（交通信息工程及控制专业论文）动态称重系统关键技术研究.pdf

摘要 本文在对国内外已应用的动态称重系统使用现状进行研究的基础上，分析了目前使 用的动态称重系统存在的问题，提出了相关的改进措施，并通过实验进行了验证。 目前汽车动态称重系统主要有检测轴载荷和轮载荷两种称重方法，本文使用轴载荷 称重的方法进行动态称重系统的研究。首先分析了汽车动态称重系统中影响测量精度的 各种因素，得出了除影响静念称重的各种因素外还主要包括汽车速度、汽车的振动、地 面激励等一系列动态因素，为研究动态称重系统中传感器选择、数据采集系统设计、数 据传输系统改进和称重算法打下了基础。 对比现有称重传感器的优缺点，选择了压电石英称重传感器作为动态称重传感器， 设计及实现了相应的数据采集系统。 介绍了当今主流的无线数据传输技术，通过对其进行分析对比可知，蓝牙可以方便 实现设备之问的无线连接，具有低成本、低功耗、高速率、组网灵活等特点，是实现动 态称重系统数据传输系统的理想选择，分析了现有数据传输系统的不足，确定利用蓝牙 技术对现有数据传输系统进行改进，设计了蓝牙传输协议，实现了蓝牙传输。 针对所选用压电石英称重传感器的信号特点及所实现的动念称重数据采集系统特 性，将奇异谱分析( s s a ) 引入动念称重数据处理中，完成了算法设计，并通过实验， 与小波分析算法进行对比，验证了算法的有效性。通过实验结果的分析，提出了进一步 研究方向。 关键诃：w im 、称重传感器、数据采集、蓝牙、s s a a b s t r ac t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n so fw i ms y s t e mw h i c hh a db e e na p p l i e di nh o m ea n d o v e r s e a ，p o i n t e do u tt h ep o t e n t i a lp r o b l e m so ft h i ss y s t e m ，a n dt h e ns t a t e dt h er e l e v a n ti m p r o v e m e n t m e a s u r ew h i c hw a sc e r t i f i e db yt e s t a x l el o a dw e i g h i n gi su s e di nt h i sp a p e rf o rt h er e s e a r c ho ft h ew i ms y s t e m t h ev a r i o u sf a c t o r s a f f e c t i n gt h em e a s u r ed e f i n i t i o nw e r ea n a l y z e d a sar e s u l t ，b e s i d e st h ei n f l u e n c eo fs t a t i cw e i g h i n g ，a s e r i e so fd y n a m i cf a c t o r s ，s u c ha st h ev e h i c l es p e e d ，t h ev i b r a t i o n ，a n dt h eu n s m o o t hg r o u n da l s oh a v e c r i t i c a le f f e c to nt h em e a s u r ed e f i n i t i o n m o r e o v e r , t h i sr e s u l tb u i l tu pas i g n i f i c a n tf o u n d a t i o nf o rt h e s e n s o rc h o i c e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n ，d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi m p r o v e m e n t sa n dw e i g h i n g a l g o r i t h m c o m p a r e dw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ew e i g h i n gs e n s o r , p i e z o e l e c t r i cq u a r t z w e i g h i n gs e n s o rw a ss e l e c t e d a saw i ms e n s o r , t h ec o r r e s p o n d i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sa l s o d e s i g n e da n dr e a l i z e d i nt h i sp a p e r , t h em a i n s t r e a mo ft o d a y sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d t h r o u g ha n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h e s et e c h n o l o g y , b l u e t o o t hi ss e l e c t e dt ob et h ei d e a lc h o i c et od a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ew i ms y s t e m ，f o ri t s a d v a n t a g e so fl o w - c o s t ，l o w p o w e r , h i g h s p e e d ， a n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yi nw i r e l e s sc o n n e c t i o n m o r e o v e r , i nt h i sp a p e r , t h es y s t e mo ft h e t r a n s f e rp r o t o c o lo ft h eb l u e t o o t hw a sd e s i g n e d ；t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fb l u e t o o t h t e c h n o l o g yt o i m p r o v et h ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw a si d e n t i f i e db a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ed e f i c i e n c i e s o ft h ep r e s e n td a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s i g n a ls e l e c t e db yp i e z o e l e c t r i cq u a r t zw e i g h i n gs e n s o ra n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s i n g u l a rs p e c t r u ma n a l y s i s ( s s a ) w a si n t r o d u c ei n t o t h ew i md a t ap r o c e s s i n g ，t h ea l g o r i t h md e s i g nw a sc o m p l e t e da n dv e r i f i e d c o m p a r e dt ot h ew a v e l e t a n a l y s i sa l g o r i t h m ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h mw a se x a m i n e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o nw a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：w i m ：w e i g hs e n s o r ：d a t ea c q u i s i t i o n ：b l u e t o o t h ：s s a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奈磊 乃。g 年月钞日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，签磊 2 g 年6 月尹曰 导师签名：4 4猡g 年月垆日 k 女人学硕l ? 学位论义 第一章绪论 随着我国高速公路通车罩程迅速增加，交通量旦濒增大，交通压力与只俱增，越来 越多的超限车辆对已建成的公路和桥梁造成了极大的破坏，危害行车安全，超限运输成 为一个当前急需解决的问题。为此，交通主管部门就超限运输的治理问题，进行了多方 面的研究和实践，其中如何使用准确、可靠和实用的称重系统，满足交通管理部门治理 超限运输，实旌计重收费，成为一个重要的课题。 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的发展，现代交通运输业飞速发展，高速公路通车罩程从零公里到1 万公里，我国用了1 2 年时问，而从1 万公罩到突破2 万公里，我国只用了3 年时间。 可以说短短1 5 年，中国高速公路的发展走过了许多发达国家一般需要4 0 多年才能完成 的发展进程，创造了世界瞩目的中国速度。我国对公路基础设施特别是高速公路建设的 力度逐年加大，全国公路建设完成投资：2 0 0 7 年为6 4 8 9 9 1 亿元，不仅在规模上是自订所 未有的，而且投资额度持续增长。从全国通车里程来看，2 0 0 7 年达3 5 8 3 7 万公里，其 中高速公路里程达5 3 9 万公旱【，增长速度尤为突出。另一方面，汽车保有量也与日俱 增，2 0 0 0 年全国汽车总保有量达到1 6 0 8 万辆，2 0 0 1 年为1 8 0 2 万辆。2 0 0 2 年为2 0 5 3 万辆，2 0 0 3 年为2 3 5 3 万辆，2 0 0 4 年为2 7 6 5 万辆，2 0 0 5 年为3 1 6 0 万辆，2 0 0 6 年为3 5 8 6 万辆，2 0 0 7 年为4 2 2 9 力- 辆。年增长率分别为1 l 、1 2 、1 4 、1 5 、1 7 、2 0 ，1 2 ， 1 8 。交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是，我国公路 运输车辆超限超载现象极为普遍【2 j ，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程 度的超限超载行为，车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路桥基 础设施造成了极大危害。主要表现在以下几方面【3 j ： 1 、诱发了大量道路交通安全事故。车辆超载后其平稳性、操纵性、制动性等安全 系数都会大幅度的下降，导致交通事故率的大幅度上升，严重威胁着人们的生命和财产 安全。据统计，7 0 的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，5 0 的群死群伤性重 特大道路交通事故与超限超载有直接关系。 2 、严重损坏了路桥基础设施。1 9 5 0 年美国各州公路工作者协会研究提出了反映汽 车轴载重量与公路路面之问的著名的“四次方法则”，即轴载增加2 倍，公路路面的损 坏增加2 4 = 1 6 倍1 4 i ，公路的设计施工都有一定的轴载标准，超限超载车辆的荷载远远超 第一章绪论 过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂，大大降低了道路桥梁使用 寿命。据交通部门测算，超载的车辆使水泥路面使用年限缩短达4 0 ，沥青路面使用年 限缩短达3 0 i5 1 。据统计全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过3 0 0 亿元，给国 家财产造成了巨额损失。 3 、国家税费大量流失。目前我国公路的养护费、管理费、通行费都是按车管部门 核定的吨位来收的，超载就必然导致这部分费用的流失。正常营运的货车，保守地按每 车平均超载1 5 吨计算，每年流失的养路费达4 万元，从全国正常营运的货车数量不难 算出国家每年因车辆超载而流失的税费将是一个庞大的数目。 4 、导致了道路运输市场的恶性竞争。相关企业以竞相压价承揽货源，以超限超载 来获取利润，超载越多，赚的越多，形成了“压价一超限超载一运力过剩一再超限超载” 的恶性循环，使得正常使用年限在1 0 年左右的货运车辆2 3 年后即破旧不堪。 5 、造成车辆“大吨小标”泛滥。为迎合车辆超限超载运输的需求，一些车辆生产 厂商竞相生产“大吨小标”汽车，些车辆改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响 了汽车工业的健康发展。车辆超限超载运输阻碍了现代道路运输市场体系的建立和完 善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民的生命财产安全。 6 、严重的环境污染。汽车一般随载重量的增加而加大驱动功率，因而噪声也随之 增大。据日本测试，一辆大型载货汽车的噪声是1 0 辆小客车的噪声之和。而目前超限 的车辆主要为大型货车，由于车辆超载，发动机超负荷运转，排出的浓烟和噪声是f 常 情况下的几倍，对自然和社会坏境的危害是显而易见的。 因此，加强公路运输的管理、保障行车安全等问题也显得日趋重要。交通部2 0 0 0 年2 号令超限运输车辆行驶公路管理规定于2 0 0 0 年4 月1 日起执行，规定对 各类车辆的轴载质量作了明确规定“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴载质 量及车辆总质量检测装置”。2 0 0 4 年4 月3 0 日，国家交通部、公安部、发展和改革委 员会、质检总局、安全监管局、工商总局和法制办联合发布关于在全国开展车辆超限 超载治理工作的实施方案。道路运输车辆超载的危害性，引起了党中央、国务院的高 度重视。在治理超限超载的同时，自2 0 0 3 年起，江苏、河南、山东、安徽等省先后实 施公路计重收费，鉴于以上情况，设计准确、可靠实用的动态称重系统，必将为公路管 理部门治理超限超载和实施计重收费提供有效的技术手段。如何设计出速度快、准确度 高、成本低的车辆动态称重系统，对公路交通部门有效地实施治理超限，保证行车安全、 延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的社会效益 2 k 安人学硕i ：学位论义 和经济效益。 1 2 国内外动态称重系统的发展与应用现状 随着公路运输的不断发展，若使用静态称量势必造成交通不畅，因此对公路车辆进 行动态称重的要求也显得越来越迫切。在继续进行研究之前首先要明确一下公路动态称 重( w e i g h i n m o t i o n ，简称w i m ) 系统的定义，公路动态称重系统的定义1 4 j ：动态称重 是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程；公路动态称重系统 是一组传感器和支持仪器，用来测量在特定地点特定时间一辆行驶车辆的出现及其动态 轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有关车辆的其他参数并且处理、 显示和存储这些信息。就公路动态称重系统而言，动态称量精度、汽车的通过速度是其 性能指标中最重要的，它标志着公路动态称重系统的技术水平的高低。 1 2 1 国外动态称重系统的发展1 5 ，6 1 动态称重系统在国际上是从上世纪5 0 年代开始受到关注的。二战后，美国受德国 启发，开始修建高速公路网，随之而来的是超限车辆对路面的严重损害，于是，美国从 1 9 5 3 年起开始关注车辆动态称重技术。 匈牙利是世界上研究动态车辆称重系统最早的国家之一，g k o v a c s 在1 9 7 4 年于 s z e g e d 举行的第五届i m e k o t c 3 会议上发表了论文轮负荷称与轴负荷称的试验方 法，这是关于动态车辆称重系统的最早文献，它奠定了动态车辆称重系统的基础。但 是早期对于动态车辆称重系统的研究都注重从硬件上提高精度，并且很难走出这个圈 子，直到1 9 7 6 年，同本的小野敏郎在第七届i m e k o 厂r c 3 会议上发表了论文动态称 重问题估算理论的应用，标志着对动态车辆称重系统的研究己由硬件向软件转变。 在2 0 世纪，许多国家的道路运输普遍存在超载现象，据调查，德国大型载货车辆 中超载车辆数量达到5 0 ，日本达到2 0 ，美国达到4 0 - 6 0 。为了避免超载车辆 对公路造成早期破坏，欧共体成员国和美国、日本、加拿大等国在2 0 世纪5 0 年代就开 始对车辆动态称重系统进行研究并取得了相应的成剁7 l 。 1 9 5 8 年，美国开始了为期1 6 年的动态称重系统研究。 1 9 6 8 年，南非取得了第一个电容式动态称重传感器专利。西德的p a t 公司也在这 一年开始了平板式动态车辆称重器的研究。 1 9 7 4 年，美国首次在车辆载荷研究中使用动态称重系统；同年，法困取得了一项压 3 第一章绪论 电缆动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x 。 1 9 8 2 年，美国的s t r e e t e 、英国的g o l d e n r i v e r 公司在南非专利基础上采用先进电子 技术，使性能大大提高。 1 9 8 3 年，v i b r a c o a x 动态称重系统首次在法国投入使用。同时p v d f 压电材料用作 动态称重的研究在美国开始。同年九月，美国联邦公路管理总署( f h w a ) 提议研究“低 成本动态车辆称重系统 。 1 9 8 4 年，美国的3 6 个州均安装了动态称重系统。 1 9 8 5 年，美国的“低成本动态称重系统”在现场投入运行并提交美国联邦公路部署 推广使用。 1 9 8 8 年，英国研制了一种性能优于v i b r a c o a x 的新型称重压电传感器v i b e t e k 5 。1 9 9 1 年改型v i b e t e k 2 0 。 1 9 9 0 年，在美国举行的“国际交通数据采集技术会议”上，西德p a t 的平板式传 感器性能较理想。同时展示数种低成本的动态称重系统，它们主要基于压电缆、压电膜 和电容传感技术。在安装条件很好的情况下，能使统计平均误差控制在1 5 左右。 1 9 9 2 年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟( f e h r l ) 发起，按照欧盟运输委员会 ( e c t d ) i 拘程序框架进行了c o s t 3 2 3 计划。该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进 行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期3 0 个月的 w l m 系统实际应用测试。 1 9 9 4 年，欧盟开始进行w a v e ( w e i g h i n g i nm o t i o no fa x l ea n dv e h i c l e sf o re u r o p e ) 计划从1 9 9 7 年6 月到1 9 9 8 年6 月在瑞典气候寒冷条件下进行产品系统测试，即著 名的c e t ( c o l de n v i r o n m e n tt e s t ) 沏1 试。结果表明德国p a t 、瑞士k i s t l e r 、美国m i k r o s 等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。 同年，在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，德国展示了采用平板式传感 器的s a w i o o 动态称重系统及其在自动收费站的应用。 2 0 0 0 年i t s 年会上展出了一种由美国m s i 公司开发的共聚物压电轴传感器，可以 同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重。 由于动态称重系统的用途各异，目自仃的国外产品的单轴载称重平均误差从5 o 3 0 不等，相应置信度为9 0 或9 5 ，最好的动态称重系统单轴载称重误差可以优于 5 0 ，但成本太昂贵仅适应于低速场合。对大量用于轴载调查的称量系统的误差一般 控制在1 5 2 5 之内【7 】，置信度为9 0 。 4 长= c ：人学硕1 ：学位论义 1 2 2 国内动态称重系统的发展 伴随着国家法规的不断颁饰，国内有关科研机构直未停止过对车辆动态称重技术 的研究。我国对车辆的动念称重研究起步较晚，始于8 0 年代初期，研究较早的为重庆 公路研究所，目前国内约有2 0 多家相关单位从事这方面研究，引进或研制的系统大部 分是国外换代的产品，主要问题有：适应速度范围小( 低速范围) ，测量精度不高，传感 器过于庞大，安装施工及维护不便【引。我国“七五”期间丌始引进和消化国外动态称重 系统，同时也开始对动态称重系统进行研制。2 0 世纪8 0 年代出现了电子汽车衡，它包 括带基坑和无基坑两种。1 9 9 4 年一种动、静念两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴 定，该产品集动态和静态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与车辆通过速度 之间的矛盾。作为国家“八五期间重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了 一种固定式动态车辆称重系统，该系统由一套称重传感器和一台电子测量仪器构成，每 车道布置两只传感器，每台仪器可测量1 - 4 个车道，轴重误差小于1 0 ，置信度为 9 5 【铆。1 9 9 9 年，德国p a t 载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有 限公司引进其技术并于1 9 9 9 年8 月获得了国家技术监督局颁发的计量器具型式批准 证书。 国内动态称重系统的研究起步晚、时问短，在研究过程中未能对行驶车辆的干扰因 素作深入系统的分析，对动态检测信号处理简单，为了提高检测精度，往往要求信号在 经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量。这些使得这类产品往往需要较长的受荷板或 受制于较低的车辆通过速度，检测精度也不高，一般平均误差为( 5 3 0 ) 。目前国 内如京珠高速公路、南京长江二桥等高等级公路和桥梁上安装的高精度车辆动态称重系 统主要来自国外，这类产品存在价格昂贵、超限标准与国内法规不一致等问题。 1 2 3 动态称重系统在国内外应用现状 目前，各种性能的动态称重系统在世界各地使用，其价格差异很大，所得到的精度 基本与价格成正比。研究人员在不断地探索降低那些具有高精度的w i m 系统成本的技 术和方法。 车辆动态称重设备也是随着全国整治超载行动的丌展而广为人知的。实际上，公路 动态称重系统在全世界的交通领域早已有着广泛的应用，不仅仅局限于公路超限超载的 检测。目前动态称重系统主要应用为： 1 、道路的交通量调查。利用动态称重系统及附属的车辆传感器统计某一条路的车 5 第一章绪论 流量和车辆的重量分布，根据统计数据得到某一条路的车辆行驶状况，作为依据制定道 路规划设计、路面的养护以及路面大修的计划。 2 、超限运输治理。公路管理者设置公路超限执法站，通过密集、严格的对超限车 辆的执法，有效地保护了路面，提升了交通安全。 3 、用于计重收费。利用动态称重系统对公路通行车辆实施按实载收费，充分体现 了公平合理的原则，多载多缴费，少载少缴费，对超限运输加重收费，有效地遏止车辆 超载超限运输；保护了高速公路路面和桥梁，避免了不断增长的超载运输车辆对路面、 桥梁的过度损坏，同时也提高了车辆行驶的安全性。 4 、用于公路匝道、弯道的货车安全提示系统，这种应用国内目前还没有。一般在 公路匝道或弯道处，对于不熟悉路况的货车司机容易造成翻车倾覆，在匝道和弯道提前 埋设称重设备和检测设备，根据车重和车速计算出转弯的离心力，并得出转弯安全车速， 同时，在路前方电子屏上自动显示出速度，提示司机不要超速，安全行车。 国内的动态称重系统主要应用在道路交通调查、超限运输管理和计重收费方面。 2 0 0 1 年以来，国内部分省市尝试采用计重收费这一经济手段治理超限运输。先是在天津， 然后是江苏、四川、河南、青海、山东等省在局部范围内试行。实践证明，采取以计重 收费与行政手段相结合的办法，能有效治理超限运输。计重收费虽然取得了一定的成就， 但也暴露了一些问题，尤其是在计重收费应用方面，以称重误差较大的问题尤为突出【1 0 】， 而且极易引起征缴矛盾，进一步加大收费站拥堵的严重程度，引发社会的质疑和不满， 大大降低了高速公路的服务水平。主要表现在以下几方面： 1 、设备安装对已建成的收费广场开挖面积大，施工难度大，设备安装周期长，维 护复杂。 2 、设备稳定性影响费额。系统检测到数据与实际车型相比主要表现为：一是多轮 胎或者少轮胎，例如称重设备将车辆双轮胎判成单轮胎。二是多轴或少轴，是指称重信 息少一个轴或多一个轴的情况。对于少轮胎或少轴车辆，比如限载从2 1 吨改成2 5 吨， 称重报价就从三四百元变成一二百元，司机听了从多到少的两次报价，会产生怀疑。而 对于多轮胎或多轴车辆，收费员改成正确限载后费额会增加，多的甚至增加几百元，很 多司机认为是人为操作，极易引发收费员与司机矛盾。 3 、称重差异成为新的矛盾焦点。货车不仅在省与省收费站之间，即使在本省内不 同高速公路、桥梁，更甚者在同一高速公路不同收费站称出来的数据也经常有差异，而 计重收费实施后称重差异正是司机与收费站最容易产生矛盾的地方。称量系统的准确性 6 k 安人学形! ij 学位论文 使得计重收费严肃性受到质疑，有时相隔一两吨超限率就超过了3 0 或1 0 0 ，对费额 影响非常大，容易引发矛盾。 4 、偷逃通行费。在计重收费实施过程中发现了司机的一些逃费伎俩，例如：走s 型通过秤台，走s 型能把轮胎向下的压力部分分解为横向扭矩；卡住称芯，用螺栓等卡 住称芯会造成称台称重下沉不灵敏，减轻轴重，偷逃通行费。 1 3 论文的研究内容 虽然目前国内运行的动态称重设备基本良好，能基本满足计重收费系统的运营要 求，但还或多或少的存在着以上几种问题，可以通过改进称重系统设计，有效的避免上 述问题的出现。本文针对上节提出的问题，拟通过以下几方面对动态称重系统进行改进： 1 、分析动态称重的主要误差来源，选择合适的称重传感器，有效的提高动态称重 系统的精度，减少系统安装施工难度； 2 、利用蓝牙技术对动态称重数据传输系统进行改进； 3 、针对动态称重系统信号的特点利用奇异谱分析( s i n g u l a rs p e c t r u ma n a l y s i s ，简 称s s a ) 设计相关算法，并对采集的轴重数据进行处理，再对处理后的数据利用位移积 分法计算出车辆重量。 1 4 小结 本章对动态称重系统的研究目的和意义进行论述，介绍了动态称重系统国内外发展 概括，分析了现有动态称重系统在使用中存在的问题，针对存在的问题提出了本文的研 究内容。 7 第二章动态称重系统概述 第二章动态称重系统概述 为了抑制车辆超载给道路设施造成损害，国外从2 0 世纪5 0 年代后期就丌始对车辆 超载检测技术进行研究，到2 0 世纪9 0 年代基本上形成了成熟产品，产品也由静态的整 车测量发展到了动态的轴重检测，这就是人们熟知的动态称重w i m 技术。本章主要介 绍动态称重系统的构成，分析动态称重的主要误差来源。 2 1 动态称重系统概述 对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法准确度虽然 很高，但是存在称重时i 日j 长，工作效率低的缺点，不能满足对高速公路行驶车辆的称重， 另外，在实际应用中停车进行重量测量也是不现实的。因此，近年来许多国家都对车辆 动态称重技术进行了研究，并有实际的应用。 2 1 1 动态称重系统的基本组成 车辆动态称重主要有两种方式：整车测量和轴重测量。整车测量方式需要比较大的 秤台，这大大增加了工程造价和难度，所以这种方式使用的越来越少了。目前动态称重 系统多数是轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车重量。在 静态称重时，车辆的轮胎平稳地作用于汽车衡上，除真实轴重外，无其他外力干扰，因 此容易实现高准确度测量。但在动态称重时，车辆以一定的速度通过称重设备，不仅轮 胎对秤台的作用时间很短( 在几百毫秒以内) ，而且作用在秤台上的力除真实轴重外，还 有许多因素产生的干扰力，如车速、车辆自身振动、路面激励、轮胎力等。可以说真实 轴重往往被淹没在各种干扰力中【1 1 】，这些干扰所造成的附加载荷可达真实轮重值的 1 0 【1 2 】，给提高动态称重系统精度研究造成很大的困难。 目前使用的动态称重系统主要由称重传感器、信息采集系统( 包括数据中心处理器、 信号处理器) 、轮轴识别器、红外光栅车辆分离器、地感线圈车辆检测器等组成，如图 2 1 所示。 1 、称重仪：由固定式称重平台、称重传感器、数据采集卡、整体框架、信号电缆 和安装部件等构成； 2 、轮胎识别器：由轮胎检测、识别装置、安装部件、数据采集卡等构成； 8 直 学i 学位论卫 3 、红外车辆分离器：由成对配置的红外线光幕发射和接收装置、控制器等构成 4 、地感线圈：由埋设于车道的环形感应线圈、线圈检测器、信号电缆等构成 5 、室外控制柜：由称重数据中心处理器、嵌入式控制器、信号处理器和接口单元 电源单元、电缆接线、机柜等构成。 = 。 画 m 8 目 ：卜 曼三 ： 一 图2 1 动态称重系统组成 使用者还可根据需要扩展图像监控和车号识别系统、报警指示系统、数据远程监控 系统等。 2 1 2 动态称重系统工作流程 当车辆通过称台时，传感器信号输入到数据处理中心，对车辆每轴重量数据进行处 理，计算出每个轴的重量和总重，当车辆驶出称量区时，地感线圈与红外光栅按顺序发 出信号，表示辆车称量工作结束。信号处理器根据轮轴识别传感器的信号判断出每轴 的轮胎数、轴型及车型，从而得到轴型及规定的枷、准值，与实测值比较得出超限结果。 地感线圈信号为车辆称量收尾信号，保证车辆连续进入称量区时，准确的区分每辆年的 检测数据。地感线圈与红外光栅完成正常行驶与倒乍的捡测确保数据的准确性，并对 车辆咀外的物体或人通过时进行判断，避免出错。当红外车辆分离器与地感车辆检测器 磷秽山 第二章动态称重系统概述 i 兰塑竺堂兰兰l 图2 2 动态称重系统工作流程图 2 2 车辆运动和动力分析陋1 8 l 车辆作为动念称重系统的称重对象，是称重的本体，它自身的运动状态十分复杂， 在动态称重的过程中其运动状态更加复杂多变。主要表现为： 1 、由于车辆是一个多自由度的复杂动力系统体系，很难用准确而严谨的数学表达 式描述它在运动过程中的真实状态。如果要客观全面描述车辆的运动特性，特别是动态 称重过程中的运动状态和动力特征，至少需要二十多个自由度| 1 2 】。站在理论的角度这是 可行的，但是其分析的复杂程度是很难想象的，因此在实际中往往需要采用简化的模型 进行分析。 2 、车辆振动原因相当复杂，在动态称重过程中振动是影响称重的主要形式。引起 车辆振动的原因很多，如路面的不平整、车辆自身、轮胎的弹性、发动机工作的颤动以 及驾驶员操作的不稳定都会带来车辆的振动。振动来源的复杂性反映了车辆运动的复杂 性，特别是在动态称重过程中车辆和称重平台的相互作用使车辆的运动更加复杂多变。 3 、车辆振动来源的复杂性也决定了车辆对路面载荷的多样性。车辆对路面的载荷 主要有两种表现形式：稳态载荷和动态载荷，其中动态载荷的产生具有很大的不确定性， 从而导致了车辆运动的复杂性。 1 0 长安人学硕j j 学位论义 除此之外，车辆的运动还受到诸多外界因素的影响，如：气候的影响、路面的质地 以及驾驶员的驾驶习惯等等，这些都在很大程度上增加了车辆运动的复杂程度，同时也 给动态称重系统的设计带来了皆多问题，影响着称重系统的客观性和准确性。 从上面的分析可知，正足由于诸多不确定的原因导致了车辆运动的复杂性，从而也 决定了车辆称重的不确定性和不可预测性，严重影响测量结果的置信度。 2 2 1 车辆整体运动分析 动态称重时，车辆以一定的速度通过称重平台，不仅轮胎和称重平台的作用时间很 短，而且从上面的分析可知，作用在称重平台上的载荷力除了车辆自身的真实稳态载荷 外还有很多因素产生的动态载荷干扰力，车辆的真实重量淹没在各种干扰力之中，这给 动态称重实现高精度测量造成了很大的困难。因此，在大量的不确定干扰力作用下如何 准确测量出车辆的真实重量就成为了设计动态称重系统的难点和关键。需要对各种干扰 力进行分类整理和综合分析，从而找到影响称重效果的主要因素，忽略次要因素。 为了继续车辆模型的抽象和简化，需要对车辆的运动进行定义。车辆的运动从狭义 上来讲只是其沿行驶方向的移动：广义来讲则不仅仅只是沿行驶方向的移动，还包括在 所有方位上都存在着的各种不同形式的运动。从不太严格的意义上来说，运动是力存在 的表现形式，有运动就有力的存在，这些力将在多大的程度上影响动态称重的准确性还 有待研究。对于两轴式车辆的运动状态和动力特性不论在国内还是在国外都采用图2 3 所示的力学模型，从车辆研究部门的大量实验和分析可知此力学模型在研究车辆的运动 方面是很成功的1 1 9 】。由图2 3 可知，此分析模型采用一个六面体来代表行驶中的车辆， 并将其放置一个三维标系之中。下面通过研究其在同方位上运动状态来分析各种干扰力 及其对动态称重系统的影响程度。 图2 3 车辆运动简化模型示意图 设x 方向为行驶方向，运动着的车辆有如下四类运动状态：绕x 轴的滚动；绕y 轴 第二章动态称重系统概述 的俯仰；绕z 轴的旋转；分别沿x 、y 、z 轴的单方向移动。 绕x 轴的滚动运动：表示在同一个轮轴上的重量从一个车轮向另一个车轮上转移。 在动态轴重称量中，由于同轴上的两轮同时称重，故绕x 轴方向的滚动造成的重量分稚 变动不会对整车动态称重造成很大影响。 绕y 轴的俯仰运动：表示重量从前轴转移到后轴或者从后轴转移到前轴。由于是属 于轮轴之问的重量转移，很可能造成重量读数的偏差。例如，在前轮轴重称量瞬间，车 辆突然减速或者其他原因造成车辆的前端下俯，其重量读数会偏大；随后，车辆后轴驶 上称重平台，若在后轮轴重称重瞬间，车辆突然加速或者其他原因造成车辆的后端下俯， 其重量读数也会偏大，因此其总重量也就偏大。如果遇到与上述情况相反则重量读数偏 小。 绕z 轴的旋转运动：表示在水平面上的运动。称重平台对水平力并不敏感，如果称 重平台的水平约束较好，即水平约束器在动态称重过程中能保持较好的水平性能，则作 用在称重平台上的水平力将不会产生垂直分力而影响称重平台的测量。因此，在称重平 台的设计制造过程中一定要保证具有较好的水平约束性能，只有这样才能将旋转运动对 车辆称重精度的影响减少到最小，此时在x 、y 方向上的单方向运动也不会对车辆的称 重精度产生较大影响。 沿z 轴的单方向运动：表示沿z 轴的上下起伏运动。很明显这种起伏运动将影响车 辆的称重精度，因为它会像俯仰一样产生垂直的分力。 通过分析可以看出，在这四类运动中只有绕y 轴的俯仰运动和沿z 轴的单方向起伏 运动是影响车辆称重精度的主要因素，其他运动都是较为次要的因素【1 1 】。 2 2 2 车辆动力载荷分析 设有车辆沿x 轴以速度v 运动，车辆对路面的作用力： f ( x ，t ，v ) = ( f ) 。a ( x 一 ，f ) = p o ) + o ) ，6 ( z v f ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中矽o ) 描述载荷大小随时问变化的规律 6 ( 。) d 砌以c 一6 函数，其定义为： 6 c x x 。，；f 三耋三二二： 且j 二6 0 x 。x k = 1 1 2 长安人学颀1 j 学位论文 w ( t ) 为动力荷载，由稳念荷载w o p ) 和动态荷载比( f ) 组成，w o p ) 为车辆自身重量 引起的静荷载，暇( f ) 为各种原凼引起的动载荷干扰。 目前，由于应用的不同，动力载荷( f ) 有以下四种类型的模型：1 、恒定载荷；2 、 冲击载荷：3 、简谐振动；4 、随机振动。如果地表的平整度很好，当车辆振动很小的时 候，我们就可以把车辆载荷简化为恒定载荷；如果发生了相当剧烈的振动，甚至跳离了 地面，为了研究车辆落地之后的这种振动对结构的破坏作用，便可以考虑用冲击载荷作 为车辆的载荷数学模型；如果希望描述车辆的波动情况，但是又不希望模型过于复杂， 可以考虑用简谐振动来进行载荷分析；随机振动载荷模型是比较完善的模型，因为路面 的凹凸不平是随机的。 1 、车辆稳态载荷分析 为了具体分析车辆的稳态轴载，下面分别绘制了车辆前后轮在称重平台上的受力见 图2 4 和图2 5 所示。 图2 4 车辆前轮位于称重传感器示意图 图2 5 车辆后轮位于称重传感器示意图 1 3 第二章动态称重系统慨述 图2 4 和图2 5 表示了两轴式车辆前轮和后轮分别通过称重平台时所受的主要外力， 中主要有：空气动力阻力厂，厂，：，前后车轮的驱动力c 。、c ：和吒，、瓦：，( 对于只有 后驱动的车辆f o 。= 0 且c ：= 0 ，对于只有前轮驱动的车辆瓦。= 0 且吒：= 0 ) 、前后车轮 的动阻力l 。，l ：，和九，厂6 ：。 由于在车辆动态称重过程中轮轴的垂直载荷是需要关注的重点，为了获得车辆轮轴 的垂载荷可以采用如下方法： 当前轮通过称重平台时( 如图2 4 所示) ，对后轮b 取力矩，则有： w 名，2 。c o s 0 + f o l 。h = w 乞l c o s 0 + l 1 。h + l 1 h ，1 ( 2 2 ) 同理，当后轮通过称重平台时( 如图2 5 所示) ，对