唐　練，杜長(zhǎng)東

(重慶市華馳交通科技有限公司， 重慶　400060)

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車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)研究

唐練，杜長(zhǎng)東

(重慶市華馳交通科技有限公司， 重慶400060)

摘要：隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，交通阻塞、事故增多、能源浪費(fèi)等社會(huì)問(wèn)題日趨嚴(yán)重。交通檢測(cè)能夠有效緩解并治理常見(jiàn)的超限、超載等現(xiàn)象。將動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)與電磁波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行交通檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，深入研究動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)與電磁波檢測(cè)技術(shù)的時(shí)序同步關(guān)系，全面準(zhǔn)確獲取多種車輛特征數(shù)據(jù)，為交通管理養(yǎng)護(hù)等部門提供決策依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：車輛總重誤差≤±5%，速度測(cè)量誤差≤±2 m/h，軸距識(shí)別小于100 mm，車輛輪廓誤差可控制在150 mm以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)稱重；電磁波檢測(cè)；輪廓識(shí)別；交通檢測(cè)

在交通數(shù)據(jù)檢測(cè)領(lǐng)域，彎板動(dòng)態(tài)稱重[1-6]技術(shù)屬于接觸式技術(shù)?；趶澃鍎?dòng)態(tài)稱重技術(shù)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)能夠獲取大量車輛特征數(shù)據(jù)，但若僅利用該技術(shù)進(jìn)行交通檢測(cè)則獲取的特征數(shù)據(jù)并不全面，如車輛輪廓數(shù)據(jù)[7]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彎板動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)自有的時(shí)序性、穩(wěn)定性、信息量還可以與其它非接觸式技術(shù)相結(jié)合，從而發(fā)揮更大功效。電磁波檢測(cè)技術(shù)具有良好的方向性和準(zhǔn)確性，在勘察、道路檢測(cè)、考古、環(huán)境工程、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。在交通數(shù)據(jù)檢測(cè)應(yīng)用方面，它可以較為準(zhǔn)確地獲取其它接觸式技術(shù)難以獲取的車輛輪廓數(shù)據(jù)。本文介紹如何將電磁波檢測(cè)技術(shù)與彎板動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)有效結(jié)合，并從理論和試驗(yàn)2方面充分考慮二者的同步性，對(duì)同時(shí)準(zhǔn)確獲取車輛輪重、軸重、軸組重、總重、當(dāng)量軸次、軸距、車長(zhǎng)、車寬、車高、車頭高、車輛輪廓、通行時(shí)間、速度、加速度等數(shù)據(jù)的綜合交通檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，為交通養(yǎng)護(hù)管理等部門提供全面、可靠的交通數(shù)據(jù)依據(jù)。

1系統(tǒng)基本組成原理

基于彎板動(dòng)態(tài)稱重及電磁波測(cè)距基本原理開(kāi)發(fā)的車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)主要由彎板傳感器、電磁波測(cè)距儀、智能稱重儀和信號(hào)調(diào)理模塊組成，如圖1所示。

圖1　車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)基本組成

車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)中，彎板傳感器的寬度小于車輛輪胎直徑，以保證同一時(shí)刻只有車輛的1個(gè)承重軸作用于傳感器；長(zhǎng)度大于車輛承重軸長(zhǎng)度，以保證同一時(shí)刻車輛的1個(gè)承重軸完全作用于傳感器之上；且每車道左右平行安裝2塊彎板傳感器。電磁波測(cè)距儀安裝于合理匹配車道尺寸的龍門架上，并與彎板傳感器信號(hào)同步。

電磁波測(cè)距儀根據(jù)相位式測(cè)距原理設(shè)計(jì)。相位測(cè)距法采用可見(jiàn)激光進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)比較回波與發(fā)射波的相位差得到距離信息。目前民用激光測(cè)距傳感器多采用相位測(cè)距法，因?yàn)橄辔粶y(cè)量技術(shù)較為成熟，測(cè)距精度較高。本文介紹的電磁波測(cè)距儀輸出入端可以通過(guò)250歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)電壓輸出范圍為0～5 V，對(duì)應(yīng)電壓距離靈敏度約為100 mV/m。

智能稱重儀是車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)的核心控制器，其為車輛動(dòng)態(tài)稱重和輪廓識(shí)別提供硬件處理平臺(tái),并根據(jù)系統(tǒng)功能需求集成了嵌入式主板、A/D數(shù)據(jù)采集卡、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡和電源模塊。

信號(hào)調(diào)理模塊用于將彎板傳感器信號(hào)和電磁波檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效電平信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波、線性化補(bǔ)償、隔離、保護(hù)等。

車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

當(dāng)車輛輪胎駛過(guò)彎板傳感器時(shí)，彎板傳感器受力形變被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同時(shí)電磁波測(cè)距儀根據(jù)時(shí)間飛行原理快速連續(xù)掃描車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的輪廓變化信號(hào)。彎板電壓信號(hào)和電磁波檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)不同通道被放大器放大后，由硬件濾除車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的高頻噪聲，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)采樣，得到離散信號(hào)。智能稱重儀對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行各種分析與預(yù)處理，最終輸出車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步結(jié)果——車輛特征數(shù)據(jù)。

圖2　車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

2車輛輪廓信號(hào)與彎板傳感信號(hào)同步技術(shù)

全面獲取車輛特征數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是車輛輪廓信號(hào)與彎板傳感信號(hào)同步。以2軸車產(chǎn)生的車輛輪廓信號(hào)與彎板傳感信號(hào)關(guān)系為例，進(jìn)一步說(shuō)明車輛輪廓信號(hào)與彎板傳感信號(hào)具有的時(shí)間同步關(guān)系。2軸車輛產(chǎn)生的彎板傳感器信號(hào)與電磁波檢測(cè)信號(hào)關(guān)系如圖3所示。

圖3　2軸車輛產(chǎn)生的彎板傳感器信號(hào)與

由圖3可知，將車輛輪軸壓在第1塊彎板傳感器產(chǎn)生的起始波形時(shí)刻tbegin向前擴(kuò)展Tlimit1的時(shí)間范圍，車輛輪軸壓在第2塊彎板傳感器產(chǎn)生的最后波形時(shí)刻tend向后擴(kuò)展Tlimit2的時(shí)間范圍，Tlimit1和Tlimit2根據(jù)實(shí)際車輛跟車距離進(jìn)行確定和調(diào)整，擴(kuò)展后的整個(gè)時(shí)間范圍T可將車輛輪廓信號(hào)完全包含在內(nèi)。T計(jì)算式為：

T=Tlimit1+tend-tbegin+Tlimit2

(1)

即使由于電磁波檢測(cè)受車輛顏色波長(zhǎng)、天氣等因素影響不能完全接收車輛輪廓信號(hào)，在時(shí)間T范圍內(nèi)的信號(hào)波形還可以用軟件算法進(jìn)一步優(yōu)化處理。獲得車輛輪廓信號(hào)后，取第1塊彎板傳感器波形起始時(shí)刻tbegin作為車輛車頭高度計(jì)算基本位置，從已計(jì)算的車頭高度處開(kāi)始，向后取一定數(shù)量點(diǎn)的平均值計(jì)算車輛高度，并按式(2)計(jì)算車輛長(zhǎng)度Lvech。

Lvech=tvech×V

(2)

式中：tvech為車輛通過(guò)電磁波檢測(cè)時(shí)間；V為車輛通過(guò)速度。

3系統(tǒng)試驗(yàn)與結(jié)果

車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)地路段為非交通車輛通行主干道，出入車輛較少，故試驗(yàn)過(guò)程中安裝與調(diào)試不容易受周圍環(huán)境影響。試驗(yàn)場(chǎng)地路面為水泥混凝土路面，寬約8m，坡度較小，檢測(cè)車道可以同時(shí)設(shè)置2個(gè)。2塊彎板傳感器以2～3 m的距離前后平行安裝于待測(cè)車道，在路面靠近待測(cè)車道一側(cè)立一T型桿用于固定和安裝電磁波測(cè)距儀。電磁波測(cè)距儀距地面約6 m，并垂直于第1塊彎板傳感器和車道中心線。智能稱重儀連同電源、機(jī)柜、防雷器等配套設(shè)備安裝于試驗(yàn)路段的另一側(cè)，電磁波測(cè)距儀及彎板傳感器電纜分別接入智能稱重儀不同數(shù)據(jù)采集通道。車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)安裝后的效果如圖4所示。

圖4　車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)安裝效果

試驗(yàn)車輛采用IVECO兩軸輕型小客車，獲取的詳細(xì)特征量和車輛輪廓分別如表1及圖5所示。試驗(yàn)車輛實(shí)際車重為2 400 kg，軸距為2 700 mm，車長(zhǎng)為4 600 mm，車高為2 480 mm，車頭高為1 350 mm。

表1　IVECO兩軸輕型小客車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　實(shí)際IVECO車輛與試驗(yàn)車輛輪廓對(duì)比

試驗(yàn)測(cè)試速度范圍為10～20 km/h，獲取的A/D采集點(diǎn)可較為全面地保留車輛特征信息。車重和軸距分別由2塊彎板傳感器產(chǎn)生的AD值積分和峰值獲得。第1塊彎板傳感器產(chǎn)生的起始波形時(shí)刻和第2塊彎板傳感器產(chǎn)生的最后波形時(shí)刻由同步技術(shù)將1輛完整的車輛輪廓信息準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析試驗(yàn)車輛輪廓信號(hào)峰值和進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)算來(lái)得到車長(zhǎng)、車高和車頭高。

試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、智能、高速地采集車輛動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)和輪廓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)同步可準(zhǔn)確計(jì)算并獲取車輛總重、軸重、軸組重、當(dāng)量軸次、軸距、通行時(shí)間、速度、加速度等數(shù)據(jù)；主要特征量如車輛總重誤差≤±5%，速度測(cè)量誤差≤±2 km/h，軸距識(shí)別小于100 mm，車輛輪廓誤差可控制在150 mm以內(nèi)。

4結(jié)束語(yǔ)

車輛輪廓電磁波檢測(cè)技術(shù)與彎板動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)相結(jié)合能夠有效同步和互補(bǔ)，基于彎板動(dòng)態(tài)稱重及電磁波測(cè)距基本原理開(kāi)發(fā)的車輛輪廓識(shí)別及動(dòng)態(tài)稱重同步檢測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確、全面地采集多種交通數(shù)據(jù)，其不僅可為交通管養(yǎng)部門提供決策支持，解決多種交通問(wèn)題，而且還有很好的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Synchronous Detection System for Vehicle Contour Recognition and Dynamic Weighing

TANG Lian, DU Changdong

Abstract:With fast development of traffic transportation, social problems such as traffic jam, more accidents and energy waste, etc. become increasingly serious. Traffic detection can relieve and treat common phenomena such as over-limit and over-load, etc. This paper combines dynamic weighing technology and electromagnetic wave detection technology to perform comparative test of traffic detection, deeply studies time sequence synchronization relationship between dynamic weighing technology and electromagnetic wave detection technology, and fully and accurately acquire characteristic data of multiple vehicles to provide bases of decision for traffic management and maintenance departments, etc. The test results show that the error in total weight of vehicles is ≤±5%, the measuring error of speed is ≤±2 m/h, the wheelbase recognition is less than 100 mm, and the error in vehicle contour can be controlled within 150 mm.

Keywords:dynamic weighing; electromagnetic wave detection; contour recognition; traffic detection

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0117-04

中圖分類號(hào)：U491.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：唐練(1987-)，女，重慶市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：重慶市科技人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013kjrc-tdjs70002)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA30022)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.026