入口治超系统在新收费系统中的应用与优化

毕如林

(中远海运科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

车辆超限超载运输不仅会威胁人们的出行安全，而且易对道路和桥梁等公共设施造成损坏，因此必须对车辆超限超载运输行为进行严格治理。当前公路管理部门仍主要通过人工执法治理超限超载行为，该方法不仅效率较低，而且时常出现暴力抗法、暴力执法、人情执法和调度指挥不顺等情况。此外，执法人员在现场执法过程中，经常受到违法当事人的无理抗争，执法压力巨大。针对以上问题，需在以往工作的基础上，研究新的治理措施。

采用信息网络技术实现全天候在线即时监督检测的非现场执法模式，将科技信息化手段应用到交通综合执法中，可有效解决当前治超和道路行政执法面临的难题。建设公路超限非现场执法系统是新常态下交通行政执法的新模式，是“互联网+”在交通行业应用的具体体现。非现场执法系统能从时间和空间上扩大对超限车辆的监管范围，有效提高超限治理的水平。

当前上海市违法超限运输治理急需新技术、新方式的支持，通过推进治超非现场执法系统建设，逐步形成以“非现场执法治超为主，固定治超为震慑，流动治超为补充”的超限治理体系，通过多种形式实现对货运车辆的有效监控和管理部门间的信息共享，提升执法效能。

为建立健全高速公路入口检测、出口倒查和责任追究等治超执法联动工作机制，2019年上海市全部收费站都实现了入口治超，实现了治超系统与高速公路收费系统的全面对接，提升了货车超限超载的精准判别能力。

1 设备选型和方案优化

交通运输部在《取消高速公路省界收费站工程车道系统实施指南》中给出了分离式入口称重车道布局和一体式入口称重车道布局2种入口称重车道布局形式，共3种方案(见图1～图3)。

图1 分离式入口称重车道布局形式(3车道)

图2 分离式入口称重车道布局形式(多车道)

图3 一体式入口称重车道布局(3 车道)

由于上海市土地资源较为紧张，交通流量较大，各收费广场的面积比较狭小，难以按交通运输部推荐的标准设置入口治超系统。对此，在考虑工程造价的情况下进行设备选型和方案优化，以高性价比满足功能要求。

当前动态称重设备主要有平板式、弯板式、小弯板式、窄条式和石英式等5种。结合前期示范工程的应用情况，通过对动态称重设备的基本特性、精度、施工条件和维护情况等进行对比，最终选择分离式入口称重车道布局。对于收费广场而言，其路面为混凝土路面，道路条件较好，称重设备和施工采用“窄条+环氧胶灌装”方案；对于普通匝道公路而言，其路基为半刚性路基，综合考虑施工时间、数据精度和可维护性，称重设备和施工采用“平板+高强速凝材料”方案。

2 系统架构

在系统设计中，对传统治超系统的一些功能进行集成和优化，形成一套全新的方案，在实现传统治超系统功能的同时，节约成本。

入口治超系统由动态称重子系统、图像抓拍子系统和信息发布子系统等子系统构成，各子系统的构成和功能如下：

1)动态称重子系统由称重设备、车辆检测设备、信号处理单元、称重仪表、通信接口和称重柜等组成，主要用于完成数据检测、处理、计算和通信，以及对其他辅助设备进行控制和管理。当车辆行驶至传感器位置时，由传感器测得车辆轴重信息，由数据采集处理器对这些信息进行预处理，由高速动态称重系统根据云处理的信息计算出车辆的速度、轴重和轴数等数据，并将其实时传输给称重柜内的预检系统工控机。

2)图像抓拍子系统由车头抓拍相机、车尾抓拍相机、全景监控相机和补光灯等组成，采用线圈或称台等触发方式。当车辆通过线圈或称台时，车辆识别摄像机抓拍车辆图像，并对其进行识别，将车牌识别结果、车牌图像、车牌颜色、车辆前部图像、车辆前侧面图像和车辆通过的视频等信息上传给预检系统工控机，预检系统工控机将车辆彩色大图、车辆识别摄像机识别结果、车辆的重量和交通信息综合成一条完整的车辆通过影像证据，写入数据库。

3)信息发布子系统由告知屏和网络等组成，通过网络向高速公路入口管理系统和高速公路入口治超检测平台等传输车辆信息，通过告知屏向车辆驾驶人员发布车辆是否超限的信息，并引导其进行下一步动作。

该工程的称重设备有平板称重设备和窄条称重设备2种，其前端系统组成图分别见图4和图5。

图4 平板称重系统前端系统组成图

图5 窄条称重系统前端系统组成图

平板称重设备采用平行布置方式，全路幅铺满式布置，防止被检测的车辆绕行；窄条称重设备采用每个车道6根3排传感器平行布置方式，选取不同长度的设备尽可能地铺满式布置，以保障对异常车辆的检测。由于不同收费站的现场状况不同，故其采用的称重设备有所差异，主要根据收费站入口匝道的长度和线性好坏进行选型。长度长、线性好的匝道采用布设在匝道的平板称重设备；长度短、线性差的匝道采用布设在收费站岛头的窄条称重设备。

平板称重系统和窄条称重系统现场设备布置图分别见图6和图7。

图6 平板称重系统现场设备布置图

图7 窄条称重系统现场设备布置图

车辆通过称重传感器之后，计算出轮轴载荷。当被检测车辆完全通过之后，系统将采集到的车辆信息实时传输给控制主机，控制主机接收车牌识别系统输出的数据，并将其与重量信息相匹配，形成完整的车辆信息，在本地存储并上传。通信机根据事前输入的轴重和总重限值判断被检测的车辆是否超限，若确认超限，将超限信息显示在前方LED(Light Emitting Diode)大屏上。自此，整个系统的功能自动化完成。

3 数据采集上传

高速公路入口超限检测系统具有以下功能：

1)对通过的车辆的重量、检测轴、轴组和通过时间等信息进行自动采集，并形成完整的称重检测信息；

2)存储、显示、查询、导出和防篡改称重检测信息，以及记录运行日志等功能；

3)通过数据传输接口将称重检测数据传输给市级治超监管平台、市级交警总队平台和高速公路收费系统，并通过可变信息标志提示超限超载车辆禁止驶入高速公路。

本文所述工程网络由3部分组成，即：前端设备接入收费站；前端设备接入治超系统；治超系统在政务外网内应用。入口治超与收费系统通信界面位于收费站交换机内，将前端设备与收费站已有的交换机相连接，通过收费链路将车辆称重数据、车牌数据和视频信息等数据传送给收费站服务器、市交警总队平台和市治超中心平台。

当车辆驶入检测区时，动态称重子系统被触发，获得车辆拍照数据；当车辆驶离检测区时，所有轮轴均被识别，车辆轴重和总重等数据计算完成，将这些数据与车牌等数据匹配，判断车辆是否超限，若超限，系统将多角度拍摄照片和视频，将这些信息与车牌、车身和重量等数据组合起来，形成完整的电子证据链，并在车辆行驶前方可变情报板上发布超限信息。

入口治超数据传输流程见图8。

图8 入口治超数据传输流程

当超限车辆到达收费站入口时，收费系统将车辆信息与入口治超系统数据相对比，若发现其超限且不是大件运输车辆，则拒绝向其发卡或不抬栏杆，将其劝返。

该系统建成之后有3个重要功能，即：交警总队对进入高速公路的质量超过55 t的车辆作闯禁令处罚；交通执法总队进行非现场超限超载处罚；收费站入口拒超。

4 系统优化

由图4和图5可知，平板称重系统与窄条称重系统是有区别的，前者是由线圈和车检器分车的，而后者是由传感器和软件算法分车的，这一方案是在收费站收费广场面积狭小和对称重系统厂家提供的软件算法充分信任的情况下确定的。通过一段时间的试运行发现：对于自由流来说，这2种方法判断轴数的准确率均比较高，但对于车流量大的收费站入口而言，堵车和低速行驶是不可避免的，一旦出现这2种情况，软件算法对该系统来说基本失效，对通过判断速度和底盘尺寸等特征数据分车的窄条称重系统的影响较大，而对依靠线圈和车检器分车的平板称重系统的影响不是太大。

在未使用光幕的情况下，窄条称重系统的判断逻辑见图9。

图9 未使用光幕的窄条称重系统的判断逻辑

由图9可知：在车辆正常行驶的情况下，需根据车辆的速度和轴型等信息延时判断车辆是否已通过。某些前后分布的相似车型(如两轴车、三轴车)需在车距至少3～4 m的情况下才能分离开，且在低速情况下，速度越低，分离车辆所需时间越长。当车辆排队通行时，在前后车距很短的情况下，2辆两轴小型车易合并为1辆车，个别长轴距的四轴车易分离成2辆两轴车。

通过对窄条称重系统的轴型判别流程进行分析发现，该流程设计存在很大缺陷。研究发现，有视频触发和硬件触发2种方式，由于视频触发存在诸多问题，如在堵车的情况下无法分车，在车流量较大的情况下无法与称重数据精确匹配等，故不作考虑。相比之下，硬件触发可有效避免上述问题，可采用3种方法，即：增加1组线圈；增加1组分车光幕；同时增加1组线圈和1组分车光幕。对这3种方法进行分析发现：线圈虽然价格较低，但施工时需花费较长时间封闭道口，影响收费站的通信效率，造成拥堵，且线圈占地面积比较大，无法满足其对占地面积的需求；光幕虽然价格略高，但具有反应灵敏、精度高、占地面积小和施工方便等特点，且分车效果远优于线圈。由于收费站入口情况比较特殊，车速慢、跟车紧是常态，线圈要实现分车功能，需要2辆车的间距为2～3 m，而分车光幕没有这样的限制。线圈与分车光幕配合使用的方式是最合理的，将分车光幕作为分车的主要依据，在光栅分车器发生故障时，采用线圈辅助实现车辆分离和收尾功能，二者能以一定的逻辑关系有效避免收费站工作人员通过车道时遮挡光幕，对分车造成干扰。

综合考虑各种因素，结合现场的实际情况可知，只有第2种方案具备实施条件，且论证效果较好。因此，在第一组窄条称重系统位置处引入1组光幕(见图10)。

图10 具备光幕的窄条称重系统现场设备布置图

加入光幕之后会给称重主机一个开关量信号，作为车辆驶入和驶出的判断依据(见图11)。引入光幕信号之后，增加了判断逻辑，替代了原有的算法，使得分车更加精确和高效，具体判断逻辑见图12。

图11 具备光幕的窄条称重系统前端系统组成图

图12 具备光幕的窄条称重系统的判断逻辑

由此可见：在接收到车辆进入信号之后开始接收车辆轮数据，在接收到光幕离去信号之后可立即分离车辆，不受速度和车辆排队等因素的影响。

为论证有光幕窄条称重系统的应用效果，选取一个窄条站点作为试点实施该方案。对窄条称重系统进行优化，经过一段时间的运行之后进行数据统计和分析，结果见表1。

表1 有无光幕运行结果对比

由表1可知，在加入光幕之后，无论是数据的处理时间和精确度，还是系统的性能和设备的使用寿命，都有了很大改善，效果十分显著。

5 结 语

入口治超系统上线试运行期间，超载超限车辆数量同比下降了50%；经过2～3个月的正式运行和联合执法，超载超限车辆数量同比下降了90%；当前超载超限车辆数量已不足0.5%，基本上达到了治超的目的。

入口治超的目标是拒绝超限车辆进入高速公路，以免给高速公路带来安全隐患并损坏路面。在收费站入口引入治超系统要解决的一个问题是拒绝超载。在实现该目标的同时，要注意4点，即：称重数据的准确性；轴数判别的正确性；数据传输的及时性；对道口通行效率的影响。

通过对治超方案进行优化、实施和论证，将治超系统融入收费系统中之后，拒超的目的已基本达到。但是，对于上述4点注意事项而言:保证称重数据的准确性和轴数判别的正确性是形成完整的电子证据链进行执法的必要条件;保证数据传输的及时性既是实现入口拒超的关键，也是提高通行效率的前提。因此，对入口治超系统进行优化，还有很多工作要做。