高速公路车辆动态称重技术及误差分析

高速公路车辆动态称重技术及误差分析

吴宏伟1,2 唐 亮1,2 孙棣华1 陈晓明2 卢 涛2 李永福1 董均宇1

(重庆大学1 重庆400044) (重庆市交通委员会2 重庆401147)

摘 要 高速公路的车辆动态称重技术是专用于检测行驶中车辆的重量(含轴重、总重)及其他基本数据(如轴间距、车速等)的新型检测技术。文中系统地分析和讨论了动态称重技术分类及典型称重传感器特点,探讨了其在高速公路超载检测中的应用及称重的精度问题,给出了减小测量误差的措施。

关键词 动态称重;动态称重系统;称重传感器;精度

中图分类号:U491 文献标志码:A DOI:10.3963/.42 1781.U.2009.S1.023

高速公路动态称重(w eigh in m otion,WIM)专用于测量行驶中车辆的重量及其他基本数据。随着高速公路网络的发展,公路交通安全与违章超载之间的矛盾更加突出,动态称重技术采用现代电子信息技术防止车辆超载、保护道路及相关设施,是维持道路安全畅通的有效技术手段。随着ITS的发展,WIM将逐步融入IT S,成为其在道路运输安全管理的重要组成部分。

现有研究结果[1 4]对行驶车辆干扰因素的系统分析尚不充分,对动态检测信号处理简单,并且在检测精度、便携性、适用性等方面仍存在一些不足。本文系统地分析和讨论了动态称重技术分类及典型称重传感器特点,探讨了其在高速公路超载检测中的应用及称重的精度问题,给出了减小测量误差的措施。

1 动态称重技术的分类

动态称重指在不中断交通的情况下,运用传感器对行驶车辆施加于道路的压力进行直接或间接测量,通过建立一定的数学模型或结合相关车辆参数(如车速)测量值,采用一定的算法,计算出车辆的重量及有关参数(如轴重、总重,轴间距、车辆种类、车速等)。根据检测原理不同,动态称重系统主要分为以下3类:

1.1 涵式动态称重系统

当车辆驶过涵洞检测点时,涵洞顶板受轴载荷的压力作用产生弯曲变形,其挠度大小与轴载荷的大小相关。该系统是采用传力的形式间接测量车辆压力,因传递媒介的各向不均匀性以及道路﹑车辆﹑涵洞结构等因素的作用,使得测量精度受到影响,加之其他因素叠加,其测量误差会更大[5]。尽管如此,系统检测值仍能真实地反映了路面的实际承载状况,因而,它也适用于公路监测和公路设计数据采集。

1.2 桥式动态称重系统

当车辆驶过公路上的桥梁时,桥梁会产生弹性形变,其形变曲线随行驶车辆参数(如速度)的变化而变化[6]。系统建立车辆在桥梁上运动时的桥梁弹性响应曲线模型,采用优化算法调整曲线模型参数使其最佳逼近测量曲线,此时模型的参数就可确定为被测量车辆的参数。由于车辆行驶造成的桥梁振动及其对桥面的冲击,会增大应变曲线的测量误差;并且,桥式动态称重在测量时,要求只能有一辆车行驶在桥梁上,使该系统的运用受到了限制。

1.3 轴重检测动态称重系统

系统采用称重传感器检测运动车辆车轮对路面的压力,压力检测值经滤波和补偿后,结合其他测量参数(如速度)进行修正,计算出单轴轴重,将每轴轴重累加获得整车车重,是目前普遍使用的动态称重系统。称重传感器的检测及信号处理方式直接影响系统精度和性能,是系统的核心。以下分别就目前主流称重传感器进行讨论。

1.3.1压电称重传感器

压电称重传感器利用压电效应检测车辆车轮对地面的压力,产生与所受压力成正比的电流输

收稿日期:2008 11 20

作者简介:吴宏伟(1966),高级工程师,博士研究生.研究方向:项目管理、交通信息化.E mail:2005wu hongw ei@vip.s oh

88交通信息与安全 2009年增刊1 第27卷 总149期

出值,计算出车辆的单轴轴重。由于压电传感器较窄,仅取样车轮胎的小部分荷重,因而,总轮胎荷重通过该测量值对轮胎与地面接触长度在车辆行进方向上的积分得出[7]。

1.3.2 压阻称重传感器

压阻称重传感器采用粘贴于弹性体变形敏感区的4片阻值相同的电阻应变片组成惠斯顿电桥。由于采用了电桥检测原理,因而检测灵敏度高。但传感器存在蠕变现象和温度漂移,需要进行蠕变补偿和温度补偿。压阻称重传感器主要有弯曲板称重传感器和承载台称重传感器,其与压电称重传感器广泛运用于目前的动态称重系统中。

1.3.3 石英谐振式称重传感器

石英谐振式力传感器是一种以频率输出的新型数字传感器,基本应用单元由石英谐振式称重传感器加上振荡电路构成。输出信号须采用非线性滤波滤除粗大误差,然后再用线性低通滤波器滤除仍存在的大量高频噪声[8]。滤波后,需要抑制信号的低频漂移,正确识别动态信号并恢复成理想的动态阶跃信号。

1.3.4 光纤称重传感器

光在光纤中传播时,光纤弯曲会导致光全反射条件被破坏,造成纤芯中的光能损耗。如果光纤的微弯曲是由外部作用力产生的,接受光光强变化就与导致光纤弯曲的激发现象有关。绞合式光纤压力传感器就是基于这一原理的新型动态称重传感器[9]。绞合式光纤压力传感器的稳定性取决于光源输出功率的稳定性,采用光学双稳装置来稳定光源的输出功率,可提高其稳定性及测量灵敏度和精度。传感器结构简单,易于安装,并且价格便宜,是一种比较有潜力的动态称重传感器。

2 动态称重的误差分析

在动态称重中,由于各种因素的影响,测量值与真实值之间的误差相对较大。例如,目前应用最广的轴重测量系统,其测量精度仅在 15%到 3%之间[8 9]。因此,应分析动态称重的误差来源,进而减小实际测量误差。

2.1 动态称重的误差来源

在动态称重中,导致测量误差的因素主要有:车辆。包括全车荷载大小及分布[10]、运动车辆的振动和车辆的轮胎力和运动车辆的行驶速度和速度变化;!道路。包括公路路面的平整度和道路线形[11];∀传感器。包括温度漂移和蠕变特性和非线性。

2.2 减小测量误差的措施

1)车辆的荷载及分布是随机的。因而,应尽可能地把检测地点设在线形平直且平整性好的公路段上,提高车辆行驶的稳定性以减小测量误差。

2)运动车辆的振动和车辆轮胎的摆振是车辆的固有特性,应增大对称重传感器的采样频率,获得尽可能多的采样值并分析计算,以减小振动对测量精度的影响。

3)在动态称重时,可测量车辆通过传感器时的速度作为修正参数对压力测量值进行修正。

4)温度漂移和蠕变现象可通过在传感器弹性体上粘贴热敏电阻,测量检测时传感器弹性体的温度,根据传感器的温度特性和传感器蠕变特性进行补偿。

3 动态称重系统在高速公路超载检

测中的应用

受精度的影响,目前的动态称重只能算是准动态称重,为了保证车辆畅行和超载纠章,动态称重系统采用动态称重与复核称重相结合,组成预称重判决#超载复核#超载处罚的纠章监测系统,如图1所示。

行驶在高速公路上的载货车辆被指示驶入称重车道,当车辆通过动态称重传感器时,车辆被预称重。称重数据及判决结果发送给电子指示牌,指示未超载车辆从直通车道进入公路继续行驶,超载车辆进入核实称重车道在核实称重点进行低速动态称重或静态称重。为提高货运效率、避免重复称重,可对车辆配置RFID电子标签,在货运车辆上安装的电子标签存储车辆牌照、车型等基本信息,当车辆经过高速公路称重点时,称重点的RFID读写设备将车辆称重数据及时间等相关信息自动载入电子标签;当其通过以后的称重点时,各点的RFID读写设备读出其电子标签存储的信息,系统可根据这一信息,不经称重就对该车辆予以放行或做出相应的处理。

4 动态称重技术的发展

为满足实际需求,提高系统的精确性、实时性和数据综合处理能力正成为动态称重技术发展的焦点,研究更精确的称重传感器或采用具有自适应或学习功能的智能算法以提高动态称重精确性

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