基于高速高精度計重的彎板動態稱重技術研究

王 玉，李 雪

(重慶市華馳交通科技有限公司， 重慶 400067)

隨著國家經濟蓬勃發展及公路運輸網的加速編織，交通運輸需求與運輸能力之間的矛盾越來越顯著，車輛超限超載現象愈演愈烈，給道路養護管理帶來很大困擾。車輛超限超載使國家稅收和規費大量流失，擾亂道路運輸市場，嚴重損壞道路及其配套設施，大大縮減道路使用年限，增加道路建設和維護的成本，使道路周圍的環境受到更多污染，威脅著人們的生活和財產安全。

動態稱重技術可以有效遏止車輛超限超載現象。目前市面上主要的動態稱重設備包括彎板[1]、單臺面秤[2]、雙臺面秤、軸組秤、整車秤和石英[3]等。在所有設備中，其成本、安裝維護、通行效率、動態稱重精度等各有優缺點[4-5]，但是大部分的稱重設備僅能實現低速(0～15 km/h)動態稱重。綜合各類稱重設備特點，彎板具有維護方便、成本低、使用周期長、能夠實現高速(0～80 km/h)動態稱重的優點，是高速動態稱重的較優選擇。彎板動態稱重技術可用于車輛超限檢測、高速公路收費站動態稱重、交通情況調查、車輛軸載情況調查、道路養護管理等領域，可為上述領域提供準確、可靠的基礎數據，大幅提升上述領域的自動化、數字化水平，降低人工操作量，減少人為錯誤，對超限檢測、道路養護等領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，提出了進一步提高稱重精度的動態稱重完整性算法，實現車輛高速高精度計重。

1 傳感器去噪技術分析

1.1 傳感器輸出特性

傳感器的應變部分是在一硅膜片上集成4個等值電阻R1、R2、R3、R4，并連成平衡電橋，當荷重于硅片上時，電阻值發生變化，電橋失去平衡，產生電壓輸出。電橋電路采用恒流源供電時的輸出信號為[6]：

(1)

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

(2)

由公式(2)可知，輸出信號V與△R成正比，從而與負荷P相關，V僅是P的函數，而且有最簡單表達式：V=AP(A是一常數)。但在實際應用中，輸出信號通常還包含有噪聲信號，如溫漂、電流源電流漂移、熱噪聲、散粒噪聲等的混疊，實際輸出并非如此簡單。噪聲使橋臂電阻阻值或應變靈敏度發生了變化，最終導致輸出靈敏度、零位的變化，出現了零點漂移。所以，實際輸出都是多變量的函數，且不穩定。

1.2 高頻噪聲的消除

傳感器會受到各種振動的影響[7-8]，主要由3類構成：車輛自身各種原因造成的振動、路面不平造成的振動及車輛-地表耦合而產生的振動，而振動信號主要由穩態荷載、動態荷載及高頻噪聲3部分組成[9-10]。其中，高頻噪聲是檢測系統自身產生的測量干擾和車輛自身轉動而產生的高頻干擾，需要完全濾除，可表示為[11]：

(3)

式中：Ai、ωi、φi分別為動態稱重信號中第i個噪聲分量的振動幅值、角頻率和振動相位。

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

圖1 無源低通濾波電路圖Fig. 1 Circuit diagram of passive low-pass filter

根據RC濾波電路可得到：

(4)

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

2 彎板動態稱重信號完整性算法

彎板傳感器信號經過實時高速采樣、轉換、濾波后，動態稱重系統充分利用積分理論計算獲取重量數據[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2塊彎板傳感器間距為Lc，以兩軸車通過彎板傳感器時為例，可獲得濾波后的信號組，如圖3所示。

圖3 兩軸車通過傳感器時的信號組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產生的信號，t2和t4是兩軸車后輪壓過傳感器時產生的信號，利用已知的傳感器間距Lc和時間差可以計算車速V和軸距La，其計算公式為：

(6)

La=V×(t2-t1)或La=V×(t4-t3)

(7)

有的車輛經過彎板傳感器時，會有意躲避稱重，并存在單邊輪胎通過傳感器的現象，造成原始數據缺失。本文設計了一種基于相關性的補軸算法，具體步驟如下：

1) 判斷信號完整性

設車輛實際產生的信號脈沖數為m，根據已獲取信號脈沖的時間差判斷車輛實際軸數n。如果m=n，表明信號完整，則跳出信號完整性分析，進行下一步數據處理；如果m

2) 信號截取

將n+m個信號“脈沖”，以峰值時刻ti為中心，左右各拖延T/2截取信號，獲取數據段。傳感器A會出現n個波形，記為Xp[i]，其中i=1～n；傳感器B會出現m個波形，記為Xq[j]，其中j=1～m。

3) 計算相關性，尋找缺失信號

在某個K時刻2個數據段的互相關系數為：

(8)

4) 補軸

以各時間差為基準將傳感器A的“脈沖”信號補充到傳感器B的信號中。

(9)

3 試驗結果及分析

在上述理論分析的基礎上，對彎板進行動態稱重試驗。試驗車輛采用兩軸剛性貨車，實際重量為15 560 kg，系統分度值為200 kg，車輛勻速通過秤體，經處理后的試驗統計數據如表1所示。

由試驗數據表1可知，車輛以1 km/h～80 km/h的速度通過彎板，經去噪處理及完整性算法分析，所得的數據重量誤差均在2%以內。

表1 彎板動態稱重試驗數據Table 1 WIM test data of bending plates

4 結論

本文采用無源低通濾波電路，有效去除信號的高頻噪聲，提高了信號采樣精確度；針對車輛單邊行駛等異常狀態造成的數據缺失，采用了彎板完整性算法，有效提高稱重精度，實現了彎板高速高精度動態稱重。目前，該技術已在重慶、貴州、浙江、上海等多個省市的多個工程中得到推廣應用，技術穩定，數據可靠，并得到了業主的一致好評。

彎板動態稱重技術可用于科技治超、超限超載檢測、計重收費、交通調查、車輛軸載調查、道路養護管理等多個領域，為大數據分析挖掘等提供數據基礎，也可為其他動態稱重設備的數據處理提供一定參考。