动态汽车衡存在的问题及对策

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车辆动态称重(阢M，Weigh In Motion)可对行使中的车辆进行称重、限重、预分类、收费以及交通信息统计等，按照使用目的，用于公路的动态汽车衡主要用于几个方面：计重收费(及贸易结算)，超重超限治理，道路桥梁的保护，公路交通信息的收集和统计。

影响车辆动态称重的因素很多，-是车辆类型，路面情况，路面粗糙度、弯度(线性度)、横向和纵向坡度；二是车速，包括车辆悬挂(减震)类型，装载物(货物)类型，固态/液态货物；三是车轮状态，包括轮胎气压、轮胎动平衡等。车辆动态称重的任务就是在上述复杂因素影响下，仍然能够准确的进行称重。

按照适应车辆速度范围，车辆动态称重分为低速、高速两类，分别用于计重收费、超载、超限强制管理、高速预检及交通信息收集、统计。

按照传感器形式，车辆动态称重的典型形式分为：秤台电阻应变片；弯板(预应力金属弯板电阻应变计)，俗称-体化轴重秤 压电石英晶体。

秤台式动态衡由于结构本身限制，仅适用于低速诚；弯板式采用电阻应变计作为传感器，电阻应变计的响应时间为 rtls级，可测量时速范围上限为40km/h；石英晶体作为称重传感器具有精度高、动态响应快(仅几个US，适用于 0.3krn/h～200km/h)、温度漂移小 (万分之-)，长期稳定的特点，同时使用寿命长。

我院开展动态公路汽车衡计量检定工作已有六年，目前四川地区动态公路汽车衡主要采用：秤台式、弯板式、石英晶体式。下面对这几种形式的动态公路汽车衡在实际工作中的使用情况进行分析。

1 秤台式秤台式动态汽衡的称台台面(承载面为钢板焊接的箱体)四个角与基础之间用四只应变式力传感器连接，车轴重量与称台重量的总和4只传感器受力总和。

工作原理：每-轴通过时车轴负荷施加在台面上，引起传感器的应变片电阻发生改变，仪表连续记录惠斯顿电桥的输出电压，经滤波后的波形峰值为轴重，再对轴重累加得到整车重量(GVW)。重复性，准确度等要素撒于称重传感器的选择、台面和基瘁构的强度、合理性(如限位装置)以及仪表和软件信号处理水平。

优点：称台安装自行开挖基坑并用钢筋水泥浇灌基础，称重台面由自己的基础支撑，计量受路面轻度破裂影响不大，生产厂家多、技术较成熟。缺点：开挖量大，后期维护工作量大，由于秤台与路面间有缝隙，秤台下面有排水沟、集水井，需要定期清理积水、沙石等；秤台、传感器部分均需定期维护保养及校正。由于基本称重原理是静态式，在高速段计量不稳定，基本只适于 5km/h左右速度范围。

实测数据：以3轴车为例：约定真值：22180kg(见表 1)表 1速度(km/h) 误差(%)重复陛稍差，高速偏低，高速(10km/h以上)各速度段重复性较差。

2 弯板式(大弯板、小弯板)工作原理：大弯板由德国首先发明、应用，采用钢板作为弹性体，弯板长度方向有两道槽，槽中贴应变片。弯板由框架支撑，车轮碾压时弯板受力向下弯曲变形(这也是弯板 BendingPlate名称的由来)导致应变片电阻发生改变，仪表采集惠斯顿电桥输出电压的变化从而推测车轮∞ ∞ ， ∞ 卯 L L 0- - - - - - - C - - - - - -腿---～撇- --------- 咖m毫啪抛 姗呦咖唧 咖2 ； ； i 1 1 ㈣㈣㈣ 伽 ㈣鲫 ㈣蚴-鼬 ∞ 国 加 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 如 ∞ 甜 铊 铊2 2 3 4 5 6 7 8 9 m M 墙《计if-与溺试技表》2Q13年第 4o卷第 1期重量。与称台相似，大弯板因为承载面有效宽度大于车轮触地长度，在车轮经过的整个过程中某些时段承载了全部的车轮负荷，输出波形的峰值代表了车轮负荷(轮重)，因此仪表、软件及信号处理流程与称台相似。

小弯板宽度较窄(约 230mm左右)，有-道贴应变片的槽，因为承载面宽度小于车轮触地长度，与石英-样属于带式传感器，数学模型为波形面积(积分)与速度乘积。

大弯板和称台-样属于板式传感器(全部轮载方式，即车轮经过时某些时刻全部车轮负荷会施加在传感器的承载面，信号为平顶波形，其顶部的幅值即为车轮负荷/轴重)；小弯板与石英同属带式传感器(部份轮载方式，即任何时刻车轮负荷都由传感器和路面共同承担，其数学模式是重量 波形面积与速度的乘积。

优点：开挖量和维护量比称台校缺点：对传感器周围路面情况要求高，如路面破损则误差大。弯板在使用中由于弯板本体与框架、与基础之间缝隙需要定期清理，尤其是建材、矿产、鲜活牲畜运输较为密集的收费站，泥沙、水泥、矿渣和动物粪便的清理工作量非常大；弯板密封防水材料的定期修补，弯板内部有线路和器件，必须进行密封处理，所采用的材料多为硫化橡胶 ；因为车辆反复碾压、冲击、以及日晒、浸泡导致材料老化和破损，需要定期重新涂覆和修补；弯板是依靠弹簧钢板的变形实现测量，影响弯板式动态衡使用的主要问题是寿命问题：预应力结构的疲劳和老化，以及橡胶、接缝处损坏，总体寿命受钢板疲劳寿命次数的限制，进口弯板寿命约为40OO万轴次，国产约为2O00万轴次。另外弯板还存在使用过程由于(钢板)材料的老化变软(即钢板弹簧的倔强系数下降)称量值偏移的问题，需经趁正。

实测数据(小弯板)：以3轴车为例：约定真值：22180kg(见表2)表 2速度(km/h) 误差(%)重复性-般，高速略轻，在高速(1Okm/h以上)各速度段重复性较称台好。

3 石英式石英称重传感器采用压电原理，即受力(车轮负荷)时产生与负荷成正比的电荷，经电荷放大器转换为电压，车轮碾压得到的波形进行积分(面积)再乘以速度就得到重量。石英传感器基于压电原理，测量过程不依赖形变，并且石英洛氏硬度达 7.5，整体为刚性结构，因此不存在老化和漂移(即不会随时间变化)，长期稳定性较好，同时响应快，适用速度范围宽，避免了电阻应变方式传感器由于响应延迟导致的速度越高幅值越小的通玻进口石英晶体式传感器准确可靠，良好使用环境下稳定性和可靠性强于弯板式。

优点：开挖工程量小，使用方维护方便，重复性较好，在高速度段计量稳定性高。

缺点：其设计理念是传感器成为路面的-部分、与路面形成-个平齐的整体，对传感器预埋路面要求较高，如传感器周围路面出现破损、高低不平或沉降等情况，会导致误差。如果出现路面破损须及时修补。

原装进口石英传感器可靠性好、寿命长、几乎不受温度影响，并且沿传感器方向灵敏度-致性好(车轮碾压不同位置称量值相同)。

目前国内也出现了仿制的石英传感器，但关键技术未能掌握，主要表现为：(1)故障率(失效率)高，埋设后频繁失效、更换，甚至某些站点车道半年内更换五六次。

(2)温度漂移严重，同-个车道、-天不同时段(正午、日落)可以出现高达(20-30)%的偏差。(3)传感器端头为无效死区、且灵敏度-致性差，车辆靠左、靠右、中间行驶重量可能相差百分之十几。从实际使用情况来看，国产石英目前尚不成熟、尚不具备实用性。

实测数据：以3轴车为例：约定真值：22180kg(见表 3)表 3速度(knv'h) 轴 1 轴 2 轴3 总重 误差(%)重复性，稳定性较好，尤其是高速段稳定性较好，速度对称重基本无影响。因为石英传感器是完全刚性结构、不依赖变形和位移，具有 s级的响应时间，不会出现鲫 ∞ 叭 M 凹O 1 1 1 1 O O O O 1 O - 0 - O 舳∞∞∞∞m∞∞∞∞m的∞∞ 蚴跚锄铷枷姗姗伽 啪姗瑚渤 啪i i i i ㈣ ㈣㈣㈣㈣蚴㈣ ㈣猢渤瑚瑚枷 脚 渤 脚 钙∞ 钙2 2 3 4 5 6 7 8 9 m B "帅鹏 ㈣ ㈣ O 0-1O 1 0 - -0 - - -- -厦-抛瑚 伽姗啪啪啪咖 呦嘞渤啪 总-∞∞如∞鲫∞加 加∞踟∞∞m∞ 姗猢瑚姗铷跚 拗 姗猢 i i i 1l墼 ㈣ ㈣㈣ ㈣㈣㈣㈣㈣㈣萤蚴伽伽伽蚴伽 伽 蚴舢 伽蚴2 2 3 4 5 6 7 8 9 m 玎邵勇强：动态汽车衡存在的问题及对策称台、弯板速度越到称量值越低的情况，在高速(1Okm/h以上)各速度段重复性均很好。由于四川的高速公路建设未考虑动态公路汽车衡的安装问题，从我院开展动态公路汽车衡计量检定工作六年的情况来看，四川的高速公路动态公路汽车衡存在以下主要问题：(1)除了几个大的收费站外，近 90%收费站安装的动态公路汽车衡不符合《JI 07-2006动态公路车俩 自动衡器检定规程》的强制性规定，其中 20%严重不符合。

即横向斜坡坡度超过 l%，称台两端 8m的范围内。引道的纵向和横向的水平倾斜度大于 ±3mm，称台两端 8m以外的引道区域，引道的纵向和横向的水平倾斜度大于 ±6mm。尽管有的动态公路汽车衡的生产厂家采用了坡弯道秤台斜拉设计等专用计算软件，但是还是不能完全弥补由此产生的误差。动态衡的特点，其精度与使用环境、即道路条件有密切关系，比如道路的平整度、直线度、乃至收费岛台的长度(防止车辆倾斜或蛇形前进)的优化和规范都能有效提高和保障动态衡的实际称量精度。

(2)秤台式仅适合低速(如 5km/h或 lOkm/h以下)，弯板式动态公路汽车衡的生产厂家在说明书都标明车速在 0-40公里都能满足《JC907-2006动态公路车辆自动衡器检定规程》的要求，但在实际运行过程中，车辆速度超过 15km/h，实际偏差已经不能满足称重的要求。只有采用石英晶体式传感器的动态公路汽车衡能满足高速称重要求。

(3)对于秤台式和弯板式动态公路汽车衡来说，是用静态称重的技术(原理及结构)来进行动态称重，所以采用的数学模型和与之对应软件是设备的核心。从我院检测的情况来看，要满足各种通行状态下的动态称重和《 G9o7-2006动态公路车辆 自动衡器检定规程》的要求，其核心技术都还有待提高。

(4)由于很多大的费站，车辆通行量高、车流量大，动态公路汽车衡的路基常常损坏，使得动态公路汽车衡的称重误差超过正常误差的范围，造成司机投诉量大，纠纷多，通行慢。

(5)目前动态公路汽车衡都安装在收费站收费通道的前端，称重平台位置明显，很容易判断，部分驾驶员采取跳称和走 S形路线来减轻汽车的重量，达到降低通行费的目的。这样常常造成收费站拥堵，很容易使驾驶员和收费员产生冲突。

针对目前存在的这些问题，四川的高速公路动态汽车衡逐步更换性能较好弯板式和石英晶体式，新安装的大多采用石英晶体式。但这只是短期解决的办法，从长远以及发达国家的经验来看，要很好的的解决上述问题，首先要明确以下几个问题：(1)静态衡的被测对象在测量过程中是处于完全静止状态，其精度完全撒于设备，即系统误差”(或内部误差”)；而动态衡的结果不仅与设备有关，还与道路状况以及车辆运动状态有关，即：总误差 内部误差 外部误差(偶然误差”)，也就是说即使动态衡的系统误差为零，由于路面或车辆运动的不确定性也会存在误差。换言之，要想使动态衡获得较好的测量精度，良好的路面条件和车辆正常行驶(匀速、直线)是必要条件。

(2)目前的计重收费布局，动态衡都是安装在收费亭岛台前段，车辆在这个位置通常不处于正常行驶状态(刹车、减速、停车，而非匀速”)，同时因为大多数动态衡(称台、弯板)承载面为金属、与路面反差很大，货车司机很容易针对性的采取异常行驶手段(跳称、蹲称、冲称、走 S形、斜进、停车、反复进退等)来干扰动态衡，以达到减轻重量的目的。(石英晶体略好些，承载面为非金属，与路面较为接近)。

(3)由于客观(收费站停车、排队)以及主观原因(司机作弊)，目前的收费站设置称重设备的方式很难保证称量过程车辆处于正常行驶状态，从而实际运行过程中的测量精度受到影响，拥堵、纠纷也不可避免。

(4)为解决上述问题，可以把动态衡安装在行驶路段(而非收费广场)，此时车辆基本处于正常行驶状态(匀速、直线)，可以获得较高的精度，同时运用物联网技术在称重的同时摄像机对正在通过称重区域的车辆进行判别和车牌识别，称重结果和车牌识别结果匹配后传送到收费站，收费站对收费窗口的车辆直接根据其车牌调用称重结果并计算费额。

(5)这种方式车辆称重时处于正常行驶状态，车速较高，从目前计重动态衡在各种速度段的表现来看，石英式最适合这种方式的应用。

综上所述，只有将动态汽车衡安装在相对平坦的高速公路上，全域电子眼联网，不但解决计重收费问题，同时解决公路治超、道路桥梁保护、公路统计等全方面的问题。从 目前的技术来看，只有采取石英晶体式动态汽车衡以及物联网的技术来满足这些要求。从全球范围来看，石英晶体也是汽车动态衡中最先进的技术类型，以其稳定、可靠、高精度、免维护的性能特点满足了从低速到高速、从计重收费到治超、道路桥梁保护、统计等各方面应用，随着石英晶体动态衡的进-步推广普及以及物联网技术的逐步完善，将加快高速公路汽车动态衡产业升级，促进公路部门装备水平的提高，从而彻底解决高速公路动态公路汽车衡目前存在的问题。

作者简介：邵勇强，男，高级工程师。工作单位：成都市计量监督检定测试院。通讯地址：610021成都市东风路北二巷五号。