高曉龍,高愛章,李 剛,王曉榮,吳超群

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.深圳市坦成科技有限公司,廣東 深圳 518000;3.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,湖北 武漢 430079;4.湖北省交通運(yùn)輸廳 通信信息中心,湖北 武漢 430030)

超限超載對(duì)高速公路沿線設(shè)施、橋梁安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,增加公路路面養(yǎng)護(hù)成本,成為引發(fā)交通事故的重要原因之一[1-2]。據(jù)交通運(yùn)輸部門測(cè)算,車輛每超載30%,公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用就要增加200%[3]。

車輛治超最重要的便是車輛稱重系統(tǒng)。目前我國使用的稱重系統(tǒng)多為靜態(tài)稱重,靜態(tài)稱重屬于固定式治超站點(diǎn)。該方法雖然精度較高,但是治超站點(diǎn)建設(shè)成本高,占地面積大,超重車輛容易繞行,同時(shí)也容易造成道路堵塞[3]。沈裴裴等[4]提出的便攜式動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備需要路政人員現(xiàn)場(chǎng)配合,面臨執(zhí)法人員不足,人身安全難以保證等問題。所謂“非現(xiàn)場(chǎng)”,是與執(zhí)法者身處現(xiàn)場(chǎng)對(duì)違法者進(jìn)行處罰而言的,一般利用現(xiàn)代化科技手段對(duì)違法行為進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),根據(jù)技術(shù)監(jiān)控記錄資料對(duì)交通運(yùn)輸違法進(jìn)行查處[5]。相比傳統(tǒng)靜態(tài)稱重,非現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)效率高、安裝靈活、可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且不再需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員配合。李建波等[6]基于嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種整車式動(dòng)態(tài)稱重儀表,可以準(zhǔn)確識(shí)別軸型,但是稱重精度方面并沒有顯著提升。董永燦等[7]利用PVDF(polyvinylidene fluoride)壓電薄膜傳感器,結(jié)合單片機(jī)開發(fā)了一種車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng),具有良好的動(dòng)態(tài)性能,但該傳感器成本較高。

筆者針對(duì)車輛非現(xiàn)場(chǎng)治超的實(shí)際工程需求,分析系統(tǒng)組成與功能,選擇更加適合高速車輛動(dòng)態(tài)稱重的窄條式稱重傳感器,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)稱重專用信號(hào)處理電路,并基于PC(personal computer)機(jī)完成整套系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。提高了車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與稱重精度,成果已順利應(yīng)用到實(shí)際工程。

1 系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)非現(xiàn)場(chǎng)治超要求,系統(tǒng)主要應(yīng)該包含有以下的功能:

(1)車重計(jì)算與分車?；谡瓧l式稱重傳感器進(jìn)行車輛各車輪的重量計(jì)算,然后配合車輛前后與左右方向的分車區(qū)別各行駛車輛,將各個(gè)輪重準(zhǔn)確組合,得到軸重與總重。前后分車借助于相關(guān)傳感器,左右分車基于分車算法,同時(shí)完成車輛并行、跨道行駛的分車。

(2)系統(tǒng)標(biāo)定。由于各個(gè)測(cè)試點(diǎn)路面施工情況與各傳感器之間都存在個(gè)體差異,因此需要結(jié)合軟件標(biāo)定模塊設(shè)計(jì),利用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)重量車輛跑車數(shù)據(jù),進(jìn)行系統(tǒng)粗標(biāo)定與精標(biāo)定,提升系統(tǒng)工作精度。

(3)現(xiàn)場(chǎng)圖像取證。非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法需要采集被測(cè)車輛過車時(shí)的車前主抓拍、車輛側(cè)抓拍以及車后尾抓拍3張圖像資料,作為執(zhí)法依據(jù)。

(4)超限判別。根據(jù)非現(xiàn)場(chǎng)治超相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)車輛軸型判定被測(cè)車輛是否存在超載問題,并根據(jù)該軸型車輛的限制重量與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比得到超載信息。

(5)數(shù)據(jù)上傳?；赥CP/IP(transmission control protocol/internet protocol)通信協(xié)議,完成系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的打包發(fā)送,將治超現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至非現(xiàn)場(chǎng)治超服務(wù)器上,交由后續(xù)執(zhí)法流程處置。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要由稱重傳感器、測(cè)量電路、信號(hào)處理系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)等組成[8-9]。本文所述的基于PC的窄條式車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)由窄條式稱重傳感器、工控機(jī)、信號(hào)放大降噪電路、信號(hào)采集系統(tǒng)、車輛檢測(cè)器、車牌識(shí)別系統(tǒng)、電控柜等組成,如圖1所示。

圖1 基于PC的窄條式車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)

窄條式稱重傳感器屬于電阻式稱重傳感器,利用金屬的應(yīng)變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)稱重。電阻式稱重傳感器可不受低速和溫度的變化影響,有更好的工作穩(wěn)定性[10]。由于單個(gè)稱重傳感器會(huì)受到各種干擾而造成稱重不準(zhǔn)的問題,因此在設(shè)計(jì)傳感器布局時(shí),單車道路面采用6臺(tái)窄條式稱重傳感器的布局方式,沿車輛行駛方向根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)分別選擇2 m與0.5 m的間距。該種布局方式使得每個(gè)車輪的重量計(jì)算都有3個(gè)結(jié)果值,在計(jì)算過程中利用左右輪胎重量加和的方式完成輪重到軸重的換算,利用各軸重加和的方式得到車輛總重。最終三排傳感器得到3個(gè)車輛總重?cái)?shù)據(jù),通過求取平均的方式得到最終的車輛總重估計(jì)結(jié)果。多排傳感器布局方式有利于提升車輛動(dòng)態(tài)稱重精度。布局形式可參照?qǐng)D1。

信號(hào)處理器的作用是處理傳感器采集的模擬量信號(hào)與地磁線圈給出的磁感應(yīng)變化信號(hào),主要由信號(hào)放大器和車輛檢測(cè)器組成。本文采用地磁線圈式車輛檢測(cè)系統(tǒng),主要由地磁線圈和車輛檢測(cè)器組成,負(fù)責(zé)相機(jī)抓拍觸發(fā)與分車信號(hào)的供給。

車牌識(shí)別系統(tǒng)負(fù)責(zé)在有車輛通過稱重區(qū)域時(shí),接收到車輛檢測(cè)器給出的到車信號(hào)然后實(shí)現(xiàn)抓拍。并將抓拍結(jié)果通過網(wǎng)線傳送給現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)。

信號(hào)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集車輛檢測(cè)器給出的車輛分離信號(hào)以及傳感器給出的模擬量稱重信號(hào)。因此,信號(hào)采集系統(tǒng)需要同時(shí)滿足數(shù)字量與模擬量信號(hào)采集功能。

其他輔助設(shè)備還有在夜間為相機(jī)抓拍補(bǔ)光的補(bǔ)光設(shè)備、搭載補(bǔ)光設(shè)備與抓拍設(shè)備的交通龍門架、電控柜、工業(yè)交換機(jī)、安裝在系統(tǒng)前方用于及時(shí)提示超重信息的LED(light emitting diode)顯示大屏等。

系統(tǒng)工作流程是,車輛通過稱重區(qū)域?qū)е碌卮啪€圈磁感應(yīng)發(fā)生變化,磁感應(yīng)變化通過車輛檢測(cè)器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào),通過RS485輸出信號(hào)。數(shù)字量信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集用于分車, RS485信號(hào)完成抓拍觸發(fā),系統(tǒng)通過網(wǎng)線接收抓拍相機(jī)數(shù)據(jù)反饋。當(dāng)車輛通過稱重區(qū)域后,系統(tǒng)截取經(jīng)過信號(hào)放大降噪電路后的有效稱重信號(hào)段數(shù)據(jù),計(jì)算車重等信息。在完成信息計(jì)算與匯總后,將結(jié)果發(fā)送至非現(xiàn)場(chǎng)治超服務(wù)器并在現(xiàn)場(chǎng)LED大屏顯示。

3 信號(hào)降噪放大電路設(shè)計(jì)

窄條式稱重傳感器在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中,會(huì)受到各種振動(dòng)的影響,主要有車輛自身的振動(dòng)、路面不平整以及車輛-地面耦合產(chǎn)生的振動(dòng),振動(dòng)信號(hào)由穩(wěn)態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載和高頻噪聲組成[11]。其中的高頻噪聲主要是檢測(cè)系統(tǒng)、車輪和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、環(huán)境溫度帶來的噪聲,是必須進(jìn)行濾除的,為簡(jiǎn)化后續(xù)算法中的處理步驟,減少算法去噪工作量,提升高速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)算法的快速性,在設(shè)計(jì)窄條式稱重傳感器專用信號(hào)放大電路時(shí)加入高頻去噪電路部分,對(duì)采集的窄條式稱重傳感器信號(hào)進(jìn)行硬件高頻降噪。筆者設(shè)計(jì)了無源低通濾波與信號(hào)放大復(fù)合電路,其電路組成如圖2所示。

圖2 信號(hào)降噪放大電路組成圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)與傳感器輸出電壓范圍,設(shè)計(jì)選擇合適的電阻阻值與電容大小,確定信號(hào)放大降噪電路放大倍數(shù)為500倍,高頻降噪截止頻率為15 kHz。最終該電路放大效果與設(shè)計(jì)一致,波形較為平滑,沒有對(duì)稱重計(jì)算造成較大影響的毛刺干擾信號(hào)。實(shí)測(cè)單個(gè)傳感器處理通道經(jīng)過電路處理后的四軸與六軸車輛過車波形如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)車輛放大降噪處理后波形圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PC的窄條式車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),是在MFC(microsoft foundation classes)編程框架下采用C++語言開發(fā)完成。

4.1 工作主流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作主流程是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的工作模塊之一,其主要功能是當(dāng)有車輛到達(dá)后,匯總相機(jī)、窄條式傳感器、車輛檢測(cè)器等設(shè)備的信號(hào),協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)之間的相互傳遞與各個(gè)模塊功能之間的配合關(guān)系,最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主流程功能。系統(tǒng)工作主流程如圖4所示。

圖4 工作主流程流程圖

4.2 分車算法設(shè)計(jì)

分車算法模塊利用車輛檢測(cè)器給出的車輛到達(dá)與離開的信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作主流程啟停。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,面向雙車道的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)分車設(shè)計(jì)分車邏輯。除了完成基本的分車功能,還應(yīng)該注意應(yīng)能在近距離跟車行駛且上一輛車還未計(jì)算完成的情況下,仍然能夠完成準(zhǔn)確的分車。這對(duì)工程實(shí)際有十分重要的意義,因?yàn)閯?dòng)態(tài)稱重面向不停車稱重,在實(shí)際工作時(shí),尤其在前一輛車速較慢,截取的數(shù)據(jù)量較大,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng),可能會(huì)有第二輛車駛?cè)敕Q重區(qū)域,這時(shí)就需要同時(shí)計(jì)算兩車的各自信息。分車算法如圖5所示。

圖5 分車算法流程圖

分車算法模塊主要根據(jù)車輛檢測(cè)器給出的車輛存在信號(hào)對(duì)是否有車輛通過稱重區(qū)域進(jìn)行判別。而當(dāng)其判別為有車輛通過時(shí),就會(huì)觸發(fā)車輛信息處理及計(jì)算線程工作,也即是觸發(fā)開啟一個(gè)新的信息處理主線程,該線程完成一輛車的各項(xiàng)信號(hào)的采集、計(jì)算、匯總、打包、發(fā)送,然后就會(huì)進(jìn)行線程的銷毀,完成一輛車輛信息的計(jì)算處理全過程。

4.3 稱重算法設(shè)計(jì)

由于利用窄條式傳感器進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)稱重,車輪的輪跡長(zhǎng)度會(huì)遠(yuǎn)大于窄條式傳感器的寬度,因此在測(cè)量的過程中檢測(cè)到的波形峰值是不能直接表示車輪對(duì)傳感器施加的縱向壓力的。在車輛通過傳感器時(shí),窄條式稱重傳感器的電壓響應(yīng)信號(hào)波形如圖6(b)所示,信號(hào)會(huì)在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)上升至最大值,然后保持短暫的峰值電壓后下降回到原基準(zhǔn)。由于窄條式傳感器寬度較小,因此穩(wěn)定的峰值階段幾乎可以忽略,計(jì)算車輪的重量需要對(duì)車輛輪胎通過傳感器過程中的電壓信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算,并將其與速度相乘才可以得到當(dāng)前的輪重信息,計(jì)算公式如下[7]：

圖6 車輪與傳感器接觸情況及實(shí)測(cè)輪胎波形

(1)

式中:W為計(jì)算的輪重;v為當(dāng)前車輛行駛速度;Ls為稱重傳感器的寬度;A為過車輪重計(jì)算波形的電壓積分值;C為標(biāo)定系數(shù),其中包含速度標(biāo)定與系統(tǒng)粗標(biāo)定等系數(shù)。

4.4 標(biāo)定方法設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)稱重是對(duì)行駛中的車輛輪胎載荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析并獲得其重量估計(jì),所得的傳感器信號(hào)包含著大量的干擾因素,得到的動(dòng)態(tài)車輪力除了輪胎本身重力之外,還包括如行駛車輛的車速、輪胎牽引力、輪胎特性、車物重心和路面狀況等各種因素的影響。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)指定軸型車輛在某一車道的稱重誤差會(huì)隨著速度梯度有一定的變化趨勢(shì),現(xiàn)場(chǎng)對(duì)兩車道及兩個(gè)方向的跨道行駛分別進(jìn)行了兩軸、三軸、四軸、六軸車輛的數(shù)據(jù)采集與分析,其結(jié)果都滿足這一規(guī)律。圖7為一個(gè)車道中四軸與六軸車輛稱重結(jié)果隨速度梯度的變化趨勢(shì)圖。從圖7可知,雖然有較大的誤差突變,但是整體觀察,稱重誤差大小的變化隨速度遞增具有速度分段趨勢(shì)較為一致的規(guī)律。

圖7 實(shí)測(cè)車重隨速度變化趨勢(shì)

在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,加入了系統(tǒng)標(biāo)定功能模塊,目的是利用人為干預(yù)的方式,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合操作人員經(jīng)驗(yàn)與判斷,進(jìn)行稱重誤差隨速度梯度變化的曲線擬合,并將對(duì)應(yīng)的擬合數(shù)值作為稱重的系數(shù)帶入車重計(jì)算。標(biāo)定方法如圖8所示,圖8中的散點(diǎn)為實(shí)測(cè)車重估計(jì)隨車速變化的分布,折線段為人為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的趨勢(shì)標(biāo)定,用戶可以靈活調(diào)整標(biāo)定曲線,使其更好地?cái)M合數(shù)據(jù),完成擬合以后點(diǎn)擊刷新按鈕,可以在界面下方顯示標(biāo)定后的誤差范圍,觀察所有數(shù)據(jù)在標(biāo)定后的誤差分布范圍,以供用戶繼續(xù)微調(diào)。

圖8 系統(tǒng)標(biāo)定界面及標(biāo)定結(jié)果圖

4.5 其他

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,還有許多輔助程序設(shè)計(jì)部分需要額外注意,如數(shù)據(jù)上傳、服務(wù)器重連、界面邏輯、數(shù)據(jù)庫交互、數(shù)據(jù)整合等,在此不再贅述。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

本研究成果已在廣東省某雙車道公路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證與投入使用?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝情況及標(biāo)準(zhǔn)車輛標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)使用圖

在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定時(shí),采用了標(biāo)準(zhǔn)重量的兩軸(18.98 t)、三軸(24.84 t)、四軸(32.45 t)、六軸(49.34 t)車輛對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分軸型、分車道的標(biāo)定工作,車輛速度采用5～70 km/h的速度區(qū)段,在數(shù)據(jù)采集時(shí),速度間隔為2.5 km/h,當(dāng)每?jī)蓚€(gè)相鄰速度間隔的車重誤差超過5%時(shí)在該區(qū)間內(nèi)補(bǔ)充一條數(shù)據(jù),盡可能減小偶然誤差影響。在對(duì)每種軸型的車輛進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定后,使對(duì)應(yīng)車輛再按5 km/h的速度梯度依次通過稱重區(qū)域,驗(yàn)證標(biāo)定后的數(shù)據(jù)結(jié)果,最終驗(yàn)證結(jié)果如表1所示,該結(jié)果基本滿足實(shí)際的工程需求。

表1 最終驗(yàn)證結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

(1)為了適應(yīng)非現(xiàn)場(chǎng)治超檢測(cè)的工程需求,選用適用于高速車輛動(dòng)態(tài)稱重的窄條式稱重傳感器,利用PC機(jī)作為控制、計(jì)算核心,構(gòu)建了動(dòng)態(tài)稱重、車牌識(shí)別、車輛圖像獲取、信息上傳于一體的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)的基于PC的窄條式車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)組成,完成了系統(tǒng)軟件,主要包含工作主流程、分車算法、稱重算法和標(biāo)定方法等模塊。

(3)研究成果已在廣東某公路現(xiàn)場(chǎng)投入使用,現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定與驗(yàn)證結(jié)果顯示效果良好,精度滿足實(shí)際工程需求,實(shí)現(xiàn)了24 h全天候無人值守動(dòng)態(tài)稱重以及多部門聯(lián)合執(zhí)法。