动态称重系统在信息化治超管理的应用.pdf

74技术交流DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.016动态称重系统在信息化治超管理的应用梁原达黄玉俊黎恒王德南基于超限超载造成的后果严重，人民生命和国家路产安全受到严重侵害，提出一种基于WIM动态称重技术1并结合loT物联网技术、云计算、车路协同、边缘Al技术、图像识别技术、数据仓库等前沿技术，应用于 G357 田林经八桂至定安公路八渡三桥，实现对道路桥梁超限超载车辆进行不停车实时监测，达到有效、智能、高效治理超限超载现象的目的。梁原达现任职于广西北投信创科技投资集团有限公司，硕士研究生，主要从事智慧交通电子产品研发、交通信息化技术研究相关工作。黄玉俊现任职于广西北投信创科技投资集团有限公司，工学学士，工程师，系统架构设计师、信息系统项目管理师，主要从事智慧交通的软硬件研发相关工作。黎恒现任职于广西北投信创科技投资集团有限公司，博士研究生，副高级工程师，主要从事智慧交通信息工程及控制研究、科技管理相关工作。王德南现任职于广西北投信创科技投资集团有限公司，工学学士，工程师，主要从事智慧交通的软硬件研发相关工作。关键词：WIM 动态称重 石英晶体压电技术 科技治超 超限超载摘要1 前言随着互联网平台经济兴起，物流行业需求量不断增长，而大部分公路和桥梁承载能力有限，超载现象时有发生，交通管理部门运行监管压力不断加大，特别是老旧道路承载力趋于饱和，公路和桥梁基础设施运行压力有所增大，诸多公路运输安全隐患仍然存在，尽管目前超载超限交警、运管、路政联合执法，但由于货车密度、出行时间、车辆速度等客观条件的影响，效果不明显，推行新的治超模式成为一种必然2。近年来各地公路治超也在往智能化方向发展，有效提升了治超执法工作效率，保障了道路和桥梁运输安全，维护了执法公平。但目前治超管理工作仍存在一些缺陷。一是尚未建成覆盖范围广泛的监测网络，二是建设筹资模式较单一，三是存在信息孤岛的问题，四是执法人员需要增强利用信息技术执法的能力。本文针对治基金项目：广西壮族自治区科技研发项目（AB22035047）资助。*75技术交流动态称重系统在信息化治超管理的应用2023.07 广东通信技术超工作中的“堵、乱、难、差”等问题提出科技治超方案，完成了整个系统智能、高效、稳定、协调的监管与运转，提高道路和桥梁使用寿命，改善道路和桥梁通行环境的需要，提高道路和桥梁执法安全和道路通行安全的需要。2 系统结构依据国家部委治超文件要求，治超非现场执法系统3从总体结构划分为硬件信息系统（即前端感知与边缘计算系统）和软件系统（即科技治超可视化数字综合管控平台）。硬件系统主要完成对道路现场车辆重量数据精准采集、车辆外形轮廓拍照、车牌识别、超高超宽车辆的报警信息推送。软件系统主要完成对各个站点上传数据的采集、存储、分析等业务。硬件设备主要包括动态称重 WIM（Weigh-In-Motion）检测设备、外形轮廓检测设备、车牌智能识别设备、视频监控设备、LED 显示设备、信息数据智能处理系统、网络传输等。软件系统主要是面向交通运输执法机构，有利于执法机构对车辆检测数据进行管理以及开展执法工作。软件系统包括运行监管系统、执法管理系统、货运车联网数据服务系统、指挥调度系统、综合分析评价系统、公众信息服务系统等。系统总体结构如图 1 所示。图 1 系统总体结构3 系统详细设计本文提出的基于动态称重技术的治超系统由五大部分组成：前端感知与边缘计算系统、设备远程物联管理系统、交通标识牌、网络安全与传输、后端管理系统组成。3.1 前端感知与边缘计算系统前端感知与边缘计算系统包括动态称重系统、外廓尺寸系统、智能车辆识别分析系统、智能视频监控系统、信息实时发布系统、非现场执法边缘计算管理系统等子系统，系统结构如图 2 所示，系统效果如图 3 所示。图 2 前端感知与边缘计算机系统结构图 3 前端感知与边缘计算系统效果图3.1.1 动态称重系统主要用于车辆总重量、单轴载荷或货轴组载荷、轴数、速度等检测与识别。系统采用动态称重传感技术，并融合卷积神经网络47和自学习滤波算法8，准确测量车辆总质量，测量结果经边缘计算处理后实时上传至可视化数字综合管控平台。（1）系统结构动态称重系统由多个关键边缘设备组成，主要石英晶体传感器9、电荷放大器10、车辆智能检测器、动态称重智能测控仪等组成，如图 4 所示。图 4 动态称重系统结构（2）主要功能或特征 石英晶体式传感器：石英传感器核心压电测量元件采用新型石英晶体，灵敏度是传统石英的三倍，硬度达莫氏八级，特别适用于对“高中低”全速度段的测量，被广泛应用于治超、治超非现场执法、道路、桥梁的监测监控等动态检测。石英晶体传感器利用石英压电原理，称重车辆通过石英传感器输出传感器信号，经过称重处理器的计算处理，生成车辆重量信息。石英晶体称重传感器采用三承载器的方式布局，相比传统应变式秤台有着明显的优势。其中石英传感器两排，轨迹检测器一排，轨迹检测器用来检测车辆的异常行驶。电荷放大器电荷放大器采用 19 英寸标准机架式结构，工业级设计；独立嵌入式处理器11，具有传感器波形输出功能。76技 术 交 流技术交流实现将石英晶体传感器的微弱信号12进行放大以便后续需处理，配置 24 路电荷信号输入接口，2 个串行信号输出接口，最大支持 4 车道同步控制。算法集成动态称重是指车辆在行驶过程中对车辆重量进行测量的技术。但车辆行驶过程中，由于悬架的振动和路面不平对车辆在垂直于路面方向产生了加速度而引起动态力13，因此运动状态下的轮载荷是静态重量和动态力的总和。综上所述，计算静态重量的算法是决定动态称重精准度的关键因素。本次设计采用基于卷积神经网络的桥梁动态称重算法模型14，车辆正常行驶、逆向行驶、S 型行驶、压线行驶、多车同向同时行驶、压缝行驶等 10 余项行驶状态均可精准测量。同时采用自适应滤波算法，根据环境自适应调节从而保障长期稳定性和精度准确性。3.1.2 外廓尺寸系统系统主要用于对车辆外形轮廓进行识别，包括车辆长、宽、高等检测与识别。外廓尺寸测量系统利用激光雷达三维成像技术15、AI 边缘计算技术对行驶中的车辆外形轮廓进行测量，实时分析、记录超限车辆，并将数据上传至物联网平台。外廓尺寸系统结构如图 5 所示。图 5 外廓尺寸系统结构以及车体识别分析（遮挡车牌智能分析），智能车辆识别分析系统智能高清识别抓拍子系统和车体车脸智能识别分析子系统（遮挡车牌智能分析）组成。智能高清识别抓拍子系统主要用于车辆进入非现场执法监测点时，系统自动触发并实时抓拍识别车牌号码，自动获取车辆正面、背面以及侧面照片17。抓拍范围包含机动车道、非机动车道、路肩等所有过往车辆信息，为路网交通管控与运行监测提供基础数据，并自动叠加相关信息上传至边缘管理服务器。车体智能识别分析子系统（遮挡车牌智能分析）主要是用于识别和分析遮挡车牌的违法车辆，通过车体特征识别、人脸识别等技术与数据库中存储的车辆照片进行自动比对，智能分析判断疑似车辆的车牌号码，配合货车北斗卫星定位系统，确认遮挡车牌违法车辆。车牌识别智能抓拍子系统由智能抓拍单元、补光灯和气体爆闪灯等组成。为获取清晰的取证图片，增加补光灯和气体爆闪灯，保障片清晰辨别车辆车牌区域、驾驶室、车身颜色、运输货物细节等特征。3.1.4 智能高清视频监控系统智能高清视频监控系统主要用于全天候视频监控、违法车辆视频取证。主要包括全天候视频监控和违法车辆视频取证监控。全天候视频监控主要用于 24 小时全天候、全方位摄像录像非现场执法监测点，违法车辆视频取证监控主要用于违法车辆通过监测点时，自动保存车辆经过监测点时的视频和 LED 信息发布屏违法信息内容，以保存更加完整的违法证据链，同时能够对监测点的视频进行智能分析，兼顾路段整体监控需求，可识别交通异常事件、统计交通参数、检测道路资产信息。（1）系统组成智能高清视频监控系统包括高清网络球形摄像机、视频记录分析管理终端、立柱式交通监控杆。（2）主要功能或特征高清网络球形摄像机采用一体化设计，集成先进的视频分析处理算法和多目标实时跟踪算法程序，能够实现全景拼接。智能分析目标行为并发出报警信息。3.1.5 信息实时发布系统信息实时发布系统主要用于提示和预警违法车辆，发布违法车辆信息和相关数据。根据货运车辆动态称重数据、外廓尺寸测量数据等监测情况，通过 LED 可变情报发布（1）系统结构外廓尺寸系统由激光测量单元和边缘计算建模单元组成。（2）主要功能或特征在货运车辆正常通过非现场执法监测点时，自动开启对货运车辆长、宽、高外廓尺寸的识别和测量，并输出正确的分析结果至非现场执法边缘管理服务器。系统可以实现对外廓尺寸超限值和超限率计算判断功能，具备车辆前、后图像抓拍功能，可以实现对货运车辆并行、变道行驶、黑色材料遮挡物覆盖和高反射率材料货运车辆的外廓尺寸检测功能16。可以实现对货运机动车车型、交通流量调查、车速检测功能。外廓尺寸检测设备安装在龙门架上。3.1.3 智能车辆识别分析系统主要用于识别车辆进入检测区、车牌识别、抓拍取证77技术交流动态称重系统在信息化治超管理的应用2023.07 广东通信技术屏实时发布监测结果18，提醒违法车辆驾驶人员到指定地点进行违法处理。同时系统还可以根据后端管理系统信息，实时发布政策、管理、动态等信息。LED 可变情报发布屏通常位于监测点后方 150250 m 处，该距离需要综合考虑发布策略、行车速度两项指标，需保证超限超载车辆驾驶员能够看到违法预警提示。LED 可变情报发布屏数量按照超限超载检测方向每方向配置 1 套，大多采用 F 型悬臂梁式结构，尺寸建议 6 m2 以上，有条件地区亦可采用龙门架式。信息实时发布系统结构如图 6 所示。图 6 信息实时发布系统结构层交换机将前端感知设备进行接入、汇聚，并通过租用运营商光纤链路，将采集数据信息上传至平台。3.5 科技治超可视化数字综合管控平台3.5.1 系统概述科技治超数字可视化综合管理平台采用物联网技术、AI 算法、数据仓库、边缘计算技术、车路协同等技术集合，通过数据实时分析与处理，为交通管理部门提供实时可靠的信息。3.5.2 系统架构科技治超可视化数字综合管控平台使用分层架构进行开发，前端使用 HUI、vue；web 服务使用 spring、springmvc、hibernate；项目管理使用 maven；数据库使用 PostgreSQL；服务间通讯方式有 MQ(TLQ)、HTTP、HPP。从软件架构上分为数据采集层、服务应用层、业务应用层和前端展示层。（1）数据采集层数据采集层主要包括以视频编码设备、球机为主的视频设备，以及以称重终端、诱导发布屏、称重设备为主的称重系统。由这些设备组成了不停车检测系统、固定治超站系统、源头超限检测点。（2）数据服务层数据服务层为软件底层依赖的视频组件、多媒体调度组件、称重对接服务、诱导发布服务、手机 app 服务和超限 web 服务，服务之间相互解耦，通过组件和服务的集成来支撑整个服务应用。（3）业务应用层平台根据公路局治超的业务需求，实现了实时预警、信息查询、统计分析、证据审核、超限处罚等科技治超业务系统，探索源头治超20、联合执法和案件抄告，实现常态化治超。（4）前端展示层软件支持指挥中心大屏上墙、PC 端业务应用和手机app，同时根据移动执法和指挥调度的需求实现 PC 端、手机、单兵、车载的群组对讲。3.5.3 系统功能（1）数据列表通过非现场不停车检测、精检站检测、源头检测、流动检测的数据罗列，点开后以列表形式展现，每个列表的字段包括了所有检测的车辆、通过时间、是否合格3.1.6 非现场执法边缘计算管理系统主要用于重量、外廓、照片、视频数据边缘计算与匹配、发布违法信息以及与后台管理平台数据加密传输。边缘计算及信息数据智能处理系统边缘计算及信息数据智能处理系统由边缘计算管理服务器和边缘计算软件两部分组成，主要用于数据匹配软件、轮轴判别软件、异常形式判别软件等，对称重检测数据进行转换，判别异常行驶行为和修正数据。3.2 设备远程物联管理系统（1）能够实现设备故障诊断与报警功