公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法研究

韓志偉 劉春輝 楊 瑩

（中交智運(yùn)有限公司，天津 300222）

為杜絕道路車(chē)輛超載問(wèn)題，該文提出一種對(duì)公路車(chē)輛進(jìn)行稱(chēng)重的系統(tǒng)，通過(guò)該方式，及時(shí)感知道路行駛汽車(chē)的質(zhì)量，降低超載汽車(chē)對(duì)公路的損耗。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體分析

為保證設(shè)計(jì)內(nèi)容滿(mǎn)足需求，采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合道路車(chē)輛行駛環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)中不同類(lèi)型傳輸器的輸出數(shù)據(jù)、接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)中不同類(lèi)型傳輸器的輸出數(shù)據(jù)、接口設(shè)計(jì)

參照表1，為滿(mǎn)足稱(chēng)重系統(tǒng)在使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主板設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)硬件中的主板功能進(jìn)行分析，確定主板中的模塊應(yīng)包括CPU、接口單元、PCIE驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存和外部存儲(chǔ)等。其中，CPU作為主機(jī)的計(jì)算和控制中心，有非常重要的作用。可以控制和管理其他板，并對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析[1]。通過(guò)接口單元連接FPGA與主板，主要對(duì)各傳感器進(jìn)行FGPA處理，并傳輸采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括石英傳感器輸出數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、地感線圈輸出的分車(chē)數(shù)據(jù)、輪子標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)[2]。接口部分由2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)接口組成：開(kāi)關(guān)量和串行數(shù)據(jù)接口。ADC接口數(shù)目根據(jù)車(chē)道數(shù)目確定，每臺(tái)ADC有8路，可以對(duì)兩條車(chē)道進(jìn)行測(cè)試，在主板上有2個(gè)ADC數(shù)據(jù)接口，可以同時(shí)對(duì)多條車(chē)道進(jìn)行測(cè)試[3]。主板的CPU采用內(nèi)部電路間距離能夠達(dá)到14nm的高集成度、高性能處理器。主板的部分參數(shù)總結(jié)見(jiàn)表2。

表2 主板部分參數(shù)總結(jié)

2.2 模擬量采集板設(shè)計(jì)

在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，只有由0，1構(gòu)成的數(shù)字信號(hào)才能被識(shí)別出來(lái)。因?yàn)樵谄?chē)動(dòng)力稱(chēng)量系統(tǒng)中，石英量測(cè)頭收集的數(shù)據(jù)是一組連續(xù)的模擬數(shù)據(jù)[4]。所以，從輸入到處理器前，需要將傳感器的數(shù)據(jù)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，即AD。必須對(duì)傳感器所生成的電荷進(jìn)行電壓變換和放大。經(jīng)過(guò)模數(shù)變換后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號(hào)。選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷诳梢詫?duì)EMD算法影響最小，假設(shè)模擬信號(hào)頻率中的最大頻率為fmax，那么其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：T為通過(guò)時(shí)間；Ls為傳感器寬度；v為車(chē)輛通過(guò)傳感器的時(shí)間。如果采樣頻率為fs，則應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足fs≥2fmax。在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，傳感器所產(chǎn)生的電荷會(huì)有損失，所以要盡量減少各部件間的信號(hào)線傳送。在此基礎(chǔ)上，將電荷放大器的內(nèi)部電路和模數(shù)收集電路集成在一起，既減少損耗，又方便控制。

3 系統(tǒng)軟件算法程序設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)輛分車(chē)算法

在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)量過(guò)程中，很容易檢測(cè)單行道，并且判也能很精確地判斷分行信號(hào)，但檢測(cè)多條車(chē)道更地復(fù)雜。多車(chē)輛可分為并行行駛和單車(chē)輛跨線行駛。對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)分車(chē)設(shè)備的時(shí)序進(jìn)行比較，得出相應(yīng)的分車(chē)邏輯：多車(chē)道的單車(chē)輛跨線行駛，駛?cè)氪涡驗(yàn)锳-B，其分車(chē)裝置先觸發(fā)1、4、2、3，再觸發(fā)5、6；如果多車(chē)道車(chē)輛并排行駛，就需要駛?cè)腠樞駻-B-C，觸發(fā)順序是先裝置1、2再4、3，最后5、6，每個(gè)分車(chē)裝置無(wú)車(chē)觸發(fā)輸出0，有車(chē)觸發(fā)輸出1。能夠?qū)⒎周?chē)邏輯排列集成一個(gè)數(shù)據(jù)組，數(shù)組中的每行都對(duì)應(yīng)分車(chē)設(shè)備，通過(guò)檢測(cè)0、1分布，進(jìn)而判斷相應(yīng)的行駛情況與分車(chē)情況。具體數(shù)據(jù)組合如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)組合

檢測(cè)兩軸車(chē)進(jìn)行時(shí)的數(shù)據(jù)組合變化如圖4所示。

圖4 檢測(cè)兩軸車(chē)進(jìn)行時(shí)數(shù)據(jù)組合變化

分車(chē)的流程如下：首先，對(duì)各變量進(jìn)行初始化處理。其次，判斷是否為多車(chē)道并排行駛，如果是，就對(duì)分車(chē)裝置信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)并行車(chē)輛進(jìn)行邏輯判斷。如果不是，就對(duì)分車(chē)裝置進(jìn)行信號(hào)采集，再判斷采集數(shù)據(jù)是否為當(dāng)前車(chē)的數(shù)據(jù)，不是則重新采集，是則對(duì)單行車(chē)輛進(jìn)行邏輯判斷。再次，處理車(chē)輛通過(guò)的信息。最后，輸出分車(chē)信號(hào)完成分車(chē)過(guò)程。判斷采集的數(shù)據(jù)是否為當(dāng)前數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間和當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行比較。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)間的差異超過(guò)2min，采集的數(shù)據(jù)就為前一車(chē)輛，在刷新程序后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集對(duì)比，直到找到當(dāng)前車(chē)輛數(shù)據(jù)為止。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)組判斷車(chē)輛在跨線行駛時(shí)，會(huì)整合當(dāng)前所跨兩車(chē)道的數(shù)據(jù)，然后保留其中一車(chē)道的數(shù)據(jù)，并將其作為當(dāng)前車(chē)輛的分車(chē)數(shù)據(jù)。

3.2 車(chē)輛車(chē)速與軸距計(jì)算

車(chē)速和軸距是通過(guò)相同輪軸穿過(guò)相同車(chē)道的石英傳感器的時(shí)間差和石英傳感器的間隔得到的。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)2個(gè)換能器上、下信號(hào)的波形求取峰值，再計(jì)算單軸速度，取其平均值，計(jì)算速度。通過(guò)2個(gè)換能器分別測(cè)出左、右波的峰位，計(jì)算2個(gè)換能器間的時(shí)間差，再計(jì)算車(chē)輛的速度，得出車(chē)輛的軸距。關(guān)于獲取單個(gè)波形的峰值，可將連續(xù)車(chē)輛波形分割為單個(gè)軸波形，確定單個(gè)波形的起止點(diǎn)位，進(jìn)而確定各軸峰值位置。在起止點(diǎn)間，表示單個(gè)車(chē)軸的信息，如公式（2）所示。

式中：pi（xi，yi）為單個(gè)車(chē)軸信息。

按照公式（2）對(duì)集中的點(diǎn)進(jìn)比較，得到最大值即為當(dāng)前車(chē)軸波形的峰值。軸數(shù)匹配是當(dāng)多路檢測(cè)時(shí)，一條路兩個(gè)傳感器接收的波形數(shù)必須相同，避免因車(chē)輛行駛偏移導(dǎo)致軸位不一致，出現(xiàn)計(jì)算誤差。該時(shí)差由取樣頻率決定。用收集頻率除以波峰位置上的點(diǎn)數(shù)差異，可以獲得波峰位置。

3.3 車(chē)輛質(zhì)量計(jì)算

需要根據(jù)AD采集的電壓波形信號(hào)計(jì)算車(chē)輛質(zhì)量。首先，利用地感線圈的觸發(fā)器分離每輛車(chē)的信號(hào)，其次，從地感線上提取每段的非零值信號(hào)，并求出整塊區(qū)域和速度。對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，按照公式計(jì)算汽車(chē)的單軸質(zhì)量，并與汽車(chē)的輪軸數(shù)量相結(jié)合，得到汽車(chē)的總質(zhì)量。在單軸計(jì)算法中，確定每道波浪的起始和停止位置，會(huì)影響單軸計(jì)算法的準(zhǔn)確性，當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，信號(hào)輸出很低；當(dāng)有交通工具通過(guò)時(shí)，該系統(tǒng)可以連續(xù)輸出多個(gè)數(shù)值較大的信號(hào)。設(shè)置一個(gè)閾值，如果有幾個(gè)點(diǎn)在閾值以上或以下，即起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置。選擇將最大電壓的1/10作為波形起止位置的門(mén)限值。最大電壓的計(jì)算如公式（3）所示。

式中：V為最大電壓；Tw為車(chē)輪寬度；Sw為傳感器寬度；Se為傳感器靈敏度；Am為電荷放大器轉(zhuǎn)換范圍。根據(jù)公式（3）確定最大電壓，再確定波形起止位置的門(mén)限值，按照上述操作計(jì)算車(chē)輛質(zhì)量。

4 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)上述研究，設(shè)計(jì)稱(chēng)重系統(tǒng)，為檢驗(yàn)該系統(tǒng)的功能，布置測(cè)試環(huán)境，如圖5和圖6所示。

圖5 傳感器鋪設(shè)方式

圖6 稱(chēng)重系統(tǒng)機(jī)柜構(gòu)成

在測(cè)試前，需要先調(diào)試與測(cè)試系統(tǒng)中模擬量采集卡和串口采集卡等硬件設(shè)備，在該文設(shè)計(jì)的車(chē)輛稱(chēng)重系統(tǒng)中，采用串口采集盤(pán)，可以處理輪胎標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的字節(jié)。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，為保證能夠準(zhǔn)確地采集和傳送輪胎標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)，保證每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都完整，須對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試。功能測(cè)試后，保證系統(tǒng)中所有硬件設(shè)備可以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮預(yù)期效果后，可以將其投入試驗(yàn)中使用。按照上述方式，檢驗(yàn)系統(tǒng)中相關(guān)硬件設(shè)備。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以某傳統(tǒng)系統(tǒng)為參照，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)稱(chēng)重誤差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 傳統(tǒng)稱(chēng)重系統(tǒng)應(yīng)用后的誤差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

在標(biāo)準(zhǔn)載荷下，輪胎以正常的壓力行駛在道路上。當(dāng)汽車(chē)超限運(yùn)輸時(shí)，超過(guò)的質(zhì)量會(huì)讓輪胎內(nèi)部壓力增加，在行駛過(guò)程中容易爆胎，從而導(dǎo)致交通事故。此外，超載車(chē)輛可能會(huì)改變汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，裝載的貨物會(huì)使司機(jī)有視覺(jué)盲區(qū)，不能精確判斷后面的車(chē)輛。整車(chē)自重變大，會(huì)導(dǎo)致整車(chē)的剎車(chē)距離增加，剎車(chē)作用降低，造成整車(chē)設(shè)備失效。這些都會(huì)對(duì)汽車(chē)的安全行駛造成極大威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)交通事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，威脅駕駛?cè)藛T的安全。高速公路是國(guó)家交通運(yùn)輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施，保證其正常運(yùn)營(yíng)，并兼顧成本，是有關(guān)部門(mén)亟待解決的問(wèn)題。因此，須在高速公路上增設(shè)動(dòng)力稱(chēng)量系統(tǒng)，為落實(shí)該項(xiàng)工作，該文進(jìn)行了研究。

完成研究后，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)表3和表4的結(jié)果可以看出，應(yīng)用傳統(tǒng)稱(chēng)重系統(tǒng)后的誤差在-7.28%～7.08%；應(yīng)用該文稱(chēng)重系統(tǒng)后的誤差在-6.17%～2.44%。由此說(shuō)明，與傳統(tǒng)的稱(chēng)重系統(tǒng)相比，該文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)可以有效減少實(shí)測(cè)總質(zhì)量的誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路中行駛車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)化稱(chēng)重，解決道路車(chē)輛運(yùn)輸超載等問(wèn)題。