高速公路動態(tài)汽車衡遠程計量及監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研制

張和牧 柯于義 刁含樓 王書升 司延召

摘 要：為優(yōu)化傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)模式，本文針對河南省高速公路動態(tài)汽車衡，設(shè)計并研制了一套遠程計量及監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含互聯(lián)網(wǎng)+用戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、平臺支撐層、數(shù)據(jù)資源層與硬件基礎(chǔ)層五層結(jié)構(gòu)。用戶利用瀏覽器、手機APP運行平臺，實現(xiàn)汽車衡實時狀態(tài)監(jiān)測、計量輔助決策、計量業(yè)務(wù)管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析、計量資產(chǎn)管理等功能。該系統(tǒng)為快速應(yīng)對計量糾紛、減少外勤計量次數(shù)提供基礎(chǔ)，有效提高工作效率，降低工作成本，為其它省份高速公路計量業(yè)務(wù)升級提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：動態(tài)汽車衡;計量收費;系統(tǒng)設(shè)計;大數(shù)據(jù);高速公路;智能化

中圖分類號：U495 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

動態(tài)汽車衡是國家強制檢定工作計量器具，是高速公路收費治超的主要計量設(shè)備。其必須經(jīng)法定計量機構(gòu)檢定合格后才可投入使用，同時使用過程中需進行周期性檢驗，確保校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。

自2018年起，河南省全省高速出入口、超限超載檢測站以及非現(xiàn)場執(zhí)法自動檢查站均已布設(shè)動態(tài)汽車衡，其安裝總數(shù)已達3000臺。對數(shù)量如此眾多的動態(tài)汽車衡進行周期性現(xiàn)場檢驗，需要大量人力物力支撐，且存在諸多問題。因此本文設(shè)計并研制一套高速公路動態(tài)汽車衡遠程計量及監(jiān)測系統(tǒng)，以優(yōu)化傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)模式，提升計量業(yè)務(wù)效率。

1 計量業(yè)務(wù)需求分析

1.1 計量業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)中，周期性現(xiàn)場檢驗通常設(shè)定為6至12個月。根據(jù)有關(guān)規(guī)程要求[1]，檢驗內(nèi)容應(yīng)至少包括置零、常用稱量（動態(tài)稱量）、預(yù)設(shè)速度稱量（動態(tài)稱量）等。該業(yè)務(wù)工作開展至今，已逐漸無法適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，主要存在以下不足[2]：

1.1.1 檢定成本高

檢定人員、車輛與設(shè)備必須到現(xiàn)場才能開展檢驗，僅河南一省每年因現(xiàn)場檢定產(chǎn)生的成本超過300萬。

1.1.2 檢定時間長

超過50%的時間消耗在人員及車輛的路途往返中，造成每個汽車衡檢定周期較長，無法確保衡器在準(zhǔn)確運行。

1.1.3 干擾交通正常運行

檢定過程中需要封閉車道，影響交通秩序，造成交通擁堵。

1.1.4 參考車型難以全覆蓋

動態(tài)試驗至少需要三種參考車型，但每個汽車衡使用場景下的車型分布特征存在差異性，計量單位難以配備所有車型滿足計量業(yè)務(wù)需求。

1.1.5 檢定周期固定

由于廠家、工藝、維護保養(yǎng)、使用頻次等因素影響，每個汽車衡的使用壽命存在較大差異。但計量業(yè)務(wù)缺少大數(shù)據(jù)支撐，無法精準(zhǔn)確定每個汽車衡檢定周期。

1.2 遠程計量需求分析

本文對傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)所存在的問題與不足進行分析后，提出遠程計量系統(tǒng)應(yīng)具備遠程衡器監(jiān)測、遠程計量修正、汽車衡參數(shù)統(tǒng)一管理、大數(shù)據(jù)樣本參考等主要特征。

計量業(yè)務(wù)人員通過系統(tǒng)實時監(jiān)測全省衡器運行狀態(tài)、異常告警等信息。充分利用社會車輛與簽約車輛過磅稱量的社會生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，分析、識別異常稱重現(xiàn)象與異常致因，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對汽車衡進行遠程調(diào)參修正，實現(xiàn)計量業(yè)務(wù)降本增效、精準(zhǔn)管理目標(biāo)。

2 遠程計量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

通過綜合分析遠程計量業(yè)務(wù)和后期業(yè)務(wù)拓展需求，將系統(tǒng)劃分為互聯(lián)網(wǎng)+用戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、平臺支撐層、數(shù)據(jù)資源層以及硬件基礎(chǔ)層，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 互聯(lián)網(wǎng)+用戶層

用戶可利用瀏覽器在計量中心、收費站等處訪問遠程計量系統(tǒng)，并監(jiān)測計量稱重業(yè)務(wù)，對異常汽車衡進行識別與參數(shù)修正。同時系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)手機APP，支持業(yè)務(wù)人員外勤期間操作需求。

2.1.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

為業(yè)務(wù)人員提供汽車衡實時狀態(tài)監(jiān)測、計量輔助決策、計量業(yè)務(wù)管理、計量資產(chǎn)管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析、算法模型管理等業(yè)務(wù)功能。

2.1.3 平臺支撐層

為業(yè)務(wù)層提供GIS服務(wù)、算法服務(wù)、通信服務(wù)，其中算法服務(wù)包括數(shù)據(jù)融合算法、量值補償算法等。

2.1.4 數(shù)據(jù)資源層

該層包含基于Oracle數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)模型的訪問接口，共分為基礎(chǔ)庫、業(yè)務(wù)庫與主題庫。

2.1.5 硬件基礎(chǔ)層

遠程計量系統(tǒng)需要汽車衡網(wǎng)關(guān)、動態(tài)汽車衡系統(tǒng)、計量簽約車輛等硬件支撐。其中簽約參考車輛從當(dāng)?shù)匚锪髌髽I(yè)或運輸企業(yè)選取，參考車型具備代表性，同時使用過程中整車重量、單軸重量等相對固定，以便確定整車重量約定真值。

2.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)

為實現(xiàn)河南省高速公路動態(tài)汽車衡統(tǒng)一遠程計量及監(jiān)測，本系統(tǒng)采用信息化系統(tǒng)軟件主流的B/S架構(gòu)。軟件與算法集中部署在計量中心機房，計量所、收費站、各業(yè)務(wù)管理人員均通過瀏覽器或手機APP進行瀏覽、監(jiān)測及操作。汽車衡網(wǎng)關(guān)安裝在外場（即收費站、治超站與自動檢查站），與CCTV系統(tǒng)、計量收費系統(tǒng)以及簽約車輛的車載設(shè)備OBE（On Board Equipment）通信，獲取計量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與汽車衡實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖2所示。

2.3 主要業(yè)務(wù)流程

對傳統(tǒng)計量業(yè)務(wù)流程進行梳理優(yōu)化[3]，以互聯(lián)網(wǎng)思維重構(gòu)計量業(yè)務(wù)，提出遠程計量業(yè)務(wù)流程。其主要流程如圖3所示，通過實時計量數(shù)據(jù)采集、異常稱重識別、推薦汽車衡參數(shù)、汽車衡參數(shù)遠程修正全流程，實現(xiàn)對動態(tài)汽車衡精細化管理。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.4.1 量值傳遞損失補償技術(shù)

量值傳遞是指由國家最高標(biāo)準(zhǔn)去統(tǒng)一各級計量標(biāo)準(zhǔn)，再由各級計量標(biāo)準(zhǔn)去統(tǒng)一工作用測量儀器，來實現(xiàn)量值準(zhǔn)確一致的過程。由于計量器具本身存在誤差，而稱量環(huán)境也無法達到實驗室理想狀態(tài)，因此動態(tài)汽車衡稱重過程總是會產(chǎn)生量值傳遞損失，車輛重量真值無法準(zhǔn)確獲取。同時車輛運行過程中的油耗、裝卸貨、上下人等干擾源也是影響量值傳遞的關(guān)鍵因素之一。

因此需研究量值傳遞損失補償技術(shù)，綜合運用數(shù)據(jù)甄別篩選、正態(tài)分布檢驗、均值求解、誤差分析、質(zhì)量控制分析等方法[4]進行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計分析，測算結(jié)果可用于提升遠程計量的精度。同時基于大數(shù)據(jù)思維，對不同信息源進行多層次多維度分析，利用互補信息降低冗余，提升信息的有效性和利用效率，從而對動態(tài)汽車衡狀態(tài)進行更為準(zhǔn)確的判斷。

2.4.2 多來源計量數(shù)據(jù)匹配融合技術(shù)

一次稱重計量所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括車輛基本信息、汽車衡狀態(tài)、計量稱重以及視頻監(jiān)控信息。在數(shù)據(jù)采集過程中，如何對海量數(shù)據(jù)進行實時關(guān)聯(lián)、自動匹配融合，創(chuàng)建單次計量樣本，是實現(xiàn)遠程計量的基礎(chǔ)。

本文對多來源計量數(shù)據(jù)匹配融合技術(shù)進行探索與研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)與射頻電子標(biāo)簽（OBE）。利用射頻識別技術(shù)，在簽約車輛上安裝OBE，將車輛基本信息，如車牌、車型、車重約定真值等數(shù)據(jù)燒錄到OBE內(nèi)。當(dāng)簽約車輛通過節(jié)點時，可通過安裝在道路上方的汽車衡網(wǎng)關(guān)讀取車輛信息，實現(xiàn)稱量對象精準(zhǔn)識別[5]。

在稱量對象精準(zhǔn)識別基礎(chǔ)上，汽車衡網(wǎng)關(guān)通過多種物聯(lián)通訊方式獲取計量數(shù)據(jù)，并根據(jù)過車稱重時間與車牌匹配時間等判斷數(shù)據(jù)是否來自同一次計量[6]。對相同來源數(shù)據(jù)，觸發(fā)數(shù)據(jù)融合機制，將車輛基本信息、汽車衡狀態(tài)、計量稱重以及視頻監(jiān)控信息等進行綁定、封裝，形成一次計量樣本。

3 遠程計量系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 實時狀態(tài)監(jiān)測

為掌握全省計量業(yè)務(wù)狀態(tài)，如圖4所示，系統(tǒng)在已有GIS地圖上對基礎(chǔ)設(shè)施建模，展示全省汽車衡安裝使用位置，并可以根據(jù)字段查詢、顯示某一特定汽車衡生產(chǎn)廠商、型號、參數(shù)值、最近檢定日期等詳細信息。另一方面系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，在基礎(chǔ)設(shè)施模型中，接入公路主體及附屬設(shè)施屬性數(shù)據(jù)和外場感知數(shù)據(jù)，實時采集動靜態(tài)信息，顯示全省當(dāng)前計量業(yè)務(wù)開展?fàn)顟B(tài)以及汽車衡運行狀態(tài)。為督促業(yè)務(wù)人員及時處理計量異常，有效避免計量糾紛，系統(tǒng)以特殊顏色、符號和推送方式實現(xiàn)汽車衡告警，并生成處理建議等輔助決策，告警內(nèi)容包括汽車衡狀態(tài)異常、計量參數(shù)非法修改、稱重數(shù)據(jù)異常等。

3.2 計量輔助決策

系統(tǒng)從異常稱重挖掘與處理措施推薦兩方面提供輔助決策。首先通過對稱重數(shù)據(jù)進行長時間的監(jiān)測和挖掘分析，對比同一車輛在不同站點的稱重數(shù)據(jù)，不同車輛在不同站點的稱重數(shù)據(jù)以及在不同日期的數(shù)據(jù)，主動識別異常稱重現(xiàn)象與異常致因，發(fā)出告警信息。在此基礎(chǔ)上，對由于缺少維護標(biāo)定的異常汽車衡，抓取簽約車輛計量數(shù)據(jù)樣本，進行參數(shù)擬合分析，給出整體調(diào)整參數(shù)、車速調(diào)整參數(shù)、車型調(diào)整參數(shù)推薦值[7]，供計量業(yè)務(wù)人員決策。

3.3 遠程計量修正

在瀏覽器頁面可發(fā)起參數(shù)修正請求，對有權(quán)限的修正請求，系統(tǒng)自動下發(fā)至汽車衡網(wǎng)關(guān)，通過汽車衡網(wǎng)關(guān)向外場稱重處理主機發(fā)送參數(shù)修正指令，并確認參數(shù)修正被正確實施。

3.4 汽車衡參數(shù)管理

系統(tǒng)對全省汽車衡參數(shù)進行統(tǒng)一管理，將汽車衡基本信息與汽車衡參數(shù)、內(nèi)碼值、增益值等進行綁定封裝與入庫。在更新維護汽車衡參數(shù)的同時，對外場非授權(quán)的參數(shù)修改行為進行監(jiān)測與識別，對遠程參數(shù)修改申請進行審批與進度控制。

3.5 業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析

系統(tǒng)圍繞汽車衡告警事件、計量稱重事件以及汽車衡參數(shù)修正事件三個主題進行統(tǒng)計分析。對每一類汽車衡告警次數(shù)進行統(tǒng)計，并與發(fā)生時間、汽車衡廠商、型號等關(guān)聯(lián)，生成汽車衡告警報表。對簽約車輛稱重計量頻次進行統(tǒng)計，并與發(fā)生時間、簽約車主、車型分布、汽車衡等關(guān)聯(lián)，生成計量稱重報表。對汽車衡參數(shù)修正請求數(shù)進行統(tǒng)計，并與汽車衡、修正申請人、修正原因等關(guān)聯(lián)，生成參數(shù)修正報表。

4 總結(jié)

本文對高速公路動態(tài)汽車衡計量業(yè)務(wù)現(xiàn)狀進行分析，指出現(xiàn)有周期性現(xiàn)場檢驗在成本、時間、效果等方面的不足之處。并針對以上問題，優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù)模式，提出一種遠程計量方法，并設(shè)計與研制了一套高速公路動態(tài)汽車衡遠程計量及監(jiān)測系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式，計量業(yè)務(wù)人員可利用系統(tǒng)實現(xiàn)河南全省汽車衡狀態(tài)實時掌控、異常稱量大數(shù)據(jù)識別、遠程計量衡參數(shù)修正等功能，為快速應(yīng)對計量糾紛、減少外勤計量次數(shù)等提供基礎(chǔ)，有效提高工作效率，降低工作成本。

目前系統(tǒng)已開發(fā)完畢，準(zhǔn)備投入生產(chǎn)環(huán)境調(diào)試運行。后續(xù)工作的重點是在實際環(huán)境下檢驗系統(tǒng)運行效能，分析其對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的優(yōu)化能力。并利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)樣本，訓(xùn)練系統(tǒng)模型，提升異常稱量識別以及遠程計量校核準(zhǔn)確度。

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