城市桥梁超限系统的开发与应用

2024-02-26方黎刚杜荣乐储伟伟

工程质量 2024年1期

方黎刚，杜荣乐，储伟伟，张硕

（1.杭州市路桥集团股份有限公司，浙江杭州 310015；2.杭州市市政设施管理中心，浙江杭州 310005；3.杭州路网科技信息有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

近年来，随着我国城市现代化建设水平的不断提高，桥梁的建设飞速发展，越来越多的桥梁进入运营维护阶段。在桥梁使用年限内，超限车辆的通行将会破坏桥梁结构，影响桥梁使用年限，因超限运输而引发的重大交通安全事故，严重威胁人民群众生命财产安全（杭州 715 事故）。超限车辆通行后，增大了道路桥梁建设成本和养护成本，所造成的经济损失远远大于交通运输带来的经济效益。超限问题已成为各级政府管理工作的一个公共难题。为了应对以上难题，运用称重系统、视联网、互联网等技术建立高度集成的管理系统变得尤为迫切［1-3］。

早在 20 世纪 70 年代，美国在应对车辆超限问题时，开发了 WIM 动态称重系统，经过十几年的不断完善，直至 1985 年前后在美国各州推广使用 WIM 称重系统，取得了治理超限方面的一些成效。1988 年英国研制了一种新型压电称重传感器 Vibetek5，该新型传感器超越了 1974 年法国研制的 Vibracoax。直到 21 世纪美国 MSI 公司开发了共聚物压电轴传感器，实现了动态称重时，同时测量车辆的车速、车轴并进行智能分类［4，5］。国内对动态称重系统的研究相对较晚，20 世纪 80 年代，我国交通运输业开始蓬勃发展，北京、西安等车辆研究所开始研究车辆超限监测。当时，研究车辆超限主要通过引进国外先进技术与设备，但是因为国际环境复杂，引进的技术与设备大多都是已经淘汰的落后技术与残次品，导致测量的精度较低，无法满足使用［6］。直到 1996 年武汉轻工业大学的朱杰等以位移传感器的变形，测量车辆荷限一文成为我国研究车辆荷限的最早记录文献。2004 年，政府专门设立治理超限的机构，将超限问题明细化。同时各大科研机构也加快了超限系统的研发，我国最早的车辆超限检测系统是由重庆车辆研究所研制的 SM2000、SM3000 等系统，可以实现多车道同时测量，测量准确度达到 95 % 以上［7］。经过多年的发展，车辆动态称重系统的研究也更加偏向于智能化管理，比如将 BP 神经网络、物联网技术、视联网技术等引入动态称重系统，这些技术的发展对实现车辆动态称重、高清抓拍、信息互通等有较大的帮助。

为了有效遏制超限现象发生，必须建立和健全超限场景建设和相关标准，建立“无缝隙”“全天候”、“全覆盖”的监管体系；通过车辆动态称重系统的建设，建立跨部门、跨区域、联合联动的综合执法机制，实现公安、城管、养护企业联合处理。引导货运源头企业对超限货车管理，从源头上遏制和打击违法超限车辆上桥行驶，有效地保护城市桥梁的健康运营［8-10］。

1 城市桥梁动态称重技术原理

动态称重系统为治超非现场执法系统的核心设备，在整个非现场治超的取证数据中起到核心的作用。称重设备性能的差异直接影响到执法效率和顺畅。本文所采用的动态称重设备是平板式称重设备，该技术是成熟的铁路轨道衡技术对公路应用的成功转化。本文选用的称重平板已做到轴重秤的极限，有极大的检测区域，使得车辆经过称重区域时，加长了车轴在称重平板上经过的时间，提高了采样数量及平稳性（当车轴经过称重平板时，系统能在这个时间实时稳定获得大量的车轴重量数据），从而使得检测精度大大提高。本次选用的称重产品的最大单轴称重能力可达 40 t，能够满足超限车辆单车总重超过 100 t，后轴平均轴重超过 30 t大型超限车辆的称重检测需求；业内大部分其他产品（如石英，一体式等称重产品），单轴称重能力只能达到 30 t，无法满足实际使用需求。本文选用的称重设备已经在全国二十多个省投入建设使用，同时作为浙江省第一批非现场执法设备试点“临安昌化千秋关”非现场执法系统的选型产品，也是目前首批试点中仍在正常运行的点位，已运行 8 年。

具体工作原理如图1 所示。

图1 动态称重计算简图

如图1 所示，货运车辆行驶到上桥路段的称重板上，轮轴荷载作用在上面板上，安装在面板下方的剪力 T 型主梁产生微形变，对安装在主梁外侧特定位置的剪力传感器产生剪切力，测量形变产生的剪力，最终计算出轮轴限荷。

2 城市桥梁动态称重系统开发

如图2 所示城市桥梁动态称重系统将称重设备、视联网设备采集到的检测区车辆的完整称重数据、车辆类型信息集中到指挥中心，经过智能化算法匹配称重数据、车辆图片数据（车头照片、车尾照片、侧面照片）、车牌数据，形成完整有效的检测数据。最终发送匹配后的称重数据、车牌识别数据等信息至指挥中心服务器，组成完整的超限检测系统，从而对经过超限检测区域的货车按照统一标准实施准确的车重检测，形成数据采集、匹配、超限信息发布、上传的完整流程。

图2 动态称重系统工作流程图

数据上传至后端数据管理系统平台之后，系统平台可实时查看所有车辆的检测数据，并且可按照时间、超限比例等信息对超限车辆数据进行查询。图3 为系统实时监测数据图。

图3 系统实时监测数据图

如图4 所示，车辆在上桥路段安装动态称重设备，并配备警示牌，动态获取车辆限荷，本系统在前端设备检测数据后，即可判断车辆是否超限，并启动告警功能，LED 屏动态显示超限车辆号牌及超限数据，提醒司机接受处理。指挥中心将信息传输给执法部门，动态获取通过的所有车辆进行车辆号码识别、号牌颜色识别、车身颜色、车型、车主信息等自动识别的功能，形成处置闭环管理。数据平台告警信息，20 % 以内超限用蓝色信号显示，超过 50 % 的严重超限用橙色信号显示。LED 告警信息，显示超限车牌号和超限吨位。

图4 动态称重场景建设图

3 城市桥梁动态称重系统成效

超限车辆对城市桥梁的影响主要为破坏桥梁结构，缩短桥梁正常使用年限。桥梁所能承受的荷限在设计初期都是按照国家对车辆轴限质量和长宽高限值来设计，假如行驶在桥梁上的车辆荷限远大于设计限荷，会对桥梁产生破坏，造成柔性路面出现车辙、开裂、沉陷等危害；刚性路面出现面板断裂、裂缝，严重时造成桥梁断裂等危害。超限车辆对桥梁的损伤，随着荷限的增加，桥梁损伤呈现指数型增长，养护企业养护成本成倍上升。超限车辆正常行驶过程中往往只有 20～30 km/h，同时其路面占有率为正常运行车辆的 3～4 倍，超限运输越严重，路面破损越快，通行能力越低，而且容易造成交通拥堵。过去治理超限车辆主要通过人工执法，人工执法手段存在覆盖面小、影响现场交通等不利因素，采用集动态称重、智能抓拍、大数据查询多种手段的超限系统能有效震慑超限车辆。

杭州市某主干桥梁平均月通车辆为 189 559 辆，动态称重系统于 2022 年 3 月正式接入使用，使用状况良好，截止 2022 年 10 月，该桥梁超限车辆数与超限率如图5、6 所示。

图5 超限车辆数随时间变化图

图6 超限率数随时间变化图

如图5、6 所示，系统自 3 月份上线以来超限车辆数达到了 1 425 辆，超限率为 0.79 %。说明该城市桥梁超限现象严重，治超效果不明显。若仍由超限现象恶化，将大大缩短桥梁的正常使用寿命，增加车祸发生率等。智能动态称重系统不仅能及时获取车辆超限信息，还能进一步将超限信息发送给执法部门，执法部门通过大数据查询，将超限信息发送给车主本人及车主单位，在源头上遏制超限事件的发生。在无人执法现场，将超限信息发布在 LED 显示屏上，实时警示超限司机，有效遏制超限事件发生。系统上线半年以来，杭州市该主干桥月超限车辆数由 1 425 辆，下降到 400 辆左右，超限率由0.79 % 下降至 0.2 % 左右。

超限比＞50 % 时车辆的制动距离、对桥梁路面的破坏等也会大幅度增加［11］。如图7 所示系统在投入初期月严重超限车辆数达 59 辆，系统在投入使用半年后，月严重超限车辆数为 13 辆。有效遏制了车辆超限对桥梁的损害，降低交通事故发生。

图7 超限比大于 50 % 车辆数随时间变化图

智能化城市桥梁动态称重系统的研究不仅能保护桥梁、降低交通事故率等，而且还能开展许多其他工作。①为城市桥梁附件交通流量统计、为周边道路提供交通评价等数据支撑；②超限数据可为执法部门提供参考依据，需要重点关注桥梁等；③可为桥梁养护单位、企业开展道路耐久性评价；④可为高校、设计院、科研机构等开展城市桥梁路面设计等提供依据。

4 城市桥梁动态称重系统研究展望

随着城市化的不断推进，未来交通运输业需求仍会不断加快。城市桥梁作为市政设施的重要组成部分，在城市交通运输中承担重要角色。常规桥梁监测一般3～5 年开展一次，若超限车辆对桥梁结构产生局部破坏，养护部门无法第一时间获取桥梁结构信息，当桥梁结构出现明显损伤时，不仅严重影响城市交通，而且养护部门所需的养护成本也会成倍增加。所以常规的超限监测无法满足日益增长的交通运输需求，开展智能化城市桥梁超限监测系统变得尤为迫切。在此，提出如下几点思考。

1）国内超限问题覆盖范围广，存在时间长。但是当前我国对超限车辆会导致桥梁正常使用年限降低、交通事故率增加等问题没有足够重视。只在特定时间人工巡查监测超限车辆，使得大部分超限司机无视交通法规，存在侥幸心理。执法部门缺乏有效的执法手段，无法快速筛选超限车辆，执法人员有限，无法扩大检测范围。因此，政府部门要在治理超限问题上首先要有足够的重视，不仅要克服短期的困难，更要长期有利。执法部门在加大超限问题的治理，短期虽然会间接提高运输成本，但是却能大大降低城市桥梁的运营风险，降低交通事故率，减少政府、企业的桥梁日常运营成本，而且能维护政府等职能机构的执法尊严，提高人民的知法守法意识，提高人民幸福指数。

2）基于城市桥梁开发的智能动态称重系统不仅在城市桥梁中有较好的应用，也应进一步扩展至城市道路中，警示部分超限司机选择绕路来规避超限危害，进一步提高超限系统的应用范围，降低超限现象发生。

3）在推广智能动态称重系统的同时，也要逐步完善标准建设。当前我国动态称重系统设备的精度、验收、设备类型标定等标准的建立还未完善，各个城市在推广动态称重时缺乏统一依据。导致部分地区动态称重场景建设未能有效推广。为此，政府部门及相关管理单位与科研机构、高校、企业等根据动态称重实际使用情况和城市环境建立相应场地建设、系统开发等标准，规范该类技术和相关产品应用。

4）随着我国城市化进程的不断推进，市政道路、桥梁行业也快速发展。随着动态称重系统的不断完善，称重场景建设的成本不断降低、精度等不断提高，设备使用寿命不断延长。但是相对于国外，国内动态称重场景的建设起步较晚，导致大量的称重设备、技术规程、安装方式等大多参考国外，缺少创新能力。政府应鼓励科研机构、高校、企业等在使用国外先进设备、技术的同时开展自主研发，推动国内称重系统的自主建设。