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摘要:随着我国汽车工业的迅速发展,货车超载已成为破坏公路设施,诱发交通安全事故的主要因素之一。有效的监测和防止货车超载,对我国社会经济发展有着十分重要的现实意义。本文对比分析了国内外超载控制技术的运用与研究,并提出一种从动力源头控制车辆超载方案。
关键词:车辆超载 控制技术 运用与研究
1车辆超载控制器研究背景和意义
随着我国汽车工业的快速发展,公安部交通管理科学研究所2009年1月统计,截止到2008年9月底,全国机动车保有量为16803万辆,与2007年底相比,增加825.5万辆,增长5.17%。其中全国私人机动车保有量为12768万辆,占机动车总量的75.99%,与2007年底相比,增加611.25万辆;2007年全国货车保有量44.3万辆, 预计2010年货车保有量将达到70万辆;2008年,我国新增公路里程10万公里,其中新增高速公路6433公里,达到6.03万公里。公路运输的快速发展为国民经济的发展做出了巨大的贡献,但同时伴随着出现了安全问题,特别是载货汽车的超载超限带来安全问题尤为严重。
车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过车辆额定载重量,车辆超限是指在公路上行驶车辆的货物长、宽、高、总重和轴载质量的任意一项超过了公路规定的限制值(王建聪,2004)。车辆超载超限,严重损坏公路基础设施,诱发大量交通安全事故,导致公路运输市场恶性竞争。近年来,我国道路运输车辆超载现象极为普遍,在严重地区,几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超载行为。车辆超载运输对交通安全和路桥基础设施等造成了极大危害,诱发道路交通安全事故。据统计,70%的道路安全事故是由于汽车超载引发的,50%的群死群伤性重特大道路交通事故与超载有直接关系(张雨,2002)。
据广东省交通部门2006年1月统计,违章超限超载运输每盈利一元钱,就造成公路直接经济损失超过6元。从1998年至2002年间,全省公路由于超限超载运输所造成的经济损失高达88.8亿元人民币,相当于新建一条200公里的高速公路。江阴长江大桥,曾获2002年度中国建筑工程鲁班奖和世界桥梁大会最高奖——尤金·菲格尔奖,然而在2001年,仅仅通车3年的江阴长江大桥就出现了桥面大面积局部破损。交通部门通过实地检测,大桥日通行量约2.7万辆,而严重超限的运输车辆为2000多辆货运车辆。由于超载车辆大多是由南向北行驶,故大桥西侧的重车道已出现大面积龟裂,较大裂缝达30余处,有的裂缝长达百米,部分地方桥梁钢板已经裸露,整个桥面布满了补丁(郑建浩,2007)。车辆的严重超载给社会造成了经济损失。
超载对路面的破坏十分严重。美国各州公路工作者协会(简称AASHTO)通过环道试验,研究了超载对路面的破坏性与轴载的m次方成正比,即: 式中:N0-标准车通行次数,P0-标准车的及轴载;Ni-某一种车的通行次数,Pi-某一种车轴载;m-轴载换算指数。
我国路面设计规范根据等效疲劳损坏原理,采用弹性理论分析载荷应力与轴载的关系,不同车辆载荷一般通过等效破坏的原则进行当量轴载换算,轴载换算公式一般用下式表示:
式中:N0-标准轴载的通行次,P0-标准轴载的轴载;Ni-某一种车的通行次数,Pi-某一种车的轴载;C1-轴数系数C2-轮组系数;m-轴载换算指数。
对于沥青路面,有两种不同的轴载换算标准,当路面结构损坏以路面表面回弹弯沉为等效换算指标时,轴载换算指数m=4.35,对于水泥混凝土路面,轴载换算指数m=16。
车辆超载对路面破化当量当车辆轴载超过路面标准设计轴载100kN的1倍时,对于沥青路面,这样的车通过1次,相当于标准轴载的车辆通过20次(m=4.35);对水泥混凝土路面,超过设计标准轴载1倍的车辆通行1次,相当于标准车通行65536次(孟书涛,2004)。由此可见,由于车辆超载,对路面造成的损坏是相当严重的。交通部的试验结果表明,1条设计使用15年的公路,如果行驶车辆超载1倍,其使用年限将缩短90%,只能使用1年半。超载诱发大量道路交通安全事故,扰乱了国家养路费和路桥收费政策,造成环境污染以及造成车辆“大吨小标”泛滥。
2国外超载控制技术研究现状
超载现象在许多国家的道路运输中都存在。为了避免超载汽车对公路造成过早破坏,发达国家在20世纪50年代就开始对汽车动态称重系统进行研究以控制货运车辆超载运行。1974年,法国取得了一项压电缆动态汽车称重器Vibracoax的专利。1988年,英国研制出性能优于Vibracoax的新型压电称重传感器Vibetek5。1992年,由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEHRI)发起,按照欧盟运输委员会(ECTO)的程序框架进行了COST323计划。该计划主要内容就是研究对公路上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题,其中最重要的是在瑞士进行为期30个月的WIM(weighing in motion)动态称重技术系统实际应用测试。1994年,欧盟开始进行WAVE(weighing in motion of axleand vehicles for europe)计划即著名的CET(cold environment test)测试。2000年ITS(Intelligence transportation system)年会上展出由美国MSI公司开发的共聚物压电轴传感器,可以同时测量车速、车轴数、轴距及车型分类、动态称重(凌杰,2000)。为了规范世界上的动态称重系统,1990年德克萨斯大学的学者起草了ASTME1318-90标准,该标准通过了美国实验及材料协会(ASTM)标准委员会的认定。目前,国外汽车动态称重系统的研究以美国和德国水平较高,德国PAT公司生产的产品精度已达到±3%(凌杰,2000)。
在美国某些州,将动态称重衡器WIM与汽车自动识别AVI(Automatic Video Identification)结合在一起,允许装有无线电发射机应答器的汽车从旁路通过称重站,实现车重检测的自动化。
在德国联邦货物运输局内,设有专门机构管理超限运输车辆,在8个州设有分部,还设有3个小型机构对车辆违章进行处理。在全国1.1万公里的高速公路上共设有700多个检查站,对车辆超重、装载尺寸超限、司机超速行驶、危险货物运输等进行检测,对违章车辆有权扣留并进行处理。在德国对超限运输驾驶员的管理办法中规定,第一违章次驾驶员将被登记在案并口头警告;第二次被发现将面临三个月的监禁;一年内发现超限三次以上的驾驶员将被吊销驾驶执照,登上“黑名单”,终身不得从事驾驶行业工作。
在澳大利亚,对超限超载的处理方式一般是强制超限超载者修路,即按承运货物的起点到终点,负责修理该路段所有的损坏路面。
在日本广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费站设有电子秤测量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。日本实行“一超三罚”制度,即罚货主、罚运输企业、罚司机。根据日本相关法律,超过行驶证最大载重量的,处6个月以下徒刑,10万日元罚款(约合人民币7,400元)。
韩国从1973年7月开始对重型载货车实行重点检查。1994年10月,超限超载车辆过多导致圣水大桥坍塌后,韩国政府进一步加大了治理力度,在全国设立了400余个超限超载检测站(点)。韩国的超载监控系统,车辆通过电子称重设备来检测重量,通过车辆识别系统来识别车辆型号,通过网络中的PC机来判断车辆是否超载,如一旦超载系统将自动对超载的车辆进行照相,以作为惩处的依据。
目前,韩国超限超载车辆仅占被检测货运车辆的1.5%。韩国法律规定,对超限行驶者或强迫驾驶员超限运营者判处1年以下有期徒刑或处以200万元韩币(约合人民币1.5万元)以下罚款;对擅自改装车辆或妨碍检测者处2年以下有期徒刑或处以700万元韩币(约合人民币5.2万元)罚款。超限运输车辆一经发现,将被公路部门直接引导至法院接受法律惩处。
3 国内超载控制技术研究现状
解幸幸(2006)设计了基于应变式称重传感器的车辆行驶称重系统。介绍了应变式称重传感器的结构特点、动态特性、信号采集放大与摸/数转换的硬件结构,以及基于采样平均法的信号处理精度和传感器间距的设计表达式,在公路车辆限速行驶状态下,能测出行驶车辆的静态质量、行驶速度以及轴距等车辆静态参数。该系统的测试原理由电阻应变传感器、放大器、低通滤波器、信号采集转换电路组成。
神英龙(2006)从原理上分析部分运输车辆为逃避超载罚款而使用的压地作弊方法,并提出解决问题的措施,以及在现行利用动态汽车检测超重时检测算法上的改进方案。
高敏(2007)通过对汽车纵梁进行受力分析,计算东风BQ1090E型汽车纵梁所受的剪力和弯矩,确定纵梁上安装传感器的位置并选择适当的传感器测量荷载。通过A/D转换将数字信号转换成电压信号,再通过放大器放大电路对输出的压力信号进行放大,将放大的电压信号输入报警器和控制系统中,从而控制汽车的超载。
高亮(2006)针对目前越来越严重的车辆超载现象,设计了一种车辆超限检测系统,这系统具有设计合理、精度高的特点。其工作原理是车辆分离器在待测车辆通过称重台时按实际情况把待测车辆分离成每一个单车,称重系统在动态或静态情况下称量该车每一个单轴的轴重,并累计其轴重,最后得到该车辆的总重量。轮胎识别系统判断车辆的轮胎类型和车辆类型的同时,得到预先设置的该类型车辆的车载额定值,比较实际总重量和额定值,核定该车是否超限及超载。依据总重量和超限重量,按照相关规定计算出车辆应交费用,工作人员凭此收费或处罚。
对于治理超载,国内还有在道路入口处安装称重系统进行静态或动态称重,杭州四方电子衡器厂研制的一种DCS固定式超限检测/计重收费系统。该装置安装在需要检测车辆载重量的路段(或入口)处。
当车辆通过时,由轮胎识别器自动识别车型,车辆识别器自动判别车辆是否整车通过,这两者信号及秤体称重信号一起传送到称重显示器。称重显示器对于收集到的信号进行动态数据处理,显示整车的重量,并判断是否超载。该数据同时显示在大屏幕上,方便司机查看。
综上测试方法均是借助于各种衡器获得车辆荷载,都是一种被动的测量。为了解决问题,变被动测量为主动测量,且避开车辆速度的影响。设计一套从能动力源上解决超载问题的超载控制系统。
4超载控制技术的建议
本文分析目前国内道路运输中普遍存在的超载超限问题。通过国内外对超载超限的治理现状研究,期望找出一种能从根本上解决超载监控的技术手段。建议采用从动力源头出发研究治理超载的技术,通过研究货运车辆从静态到动态变化瞬间,车辆传动轴驱动转矩与车辆荷载量间的相关关系,设计传感器和信息采集系统。获得的车辆荷载信息可以传送到发动机电子控制单元,进而控制发动机的点火和喷油,起到车辆开始运行即测控车辆超载的作用。
参考文献:
[1]王建聪,毛保华.车辆超载超限的危害性与治理对策研究.中国安全科学学报,2004,11(14).
[2]张雨.The Research Thought and Signal Analysis on the Automobile Weigh-in-Motion (WIM) Device.ICTTS’2002,07.
[3]郑建浩.超载车辆对路面损坏的影响分析.交通企业管理,2007,7.
[4]凌杰.公路动态称重系统的设计理论研究:[学位论文].西安:长安大学.2000.
关键词:车辆超载 控制技术 运用与研究
1车辆超载控制器研究背景和意义
随着我国汽车工业的快速发展,公安部交通管理科学研究所2009年1月统计,截止到2008年9月底,全国机动车保有量为16803万辆,与2007年底相比,增加825.5万辆,增长5.17%。其中全国私人机动车保有量为12768万辆,占机动车总量的75.99%,与2007年底相比,增加611.25万辆;2007年全国货车保有量44.3万辆, 预计2010年货车保有量将达到70万辆;2008年,我国新增公路里程10万公里,其中新增高速公路6433公里,达到6.03万公里。公路运输的快速发展为国民经济的发展做出了巨大的贡献,但同时伴随着出现了安全问题,特别是载货汽车的超载超限带来安全问题尤为严重。
车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过车辆额定载重量,车辆超限是指在公路上行驶车辆的货物长、宽、高、总重和轴载质量的任意一项超过了公路规定的限制值(王建聪,2004)。车辆超载超限,严重损坏公路基础设施,诱发大量交通安全事故,导致公路运输市场恶性竞争。近年来,我国道路运输车辆超载现象极为普遍,在严重地区,几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超载行为。车辆超载运输对交通安全和路桥基础设施等造成了极大危害,诱发道路交通安全事故。据统计,70%的道路安全事故是由于汽车超载引发的,50%的群死群伤性重特大道路交通事故与超载有直接关系(张雨,2002)。
据广东省交通部门2006年1月统计,违章超限超载运输每盈利一元钱,就造成公路直接经济损失超过6元。从1998年至2002年间,全省公路由于超限超载运输所造成的经济损失高达88.8亿元人民币,相当于新建一条200公里的高速公路。江阴长江大桥,曾获2002年度中国建筑工程鲁班奖和世界桥梁大会最高奖——尤金·菲格尔奖,然而在2001年,仅仅通车3年的江阴长江大桥就出现了桥面大面积局部破损。交通部门通过实地检测,大桥日通行量约2.7万辆,而严重超限的运输车辆为2000多辆货运车辆。由于超载车辆大多是由南向北行驶,故大桥西侧的重车道已出现大面积龟裂,较大裂缝达30余处,有的裂缝长达百米,部分地方桥梁钢板已经裸露,整个桥面布满了补丁(郑建浩,2007)。车辆的严重超载给社会造成了经济损失。
超载对路面的破坏十分严重。美国各州公路工作者协会(简称AASHTO)通过环道试验,研究了超载对路面的破坏性与轴载的m次方成正比,即: 式中:N0-标准车通行次数,P0-标准车的及轴载;Ni-某一种车的通行次数,Pi-某一种车轴载;m-轴载换算指数。
我国路面设计规范根据等效疲劳损坏原理,采用弹性理论分析载荷应力与轴载的关系,不同车辆载荷一般通过等效破坏的原则进行当量轴载换算,轴载换算公式一般用下式表示:
式中:N0-标准轴载的通行次,P0-标准轴载的轴载;Ni-某一种车的通行次数,Pi-某一种车的轴载;C1-轴数系数C2-轮组系数;m-轴载换算指数。
对于沥青路面,有两种不同的轴载换算标准,当路面结构损坏以路面表面回弹弯沉为等效换算指标时,轴载换算指数m=4.35,对于水泥混凝土路面,轴载换算指数m=16。
车辆超载对路面破化当量当车辆轴载超过路面标准设计轴载100kN的1倍时,对于沥青路面,这样的车通过1次,相当于标准轴载的车辆通过20次(m=4.35);对水泥混凝土路面,超过设计标准轴载1倍的车辆通行1次,相当于标准车通行65536次(孟书涛,2004)。由此可见,由于车辆超载,对路面造成的损坏是相当严重的。交通部的试验结果表明,1条设计使用15年的公路,如果行驶车辆超载1倍,其使用年限将缩短90%,只能使用1年半。超载诱发大量道路交通安全事故,扰乱了国家养路费和路桥收费政策,造成环境污染以及造成车辆“大吨小标”泛滥。
2国外超载控制技术研究现状
超载现象在许多国家的道路运输中都存在。为了避免超载汽车对公路造成过早破坏,发达国家在20世纪50年代就开始对汽车动态称重系统进行研究以控制货运车辆超载运行。1974年,法国取得了一项压电缆动态汽车称重器Vibracoax的专利。1988年,英国研制出性能优于Vibracoax的新型压电称重传感器Vibetek5。1992年,由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEHRI)发起,按照欧盟运输委员会(ECTO)的程序框架进行了COST323计划。该计划主要内容就是研究对公路上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题,其中最重要的是在瑞士进行为期30个月的WIM(weighing in motion)动态称重技术系统实际应用测试。1994年,欧盟开始进行WAVE(weighing in motion of axleand vehicles for europe)计划即著名的CET(cold environment test)测试。2000年ITS(Intelligence transportation system)年会上展出由美国MSI公司开发的共聚物压电轴传感器,可以同时测量车速、车轴数、轴距及车型分类、动态称重(凌杰,2000)。为了规范世界上的动态称重系统,1990年德克萨斯大学的学者起草了ASTME1318-90标准,该标准通过了美国实验及材料协会(ASTM)标准委员会的认定。目前,国外汽车动态称重系统的研究以美国和德国水平较高,德国PAT公司生产的产品精度已达到±3%(凌杰,2000)。
在美国某些州,将动态称重衡器WIM与汽车自动识别AVI(Automatic Video Identification)结合在一起,允许装有无线电发射机应答器的汽车从旁路通过称重站,实现车重检测的自动化。
在德国联邦货物运输局内,设有专门机构管理超限运输车辆,在8个州设有分部,还设有3个小型机构对车辆违章进行处理。在全国1.1万公里的高速公路上共设有700多个检查站,对车辆超重、装载尺寸超限、司机超速行驶、危险货物运输等进行检测,对违章车辆有权扣留并进行处理。在德国对超限运输驾驶员的管理办法中规定,第一违章次驾驶员将被登记在案并口头警告;第二次被发现将面临三个月的监禁;一年内发现超限三次以上的驾驶员将被吊销驾驶执照,登上“黑名单”,终身不得从事驾驶行业工作。
在澳大利亚,对超限超载的处理方式一般是强制超限超载者修路,即按承运货物的起点到终点,负责修理该路段所有的损坏路面。
在日本广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费站设有电子秤测量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。日本实行“一超三罚”制度,即罚货主、罚运输企业、罚司机。根据日本相关法律,超过行驶证最大载重量的,处6个月以下徒刑,10万日元罚款(约合人民币7,400元)。
韩国从1973年7月开始对重型载货车实行重点检查。1994年10月,超限超载车辆过多导致圣水大桥坍塌后,韩国政府进一步加大了治理力度,在全国设立了400余个超限超载检测站(点)。韩国的超载监控系统,车辆通过电子称重设备来检测重量,通过车辆识别系统来识别车辆型号,通过网络中的PC机来判断车辆是否超载,如一旦超载系统将自动对超载的车辆进行照相,以作为惩处的依据。
目前,韩国超限超载车辆仅占被检测货运车辆的1.5%。韩国法律规定,对超限行驶者或强迫驾驶员超限运营者判处1年以下有期徒刑或处以200万元韩币(约合人民币1.5万元)以下罚款;对擅自改装车辆或妨碍检测者处2年以下有期徒刑或处以700万元韩币(约合人民币5.2万元)罚款。超限运输车辆一经发现,将被公路部门直接引导至法院接受法律惩处。
3 国内超载控制技术研究现状
解幸幸(2006)设计了基于应变式称重传感器的车辆行驶称重系统。介绍了应变式称重传感器的结构特点、动态特性、信号采集放大与摸/数转换的硬件结构,以及基于采样平均法的信号处理精度和传感器间距的设计表达式,在公路车辆限速行驶状态下,能测出行驶车辆的静态质量、行驶速度以及轴距等车辆静态参数。该系统的测试原理由电阻应变传感器、放大器、低通滤波器、信号采集转换电路组成。
神英龙(2006)从原理上分析部分运输车辆为逃避超载罚款而使用的压地作弊方法,并提出解决问题的措施,以及在现行利用动态汽车检测超重时检测算法上的改进方案。
高敏(2007)通过对汽车纵梁进行受力分析,计算东风BQ1090E型汽车纵梁所受的剪力和弯矩,确定纵梁上安装传感器的位置并选择适当的传感器测量荷载。通过A/D转换将数字信号转换成电压信号,再通过放大器放大电路对输出的压力信号进行放大,将放大的电压信号输入报警器和控制系统中,从而控制汽车的超载。
高亮(2006)针对目前越来越严重的车辆超载现象,设计了一种车辆超限检测系统,这系统具有设计合理、精度高的特点。其工作原理是车辆分离器在待测车辆通过称重台时按实际情况把待测车辆分离成每一个单车,称重系统在动态或静态情况下称量该车每一个单轴的轴重,并累计其轴重,最后得到该车辆的总重量。轮胎识别系统判断车辆的轮胎类型和车辆类型的同时,得到预先设置的该类型车辆的车载额定值,比较实际总重量和额定值,核定该车是否超限及超载。依据总重量和超限重量,按照相关规定计算出车辆应交费用,工作人员凭此收费或处罚。
对于治理超载,国内还有在道路入口处安装称重系统进行静态或动态称重,杭州四方电子衡器厂研制的一种DCS固定式超限检测/计重收费系统。该装置安装在需要检测车辆载重量的路段(或入口)处。
当车辆通过时,由轮胎识别器自动识别车型,车辆识别器自动判别车辆是否整车通过,这两者信号及秤体称重信号一起传送到称重显示器。称重显示器对于收集到的信号进行动态数据处理,显示整车的重量,并判断是否超载。该数据同时显示在大屏幕上,方便司机查看。
综上测试方法均是借助于各种衡器获得车辆荷载,都是一种被动的测量。为了解决问题,变被动测量为主动测量,且避开车辆速度的影响。设计一套从能动力源上解决超载问题的超载控制系统。
4超载控制技术的建议
本文分析目前国内道路运输中普遍存在的超载超限问题。通过国内外对超载超限的治理现状研究,期望找出一种能从根本上解决超载监控的技术手段。建议采用从动力源头出发研究治理超载的技术,通过研究货运车辆从静态到动态变化瞬间,车辆传动轴驱动转矩与车辆荷载量间的相关关系,设计传感器和信息采集系统。获得的车辆荷载信息可以传送到发动机电子控制单元,进而控制发动机的点火和喷油,起到车辆开始运行即测控车辆超载的作用。
参考文献:
[1]王建聪,毛保华.车辆超载超限的危害性与治理对策研究.中国安全科学学报,2004,11(14).
[2]张雨.The Research Thought and Signal Analysis on the Automobile Weigh-in-Motion (WIM) Device.ICTTS’2002,07.
[3]郑建浩.超载车辆对路面损坏的影响分析.交通企业管理,2007,7.
[4]凌杰.公路动态称重系统的设计理论研究:[学位论文].西安:长安大学.2000.