学士学位论文—公路车辆超载检测系统的研究(编辑修改稿)

学士学位论文—公路车辆超载检测系统的研究(编辑修改稿)内容摘要：

........ 30 结论 ........................................................................................................................................... 31 致谢 ........................................................................................................................................... 32 参考文献 ................................................................................................................................... 33 附录 ........................................................................................................................................... 35 哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文 5 第 1 章 绪论 课题背景 近年来，我国道路运输车辆超限超载现象极为 普遍，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。 2020年以来，有关部门和地方先后开展了一系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超载涉及面广，治理难度大，加之利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，使超限超载成为一个 “顽症 ”，有 “愈演愈烈 ”之势。 车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路桥基础设施造成极大危害。 一是诱发了大量道路交通安全事故；据统计， 70％的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的， 50％的群死群伤性重特大道路交通事故与超限超载有直接关系，车辆超限超载运输给 人民生命财产造成了巨大损失。 二是严重损坏了路桥基础设施；超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂。 正常使用年限大大缩短，不得不提前大中修。 全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过 300亿元，给国家财产造成了巨额损失。 三是导致了道路运输市场的恶性竞争；以竞相压价承揽货源，以超限超载来获取利润，超载越多，赚的越多，形成了 “压价 ——超限超载——运力过剩 ——再超限超载 ”的恶性循环，正常使用年限在 10年左右的货运车辆 2~3年后即破旧不堪 [1]。 四是造成车辆 “大吨小标 ”泛滥；为迎合车 辆超限超载运输的需求，一些车辆生产厂商竞相生产 “大吨小标 ”汽车，一些车辆改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健康发展。 上述问题说明，车辆超限超载运输造成道路运输市场扭曲，诚信水准下降，严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民的生命财产安全。 道路运输车辆超限超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视 [2]。 发达国家在公路骨干网上普遍设立了检测设备，对超限现象实施严格管理。 目前在全国超限超载治理工作中需要大量 的检测设备，而装有检测设备的高等级公路匝道或收费站却不多，车辆是否超载主要由交通管理人员凭经验判断，由于缺乏科学性，给管理部门的严格执法带来困难。 或者采用大型地磅秤作为计量设备而造成车辆排队等候称量，使交通堵塞，因此目前路政管理部门需要一种动态称重系统来规范公路车辆货重检测，从而抑制日益严重的超载现象。 动态称重概述 动态称重简称为 WIM(weighinmotion)，是指汽车在运动状态下称出汽车的重量。 与停车状态下的静态称重相比，动态称重的主要优点是节省时间、效率高，使得称重不至于造成对正常交 通的干扰，对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对实现交通运输管理的现代化也有着巨大的促进作用。 但另一方面，静态称重时车辆平稳地作用在称重仪上，除汽车的真实重量外无其他任何干扰，因此容易实现高精度测量。 而动态称重时除汽车的真实重量外还有其他许多因素，如汽车结构及载荷状况、车辆行驶状态、哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文 6 路面状况等会产生干扰，严重影响测量结果，对实现高精度的动态称重造成很大困难。 目前汽车动态称重系统已经在一些发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用，其中德国 PAT公司生产的产品精度已达 177。 3％，而国内在这方面研究的起步比较晚 ，目前产品的平均误差从 177。 5 ％到 177。 30％不等 [3] [4]。 车辆动态称重技术的回顾 为了抑制车辆超载给道路设施造成损害，国外从 20世纪 50年代后期就开始对车辆超载检测技术进行研究，到 20世纪 90年代基本上形成了成熟产品，产品也由静态的整车测量发展到了动态的轴重检测，这就是人们熟知的动态称重 WIM技术。 在过去几十年的动态称重技术研究中，在如何保持检测精度的前提下提高车辆通过速度一直是各研究机构所致力解决的问题，不懈的努力使动态称重技术已经得到了很大的发展，综述国内外资料，目前动态称重方法主要有以下 几种。 1. ADV法、 DV法、 V法 该类方法是 20世纪 80年代的日本小野敏郎为解决动态称重问题所提出来的，其测量思路主要是同时或单独测量重物移动的位移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方程以获得力值。 这类方法有些是因需同时使用多种不同类型传感器而难以实现 [5] [6] [7]，有些虽然只使用同类传感器，但由于采用积分方法因而准确度较差，且往往只适用于噪声很小的场合。 2. 位移积分法 该方法是目前国内多个科研单位主要采用的方法 [8]。 也是 ADV法、DV法、 V法的一种沿袭。 其原理大致是 ：将称重系统的输出信号对一小段位移 L1。 沿其长度 L方向积分。 L1的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行比较而定，如图 11所示。 动态分量在积分区间被平均，使车辆振动造成的干扰影响较小，因此精度相对也较高，但这需要较长的数据才能保证精度，这也是目前动态称重系统当提高车辆通过速度时，测量精度无法保证的原因所在。 负 荷净 重LL1t图 1 1 轮 重 的 典 型 波 形F i g . 1 1 T y p i c a l w a v e o f w h e e l w e i g h t 3. 补偿法 该方法主要是针对传感器的响应速度慢和超调量大，在很大程度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点，从而提出通过设计补偿元件，在 比 “称重传感器稳定时间 ”更短的时间里完成测量，因此动态称重装置主要由称重传感器和动态补偿元件组成。 4. 专家系统 该方法主要是引入知识模型而构成专家系统。 即把优秀称重测力专家的思维过程固化到测量程序中，并与计算机修正程序结合起来，进而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力。 哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文 7 5. 参数估计法 该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理 [9]，即首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计。 由于被测重量或力 值可以看成是称重测力过程的终值，因此它们可以用模型参数进行估计或预测。 6. 神经网络 该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，采取多因素协调，将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本 [10]，通过训练获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并期望提高检测精度。 目前来看，利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的，绝大多数称重系统基本上是具有二阶（或准二阶）传递特性的系统，假如称重系统采用二阶的自回归滑动模型ARMA，再借助于这个模型和递推的最小 二乘法 RLS即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量。 在现有的车辆动态称重系统中，为了提高检测精度，信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后才进行，这就大大限制了车辆通过速度。 车辆动态称重产品的发展历史 在 20世纪，许多国家的道路运输普遍存在超载现象，据调查，德国大型载货车辆中超载车辆数量达到 50％，日本达到 20％，美国达到 40％ ~60％。 为了避免超载车辆对公路造成早期破坏，欧共体成员国和美国、日本、加拿大等国在 20世纪 50年代就开始对车辆动态称重系统进行研究并取得了相应的成果 [11]。 20世纪 50年代末，美国开始对 WIM系统进行研究。 20世纪 60年代末，西德的 PAT公司开始对平板式车辆动态称重器进行研究 [12]。 1974年，美国首次在车辆载荷研究中使用 WIM系统；同年法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利，即 Vibracoax。 20世纪 80年代中期，美国各大州开始推广安装WIM 系统。 1988年英国研制了一种性能优于 Vibracoax的新型压电称重传感器 Vibetek5。 1991年改型为 Vibetek20。 1992年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟 (FEHRI)发起，按照欧盟运输委 员会 (ECTD)的程序框架进行了 COST323计划。 该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期 30个月的 WIM系统实际应用测试。 1994年，欧盟开始进行 WAVE(Weighing in motion of Axle and Vehicles forEurope)计划 —从 1997年 6月到 1998年 6月在瑞典气候寒冷条件下进行产品系统测试，即著名的 CET(Cold Environment Test)测试。 结果表明德国PAT、瑞士 Kistler、美国 Mikros等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。 2020年 ITS年会上展出了一种由美国 MSI公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重 [13]。 国内的超载现象在某些省份特别严重，尤其是存在矿产资源的地区 [14]。 我国在不同时期对超载现象提出过相应的管理措施： 1987年国务院颁布了《中华人民共和国公路管理条例》， 1988年交通部颁布了《中华人民共和国公路管理实施细则》， 2020年交通部颁布了《超限运输车辆行驶公路管理规定》， 2020年底温家宝总理在交通部上报的《关于 加强车辆超限超载治理工作的报告》上签署意见， 2020年实施了《关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案》。 伴随着国家法规的不断颁布，国内有关科研机构一哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文 8 直未停止过对车辆超载检测技术的研究，其中也包括引进国外技术。 我国 “七五 ”期间开始引进和消化国外动态称重系统，同时也开始对动态称重系统进行研制。 但引进产品都属于国外换代产品，主要问题有：适应速度范围小（低速范围），测量精度不高，传感器过于庞大，安装施工及维护不便。 20世纪 80年代出现了电子汽车衡，它包括带基坑和无基坑两种，带基坑的电子车辆衡对道路破坏较大。 1994年一种动、静态两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与车辆通过速度之间的矛盾。 作为国家 “八五 ”期间重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态车辆称重系统，该系统由一套称重传感器和一台电子测量仪器构成，每车道布置两只传感器，每台仪器可测量 1~4个车道，轴重误差小于 177。 10％，置信度为 95％。 1999年，德国 PAT载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于 1999年 8月获得了国家技术监督局颁发的《计量器具 型式批准证书》。 国内目前动态称重系统的研究状况是起步晚、时间短，在研究过程中未能对行驶车辆的干扰因素作深入系统的分析，对动态检测信号处理简单，为了提高检测精度，往往要求信号在经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量。 使得这类产品往往需要较长的受荷板或受制于较低的车辆通过速度，检测精度也不高，一般平均误差为 177。 (5％ ~30％ )。 目前国内如京珠高速公路、南京长江二桥等高等级公路和桥梁上安装的高精度车辆动态称重系统主要来自国外，这类产品存在价格昂贵、超限标准与国内法规不一致等缺陷。 车辆动态称重技术的国内 发展展望 1. 车辆动态称重系统将融入 ITS(Intellingent Transport Systems)，成为其组成部分，因此作为固定式的 WIM 系统或装置，设计时要考虑这一背景，在数据处理、信号传输、上下位机的关系、硬件配备等方面，均要考虑，以便于其 “嵌入 ”ITS。 2. 称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界应当认真面对的问题。 国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传感器，国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器，大大提高了使用寿命，对于 便携式 WIM 系统还能方便现场使用。 3. 目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方国家承认的国际参考标准 ASTM E1318—94。 这给我国研究和应用车辆动态称重技术带来了机遇和挑战。 机遇是在没有。