基于北斗的车载计重综合监控管理系统

文| 中国航天科技集团公司第四研究院第四十四研究所 张荣军 罗向东 许晨光 张伟

基于北斗的车载计重综合监控管理系统

文| 中国航天科技集团公司第四研究院第四十四研究所 张荣军 罗向东 许晨光 张伟

摘 要：针对目前货车的源头治超，货车的电子不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）、渣土处理及物流信息化等难题，提出基于北斗的车载计重综合监控系统的解决方案。本系统整合了北斗卫星导航系统、地理信息系统（GIS ）、车载计重系统、公用通信网络、大数据技术、自动化监控平台等，通过安装北斗车载定位、计重及监控单元的方式，形成对载重车辆的综合监控。批量试点应用表明，系统称重精度高、定位准确、性能稳定、适用性强，能够满足当前车载计重综合监控的要求。

关键词:车载计重 北斗系统 地理信息系统 大数据技术 综合监控

一、引言

随着国民经济及交通运输业的迅猛发展，载货汽车数量大幅增加，随之带来公路、交通的一系列问题，道路运输事故也呈上升趋势，道路运输安全问题已经成为社会关注的热点。如载货车辆的超限超载、道路拥堵以及引发公路、桥梁基础设施安全、道路交通事故等，给国家和人民生命财产带来极大损失，甚至影响社会稳定。提高载货车辆综合监管，减少人民群众生命财产损失，提高营运效率等，是政府部门、营运企业、司机以等多方共同关心的问题。为了有效遏制载重车辆的超限超载，我国设置了多级超载超限检测站，安装轴重仪、整车式称重系统等计重设备，有效的控制了车辆超载运输。但是在使用过程中先后暴露出了称重精度差、通行效率低、防作弊能力差、监管治理难度大等问题，经常出现由于计重准确性问题带来的纠纷和交通拥堵，给管理部门和公路运营企业造成了巨大的压力。

随着北斗卫星导航技术及车载称重技术的发展，为解决上述问题提供了解决方案，基于北斗的车载计重综合监控系统集北斗卫星通信技术、卫星导航技术、大数据技术、车载称重技术、地理信息技术于一体，可实现对载货车辆载重量、行驶速度、位置信息的实时监控。能够解决载重车辆的自动在线监测、超限治理、货车不停车收费、渣土车治理、物流信息化等诸多难题，越来越得到社会的广泛关注。

二、系统方案

基于北斗的车载计重综合监控管理系统是面向相关行业、政府职能部门、车队等提供相关服务及信息的综合监控平台，实现对载重车辆的实时监控，提供实时位置信息及地理信息，能够对车辆的载重信息、偏载信息、超载信息、运行状态、驾驶状态等进行实时数据采集及处理，根据处理结果做出相应的处理。按照功能分为四部分：车载计重单元、基于北斗的车载智能监控终端、无线通信网络及综合监控服务管理平台。系统构成原理图见图1。

图1 系统构成原理图

车载计重单元安装在载货车辆的车轴或底盘上，用来检测货车的载重信息；车载智能监控终端安装在驾驶室内，用于实现载重量处理、偏载处理、位置信息、无线传输、ETC设备数据交互等功能；综合监控服务管理平台由接入设备、通信服务器、数据库服务器、GIS服务器、监控终端、电视墙等组成，实现对载重车辆相关信息的实时监控、信息的处理、存储、发布等功能，通过与地理信息系统相结合，将载重车辆的位置信息直接反映在电子地图上，并可实现轨迹回放。

三、车载监控单元

1.车载计重单元

（1）基于应变放大的工作原理

货车在设计时，出于安全性考虑，货车的车轴设计安全系数裕度较大，因此车轴受载荷作用后，应变/变形非常微小，不能满足测试要求。同时，在应力应变或形变测试过程，力传递环节、边界刚性及应变区及非应变区强度等原因，导致敏感器件感受到的应力应变大幅衰减，因此传统的测量方法不能满足车载计重的要求。本系统通过将车轴一定区域的形变集中到车载传感器弹性体应变区的方式，来实现应变的传递及放大，再通过电路转换，获取了具有一定信噪比的电信号，此电信号和载重量成一定的比例关系，从而间接获取货车载重量。

（2） 测量方法

针对车轴类型（前轴、驱动轴、半挂车车厢后轴），对车轴进行静力学分析，以确定有效敏感区应变值及有效敏感区域的分布状态。

（3） 车载敏感器件

在车辆行驶过程中，专用传感器承受持续的交变载荷（振动、冲击等）的作用，对弹性元件的疲劳特性及可靠性要求极高，传统的敏感器件难以满足要求，为此采用溅射薄膜工艺解决了车载称重系统敏感器件的可靠性问题、温度补偿及热冲击问题。

（4）车载传感器的布局及信息融合

车载计重传感器根据称重精度要求的不同，可采用每根车轴中部布局一只传感器或每根车轴两侧各布局一只传感器两种方式，后者可消除装载货物质心沿轴向的位置偏差。

根据车轴强度的不同，采用同类信息融合技术，对传感器进行分组分类，分别进入车载智能监控终端，通过求取通道耦合系数，进而得到装载货物的静态重量信息。

（5）车载智能监控终端

车载智能监控终端由ARM嵌入式微控制器单元、北斗/GPS双模定位单元、无线数传单元、电源单元、称重信号放大与调理单元、模数转换单元、显示单元、数字I/O接口单元、数据存储单元等构成，是基于北斗系统的前端设备，实现对车辆位置信息、重量信息、状态信息、及其他相关信息的采集、处理、传输、存储等功能。

系统采用ARM系列LPC2378处理器。它包含10/100Ethernet MAC、USB2.0 全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个串行外围设备接口、2个同步串行端口、3个I2C接口、1个I2S接口和1个8位存储控制器，LPC2378处理器作为车载智能监控终端的核心，内嵌有操作软件，完成称重数据采集的控制与运算处理；定位数据的识别与处理；数据存储的控制；ETC数据的交互；北斗/GPS模块的数据交互以及实现对显示单元的人机界面的控制等任务。

车载智能监控终端软件包含：车辆定位模块、称重管理模块、监控模块、存储模块、远程交互模块、人机交互与权限管理等。主程序由多个实时、独立的任务构成，任务0用于定位处理，任务1用于称重处理，任务2用于监控管理，任务3用于本地存储，任务4用于远程交互，任务5用于人机交互及权限管理，各任务之间采用全局变量进行交互。主要实现车辆基本信息、重量信息、定位信息、状态信息、数据交互、报警等信息的操作及管理功能。

四、北斗卫星导航定位

北斗定位模式在定位精度、覆盖范围、通信手段、技术支持、保密性、可持续发展等方面具有优越性：①定位精度高。国内区域定位精度可达5m以内。②以卫星导航通信和3G网络两种通信方式进行信息传输，保障通信链路的畅通，确保信息及时传送。

本系统北斗定位单元由“北斗/GPS”双模定位模块构成，主要完成地理信息定位以及在特殊环境或紧急事件下的事件消息的传递。在我国的一些边陲地区和偏远山区，无线公共网络、第三代数字通信覆盖不到或者当出现事故，无线公共网络阻塞或瘫痪无法实现车载监控信息的传递时，可以利用北斗系统的短报文功能实现信息的无线传输。

五、综合监控服务管理平台

综合监控服务管理平台面向货运车辆的全过程，以货运车辆运营过程的相关部门和各个环节为服务对象，以装载信息服务、位置信息服务、交互信息服务的综合服务管理平台,管理平台由数据库服务器、GIS服务器、通信服务器、WEB服务器、监控终端、网络设备、大屏幕等部分组成，见图2。

图2 综合监控服务管理平台组成示意图

图3 电子地图监控界面

平台数据接入系统采用专用网络和公用网络两种传输模式，专用网络使用短距离无线通信，用于内部测试和区域组网。公用网络则适用于长距离广域传输。其中专用网络由ZigBee、WiFi等构成，为仿真测试平台提供了测试通信通道；使用3G公用网络实现广域网络传输，与北斗通信构成互补的数据传输体系。针对每种传输模式的特点，采用统一的上层传输协议及不同的通信驱动软件，既兼顾各自通信体系的独立性，又保证服务软件处理信息的一致性。

GIS 是基于数据库管理系统的管理空间对象的信息系统，数据是GIS的重要内容；方法为GIS建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，本系统通过GIS服务器获得准确经纬度信息及地理信息（城市名、道路、街道等），满足综合监控服务管理平台服务器的综合管理要求。

系统针对大量的货运载重车辆进行实时监控，利用大数据数据体量巨大、数据类型繁多、处理速度快等特点，实现对海量交通数据的分析与挖掘，提高交通运营效率及道路网的通行能力。

主要实现和车载智能终端进行相关数据信息的交互，实现载货车辆的实时在线监控功能；通过与地理信息（GIS）系统功能相结合，可以将载货车辆位置信息直观反映在电子地图上，如图3。

综合监控服务管理平台软件架构分为B/S和C/S组合模式，其中，C/S结构的服务平台软件主要用于数据接入、设备管理、终端测试及调试；B/S结构主要用于应用仿真、服务接口等，综合监控管理软件主要包括：服务平台软件、B/S监控终端软件及B/S服务软件，服务平台软件主要实现数据接入、数据库管理、数据监控、链接状态管理、调试及标定等功能；B/S监控终端软件主要实现车辆信息管理、实时数据监控、历史数据查询、车辆定位管理、报警、数据查询等；B/S服务软件主要实现网上车辆信息查询及应用服务接口。

六、典型应用案例

1.源头治超

针对目前超载治理实施比较分散，地区设备层次不一，信息化水平不高，车辆重量信息无法实时获取及共享，增加执法难度；现有固定式源头治超模式，需要投入大量的人力、物力及财力，但效果不佳；监管、执法的难度大等问题，运用基于北斗的计重货运车联网系统解决了以上问题。

结合北斗卫星通信技术、导航技术、车载称重技术、地理信息技术、大数据技术、无线通信技术、数据库等技术等实时对货车的装载量进行实时监测，一旦达到超载状态，智能车载终端将会将超载信息上传到治超管理中心，同时超载信息直接和车辆的点火装置联动，超载状态下车辆将无法点火启动。

2.货车ETC

针对货车ETC，提出以下两种基于车载的称重的货车ETC解决方案：一是车载智能称重终端直接集成车载设备（OBE），重量信息直接上传给路侧设备（RSE），从而实现货车的ETC缴费过程。二是车载智能终端将重量信息及车辆信息 （车牌号、车型等）通过ZigBee或WiFi方式直接上传给收费计算机,车辆信息通过车载设备上传给路侧设备（RSE），再通过数据匹配方式实现货车的ETC缴费过程。

七、结束语

基于北斗的车载计重综合监控管理平台作为计重车联网的重要组成部分，采用北斗卫星通信技术、车载称重技术、地理信息等技术，实现对载货车辆载重量、行驶速度、位置信息、运行时间等信息进行实时监控，解决货车源头治超、货车超限治理、渣土车治理、物流信息化、智能交通等诸多难题。

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