王 玉，李 雪

(重慶市華馳交通科技有限公司， 重慶 400067)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展及公路運(yùn)輸網(wǎng)的加速編織，交通運(yùn)輸需求與運(yùn)輸能力之間的矛盾越來(lái)越顯著，車輛超限超載現(xiàn)象愈演愈烈，給道路養(yǎng)護(hù)管理帶來(lái)很大困擾。車輛超限超載使國(guó)家稅收和規(guī)費(fèi)大量流失，擾亂道路運(yùn)輸市場(chǎng)，嚴(yán)重?fù)p壞道路及其配套設(shè)施，大大縮減道路使用年限，增加道路建設(shè)和維護(hù)的成本，使道路周圍的環(huán)境受到更多污染，威脅著人們的生活和財(cái)產(chǎn)安全。

動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)可以有效遏止車輛超限超載現(xiàn)象。目前市面上主要的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備包括彎板[1]、單臺(tái)面秤[2]、雙臺(tái)面秤、軸組秤、整車秤和石英[3]等。在所有設(shè)備中，其成本、安裝維護(hù)、通行效率、動(dòng)態(tài)稱重精度等各有優(yōu)缺點(diǎn)[4-5]，但是大部分的稱重設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)低速(0～15 km/h)動(dòng)態(tài)稱重。綜合各類稱重設(shè)備特點(diǎn)，彎板具有維護(hù)方便、成本低、使用周期長(zhǎng)、能夠?qū)崿F(xiàn)高速(0～80 km/h)動(dòng)態(tài)稱重的優(yōu)點(diǎn)，是高速動(dòng)態(tài)稱重的較優(yōu)選擇。彎板動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)可用于車輛超限檢測(cè)、高速公路收費(fèi)站動(dòng)態(tài)稱重、交通情況調(diào)查、車輛軸載情況調(diào)查、道路養(yǎng)護(hù)管理等領(lǐng)域，可為上述領(lǐng)域提供準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大幅提升上述領(lǐng)域的自動(dòng)化、數(shù)字化水平，降低人工操作量，減少人為錯(cuò)誤，對(duì)超限檢測(cè)、道路養(yǎng)護(hù)等領(lǐng)域具有十分重要的意義。本文探討分析彎板傳感器去噪技術(shù)，提出了進(jìn)一步提高稱重精度的動(dòng)態(tài)稱重完整性算法，實(shí)現(xiàn)車輛高速高精度計(jì)重。

1 傳感器去噪技術(shù)分析

1.1 傳感器輸出特性

傳感器的應(yīng)變部分是在一硅膜片上集成4個(gè)等值電阻R1、R2、R3、R4，并連成平衡電橋，當(dāng)荷重于硅片上時(shí)，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。電橋電路采用恒流源供電時(shí)的輸出信號(hào)為[6]：

(1)

在理想狀況下，不加載時(shí)，由于R1=R2=R3=R4，所以V=0；加載時(shí)，使R1、R3有了一個(gè)正的增量△R，R2、R4有了一個(gè)負(fù)的增量△R，帶入式(1)，有

(2)

由公式(2)可知，輸出信號(hào)V與△R成正比，從而與負(fù)荷P相關(guān)，V僅是P的函數(shù)，而且有最簡(jiǎn)單表達(dá)式：V=AP(A是一常數(shù))。但在實(shí)際應(yīng)用中，輸出信號(hào)通常還包含有噪聲信號(hào)，如溫漂、電流源電流漂移、熱噪聲、散粒噪聲等的混疊，實(shí)際輸出并非如此簡(jiǎn)單。噪聲使橋臂電阻阻值或應(yīng)變靈敏度發(fā)生了變化，最終導(dǎo)致輸出靈敏度、零位的變化，出現(xiàn)了零點(diǎn)漂移。所以，實(shí)際輸出都是多變量的函數(shù)，且不穩(wěn)定。

1.2 高頻噪聲的消除

傳感器會(huì)受到各種振動(dòng)的影響[7-8]，主要由3類構(gòu)成：車輛自身各種原因造成的振動(dòng)、路面不平造成的振動(dòng)及車輛-地表耦合而產(chǎn)生的振動(dòng)，而振動(dòng)信號(hào)主要由穩(wěn)態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載及高頻噪聲3部分組成[9-10]。其中，高頻噪聲是檢測(cè)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的測(cè)量干擾和車輛自身轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的高頻干擾，需要完全濾除，可表示為[11]：

(3)

式中：Ai、ωi、φi分別為動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)中第i個(gè)噪聲分量的振動(dòng)幅值、角頻率和振動(dòng)相位。

去除這些高頻噪聲可采用低通數(shù)字濾波濾除[12]。本文采用的無(wú)源低通濾波電路圖如圖1所示。

圖1 無(wú)源低通濾波電路圖Fig. 1 Circuit diagram of passive low-pass filter

根據(jù)RC濾波電路可得到：

(4)

根據(jù)實(shí)際情況分析，正常的過秤信號(hào)都是低頻信號(hào)[13]，根據(jù)式(4)就可以選擇合適的電阻阻值和電容大小，濾除輸出信號(hào)的高頻噪聲。兩軸剛性車濾波前后輸出信號(hào)對(duì)比圖如圖2所示。

2 彎板動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)完整性算法

彎板傳感器信號(hào)經(jīng)過實(shí)時(shí)高速采樣、轉(zhuǎn)換、濾波后，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)充分利用積分理論計(jì)算獲取重量數(shù)據(jù)[14-15]，基本算法如式(5)所示：

(a) 濾波前采樣波形

(b) 濾波后采樣波形

W=K×I×V

(5)

設(shè)2塊彎板傳感器間距為L(zhǎng)c，以兩軸車通過彎板傳感器時(shí)為例，可獲得濾波后的信號(hào)組，如圖3所示。

圖3 兩軸車通過傳感器時(shí)的信號(hào)組Fig.3 Signal group diagram of the two-axle vehicle passing through sensors

t1和t3是兩軸車前輪壓過傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，t2和t4是兩軸車后輪壓過傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，利用已知的傳感器間距Lc和時(shí)間差可以計(jì)算車速V和軸距La，其計(jì)算公式為：

(6)

La=V×(t2-t1)或La=V×(t4-t3)

(7)

有的車輛經(jīng)過彎板傳感器時(shí)，會(huì)有意躲避稱重，并存在單邊輪胎通過傳感器的現(xiàn)象，造成原始數(shù)據(jù)缺失。本文設(shè)計(jì)了一種基于相關(guān)性的補(bǔ)軸算法，具體步驟如下：

1) 判斷信號(hào)完整性

設(shè)車輛實(shí)際產(chǎn)生的信號(hào)脈沖數(shù)為m，根據(jù)已獲取信號(hào)脈沖的時(shí)間差判斷車輛實(shí)際軸數(shù)n。如果m=n，表明信號(hào)完整，則跳出信號(hào)完整性分析，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理；如果m

2) 信號(hào)截取

將n+m個(gè)信號(hào)“脈沖”，以峰值時(shí)刻ti為中心，左右各拖延T/2截取信號(hào)，獲取數(shù)據(jù)段。傳感器A會(huì)出現(xiàn)n個(gè)波形，記為Xp[i]，其中i=1～n；傳感器B會(huì)出現(xiàn)m個(gè)波形，記為Xq[j]，其中j=1～m。

3) 計(jì)算相關(guān)性，尋找缺失信號(hào)

在某個(gè)K時(shí)刻2個(gè)數(shù)據(jù)段的互相關(guān)系數(shù)為：

(8)

4) 補(bǔ)軸

以各時(shí)間差為基準(zhǔn)將傳感器A的“脈沖”信號(hào)補(bǔ)充到傳感器B的信號(hào)中。

(9)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)彎板進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛采用兩軸剛性貨車，實(shí)際重量為15 560 kg，系統(tǒng)分度值為200 kg，車輛勻速通過秤體，經(jīng)處理后的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1可知，車輛以1 km/h～80 km/h的速度通過彎板，經(jīng)去噪處理及完整性算法分析，所得的數(shù)據(jù)重量誤差均在2%以內(nèi)。

表1 彎板動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 WIM test data of bending plates

4 結(jié)論

本文采用無(wú)源低通濾波電路，有效去除信號(hào)的高頻噪聲，提高了信號(hào)采樣精確度；針對(duì)車輛單邊行駛等異常狀態(tài)造成的數(shù)據(jù)缺失，采用了彎板完整性算法，有效提高稱重精度，實(shí)現(xiàn)了彎板高速高精度動(dòng)態(tài)稱重。目前，該技術(shù)已在重慶、貴州、浙江、上海等多個(gè)省市的多個(gè)工程中得到推廣應(yīng)用，技術(shù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，并得到了業(yè)主的一致好評(píng)。

彎板動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)可用于科技治超、超限超載檢測(cè)、計(jì)重收費(fèi)、交通調(diào)查、車輛軸載調(diào)查、道路養(yǎng)護(hù)管理等多個(gè)領(lǐng)域，為大數(shù)據(jù)分析挖掘等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可為其他動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)處理提供一定參考。