高速公路动态汽车衡远程计量及监测系统的设计与研制

张和牧 柯于义 刁含楼 王书升 司延召

摘 要：为优化传统计量业务模式，本文针对河南省高速公路动态汽车衡，设计并研制了一套远程计量及监测系统。该系统包含互联网+用户层、业务应用层、平台支撑层、数据资源层与硬件基础层五层结构。用户利用浏览器、手机APP运行平台，实现汽车衡实时状态监测、计量辅助决策、计量业务管理、业务统计分析、计量资产管理等功能。该系统为快速应对计量纠纷、减少外勤计量次数提供基础，有效提高工作效率，降低工作成本，为其它省份高速公路计量业务升级提供了有益参考。

关键词：动态汽车衡;计量收费;系统设计;大数据;高速公路;智能化

中图分类号：U495 文献标识码：A

0 引言

动态汽车衡是国家强制检定工作计量器具，是高速公路收费治超的主要计量设备。其必须经法定计量机构检定合格后才可投入使用，同时使用过程中需进行周期性检验，确保校准状态的可信度。

自2018年起，河南省全省高速出入口、超限超载检测站以及非现场执法自动检查站均已布设动态汽车衡，其安装总数已达3000台。对数量如此众多的动态汽车衡进行周期性现场检验，需要大量人力物力支撑，且存在诸多问题。因此本文设计并研制一套高速公路动态汽车衡远程计量及监测系统，以优化传统计量业务模式，提升计量业务效率。

1 计量业务需求分析

1.1 计量业务现状

在传统计量业务中，周期性现场检验通常设定为6至12个月。根据有关规程要求[1]，检验内容应至少包括置零、常用称量（动态称量）、预设速度称量（动态称量）等。该业务工作开展至今，已逐渐无法适应社会经济发展的需求，主要存在以下不足[2]：

1.1.1 检定成本高

检定人员、车辆与设备必须到现场才能开展检验，仅河南一省每年因现场检定产生的成本超过300万。

1.1.2 检定时间长

超过50%的时间消耗在人员及车辆的路途往返中，造成每个汽车衡检定周期较长，无法确保衡器在准确运行。

1.1.3 干扰交通正常运行

检定过程中需要封闭车道，影响交通秩序，造成交通拥堵。

1.1.4 参考车型难以全覆盖

动态试验至少需要三种参考车型，但每个汽车衡使用场景下的车型分布特征存在差异性，计量单位难以配备所有车型满足计量业务需求。

1.1.5 检定周期固定

由于厂家、工艺、维护保养、使用频次等因素影响，每个汽车衡的使用寿命存在较大差异。但计量业务缺少大数据支撑，无法精准确定每个汽车衡检定周期。

1.2 远程计量需求分析

本文对传统计量业务所存在的问题与不足进行分析后，提出远程计量系统应具备远程衡器监测、远程计量修正、汽车衡参数统一管理、大数据样本参考等主要特征。

计量业务人员通过系统实时监测全省衡器运行状态、异常告警等信息。充分利用社会车辆与签约车辆过磅称量的社会生产大数据，分析、识别异常称重现象与异常致因，并根据数据分析结果，对汽车衡进行远程调参修正，实现计量业务降本增效、精准管理目标。

2 远程计量系统设计

2.1 系统逻辑架构

通过综合分析远程计量業务和后期业务拓展需求，将系统划分为互联网+用户层、业务应用层、平台支撑层、数据资源层以及硬件基础层，系统逻辑结构如图1所示。

2.1.1 互联网+用户层

用户可利用浏览器在计量中心、收费站等处访问远程计量系统，并监测计量称重业务，对异常汽车衡进行识别与参数修正。同时系统开发相应手机APP，支持业务人员外勤期间操作需求。

2.1.2 业务应用层

为业务人员提供汽车衡实时状态监测、计量辅助决策、计量业务管理、计量资产管理、业务统计分析、算法模型管理等业务功能。

2.1.3 平台支撑层

为业务层提供GIS服务、算法服务、通信服务，其中算法服务包括数据融合算法、量值补偿算法等。

2.1.4 数据资源层

该层包含基于Oracle数据库存储的数据模型和数据模型的访问接口，共分为基础库、业务库与主题库。

2.1.5 硬件基础层

远程计量系统需要汽车衡网关、动态汽车衡系统、计量签约车辆等硬件支撑。其中签约参考车辆从当地物流企业或运输企业选取，参考车型具备代表性，同时使用过程中整车重量、单轴重量等相对固定，以便确定整车重量约定真值。

2.2 系统物理架构

为实现河南省高速公路动态汽车衡统一远程计量及监测，本系统采用信息化系统软件主流的B/S架构。软件与算法集中部署在计量中心机房，计量所、收费站、各业务管理人员均通过浏览器或手机APP进行浏览、监测及操作。汽车衡网关安装在外场（即收费站、治超站与自动检查站），与CCTV系统、计量收费系统以及签约车辆的车载设备OBE（On Board Equipment）通信，获取计量业务数据与汽车衡实时状态数据。本系统物理架构如图2所示。

2.3 主要业务流程

对传统计量业务流程进行梳理优化[3]，以互联网思维重构计量业务，提出远程计量业务流程。其主要流程如图3所示，通过实时计量数据采集、异常称重识别、推荐汽车衡参数、汽车衡参数远程修正全流程，实现对动态汽车衡精细化管理。

2.4 关键技术研究

2.4.1 量值传递损失补偿技术

量值传递是指由国家最高标准去统一各级计量标准，再由各级计量标准去统一工作用测量仪器，来实现量值准确一致的过程。由于计量器具本身存在误差，而称量环境也无法达到实验室理想状态，因此动态汽车衡称重过程总是会产生量值传递损失，车辆重量真值无法准确获取。同时车辆运行过程中的油耗、装卸货、上下人等干扰源也是影响量值传递的关键因素之一。

因此需研究量值传递损失补偿技术，综合运用数据甄别筛选、正态分布检验、均值求解、误差分析、质量控制分析等方法[4]进行数据处理统计分析，测算结果可用于提升远程计量的精度。同时基于大数据思维，对不同信息源进行多层次多维度分析，利用互补信息降低冗余，提升信息的有效性和利用效率，从而对动态汽车衡状态进行更为准确的判断。

2.4.2 多来源计量数据匹配融合技术

一次称重计量所产生的数据包括车辆基本信息、汽车衡状态、计量称重以及视频监控信息。在数据采集过程中，如何对海量数据进行实时关联、自动匹配融合，创建单次计量样本，是实现远程计量的基础。

本文对多来源计量数据匹配融合技术进行探索与研究，并在此基础上开发智能物联网关与射频电子标签（OBE）。利用射频识别技术，在签约车辆上安装OBE，将车辆基本信息，如车牌、车型、车重约定真值等数据烧录到OBE内。当签约车辆通过节点时，可通过安装在道路上方的汽车衡网关读取车辆信息，实现称量对象精准识别[5]。

在称量对象精准识别基础上，汽车衡网关通过多种物联通讯方式获取计量数据，并根据过车称重时间与车牌匹配时间等判断数据是否来自同一次计量[6]。对相同来源数据，触发数据融合机制，将车辆基本信息、汽车衡状态、计量称重以及视频监控信息等进行绑定、封装，形成一次计量样本。

3 远程计量系统实现

3.1 实时状态监测

为掌握全省计量业务状态，如图4所示，系统在已有GIS地图上对基础设施建模，展示全省汽车衡安装使用位置，并可以根据字段查询、显示某一特定汽车衡生产厂商、型号、参数值、最近检定日期等详细信息。另一方面系统实现数据可视化，在基础设施模型中，接入公路主体及附属设施属性数据和外场感知数据，实时采集动静态信息，显示全省当前计量业务开展状态以及汽车衡运行状态。为督促业务人员及时处理计量异常，有效避免计量纠纷，系统以特殊颜色、符号和推送方式实现汽车衡告警，并生成处理建议等辅助决策，告警内容包括汽车衡状态异常、计量参数非法修改、称重数据异常等。

3.2 计量辅助决策

系统从异常称重挖掘与处理措施推荐两方面提供辅助决策。首先通过对称重数据进行长时间的监测和挖掘分析，对比同一车辆在不同站点的称重数据，不同车辆在不同站点的称重数据以及在不同日期的数据，主动识别异常称重现象与异常致因，发出告警信息。在此基础上，对由于缺少维护标定的异常汽车衡，抓取签约车辆计量数据样本，进行参数拟合分析，给出整体调整参数、车速调整参数、车型调整参数推荐值[7]，供计量业务人员决策。

3.3 远程计量修正

在浏览器页面可发起参数修正请求，对有权限的修正请求，系统自动下发至汽车衡网关，通过汽车衡网关向外场称重处理主机发送参数修正指令，并确认参数修正被正确实施。

3.4 汽车衡参数管理

系统对全省汽车衡参数进行统一管理，将汽车衡基本信息与汽车衡参数、內码值、增益值等进行绑定封装与入库。在更新维护汽车衡参数的同时，对外场非授权的参数修改行为进行监测与识别，对远程参数修改申请进行审批与进度控制。

3.5 业务统计分析

系统围绕汽车衡告警事件、计量称重事件以及汽车衡参数修正事件三个主题进行统计分析。对每一类汽车衡告警次数进行统计，并与发生时间、汽车衡厂商、型号等关联，生成汽车衡告警报表。对签约车辆称重计量频次进行统计，并与发生时间、签约车主、车型分布、汽车衡等关联，生成计量称重报表。对汽车衡参数修正请求数进行统计，并与汽车衡、修正申请人、修正原因等关联，生成参数修正报表。

4 总结

本文对高速公路动态汽车衡计量业务现状进行分析，指出现有周期性现场检验在成本、时间、效果等方面的不足之处。并针对以上问题，优化现有业务模式，提出一种远程计量方法，并设计与研制了一套高速公路动态汽车衡远程计量及监测系统。相比传统业务模式，计量业务人员可利用系统实现河南全省汽车衡状态实时掌控、异常称量大数据识别、远程计量衡参数修正等功能，为快速应对计量纠纷、减少外勤计量次数等提供基础，有效提高工作效率，降低工作成本。

目前系统已开发完毕，准备投入生产环境调试运行。后续工作的重点是在实际环境下检验系统运行效能，分析其对传统业务的优化能力。并利用生产数据样本，训练系统模型，提升异常称量识别以及远程计量校核准确度。

参考文献：

[1]JJG 907-200，动态公路车辆自动衡器检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2006.

[2]马丙辉，余善成，秦树伟，等.动态汽车衡及其检定中的思考[J].衡器，2019，48（05）：17-21.

[3]陈洁.动态公路车辆自动衡器期间核查方案设计研究[J].衡器，2019，48（05）：38-41.

[4]夏梅妍，赵本东.电子汽车衡快速检定仪的量值传递问题解决[J].衡器，2010，39（10）：32+47.

[5]李远.电子不停车收费系统（ETC）的研究与设计[D].太原理工大学，2013.

[6]张旭.面向交通运行状态评价的多源异质交通流数据融合技术方法研究[D].北京交通大学，2008.

[7]张刚.动态汽车衡动态特性分析和数据处理[D].北京化工大学，2009.