MINISTERIO DE FOMENTO CENTRO DE ESTUDIOS

Y EXPERIMENTACIÓNDE OBRAS PÚBLICAS

WEIGH-IN-MOTION (WIM) IN SPAIN

Jesús Leal BermejoIngeniero de Caminos, Canales y Puertos

Centro de Estudios del Transporte del CEDEX

WEIGH-IN-MOTION (WIM) OF ROAD VEHICLES

Definition and uses

Components of a WIM system

Weight sensors classification and technologies

Factors of influence in WIM systems accuracy

WIM: Technical standards

Comparison of several WIM technologies

DEFINITION OF WEIGH-IN-MOTION (WIM) OF ROAD VEHICLES

High-Speed WIM:The process of estimating the weight of a moving vehicle by measurement and analysis of dynamic tyre forces.

Low-Speed WIM:Weighing a slowly moving vehicle, usually on a specific area outside the traffic flow, under controlled conditions, such as constant and low speed (5 to 15 km/h) in order to minimise dynamic effects.

STATIC WEIGHING VS DYNAMIC WEIGHING

STATIC WEIGHINGAdvantages

High accuracyCan be used for legal enforcement of vehicle weights

DrawbacksLow efficiency: only 20 or 30 vehicles can be weighed during one working dayThe results may be biased due to the detour of overloaded vehiclesPolice and other staff are needed for weighing operations

DYNAMIC WEIGHINGAdvantages

Enables to weigh all the vehicles travelling on a roadSufficient accuracy for statistical applications and for preselection of overloaded vehicles24 hours a day, 365 days a year of continuous automatic operation

DrawbacksNot sufficient accuracy for legal enforcement of vehicle weights

WEIGH-IN-MOTION USES

ROAD PAVEMENTS: Design, rehabilitation and maintenance.ROAD BRIDGES:

Development of a new model of traffic loads

Knowledge of dynamic effects of loads on structures

Evaluation of in-service bridges

Active control of loads in bridges

LEGAL ENFORCEMENT OF VEHICLE WEIGHTS AND LOADSPreselection of overloaded vehicles

Effective control of vehicle loads using LS-WIM systems

TRAFFIC MANAGEMENTAccurate vehicle classification (light and heavy vehicles)

Detailed classification (15 classes)

Knowledge of load status of vehicles

ECONOMICAL AND ROAD TRANSPORT STUDIES

COMPONENTS OF A WIM SYSTEM

A-Sensors in the roadWeight sensorsPresence detectors (usually induction loops)

B-Electronic device for signal registering, processing and storage

ROAD LAYOUT OF A WIM SYSTEM

CARRIL 1

CARRIL 2

DISPOSICIÓN DEL SISTEMA DE PESAJE DINÁMICO(en una carretera bidireccional de 2 carriles)

LAZOS DEINDUCCIÓN

UNIDAD DE PROCESAMIENTO

LAZOS DEINDUCCIÓN

SENSOR CAPACITIVODE PESAJE DE EJES

WEIGHT SENSOR CLASSIFICATION AND TECHNOLOGIES

AREA-BASED SENSORSWeigh-bridges (with load cells)Bending plates (with strain gauges)Capacitive matsRoad bridges (or culverts) equipped with strain gauges

LINEAR SENSORSPiezoelectric bars (with piezoceramic powder or quartz crystal)Capacitive barsOptic fibre sensors

FACTORS OF INFLUENCE IN WIM SYSTEMS ACCURACY

FACTORS RELATED TO THE WIM SYSTEM:Damages or discontinuities of the weight sensor Bad adjustment of the electronic unitInstallation problems

VEHICLE-PAVEMENT INTERACTION

CALIBRATION OF THE WIM SYSTEMStatic calibrationDynamic calibrationSelf calibration

VEHICLE WHEEL LOAD VARIATIONS AT SEVERAL SPEEDS

(2-axle rigid lorry, rear wheel. Source: TRL, 1991)

Whe

el lo

ad (t

)W

heel

load

(t)

Distance

Distance

WIM: TECHNICAL STANDARDS

EXISTING STANDARDS:American standard ASTM E 1318European WIM specifications (drafted by the COST 323 Management Committee)

SUBJECTS INCLUDED IN WIM STANDARDS:1. Definition of several classes of WIM systems related to their

applications.2. Definition of minimum accuracy requirements for each class3. Road conditions for WIM system placing:

Geometric conditions (minimum radius of bends, maximum slopes)Pavement surface conditions (rutting, pavement roughness)Structural conditions of pavement (deflections)

4. Setting up of WIM system calibration procedures5. Definition of test methods for checking WIM systems

performances

INTERNATIONAL RESEARCH PROJECTS AND CONFERENCES ON WIM

COST 323 Action (1993-1998) “Weigh-In-Motion of road vehicles”(http://www.cordis.lu/cost-transport/src/cost-323.htm)WAVE (Weighing-in-motion of Axles and Vehicles for Europe) Project (1996-1999)(co-funded by the EC in the 4th FP)

(http://www.cordis.lu/transport/src/wave.htm)International conferences on WIM

1st: Zurich(1995)2nd: Lisbonne (1998)3rd: Orlando (USA) (2002) (http://www.ctre.iastate.edu/icwim/)4th: Taipei (Taiwan) (2005) 5th: Paris ¿2007?

WIM USERS NETWORK (http://wimusers.free.fr/)

RESULTS OF A WIM SYSTEM TRIAL ON A URBAN ROAD, ZURICH (1993-1995)

ACCURACY (regarding to the gross vehicle weight) WIM SYSTEMS MEAN

µ STANDARD DEVIATION

σ (%) ACCURACY

CLASS Golden River Peek Traffic Mikros ECM PAT Kistler / PAT

1,02 0,94 1,04 0,99 0,97 1,02

23 22 9

16 6

10

E (45) E (40) D (20) E (35) C (15) D (20)

Road site characteristics: class III (acceptable)

RESULTS OF A WIM SYSTEM TRIAL ON A MOTORWAY (CMT), METZ (1996-1998)

ACCURACY (regarding to the grosso vehicle weight) WIM SYSTEM MEAN

µ (%) STANDARD DEVIATION

σ (%) ACCURAY

CLASS 1. Capacitive mat (Mikros) 2. Piezoelectric (Sterela) 3. Piezoelectric (ECM) 4. Piezoelectric (Sterela) 5. Piezoelectric (Lacroix) 6. Piezoelectric (ECM)

-0,6 -4,42 0,31 -9,02 1,25 -0,10

4,05 9,22 4,76 11,16 7,56 5,82

B (10) D (20) B (10) E (30) C (15) C (15)

Road site characteristics: class I (excellent)

EL PESAJE EN MOVIMIENTO EN ESPAÑA

CAMPAÑAS DE PESAJE REALIZADAS POR EL CEDEX (1986-2003).

RED DE ESTACIONES FIJAS DE PESAJE DE LA DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS.

INSTALACIÓN FUTURA DE ESTACIONES FIJAS DE PESAJE DINÁMICO:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERASCEDEX

CAMPAÑAS DE PESAJE DINÁMICO DEL CEDEX

1. CEDEX ha realizado campañas de pesaje de carácter anual o plurianual en la Red de Carreteras del Estado, por encargo de laDirección General de Carreteras.

2. Cada año se realizan 25-30 pesajes en diferentes emplazamientos, de 24 horas de duración.

3. OBJETIVOS:Obtención de datos estadísticos para su utilización en el dimensionamientode firmes de carretera.Conocimiento del tráfico pesado para estudios de planeamiento decarreteras y de economía del transporte.

4. Sistemas de pesaje utilizados: Sistemas capacitivos de instalación portátil.

5. Calibración de los equipos: De tipo dinámico, efectuando varias pasadas (de 10 a 15) con un camión de peso conocido.

6. Simultáneamente a los pesajes, se toman datos visualmente durante 6 horas a una muestra de vehículos.

7. Tratamiento de la información en gabinete.

ESQUEMA DE DISPOSICIÓN EN LA CARRETERA DE LOS EQUIPOS

CARRIL 1

CARRIL 2

DISPOSICIÓN DEL SISTEMA DE PESAJE DINÁMICO(en una carretera bidireccional de 2 carriles)

LAZOS DEINDUCCIÓN

UNIDAD DE PROCESAMIENTO

LAZOS DEINDUCCIÓN

SENSOR CAPACITIVODE PESAJE DE EJES

INSTALACIÓN EN LA CARRETERA DE LOS EQUIPOS DE PESAJE DINÁMICO

CAMIÓN DE CALIBRACIÓN

SISTEMA DE PESAJE INSTALADO EN LA CARRETERA

PRECISIÓN DE LOS EQUIPOS

En condiciones de repetibilidad completa:Diferentes pasadas de un mismo vehículo a velocidades similares y con el mismo estado de carga (condiciones típicas de la calibración).

Se hace que el sesgo del sistema sea igual a 0.La desviación típica (c.v.) del error relativo cometido en las pasadas individuales varía, dependiendo de las condiciones locales del pavimento, entre el 2% y el 14%.

En condiciones de reproducibilidad extendida:Se calcula el error relativo medio y la desviación típica de los errores relativos medios al medir el peso de una muestra de vehículos representativa del tráfico pesado en un emplazamiento.

Fue evaluada en el Ensayo de Sistemas portátiles celebrado en Trappes(Francia), en 1996, sobre una muestra de unos 100 vehículos pesados. Resultados:

sesgo: error relativo medio: 2,9%dispersión de las medidas: desviación típica de los errores relativos: + 10,3%

RESULTADOS OBTENIDOS EN LAS CAMPAÑAS (datos de días laborables)

Clasificación de vehículos: 35,3% de los vehículos son pesados (P>3,5t) (un 3% menos que si se discrimina por longitud).Silueta del tráfico pesado:

Vehículos rígidos 29,4%Vehículos articulados y trenes de carretera: 70,6%Hace 20 años las proporciones de unos y otros eran las contrarias.

Tipos de eje:Simple: 73,2%Tandem: 9,1%Trídem: 17,7%

Peso medio de los vehículos: 25,8 tCargas medias transportadas:

Vehículos rígidos: 6,5 tVehículos articulados: 16,9 tTrenes de carretera: 14,9 t

Proporciones de sobrecargados: Vehículos sobrecargados: 24,2%Ejes sobrecargados: 7,1%

Agresividad del tráfico (respecto al pavimento):Firmes flexibles (exponente = 4): Factor de equivalencia en ejes de 13 t: 0,59Firmes semirrígidos (exponente = 8): Factor de equivalencia en ejes de 13 t: 0,58

RED DE ESTACIONES DE PESAJE DE LA DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS

PROGRAMA DE 70 ESTACIONES DE PESAJE PARA CONTROL LEGAL DE PESOS PROMOVIDO EN 1998 POR:

Dirección General de Carreteras. Dirección General de Transportes Terrestres

OBJETIVOS:Preservar el patrimonio viario. Regular el sector del transporte (evitando la competencia desleal de los camiones sobrecargados).Mejora de la seguridad vial.

CRITERIOS DE UBICACIÓN: cubrir todos los itinerarios de la red estatal, en un solo sentido de la vía, de forma alternativa.

39 estaciones en autopista y autovía.31 en carreteras convencionales de dos carriles.

Actualmente: 2 estaciones en funcionamiento

DISEÑO DE LAS ESTACIONES

CADA ESTACIÓN CONSTA DE DOS SISTEMAS DE PESAJE:En la calzada de la carretera: sistema de pesaje dinámico de alta velocidad para preseleccionar vehículos sobrecargados. En el área de pesaje (fuera de la calzada): sistema de pesaje estático para el control legal de los pesos.

OTROS ELEMENTOS:Detectores de presencia de vehículos (lazos de inducción).Armario de conexionesCaseta de control (dotada ordenador con impresora para las sanciones).Elementos de regulación de tráfico:

En la calzada: paneles de mensaje variable (VMS).En el área de pesaje: semáforos y detectores de presencia.

ESQUEMA DE UNA ESTACIÓN DE PESAJE PARA CONTROL LEGAL DE PESOS

CARACTERÍSTICAS Y PRECISIÓN DE LOS SISTEMAS DE PESAJE

Sistema de pesaje dinámico de alta velocidadBáscula dinámica de alta velocidad: En las estaciones realizadas es del tipo de placas en flexión.

Error (nivel de confianza 95%): +10% en el peso total+15% en el peso de ejes

Lazos de inducciónElectrónica de procesamiento (situada en un armario junto a la vía)

Sistema de pesaje estáticoHomolagado por el Centro Español de MetrologíaCapaz de suministrar información del peso de los vehículos:

por eje individualpor grupo de ejes (tándem, trídem)total del vehículo

Dimensiones: 3,50 m x 1 m (capaz de medir 1 solo eje en cada operación).Precisión: + 20 kgAdemás dispone de lazos de inducción, para medir longitud del vehículo, distancia entre ejes y velocidad y clasificación de éste.En el futuro podrán utilizarse básculas de pesaje dinámico a baja velocidad (cuando estén homologadas) según especificaciones de la OIML (Organización Internacional de Metrología Legal).

INSTALACIÓN FUTURA DE ESTACIONES FIJAS DE PESAJE DINÁMICO EN

ESPAÑAPOR PARTE DE LA DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS

En el Plan Sectorial de Carreteras se contempla, en un futuro, la instalación de pesaje dinámico en las estaciones permanentes de aforo (actualmente unas 200).La instalación de equipos de pesaje dinámico comenzaría en las estaciones situadas en las fronteras con Francia y con Portugal.

POR PARTE DEL CEDEX Instalación de 2 ó 3 estaciones fijas de pesaje dinámico para:

Obtención de datos de variación semanal y mensual del tráfico pesado.

Conocer en profundidad el funcionamiento y prestaciones de las diferentes tecnologías de pesaje.