次品，導(dǎo)致測(cè)量的精度較低，無(wú)法滿足使用［6］。直到 1996 年武漢輕工業(yè)大學(xué)的朱杰等以位移傳感器的變形，測(cè)量車輛荷限一文成為我國(guó)研究車輛荷限的最早記錄文獻(xiàn)。2004 年，政府專門設(shè)立治理超限的機(jī)構(gòu)，將超限問題明細(xì)化。同時(shí)各大科研機(jī)構(gòu)也加快了超限系統(tǒng)的研發(fā)，我國(guó)最早的車輛超限檢測(cè)系統(tǒng)是由重慶車輛研究所研制的 SM2000、SM3000 等系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多車道同時(shí)測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到 95 % 以上［7］。經(jīng)過多年的發(fā)展，車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究也更加偏向于智能化管理，比如將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、視聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等引入動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)態(tài)稱重、高清抓拍、信息互通等有較大的幫助。

為了有效遏制超限現(xiàn)象發(fā)生，必須建立和健全超限場(chǎng)景建設(shè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立“無(wú)縫隙”“全天候”、“全覆蓋”的監(jiān)管體系；通過車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的建設(shè)，建立跨部門、跨區(qū)域、聯(lián)合聯(lián)動(dòng)的綜合執(zhí)法機(jī)制，實(shí)現(xiàn)公安、城管、養(yǎng)護(hù)企業(yè)聯(lián)合處理。引導(dǎo)貨運(yùn)源頭企業(yè)對(duì)超限貨車管理，從源頭上遏制和打擊違法超限車輛上橋行駛，有效地保護(hù)城市橋梁的健康運(yùn)營(yíng)［8-10］。

1 城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)原理

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)為治超非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法系統(tǒng)的核心設(shè)備，在整個(gè)非現(xiàn)場(chǎng)治超的取證數(shù)據(jù)中起到核心的作用。稱重設(shè)備性能的差異直接影響到執(zhí)法效率和順暢。本文所采用的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備是平板式稱重設(shè)備，該技術(shù)是成熟的鐵路軌道衡技術(shù)對(duì)公路應(yīng)用的成功轉(zhuǎn)化。本文選用的稱重平板已做到軸重秤的極限，有極大的檢測(cè)區(qū)域，使得車輛經(jīng)過稱重區(qū)域時(shí)，加長(zhǎng)了車軸在稱重平板上經(jīng)過的時(shí)間，提高了采樣數(shù)量及平穩(wěn)性（當(dāng)車軸經(jīng)過稱重平板時(shí)，系統(tǒng)能在這個(gè)時(shí)間實(shí)時(shí)穩(wěn)定獲得大量的車軸重量數(shù)據(jù)），從而使得檢測(cè)精度大大提高。本次選用的稱重產(chǎn)品的最大單軸稱重能力可達(dá) 40 t，能夠滿足超限車輛單車總重超過 100 t，后軸平均軸重超過 30 t大型超限車輛的稱重檢測(cè)需求；業(yè)內(nèi)大部分其他產(chǎn)品（如石英，一體式等稱重產(chǎn)品），單軸稱重能力只能達(dá)到 30 t，無(wú)法滿足實(shí)際使用需求。本文選用的稱重設(shè)備已經(jīng)在全國(guó)二十多個(gè)省投入建設(shè)使用，同時(shí)作為浙江省第一批非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法設(shè)備試點(diǎn)“臨安昌化千秋關(guān)”非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法系統(tǒng)的選型產(chǎn)品，也是目前首批試點(diǎn)中仍在正常運(yùn)行的點(diǎn)位，已運(yùn)行 8 年。

具體工作原理如圖1 所示。

圖1 動(dòng)態(tài)稱重計(jì)算簡(jiǎn)圖

如圖1 所示，貨運(yùn)車輛行駛到上橋路段的稱重板上，輪軸荷載作用在上面板上，安裝在面板下方的剪力 T 型主梁產(chǎn)生微形變，對(duì)安裝在主梁外側(cè)特定位置的剪力傳感器產(chǎn)生剪切力，測(cè)量形變產(chǎn)生的剪力，最終計(jì)算出輪軸限荷。

2 城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)開發(fā)

如圖2 所示城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將稱重設(shè)備、視聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的檢測(cè)區(qū)車輛的完整稱重?cái)?shù)據(jù)、車輛類型信息集中到指揮中心，經(jīng)過智能化算法匹配稱重?cái)?shù)據(jù)、車輛圖片數(shù)據(jù)（車頭照片、車尾照片、側(cè)面照片）、車牌數(shù)據(jù)，形成完整有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)。最終發(fā)送匹配后的稱重?cái)?shù)據(jù)、車牌識(shí)別數(shù)據(jù)等信息至指揮中心服務(wù)器，組成完整的超限檢測(cè)系統(tǒng)，從而對(duì)經(jīng)過超限檢測(cè)區(qū)域的貨車按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施準(zhǔn)確的車重檢測(cè)，形成數(shù)據(jù)采集、匹配、超限信息發(fā)布、上傳的完整流程。

圖2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程圖

數(shù)據(jù)上傳至后端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺(tái)之后，系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)時(shí)查看所有車輛的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且可按照時(shí)間、超限比例等信息對(duì)超限車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。圖3 為系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖。

圖3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

如圖4 所示，車輛在上橋路段安裝動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備，并配備警示牌，動(dòng)態(tài)獲取車輛限荷，本系統(tǒng)在前端設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)后，即可判斷車輛是否超限，并啟動(dòng)告警功能，LED 屏動(dòng)態(tài)顯示超限車輛號(hào)牌及超限數(shù)據(jù)，提醒司機(jī)接受處理。指揮中心將信息傳輸給執(zhí)法部門，動(dòng)態(tài)獲取通過的所有車輛進(jìn)行車輛號(hào)碼識(shí)別、號(hào)牌顏色識(shí)別、車身顏色、車型、車主信息等自動(dòng)識(shí)別的功能，形成處置閉環(huán)管理。數(shù)據(jù)平臺(tái)告警信息，20 % 以內(nèi)超限用藍(lán)色信號(hào)顯示，超過 50 % 的嚴(yán)重超限用橙色信號(hào)顯示。LED 告警信息，顯示超限車牌號(hào)和超限噸位。

圖4 動(dòng)態(tài)稱重場(chǎng)景建設(shè)圖

3 城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)成效

超限車輛對(duì)城市橋梁的影響主要為破壞橋梁結(jié)構(gòu)，縮短橋梁正常使用年限。橋梁所能承受的荷限在設(shè)計(jì)初期都是按照國(guó)家對(duì)車輛軸限質(zhì)量和長(zhǎng)寬高限值來(lái)設(shè)計(jì)，假如行駛在橋梁上的車輛荷限遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)限荷，會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生破壞，造成柔性路面出現(xiàn)車轍、開裂、沉陷等危害；剛性路面出現(xiàn)面板斷裂、裂縫，嚴(yán)重時(shí)造成橋梁斷裂等危害。超限車輛對(duì)橋梁的損傷，隨著荷限的增加，橋梁損傷呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)企業(yè)養(yǎng)護(hù)成本成倍上升。超限車輛正常行駛過程中往往只有 20～30 km/h，同時(shí)其路面占有率為正常運(yùn)行車輛的 3～4 倍，超限運(yùn)輸越嚴(yán)重，路面破損越快，通行能力越低，而且容易造成交通擁堵。過去治理超限車輛主要通過人工執(zhí)法，人工執(zhí)法手段存在覆蓋面小、影響現(xiàn)場(chǎng)交通等不利因素，采用集動(dòng)態(tài)稱重、智能抓拍、大數(shù)據(jù)查詢多種手段的超限系統(tǒng)能有效震懾超限車輛。

杭州市某主干橋梁平均月通車輛為 189 559 輛，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)于 2022 年 3 月正式接入使用，使用狀況良好，截止 2022 年 10 月，該橋梁超限車輛數(shù)與超限率如圖5、6 所示。

圖5 超限車輛數(shù)隨時(shí)間變化圖

圖6 超限率數(shù)隨時(shí)間變化圖

如圖5、6 所示，系統(tǒng)自 3 月份上線以來(lái)超限車輛數(shù)達(dá)到了 1 425 輛，超限率為 0.79 %。說明該城市橋梁超限現(xiàn)象嚴(yán)重，治超效果不明顯。若仍由超限現(xiàn)象惡化，將大大縮短橋梁的正常使用壽命，增加車禍發(fā)生率等。智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不僅能及時(shí)獲取車輛超限信息，還能進(jìn)一步將超限信息發(fā)送給執(zhí)法部門，執(zhí)法部門通過大數(shù)據(jù)查詢，將超限信息發(fā)送給車主本人及車主單位，在源頭上遏制超限事件的發(fā)生。在無(wú)人執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)，將超限信息發(fā)布在 LED 顯示屏上，實(shí)時(shí)警示超限司機(jī)，有效遏制超限事件發(fā)生。系統(tǒng)上線半年以來(lái)，杭州市該主干橋月超限車輛數(shù)由 1 425 輛，下降到 400 輛左右，超限率由0.79 % 下降至 0.2 % 左右。

超限比＞50 % 時(shí)車輛的制動(dòng)距離、對(duì)橋梁路面的破壞等也會(huì)大幅度增加［11］。如圖7 所示系統(tǒng)在投入初期月嚴(yán)重超限車輛數(shù)達(dá) 59 輛，系統(tǒng)在投入使用半年后，月嚴(yán)重超限車輛數(shù)為 13 輛。有效遏制了車輛超限對(duì)橋梁的損害，降低交通事故發(fā)生。

圖7 超限比大于 50 % 車輛數(shù)隨時(shí)間變化圖

智能化城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究不僅能保護(hù)橋梁、降低交通事故率等，而且還能開展許多其他工作。①為城市橋梁附件交通流量統(tǒng)計(jì)、為周邊道路提供交通評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)支撐；②超限數(shù)據(jù)可為執(zhí)法部門提供參考依據(jù)，需要重點(diǎn)關(guān)注橋梁等；③可為橋梁養(yǎng)護(hù)單位、企業(yè)開展道路耐久性評(píng)價(jià)；④可為高校、設(shè)計(jì)院、科研機(jī)構(gòu)等開展城市橋梁路面設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

4 城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)研究展望

隨著城市化的不斷推進(jìn)，未來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)需求仍會(huì)不斷加快。城市橋梁作為市政設(shè)施的重要組成部分，在城市交通運(yùn)輸中承擔(dān)重要角色。常規(guī)橋梁監(jiān)測(cè)一般3～5 年開展一次，若超限車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部破壞，養(yǎng)護(hù)部門無(wú)法第一時(shí)間獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯損傷時(shí)，不僅嚴(yán)重影響城市交通，而且養(yǎng)護(hù)部門所需的養(yǎng)護(hù)成本也會(huì)成倍增加。所以常規(guī)的超限監(jiān)測(cè)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸需求，開展智能化城市橋梁超限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得尤為迫切。在此，提出如下幾點(diǎn)思考。

1）國(guó)內(nèi)超限問題覆蓋范圍廣，存在時(shí)間長(zhǎng)。但是當(dāng)前我國(guó)對(duì)超限車輛會(huì)導(dǎo)致橋梁正常使用年限降低、交通事故率增加等問題沒有足夠重視。只在特定時(shí)間人工巡查監(jiān)測(cè)超限車輛，使得大部分超限司機(jī)無(wú)視交通法規(guī)，存在僥幸心理。執(zhí)法部門缺乏有效的執(zhí)法手段，無(wú)法快速篩選超限車輛，執(zhí)法人員有限，無(wú)法擴(kuò)大檢測(cè)范圍。因此，政府部門要在治理超限問題上首先要有足夠的重視，不僅要克服短期的困難，更要長(zhǎng)期有利。執(zhí)法部門在加大超限問題的治理，短期雖然會(huì)間接提高運(yùn)輸成本，但是卻能大大降低城市橋梁的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，降低交通事故率，減少政府、企業(yè)的橋梁日常運(yùn)營(yíng)成本，而且能維護(hù)政府等職能機(jī)構(gòu)的執(zhí)法尊嚴(yán)，提高人民的知法守法意識(shí)，提高人民幸福指數(shù)。

2）基于城市橋梁開發(fā)的智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不僅在城市橋梁中有較好的應(yīng)用，也應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展至城市道路中，警示部分超限司機(jī)選擇繞路來(lái)規(guī)避超限危害，進(jìn)一步提高超限系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，降低超限現(xiàn)象發(fā)生。

3）在推廣智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的同時(shí)，也要逐步完善標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。當(dāng)前我國(guó)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)備的精度、驗(yàn)收、設(shè)備類型標(biāo)定等標(biāo)準(zhǔn)的建立還未完善，各個(gè)城市在推廣動(dòng)態(tài)稱重時(shí)缺乏統(tǒng)一依據(jù)。導(dǎo)致部分地區(qū)動(dòng)態(tài)稱重場(chǎng)景建設(shè)未能有效推廣。為此，政府部門及相關(guān)管理單位與科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)等根據(jù)動(dòng)態(tài)稱重實(shí)際使用情況和城市環(huán)境建立相應(yīng)場(chǎng)地建設(shè)、系統(tǒng)開發(fā)等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范該類技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

4）隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，市政道路、橋梁行業(yè)也快速發(fā)展。隨著動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的不斷完善，稱重場(chǎng)景建設(shè)的成本不斷降低、精度等不斷提高，設(shè)備使用壽命不斷延長(zhǎng)。但是相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)稱重場(chǎng)景的建設(shè)起步較晚，導(dǎo)致大量的稱重設(shè)備、技術(shù)規(guī)程、安裝方式等大多參考國(guó)外，缺少創(chuàng)新能力。政府應(yīng)鼓勵(lì)科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)等在使用國(guó)外先進(jìn)設(shè)備、技術(shù)的同時(shí)開展自主研發(fā)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)稱重系統(tǒng)的自主建設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于重載貨車源頭超載的情形，從動(dòng)態(tài)稱重的原理、稱重系統(tǒng)開發(fā)、治超取得的進(jìn)展等方面詳細(xì)闡述了城市橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在治理超限問題中的應(yīng)用，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效震懾超限車輛，同時(shí)為執(zhí)法部門的執(zhí)法提供依據(jù)。