Những năm gần đây, các phương tiện vận tải đường bộ phát triển mạnh mẽ về số lượng, trong đó nhiều ô tô chở hàng có tải trọng lớn, kích thước thùng hàng không phù hợp với kiểu loại phương tiện. Từ đó, tình trạng các phương tiện chở quá tải đã diễn ra phổ biến dẫn đến phá vỡ kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ, gây mất trật tự an toàn giao thông. Để hạn chế những xe vượt quá tải trọng lưu thông trên đường làm giảm tuổi thọ của các công trình giao thông, nguy hiểm hơn là gây tai nạn giao thông ảnh hưởng tới tính mạng con người, các quốc gia trên thế giới đã cho lắp đặt hệ thống cân để kiểm soát tải trọng xe cơ giới trên đường bộ.

Xét về nguyên lý đo dựa theo đặc tính chuyển động, các hệ thống cân tải trọng được chia ra làm hai loại: hệ thống cân tải trọng tĩnh (Static weigh) và hệ thống cân tải trọng động (WIM - Weigh In Motion). Về lịch sử phát triển, các hệ thống cân động đã được nghiên cứu tại Mỹ từ giữa những năm 1950 của thế kỷ trước, kể từ đó đã có rất nhiều bước phát triển và các mô hình ứng dụng khác nhau trên thế giới. Ngày nay, chúng vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu với mục đích thử nghiệm các loại cảm biến mới nhằm tăng độ chính xác, độ tin cậy của hệ thống cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng. Có nhiều loại cảm biến sử dụng cho hệ thống cân động WIM, như piezo-đơn tinh thể (thạch anh, Phosphat Gali…), piezo-gốm (vô cơ, hữu cơ), piezo-polyme (PVDF - Polyvinylidene Fluoride)...

Về mục đích sử dụng, các cảm biến được lắp đặt cho các hệ thống WIM nhằm hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau từ thu thập dữ liệu giao thông (Traffic data collection), xử phạt xe quá tải (Weight enforcement), thu phí xe không dừng (Weight based tolling) cho đến bảo vệ kết cấu cầu yếu (Bridge protection). So với hệ thống cân tải trọng tĩnh, hệ thống cân tải trọng động có ưu điểm nổi bật là vẫn đảm bảo cấp chính xác cao khi xe dịch chuyển với tốc độ giới hạn cho phép (thường dưới 80km/h). Điều này đảm bảo giảm ùn tắc giao thông trong khi vẫn kiểm soát được tải trọng xe lưu thông và để sử dụng cho cân thương mại thì cảm biến loại thạch anh là sự lựa chọn phù hợp nhất do có độ chính xác cao (dưới 5%), ổn định với nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu khá cao. Cảm biến áp điện PVDF được sản xuất theo chuẩn châu Âu COST 323 có độ chính xác tốt nhất trên 7% (tương ứng với cấp chính xác B+), chi phí rẻ hơn chục lần so với cảm biến thạch anh.

Để xây dựng được mô hình hệ thống cân động phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo, lựa chọn được cảm biến có giá thành đầu tư hợp lý, nhóm đề tài tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải - Bộ Giao thông Vận tải do TS. Dương Quang Khánh dẫn đầu đã chọn cảm biến áp điện PVDF để thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cân động để kiểm tra tải trọng xe cơ giới phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo”.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận và kiến nghị như sau:

Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống cân động WIM để kiểm soát tải trọng xe cơ giới phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo. Các khái niệm, thuật ngữ hệ thống; các tiêu chuẩn đo lường quốc tế và Việt Nam áp dụng cho hệ thống cân động đã được tóm tắt. Sau khi phân tích thực trạng, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn cảm biến áp điện polyme kiểu PVDF cho ứng dụng đo tải trọng. Hệ thống cân động WIM đã được lắp đặt và thử nghiệm trên trên một làn đường của tuyến đường kết nối khu giảng đường và khu ký túc xá - Cơ sở Vĩnh Yên của trường Đại học Công nghệ GTVT.

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn hai xe tải loại 2 trục: KIA Frontier K190, JAC N800 và một xe tải loại 3 trục ISUZU FVM34WC14 làm xe đối chứng để tiến hành thử nghiệm. Các tác nhân ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống WIM sử dụng cảm biến polyme áp điện PVDF như vận tốc xe dịch chuyển, nhiệt độ mặt đường, kiểu đường đã được phân tích, đánh giá. Để xác định khối lượng toàn xe, hệ thống cần xác định các hệ số tỷ lệ khối lượng trục trước, hệ số tỷ lệ khối lượng trục sau và hệ số tỷ lệ khối lượng toàn xe. Các hệ số này là các hàm nội suy tuyến tính với giá trị đầu vào là giá trị đọc của ADC do cảm biến đo gửi về. Các hệ số này sau đó cần hiệu chỉnh theo vận tốc xe dịch chuyển để tăng độ chính xác của hệ thống. Kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra rằng giá trị đo của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ mặt đường. Giá trị đo của cảm biến được tính giảm đi trung bình 4.17 đối với trục trước và 3.14 đối với trục sau khi nhiệt độ mặt đường giảm bớt 1 độ C (lấy 35 độ C là nhiệt độ tham chiếu). Đồng thời, giá trị đo của cảm biến được tính giảm đi trung bình -6.12 đối với trục trước và -3.34 đối với trục sau khi nhiệt độ mặt đường tăng thêm 1 độ C.

Ngoài phương pháp hiệu chỉnh các hệ thông số do ảnh hưởng của tốc độ xe dịch chuyển và nhiệt độ mặt đường, để tăng độ chính xác của hệ thống WIM nhóm nghiên cứu đề xuất áp dụng các biện pháp mang tính pháp lý nhằm giới hạn vận tốc xe dịch chuyển 69 khi đi qua khu vực cân trong khoảng từ 25 đến 40km/h. Tốc độ xe dịch chuyển khi đi qua khu vực cân đề xuất trung bình là 30 km/h.  Sau khi áp dụng phương pháp hiệu chỉnh, kết quả thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống WIM đạt được cấp chính xác đối với tải trọng từng trục dưới 20% và tải trọng toàn xe dưới 15% khi xe dịch chuyển với tốc độ từ 25 km/h đến 40 km/h, tương đương với cấp chính xác C của Tiêu chuẩn Châu Âu COST323.

Mặc dù, độ chính xác của hệ thống đặt tiêu chuẩn kiểm định của Việt Nam cho các ứng dụng xử phạt quá tải trọng. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng để kiểm tra tải trọng xe có nghi ngờ quá tải quá 15% tải trọng toàn xe, trước khi tiến hành đo lại bằng cân tĩnh để xử phạt hoặc lắp đặt cảnh báo tại những nơi có hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông thấp như trước các cây cầu yếu.

Kết quả của đề tài còn là hệ thống bài giảng về hệ thống cân động WIM bao gồm các nội dung về Tổng quan các hệ thống kiểm tra tải trọng xe cơ giới; Các tiêu chuẩn đo lường áp dụng đối với sản xuất, lắp đặt hệ thống cân động WIM; Các quy định quản lý xe cơ giới tại Việt Nam; Nguyên lý hoạt động và cách lắp đặt cảm biến của hệ thống cân động WIM; Chức năng các khối của hệ thống cân động WIM; Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống cân động WIM. Dựa trên kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu đề xuất tiếp tục phát triển hệ thống cân động WIM sử dụng cảm biến thạch anh để có thể đem các nghiên cứu ứng dụng thương mại, làm chủ công nghệ và giảm chi phí đầu tư.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 20148/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)