（交通信息工程及控制专业论文）基于ETC的车辆动态称重系统应用研究.pdf

摘要 动态称重技术作为一种有效的车辆超限超载管理手段，在国内外应用中已经取得了 很好的效果。论文针对我国动态称重系统存在的问题，提出了将动态称重与e t c 相结 合应用于我国高速公路的设想。 对基于e t c 的车辆动态称重系统进行研究，设计了系统整体方案。并对基于d s r c 的信息交互技术进行简要描述。从与车辆相关和无关两个方面，分析影响车辆动态称重 精度的关键因素。对比现有称重传感器的优缺点，选用压电石英传感器阵列作为称重单 元，给出了传感器阵列排布方案，对数据采集系统进行相应的改进，从检测源头提高了 称重精度和系统效率。在现有数据传输系统的基础上，提出一种应用串行通信和专用短 程通信相结合的数据传输方案，设计了数据传输协议，实现了称重车辆整车信息的传输。 在研究现有动态称重处理算法的基础上，结合压电石英传感器信号特征，设计了更 完善可行的数据处理算法。利用小波变换原理对原始信号进行降噪处理，并针对信号“丢 轴 现象提出基于相关性的信号完整性分析方法，最后依据各传感器的输出值及车辆通 行速度建立了b p 神经网络模型，利用该模型得到车辆的静态车重。实验结果表明，该 算法具有较高的精度和可靠性。 对比当前广泛应用的动态称重系统，基于e t c 的车辆动态称重系统能够实现车辆 准确称重和快速通过收费站的目标，具有广阔的应用前景。 关键词：动态称重，e t c ，压电石英传感器阵列，小波，b p 网络 a b s t r a c t w i mt e c h n o l o g yw o r k sa sa ne f f e c t i v e m a n a g e m e n tt o o lf o rv e h i c l eo v e r l o a d i n g p r o b l e m ，a n dh a v ea c h i e v e dg o o dr e s u l t si na p p l i c a t i o n si nh o m ea n do v e r s e a s t h e na ni d e a o fc o m b i n i n gw i mw i t he t ci sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb ea p p l i e di no u rc o u n t r yt os o l v et h e p r o b l e m so fe x i s t e n tw i ms y s t e m i nt h i st h e s i s ，w i ms y s t e mb a s e do ne t ci ss t u d i e d a n dt h eo v e r a l lp r o g r a mi sd e s i g n e d t h e nab r i e fd e s c r i p t i o no ft e c h n o l o g y 、析t i li n f o r m a t i o ne x c h a n g eb a s e do nd s r ci sm a d e t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r ed e f i n i t i o ni sa n a l y z e d ，f r o mb o t hr e l a t e da n di r r e l a t e d 埘t l lv e h i c l e s c o m p a r e dt 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 ep r e s e n tw 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 zs e n s o ra r r a yi ss e l e c t e da saw e i g h i n gu n i t t h e nt h es c h e m eo ft h es e n s o r a r r a yi sp r e s e n t ，w h i c hc a ni m p r o v et h ew e i g h i n ga c c u r a c ya n ds y s t e me f f i c i e n c yf o rt h e c 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 mf r o mt h eo r i g i n a ld e t e c t i o n b a s e do nt h ee x i s t i n gd a t a t r a n s m i s s i o n s y s t e m ，a d a t at r a l l s e r p r o j e c t i sp r o p o s e dw h i c hc o m b i n e das e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dd s r cc o m m u n i c a t i o n t h e nad a t at r a n s f e rp r o t o c o li sd e s i g n e d ，w h i c h a c h i e v e st h et r a n s m i s s i o no ft h ew h o l ev e h i c l ei n f o r m a t i o n b a s e do nt h ee x i s t i n gp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n dc o n s i d e r e dt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i co f p i e z o e l e c t r i cq u a r t zs e n s o r s ，am o r ef e a s i b l ed a t a - p r o c e s s i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d t h e w a v e l e tt h e o r yw a sa p p l i e dt of i l t e rt h eh i g hf r e q u e n c yn o i s ea n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yn o i s e t h e nt h ep h e n o m e n o no f m i s sa x l es i g n a l i sc o r r e c t e db ya ni n t e g r a l i t ya n a l y s eu s e ds i g n a l c o r r e l a t i o n f i n a l l y ，u t i l i z e dt h es e n s o ro u t p u tv a l u eo fs e n s o ra n ds p e e do fv e h i c l e s ，t h eb p n e u r a ln e t w o r km o d e li se s t a b l i s h e da n du s e dt o g e tt h es t a t i cv e h i c l ew e i g h tv e h i c l e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sah i g ha c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y c o m p a r e d 谢t l lt h ec u r r e n tw i m ，t h ew i ms y s t e mb a s e do ne t cc a na c h i e v ea c c u r a t e w e i g h i n gr e s u l ta n daq u i c k l yp a s sb y t h es y s t e mw i l lh a v ea b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：w i m ；e t c ；p i e z o e l e c t r i cq u a r t zs e n s o ra r r a y ；w a v e l e t ；b pn e t 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，均已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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 土丹 2 。哆年石月，2 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) 论文作者釜名： 五丹 2 。哕年移月，2 日 导师签名： 蛳6 月i ) - - e l 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展，我国的交通事业也取得了巨大的进步，公路里程在不断 的增加，但同时交通拥堵、交通环境恶化以及能源短缺等问题也日益严重，已成为制约 我国经济发展的重要因素。因此，在修建更多的道路、扩大路网规模的基础上，我们还 需要利用高新技术来改造现有的道路运输系统及其管理体系，大幅度提高路网的通行能 力和服务质量。 1 1 研究的目的和意义 改革开放3 0 年来，我国公路建设投资数量之大、开工项目之多、举世瞩目。尤其 是近二十年来，我国公路事业得到了长足发展，公路总里程迅猛增长。2 0 0 7 年“五纵七 横”基本贯通，初步构筑了我国区域和省际间横连东西、纵贯南北、连接首都的国家公 路网络。目前我国公路总里程、高速公路里程均位居世界第2 位。截至2 0 0 8 年底，全 国公路总里程达3 7 3 0 2 万公里，其中高速公路历程达6 0 3 万公里，全国公路密度为3 8 8 6 公里百平方公里【i l 。全国高速公路以平均每年2 0 0 0 多公里的速度递增，这种建设速度 在世界上是少见的。另一方面，汽车保有量也与日俱增，截止到2 0 0 8 年1 0 月底，我国 私人汽车保有量为6 2 2 2 1 8 万辆。各种载货汽车、大平板汽车、挂车和集装箱运输汽车 数量和载货量也逐年递增。 交通运输业的发展对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是公路运输车辆超限 超载的现象也较为普遍，有些地区甚至所有货车都存在不同程度的超限超载行为2 1 。所 谓车辆超限是指车辆的轴载质量、车货总质量或装载总尺寸超过国家规定的限值；而车 辆超载是指车辆运载的货物重量超过行驶证的核定载质量。车辆超限超载运输对道路、 交通安全、运输市场及汽车生产秩序造成了极大的危害。主要表现在以下几个方面【3 4 】： 一是严重损坏了公路基础设施。超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计 承受荷载，导致路面损坏，桥梁断裂，正常使用年限大幅度缩短。据有关科研部门的实 验数据：车辆超载1 0 0 ，水泥路面承受的压力增加为6 5 5 0 0 倍，沥青路面承受的压力 增加为2 9 5 倍。如载重8 吨、自重6 吨的黄河1 5 0 型货车超载1 0 0 后，就等于该货车 不超载情况下在同一公路沥青路面上跑4 0 次。高速公路的路面设计使用寿命一般为1 5 年左右，由于严重超限超载车辆的破坏性碾压，2 至3 年就需要大中修，我国每年因车 辆超限超载对公路造成的经济损失超过3 0 0 亿元。 1 第一章绪论 二是诱发了大量道路交通安全事故。车辆严重超限超载，致使车辆的行驶稳定性、 刹车性能、悬挂承荷能力、转向可靠度趋降，轮胎爆胎可能性增大，车辆的技术状况大 大降低，极易引发交通安全事故。另外，汽车长时间超负荷工作，磨损加剧，车辆使用 寿命大大缩短。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，超限超载运输已成为道路交通安全 的“第一杀手，车辆超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失。 三是严重扰乱运输市场秩序，引起恶性竞争。由于运输市场运力供大于求，竞争激 烈。承运者为争揽货源，竞相降低运输价格，以低运价吸引货主。为了弥补降价造成的 经济损失，车主采用多装和逃避交通规费的办法获得补偿，使运力过剩的矛盾更加突出， 拉不到货的车主则以更低的运价争揽货源，又以更多的超载来减少亏损。于是陷入一个 “超载运力过剩压价再超载的循环往复的怪圈。这样，在同样运价水平时，超限超 载运输者就可获得比守法经营者更多的利润。对于国家来讲，漏征了大量规费，对于遵 纪守法的人来说，无疑是不公平的。 四是降低了公路的使用效率，污染环境。严重超限超载车辆一般车速都很低，有的 不足4 0 k m h ，并且由于车体较大，影响后车通行，常常造成交通阻塞，使公路的使用 效率大大降低。另外，超限超载车辆由于荷载大，在起步、爬坡时大冒黑烟，造成路面 和环境的污染。 由于车辆超限超载现象的普遍存在，对社会、经济、环境以及道路安全都造成严重 影响。作为遏制超限超载的一种手段，货运车辆经过收费站时，要对其进行计重收费。 自从2 0 0 0 年以来，国内多个省份开展了一系列的治理工作，并在高速公路上应用了动 态称重系统( w e i g hi nm o t i o n ，简称w i m ) ，虽然取得了一定的成就，但是在使用中 也暴露了一些问题，称重误差较大的问题尤为突出，极易引起征缴矛盾，进一步加剧收 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。因此 研究开发高精度的动态汽车称重系统，必将为公路运营部门治理超限超载和实施计重收 费提供有效的技术手段。国内外许多研究机构一直都在探索一种全新型的动态称重方 案。设计实现通行速度快、抗干扰能力强、准确度高的新型全自动动态称重系统，对实 施超限计重管理、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意义。 应用动态称重来治理车辆超限超载，对车辆的通行速度有一定的限制，随着交通量 的增长，人工收费站经常会出现因交费而产生的堵车现象，于是，我们不由得联想到电 2 长安大学硕士学位论文 子不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 。e t c 是目前世界上最先进 的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在e t c 车道上的微波 天线之间的专用短程通信，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到无 需停车自动完成缴费的目的。e t c 的实施的确在提高高速公路收费效率、方便用户快捷 通行、提升行业服务形象、减少环境污染等方面起到了重要的作用。所以，动态称重和 e t c 相结合成为一个具有多重意义的新课题。 动态称重由于系统的先天技术局限性，车辆通行的速度越快，测量结果的误差就越 大，因而车辆只能慢速通过称重平台，有些地方甚至明确限速5 k m h 。e t c 的存在就是 要让车辆能快速地通过收费车道，以提高收费站的工作效率。动态称重与e t c 的结合 可以在技术上同时解决治理超限超载和快速收费两个问题。然而，这两者之间却存在着 一对天生的矛盾低速称重和快速通行的矛盾。显然，如何解决这一快一慢的矛盾， 如何设计实现快速、准确的基于e t c 的车辆动态称重收费系统就变得十分重要了。本 文是在陕西省自然科学基金资助项目( s j 0 8 z t l 3 8 ) 的支持下展开相关研究。 1 2 国内外动态称重系统的发展概况 公路动态称重系统的定义是【5 】：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。简言之，动态称重 就是在车辆行进中对其进行称重及相应的处理。 1 2 1 国外动态称重系统的发展 国外许多国家也普遍存在道路运输超限超载问题，为了遏制这一现象，欧共体成员 国和美国、日本、加拿大等国在2 0 世纪5 0 年代就开始对汽车动态称重系统进行研究并 取得了相应的成果【6 , 7 , 8 】。 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，法国取得了一项v i b r a c o a x 压电缆动态车辆称重器的专利。 3 第一章绪论 同年，在匈牙利s z e g e d 举行的第五届i m e k o t c 3 会议上，g k o v a e s 在发表了论 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。然而，早期对于动态车辆称重系统的研究仅仅注重从硬 件上提高精度。 1 9 7 6 年，日本的小野敏郎在第七届i m e k o t 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。 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，使称重传感器性能大大提高。 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。美国开始研究将p v d f 压 电材料应用于动态称重，同年9 月，美国联邦公路管理总署提议研究“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，美国投入运行“低成本动态称重系统 ，并加以推广。 1 9 8 8 年，英国研制了一种新型称重压电传感器v i b e t e k 5 ，其性能优于v i b r a c o a x ， 1 9 9 1 年改型为v i b e t e l ( 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 感器性能较为理想，同时展示数种基于压电缆、压电膜和电容传感技术的低成本的动态 称重系统。 1 9 9 2 年，欧洲高速公路系统研究实验室联盟发起了c o s t 3 2 3 计划，对公路行驶车 辆进行动态载荷监控的相关问题进行了研究。 1 9 9 4 年，欧盟开始进行w a v e ( w e i g h i n gi nm o t i o no f a 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。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，在i t s 年会上，美国m s i 公司展出了一种由美国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。 目前国外的产品单轴载称重平均误差从士5 o 士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4 - 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 士2 5 之内，置信度为 4 长安 学砸士学位论文 9 0 【”。 单纯的w i m 系统中，载货车辆在通过收费站时虽然可以实现不停车称重，但是仍 需要进行停车领取通行卷，停车缴费。为了提高车辆通过效率，必须结合其他其他技术， e t c 就是一个不错的选择。 e t c 技术已经在全球范围被接受并得以广泛应用。动态称重与e t c 两个技术相结 合，可实现在载货车辆不停车通过称重收费车道。这种理念已于九十年代中期在北美一 些道路系统中得到了体现。比如，p r e p a s s 、o r e g o n g r e e n l i g h t 和n o r p a s s ，这些系统一 般会包含动态称重单元、路侧车辆检测设各、信息显示和称重收费站，其设计概念在国 1 1 中进行了描述州。 图1 , 1 国外称重检测系统描述 如图ll 所示，车辆通过称重传感器，系统将获得较高精度的车辆轴重数据。同时 路侧设备读取车辆的车型、车牌等相关信息。这些数据被传送至计算机拄制中心进行处 理巳上判断通过车辆是否超重。前方显示装置显示检测结果，车辆没有超重则绿灯通行 否则提示司机将车辆驶入前方路侧的称重收费站，进行复称，罚款或卸货等处理。 12 2 国内动态称重系统的发展 我国动奁称重系统的研究与生产相对于国外稍睨些，但发展速度较快。 我国从“七五”期间丌始引进和消化吸收国外动态称重系统，同时也开始了对动态 称重系统的自主研制。 1 9 8 5 年正式开始研究动态称重技术，当时交通部北京公路所、西安公路所和重庆公 路所部开展了研究，并在全国做了大量试验。 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代出现的电子汽车衡，主要包括带基坑和无基坑两种。 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构成，每车道布置两 只传感器，每台仪器可测量l 4 个车道，轴重误差小于1 0 ，置信度为9 5 【1 0 】。 1 9 9 4 年一种动、静态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。 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。 2 0 0 0 年，超限运输车辆行驶公路管理规定的颁布与实施加快了动态称重技术研 究的步伐。 2 0 0 1 年1 1 月，天津市开发区彩虹大桥计重收费系统启用。这是计重收费在我国最 早的应用。 2 0 0 3 年底，温家宝总理在交通部上报的关于加强车辆超限超载治理工作的报告 上签署意见。 2 0 0 4 年实施了关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案，掀起了w i m 研究的高潮。交通部先后在江苏、安徽、河南、山东、青海、四川等省市的部分收费公 路上开展计重收费试点工作，并取得初步成效1 1 , 1 2 , 1 3 】。 为了规范和统一各地计重收费行为，2 0 0 5 年1 1 月出台了收费公路试行计重收费 指导意见，提出高速公路计重收费“线性收费+ 超载罚收 的模式1 4 】。 目前，国内研究动态称重技术的人群大多集中在高等学校，而生产动态称重设备的 企业较多，鱼龙混杂，主要有北京万集、北京中山、深圳汇银、徐州p a t 等公司。但 由于我国研究起步晚，对车辆动态称重过程中的各种干扰未作深入分析，对动态检测信 号的处理相对简单，检测精度不高一般平均误差在士5 吐3 0 之间。 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，但称重误差较大，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。 综上所述，目前国内外的动态称重系统研究还存在很大的差距，国外的动态称重系 统的速度要求可以达n = 2 0 0 k m h ，而我国的动态称重系统大都限速1 5 k m h 以下。并且， 在国内将动态称重与e t c 技术相结合的应用几乎没有，所以基于e t c 的车辆动态称重 系统可以实现车辆识别、称重、不停车收费的完美结合具有巨大的应用价值。本文将就 6 长安大学硕士学位论文 此项目做一些深入研究。 1 2 3 动态称重相关规范 为了规范各种动态称重系统，1 9 9 0 年美国德克萨斯大学起草了a s t me 1 3 1 8 9 0 标 准并通过了美国试验及材料协会a s t m 标准委员会认定，1 9 9 5 年又公布了a s t m e 1 3 1 8 9 4 标准并成为动态称重技术精度要求的国际参考标准，这也是目前惟一一个正式 发布的动态称重系统标准。该标准根据车速、应用领域和其他特征将动态称重系统分为 四类，表1 1 给出了动态称重系统不同类型的基本分类，表1 2 为不同类型动态称重系 统的精度要求【1 5 , 1 6 】。 表1 1a s t mw i m 系统类型分类 分类 项目 i 类i i 类类 类 车速范围 1 6 1 1 3 ( k m h )1 6 11 3 ( k m h )2 4 - - - 8 0 ( k m h )o 1 6 ( k m h ) 应用场合交通数据采集 交通数据采集 车辆荷载检测站车辆荷载检测站 车道 四车道以上四车道以上二车道以上二车道以上 其中i 类和i i 类的区别在于：i 类是固定式系统，i i 类是移动式系统。 表1 2a s t mw i m 系统精度置信度9 5 要求 精度( 置信度9 5 ) 功能 i 类i i 类i 类类 轮荷载 士2 5 士2 0 士4 5 轴荷载 士2 0 士3 0 士1 5 士3 7 轴群荷载士1 5 士2 0 士1 0 士4 4 车辆荷载 士1 0 士1 5 士6 士4 0 表1 3 是我国在2 0 0 4 年全国统一治理车辆超限超载期间的超载认定标准。 表1 32 0 0 4 年全国统一治理车辆超限超载期间的超载认定标准 车辆轴数二轴三轴四轴五轴2 六轴 车货总重 筮o 吨3 0 吨芝4 0 吨芝5 0 吨 芝5 5 吨 注：当车辆装载质量超过行驶证核定装载质量时。虽未超过上述5 种情况，仍视为超载： 双联轴按二个轴计算，三联轴按照三个轴计算，依此类推。 7 第一章绪论 1 3 论文的主要内容 结合陕西省自然科学基金资助项目( s j 0 8 z t l 3 8 ) 的研究，本文以动态称重和e t c 相 结合为出发点，以解决车辆低速称重和快速通行之矛盾为目标，将通过以下几方面对动 态称重系统进行改进： 1 、根据动态称重和e t c 的现有技术，完成基于e t c 的车辆动态称重系统设计。 2 、采用压电石英传感器阵列作为动态称重系统的称重单元，提高了该系统的称重 精度和效率。 3 、在现有传输系统的基础上，提出一种基于e t c 的动态称重数据传输的理想方案。 4 、在动态称重数据处理方面，利用小波原理和相关性概念对称重信号进行预处理， 再利用位移积分计算动态车重，最后应用神经网络得到更准确的测量结果。 1 4 小结 本章阐述了基于e t c 的动态称重系统的研目的和意义，综述了动态称重系统国内 外发展概括，介绍了动态称重系统的有关规范，结合陕西省自然科学基金资助项目的研 究，提出了本文的研究内容。 8 长安大学硕士学位论文 第二章基于e t c 的车辆动态称重系统概述 车辆动态称重主要有整车测量和轴重测量两种方式。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。本章 将结合e t c 系统的特点，对现有动态称重系统进行改造，完成基于e t c 的车辆动态称 重系统总体设计。 2 1 基于e t c 的车辆动态称重系统设计 传统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。 2 1 1 系统基本组成 基于e t c 的车辆动态称重系统主要由称重单元、车载设备、路侧设备、数据采集 处理单元和其他辅助设备组成。如图2 1 所示。 收费亭收费车道 孵1 乒 匕一：尸 抓制傲儇l 1 n ，g i a 、七：昔持目胛 职 、毫二y 1 - 喝i 口7 ，j 费 一 - ，“ u7 - 1i1 ， 拄 i ! ! ! ! ! 篓绷目= i 蛊 葡 口 一h h 室外控制柜 r = = = = = a ，i 后 收费计算机口 嵯趔轴重检测台 台 露 口士人士、l ! 口in 口 网 0 广赛一口 0 e ：攀 口 目 络 0 l - i 埘 i 红外车辆分离器 设 0 7皿 口 友 塑 台 瞄 f - l- - - 3 车辆检测器 菌 票据打印 专用短程通信 读写器珏一 车载电子标签 图2 1 基于e t c 的车辆动态称重系统组成 l 、称重单元： 称重传感器：动态称重系统的核心器件，是测量系统的输入端，它与被测的重量、 9 第二章基于e t c 的车辆动态称重系统概述 力、过程或系统相连接，并给出一个有关于车辆重量的输出信号。 轮轴识别器：安装于收费车道地面，由一组压力传感器组成，通过检测压过轮轴的 轮胎宽度，判断车辆的轮胎是单胎还是双轮胎，与称重传感器配合可准确识别出轴型和 总轴数。 红外车辆分离器：由一组红外发射接收对管组成，当有物体阻断红外光时，立即发 出信号，从而检测车辆是否已完全通过秤台，消除跟车现象，将半挂车、全挂车、单车 可靠分离，保证称重检测数据与车辆的一一对应。 2 、车载设备： 车载单元即安装在车辆挡风玻璃上或者车身其他部位的车载电子标签，用于记录与 车辆相关信息，并在收费区域以微波通信的方式与路侧标签读写器完成信息交互。 3 、路侧设备： 路侧设备：包括微波天线和天线控制器两个部分，俗称读写器。读写器通常安装在 路侧或门架上，以微波通信的方式同过往车辆上的电子标签进行通信及数据交换。 4 、数据采集处理单元： 数据采集处理单元：采用工业控制计算机，核心部件是数据采集卡和数据中心处理 器。对称重、轮轴识别、红外分离和读写器信号的处理，进而得到车辆的i c 卡编号、 轴重、总重、车型、轴型、超限、速度，加速度等信息。并将这个完整的车辆信息传至 收费计算机。由于此设备在室外露天安装，通称为室外控制柜。 5 、其他辅助设备：收费计算机、线圈车辆检测器、抓拍摄像机、信号电缆、信息 显示设备、交通状态信号灯、报警器、车道自动栏杆等等。 2 1 2 收费车道布局 动态称重与e t c 收费相结合，需要首先完成动态称重、计算费额，然后再进行自 动收费。按照这个思路，采用秤台前置的方案来布置收费车道。 1 0 长安大学硕士学位论文 一称重设备 费显念n 栏杆机 收费亭 二二二二二二二) e ，测量值大于车辆真实值；反之，则小于车辆真实值。 因此车辆通过称重台面时，应尽量保持匀速，否则将直接影响测量准确度。 4 、车辆振动与摇摆 车辆的振动是影响称重系统测量准确度的最主要因素。行驶中的汽车是一个多自由 度的复杂对象，要想全面分析汽车的运动状态，至少需要二十几个自由度，其复杂程度 可想而知。在实际分析中，常根据需要对汽车模型做必要的简化。图2 9 是简化的汽车 模型，为了研究问题的方便，以一个六面体来代表汽车，并将其放在一个三维坐标系当 中【2 2 1 。其中，x 的正方向为汽车行驶的方向。 车辆运动主要有以下几种：沿x 轴，y 轴，z 轴方向的移动，绕x 轴的滚动，绕y 1 9 第二章基于e t c 的车辆动态称重系统概述 轴的俯仰，绕z 轴的旋转。 移动 图2 9 汽车运动和动力分析模型 x 轴、y 轴方向的移动与围绕z 轴的旋转运动，均产生水平方向的力，当传感器安 装稳定时，对测量结果影响较小。 z 轴方向的移动就是垂直运动，而称重传感器对垂直方向的力最为敏感，所以无疑 会对测量结果有较大的影响。 绕x 轴的滚动表明车的重量从- - n 车轮向同一轴另一测车轮移动。如果路面的倾斜 不大，或者汽车运动时绕x 轴的倾角不大，左右两侧轮胎同时上称台测量，就能补偿这 种重量的转移，对动态称量的结果影响不大。但对于那些单侧称重的系统来说，会产生 较为明显的影响。 绕y 轴的俯仰表明车辆的重量在前后轴之间移动分配。例如，当前轴测量过后，后 轴的一部分重量转移到前轴，此时再对后轴称重，前后轴重量相加将获得将比实际值偏 小的整车重量。 综上所述，在动态称重中，z 轴方向的移动和绕y 轴的俯仰是影响称量结果准确度 主要因素，应当想办法减小这两种运动所造成的称量误差。这两种运动产生的原因主要 有以下三个方面： 1 ) 车辆本身各种因素造成的振动：包括发动机偏心转动和轮胎花纹或是车轮不圆 引起的周期性振动，由油料燃烧不均匀引起的随机振动，以及由驾驶员操纵变速、刹车 或转向引起的不均匀振动等。 2 ) 地面不平整度造成的振动：地表面的凹凸不平和高低起伏给行驶车辆的车轮施 加位移扰动，这种不规则激励导致了车辆的振动，地面不平的随机性又决定了这种振动 的随机性。传感器与地面的高低不平和接缝、公路与桥梁的接缝、水泥混凝土路面的横 2 0 长安大学硕士学位论文 缝等都会引起车辆的振动。 3 ) 车辆与地面耦合产生的车辆振动：行驶中的车辆对地表也施加了外力，地表在 外力作用下发生振动，而这种振动会反过来再作用于行驶中的车辆，从而产生耦合振动。 2 3 2 与车辆无关因素 在动态称重系统中，一些与车辆无关的因素也会直接影响测量结果。 1 、传感器准确度 称重传感器作为重量检测的重要部件，其准确度在很大程度上决定了动态称重系统 的测量准确度。因此，传感器在投入使用之前，需要在实验室环境中进行多次测试，鉴 定其测量准确度，并进行适当的补偿和校正处理，在现场简单安装后仍需要进行测试， 尽可能减小因传感器自身而造成的测量误差。 2 、传感器安装 传感器安装需要保持水平，与路面保持高低一致，和路面最好没有接缝或接缝较小， 否则将引起车辆悬架系统的压缩偏差，使车辆产生振动，增加称重系统的噪声干扰，加 大测量难度。 3 、温度 温度通过对路面硬度产生作用而影响称重系统的测量准确度。大多数道路路面都是 由沥青和沙石的混合料注成，道路的硬度由混合料的成分决定，尤其是沥青质量、沥青 用量、混合体的气隙比等2 3 1 ，但是，由于沥青混合料硬度随着温度增加而不断减小，所 以温度对沥青道路硬度的影响也是比较明显的【2 4 1 。对于带状传感器，温度升高会导致道 路变软，路面对车辆轮胎的支撑力也随之减小，因此传感器将承受更大的压力，称重系 统的测量结果将偏大。另外，动态称重传感器和其他系统设备也会受到温度的影响，例 如偏振型光纤传感器进行称重测量时需要进行温度补偿。 4 、路面平整度 地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平整度。施工过程中有一些难以 控制的偶然因素，比如施工、材料、气候、环境等以及交通重复载荷的作用会形成地表 的不规则起伏。从空间尺度上来讲，任何不规则的外形，小至材料颗粒表面几个毫米的 不平整，大至地面纵向成百上千米的高低起伏都应属于不平整度的范畴。当车轮与路面 接触时，由于轮胎的弹性碾平作用，使得路面不平整度的高频成份对汽车的振动影响较 小，因而低频信号在汽车的振动中起着主导作用，这将给车辆动态称重测量带来巨大的 2 l 第二章基于e t c 的车辆动态称重系统概述 误差。所以，为保证车辆平稳地通过平台，在称重单元前后各铺设一段平直引道，保持 清洁，使车辆在称重之前进入平稳状态。 5 、信号处理方法 目前的公路动态称重系统结构式样很多，不同的结构决定了后续称重信号处理的方 法不同，而信号处理方法也是影响动态称重系统精度的关键因素之一。现阶段所应用的 动态称重系统都只是对动态称重信号作简单的数字滤波处理，而缺乏更深一层的信号处 理技术。即使有新的高精度的数据处理方法也因为信息量大、速度慢等原因不能应用到 实际中去。信号处理的效果很大程度上影响着称重系统的测量精度和车辆通过速度。 2 4 小结 本章重点介绍了基于e t c 的动态称重系统基本结构和工作流程，简要说明了基于 d s r c 短程通信的信息交互技术，详细分析了车辆动态称重的影响因素，为后续内容的 研究打下了基础。 长安大学硕士学位论文 第三章称重数据采集系统 称重数据的正确采集在w i m 系统中占有举足轻重的作用，它直接影响着整个称重 系统的精确度。选择适当的传感器和设计合理的数据采集系统可以有效的提高动态称重 系统的精度及w i m 与e t c 结合的可行性。 3 1 称重传感器 传感器作为信息获取的源头，在任何一个测试系统中都是必不可少的。称重传感器 将非电量的质量信号转变为可测量的电信号输出，是整个称重系统的核心部件，应该具 有较大的动态范围、较好的重复性和准确度，较长的使用寿命，并且最好便于安装和维 护。 3 1 1 称重传感器介绍 称重传感器种类繁多，根据工作原理可以分为以下几种t 电阻应变式、压电式、电 容式、和光纤传感器等。 1 、电阻应变片式传感器 电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变片的弹性元件和变换测量电路组成。被测力学 量作用在一定形状的弹性元件上使之产生变形。这时，粘贴在其上的应变片将力学量引 起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后 输出，最后由输出电压值估计车辆轴重，这就是电阻应变片式称重传感器的基本原理【2 5 】。 电阻应变片式传感器主要包括剪切梁式、轮辐式、弯板式。 弯板是一种得到广泛赞誉的动态称重传感器，利用在下方粘结有应变计的金属板进 行测量，采用整体式结构，且无机械结构，避免了车辆通过时所带来的冲击对机械结构 的损坏，减小了维修成本1 2 6 。图3 1 为有车轮经过时的弯板传感器示意图。 图3 1 弯板传感器示意图 2 3 第三章称重数据采集系统 弯板称重传感器技术相对成熟，具有准确度高、灵敏度高，测量速度快、抗腐蚀特 性强、使用寿命长等众多优点。但是设备价格偏高，初期投入较大，弯板传感器的控制 器质量较差，传感器造价高，维修和服务困难。 2 、压电式传感器 压电式传感器是基于压电材料的压电效应原理而工作的。某些电介质，当沿着一定 方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号 相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称之为压电效应。 压电式传感器大致可以分为四类：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式 加速度传感器及高分子材料压力传感器。图3 2 给出了压电式压力传感器的示意图。 f 上 + + ( - 图3 2 压电式压力传感器示意图 上下两片电极将压电晶体夹在中心，成为一个电容器。外加力使压电晶体产生变形， 导致晶体表面存在剩余电荷，电荷的电量则是力的函数。所施加的力越大，则表面电荷 的电量越大。该电量最终表现为电极间的电压： v = 绋c ( 3 1 ) 其中，绋为压力，所导致的电荷量，与f 成正比，c 是两金属板之间的电容，v 为 在外力作用下，该压电传感器输出的电压。 压电式动态称重仪的基本原理是：汽车轮胎经过埋设在公路上的压电传感器时，将 施加一个压力给传感器，通过测量传感器输出的电压或电荷，便可推知该轮胎作用于传 感器上的压力，把所有轮胎作用于传感器的压力累加起来，即可获得汽车的总重量【2 7 1 。 压电传感器常用的压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷以及压电聚合物，其中常用 的压电晶体是石英，常用的压电陶瓷主要是锆钛酸铅，常用的压电聚合物是聚偏二氟乙 烯。 共聚化合物式压电传感器和压电石英式传感器均为条状传感器，不能一次测出车轮 载荷，通过在测量期间信号累加，用积分算法求出载荷。共聚化合物式压电传感器设计 2 4 十叫上 长安大学硕士学位论文 简单，且产品价格相对较低。在用于车辆分类时其性能是令人满意的，但在动态称重中， 其应用非常有限。石英传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英 的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。安装时采取直接埋入路面的方式，易 于实现。 3 、电容式传感器 电容式传感器利用电容效应把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的 传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容式称重传感器一般由两块或多 块导体板组成，这些导体板通常由不锈钢、铜、聚氨脂或硬的橡胶构成，各导体板带有 等量异号电荷，两极板之间充有不导电的电介质。车辆轮胎经过传感器时施加一个压力 在导体板上，导体板之间的距离发生变化致使电容器的电容发生变化，通过检测电容的 变化，就可以把压力测量出来【2 8 】。电容式传感器目前有两种形式，一种是条状传感器， 另一种是电容网式传感器。电容网式传感器是一种新型的传感器，其结构为平板式，目 前主要用于便携式称量设备。 电容式传感器的优点是结构简单、灵敏度高、测量速度快、便于使用、适合静态动 态测量。但是电容器内填充介质会因长时间使用而发生变形，需重新校正，而且容易受 电磁干扰。 4 、光纤传感器 光纤式传感器是利用压力改变光纤的光通量，根据光的变化来计算压力的值。在车 辆动态称重系统中，比较常用的光纤传感器主要有：偏振型、干涉型和微弯光纤传感器。 当车辆通过光纤传感器时，系统测量出光纤内反射光强度的改变，由此计算出动态重量 值，然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重【2 9 】。基于光纤传感器的称重仪 器有固定式和便携式两种方式。 光纤传感器与其他类型的传感器相比具有若干优点：他不受电磁干扰( 包括光照射) 和路面振动的影响、尺寸小、质量轻、低功耗、能够