第五届全国称重技术研讨会论文集

1．引言

    目前计重收费系统在我国的使用越来越广泛，江苏、安徽和山东等省已经基本实现全覆盖，其他很多省份处于调研或试点阶段。很多衡器厂家和公路机电设备供应商看好其巨大的市场前景而纷纷上马，但是计重收费系统有其特殊性：全天候工作，使用频率远高于一般汽车衡；动态称重，技术含量高；虽一般为政府采购项目，但项目投资大，一个标段往往几百万甚至数千万且付款周期长，若技术上没有把握而匆匆上马隐含着很大风险。我们在这几年与相关同行的合作过程中，已经发现多起中标单位为省费用在没有足够技术力量和经验的情况下自行“研制”，最后性能和可靠性远远不能满足实用要求再来寻求我们帮助，造成重大损失。笔者本人与笔者所在单位作为国内主要动态称重系统和称重仪表供应商，实际参与了国内多数省份计重收费系统的开发，积累了很多经验教训，在这里与同行沟通，以尽可能减少风险。

2. 系统组成

    目前多数计重收费系统包括以下几个部分：1.计重秤台； 2.专用称重控制器； 3.轮轴识别器；4.红外车辆分离器；5.信息显示屏；6.收费计算机。以下分别叙述各部件的选用要点。

    一、计重秤台

    对衡器厂家来说，计重秤台似乎是最简单的部分，事实上这里的问题也不少。目前秤台主要有二大类型：常规钢秤台和弯板式秤台。其中弯板式秤台实际上是一个特殊传感器，国内制造技术尚不成熟，应用也不多，我们这里只讨论常规钢制秤台。
    钢制秤台在结构上有两种形式：称重传感器安装于高于秤台的位置，我们称之为上翻式秤台，另一种则是将传感器装在秤台下面，与常规汽车衡一样。二者对比，前者由于传感器安装在地面以上，不容易受水的浸泡，同时更换传感器也比较方便。但这种结构两头有突起，必须将突起部分安装于安全岛内或另加保护以免被压坏。同时制造成本也高于后者。
    秤台制造过程中的两个主要问题是秤台强度和限位装置。在动态称重系统中，秤台的自振和变形都会对动态精度产生不良影响，高强度的秤台不但能减小变形，提高使用寿命，也可大大减小自振的幅度，提高自振频率，对动态性能的提高非常有利。
    目前秤台限位主要有两种类型，一种是拉杆式限位，另一种是顶式限位。这两种方式没有本质的区别，只是在设计和安装时需要特别注意限位机构不能将水平力转化为垂直力，对拉杆式限位，也就是要确保拉杆的水平，这就需要现场调试人员充分认识到其重要性，仔细调试，同时加长拉杆长度也有利于调试。对顶式限位，一方面要保证被顶的限位块垂直于秤体平面，同时顶块采用钢球等机构也有利于性能改善。为了改善调试质量，我们强烈建议使用一体化秤台，在出厂前完整调试，整体安装。

二、称重显示控制器

    这是整个系统的核心部件，由于技术难度较大，目前国内可供选择的用于计重收费系统的仪表不多。称重显示器的主要作用是：1、采集秤台的重量信息，并据此计算出动态重量；2、采集轮轴识别器上传的信息，判断车辆类型；3、判断车辆的进退；4、负责与计算机的通讯。
    常有客户询问我们动态仪表的采样率，以为采样率越高动态精度越好，实际上这是一个误解。动态称重时确实需要有比静态更高的采样率，但只要采样率符合Naquest定律的要求（即采样率不低于信号最高有效频率的二倍即可保证包含信号的所有信息），更高的采样率是没有任何意义的，事实上现在高速采样的转换器多如牛毛，若提高采样率就可达到高精度那么动态称重就没有难度了。我们分析了大量采集到的汽车通过动态汽车衡的波形，在车辆速度不大于30km/h时，50HZ以上的分量很小，因此采用200HZ以上的采样率即可。决定仪表动态性能的关键因数是算法，这里不展开讨论。
    这里需要着重谈谈车辆进退的判别问题。在收费车道上车辆的运动状态非常复杂：正常正向行使、倒退、开上秤台后又倒退、退上秤台又前行……。若不能正确判断车辆的这些运行轨迹，则可能造成车型判断错误和收费计算机队列混乱，造成不必要的纠纷。目前判断行驶方向有两种方法：一是在秤台边缘加一对或二对光电开关，这种方法简单、成本低，但是在雨雪天车轮带起的泥浆会很容易堵塞光电开关造成工作不正常。另一种方法就是在仪表上设计专用通道，利用秤台的称重传感器兼做方向判别，这种方法不受干扰，只要能称重就能判别行使方向，而且任何复杂的运行轨迹都能正确判别，实践证明可靠性非常好。

三、轮轴识别器

    轮轴识别器的作用是正确判别通过的车轴每侧是单轮还是双轮，同时与秤台一起判别轴型是单轴还是双联轴或三联轴。目前常见的轮轴识别器大体上有两大类：一是采用多个传感器，通过检测车轮压到传感器的数目来判断单/双轮，另一种是采用压电元件来识别，后者使用不多，我们只讨论前者。
    一个轮轴识别器包括一排传感器和一个控制器，12个传感器（视车道宽度不同可有增减）装在一个框架内，车轮压在轮轴识别器上时，控制器识别被压到的传感器数目和位置，当有三个以上传感器被压到或二个不连续的传感器压到则判为双轮，否则为单轮。有少量轻型的双轮轴，由于其车轮特别窄，某些轮胎正好从传感器之间穿过，可能会出现误判，但这些车辆的轴载均不可能超限，一般不在超限检测的范围。轮轴识别器上使用的传感器通常有称重传感器和非接触式开关两大类，目前都有应用。相对来说，开关式的由于有机械运动，对防水要求特别高，也容易出现磨损问题，但控制电路较为简单，无传感器漂移等问题。称重传感器方式没有机械运动，因而机械磨损要小得多，但防水性能仍是决定轮轴识别器可靠性的主要因数。同时称重传感器方式的控制电路较为复杂,传感器在使用中容易产生零位漂移，需要在控制器中加以补偿，否则会产生很高的故障率。我们研制了一种用称重传感器的控制器，不但能自动补偿零点漂移，还能自动指示并且屏蔽故障的传感器，大大延长了轮轴识别器的维修周期。

四、红外车辆分离器

    红外车辆分离器的作用是检测车辆是否已完全通过秤台，由一组红外发射/接收对管组成。考虑到拖挂车的检测，相临红外管之间的间距不大于40mm，为能检测各种车型，红外管最低离地高度不大于50cm，最高点离地高度不小于160cm，高速公路上行驶的车辆比普通公路单纯一些，一般可适当放宽高度要求。目前一般选用120cm的红外分离器，高速公路也可用90cm规格。
    除高度要求外，选用红外分离器主要是要考虑足够的检测距离，要确保在恶劣气候如浓雾、雨雪等条件下正常工作，为此在北方寒冷地区还需要加上电除霜装置。有些红外车辆分离器（如美国STI等）还能自动屏蔽粘在玻璃上的泥巴、小虫等的影响，工作可靠性甚好。
    有些业主要求配置地感线圈作为红外分离器的备份。地感线圈是利用车辆经过埋有线圈的路面时引起线圈电感量变化来检测车辆的，它不能可靠分离二辆靠得很近的车辆，也会将拖挂货车误判为二个车，因此准确率较低。由于红外分离器故障率不高，且多数收费站都有冗余车道，本身已有全套备份，因此笔者认为实际意义不大。

3．结语

    对衡器制造商来说，目前搞得轰轰烈烈的计重收费系统确实是一块诱人的蛋糕，但是这也是一块并不熟悉的蛋糕，吃不好会噎住。因此在打算进入这个市场前一定要做好样机，积累实际经验。做好调查研究，不要贪图小利选用未经市场充分检验的配件，否则必然隐藏着很大风险。笔者和同事们也十分愿意与同行一道，把这个市场做好。

<全文完>