谈我国高速动态称重技术及装备的发展思路

　　[摘要]本文从我国高速动态车辆称重技术现状入手,指出我国高速动态车辆称重技术及装备应该发展的方向以及重点实施措施,最后提出了目标参数的展望。

前言

随着国民经济的发展和社会的进步,称重技术的应用范围也越来越广,社会节奏的加快和效率的提高,市场对高速动态称重的需求已成为一个新的技术和市场热点。

由于科学技术的不断发展,当今世界的三大技术———传感器、信息、计算机技术在衡器行业已得到了广泛的应用,为动态称重技术的发展打下了良好的基础。提高动态称重准确度、称重速度和可靠性已成为衡器行业的发展方向。国内一些较有实力的大专院校、科研院所已开始介入新一代动态称重技术的发展领域,国内一些较著名的独资、合资或骨干企业通过数年的引进技术已具备了较强的创新能力,对动态称重的发展具备了人才和技术储备。我国高速动态称重技术及装备的发展势在必行。

1我国动态称重技术现状

综观我国电子衡器的发展,经历了从最初60年代初期的机电结合型发展到现在的全电子数字型的过程;称重技术的发展从静态称重逐步向动态智能称重的方向发展。但就总体而言,目前我国电子衡器产品还存在着诸多的弊病,从而制约了高端技术产品的发展和与国际接轨。具体表现如下:低价位产品竞争,使企业过多地追求数量。现有的动态电子衡器,忽略了技术与工艺的先进性,市场缺少高端技术产品;高速动态称重技术的研究与应用,缺乏占领技术前沿的开发能力,功能不全、稳定性较差;缺少高质量、高可靠性、高端技术的高速动态称重仪表;缺少快速动态响应的高精度称重传感器,造成高速动态称重技术无法突破;高速动态理论基础研究不扎实,目前多数还停留在实验阶段,缺少先进实用的高速、高精度的动态数据处理应用软件技术;由于动态检测手段不齐全,造成标准、规程的执行无法与国际接轨,更谈不上产品技术赶超世界先进水平。例如我国目前还不能按照OIMLR106要求对实际整列火车在列车运行条件下测试每节车的重量;不能按照OIMLR134要求包括各类悬挂型道路车辆的不同车型、变速状态、不同路面状况条件下完成动态重量测试;动态称重计算机软件系统在使用中无有效的监测手段,造成检定前按标准车修正的现象较为普遍,无法真实反映衡器的使用可靠性。

2高速动态称重技术及装备发展方向

动态称重(weigh-in-motion简称WIM)是一项比较复杂的技术。车辆经过秤台产生的信号可以看作是车辆的静态称重信号与周期性的车辆振动信号的叠加。

下式为车辆动态称重输出信号:

式中:

y0—静态轴重信号,该信号不随时间变化而变化;

A—周期项即车辆振动的幅值;

f—车辆振动信号的频率;

—车辆振动信号的初相位。

采用各种手段开发新型的称重装置使周期性的车辆振动信号减到最小,是WIM技术的核心。为此我国急需在动态称重领域解决如下关键技术及装备:

2.1高精度快速动态称重仪表关键技术及装备(包括软件开发装置、模拟试验装置、仪表全性能测试设备等)

A.公路动态称重仪表关键技术及装备;

B.DSP系统的快速动态称重CPU结构设计关键技术及装备;

C.高速动态轨道衡称重仪表关键技术及装备。

2.2快速动态响应的高精度称重传感器技术及装备(包括有限元分析、动态数学模型分析的优化设计软件、动态传感器测试以及模拟试验场地及装置)。

2.3高速动态称重数据处理关键技术及应用(包括动态振动特性参数中自振频率测试、振动测量、频谱分析、函数记录、阻尼系数测试以及多普勒雷达测速等关键技术试验)。

A.高速公路动态称重数据处理关键技术及应用;

B.高速动态轨道衡称重数据处理关键技术及应用。

例如:不同速度10km/h、20km/h、30km/h时采样波形

从图可以看出,秤台垂直方向的加速度基本上随着车辆通过速度的增加而增加,30km/h时加速度达到了0.3以上,说明随着速度的增加,汽车的振动加剧了。

不同速度10km/h、20km/h、30km/h时振动频谱

从图中可以看出,汽车通过秤台时的振动频率比较丰富,把低频部分放大后可以看出10km/h、20km/h、30km/h时低频分量分别有:2、6、13Hz,6、8、13Hz,5、9、13Hz。

2.4高速动态检测关键技术及装备

A.高速公路动态检测关键技术及装备(包括配备吊臂起重的30吨大型公路动态检衡车;多普勒雷达测速仪;静态加载模拟试验检测装置及关键技术试验装置);

B.动态轨道衡检测关键技术及装备(包括配备动态检衡车列;现场动态实物称重车列;多普勒雷达测速仪;动态仿真监测软件及车号识别软件、视频采集、视频检测车辆、图像识别、摄像机检测等关键技术试验装置)。

3高速动态称重技术重点实施措施

3.1高精度快速动态称重仪表关键技术及装备

称重仪表作为电子衡器的大脑中枢,它融合了当今先进的信息技术和计算机技术,在动态称重中将起到关键作用,因此在设计动态电子衡器时应首先设计或选择一种合适的动态称重仪表。

A.公路动态智能一体化称重仪表

研究重点:用于高速公路计重收费系统的公路

动态称重仪表采用国际先进的动态称重技术(WIM)、车辆自动识别技术(AVI)、自动车辆分类技术(AVC)、动态称重数据高速采集与处理技术(DAQ)与高速公路电子票据收集系统(ETC)实现无缝链接的集成化控制和检测系统。

例如:车型自动识别系统的应用

近年来,美国在高速公路超载超限管理方面一直走在世界的前列。一种AVC自动车辆分类系统(AutomaticVehicleClassificationSystem)在美国的高速公路上已较普及。该系统由光幕、多普勒雷达测速器、WIM动态称重传感器与处理器组成,可根据车辆的长度、高度以及车轴(轴组)重量,自动完成各种不同复杂车型共100多种的分类识别。

例如:ETC高速公路电子票据收集系统

该系统集自动捕捉超载超限,自动收费与罚款于一体,在高速公路上司机无需人工交纳各种车辆管理(包括超载超限罚款等)费用,而通过银行自动转账收费。目前在日本与欧美已很普及。

任务指标:仪表配以嵌入式RFID(射频识别)视频采集、车型检测、牌照识别,识别结果传送联网通讯适用于Internet网、局域网、MIS网络化管理,从而实现目标的自动化管理功能。该项目研制成功将使高速公路计重收费系统进入世界先进行列。

B.DSP(DigitalSignalProcessing)系统的快速动态称重CPU结构设计

研究重点:传统CPU结构以冯·诺依曼结构为程序和数据共用一个存贮空间,统一编址,数据和程序分时读写,执行速度慢,数据吞吐量低,这一结构不适合具有高度实时要求的快速动态称重数据检测。具有数据信号处理前沿技术的DSP是一种快速强大的微处理器,独特之处在于它能即时快速处理数据(见参考文献[2])。美国最新推出的通用可编程的哈佛DSP结构(havardstructure)的CPU芯片技术,程序和数据具有独立的存贮空间,有着各自独立的程序总线和数据总线,可并行处理程序指令和数据读取(指令存储在高速缓冲区中,省去了从存贮器中读取指令的时间,大大提高了运行速度)。采用硬件乘法器,使得乘法运算在一个指令周期几十纳秒(单片机可能要几十毫秒)内得以实现。与通用处理器(GPP)比较,具有程序和数据分开存储,保证数字信号的处理速度的优点。该仪表开发若采用16位或32位定点或浮点运算,指令周期与乘加时间最快均可达到5ns。可实现多机并行运行处理。该CPU结

C.高速动态轨道衡称重仪

研究重点:引入嵌入式设计理念,采用先进的远程控制与诊断技术、图像处理、模式识别和人工智能技术。自动动态称重波形绘制及数据分析、自诊断车速补偿。动、静态称量自动转换。嵌入式车号识别软件与高速采集与处理技术(DAQ)的应用。该仪表设计成功后,可使我国动态轨道衡称重仪表技术赶上国际同类产品的先进水平。

该仪表开发成功可同时获得车辆的重量、速度、车号等数据。动态车速达到50km/h,动态称重准确度保持在±0.5%以内。

3.2快速动态响应的高精度称重传感器技术及装备

研究重点:传统的电阻应变式称重传感器由于其动态响应较慢,已跟不上高速动态称重场合。所以弯板式、振弦式、电容式(垫板式和条式)、光纤条状、压电陶瓷、共聚物压电薄膜式、压电石英晶体式等多种形式相继问世。在上述各类传感器中,石英晶体传感器以其频率响应宽、动态称重速度快、称重信号稳定的特点尤其受到青睐。在国外现已有在实际现场安装应用的实例(见参考文献[3])。利用石英晶体传感技术,采取多个传感器的现场合理布置和其他检测元器件,不仅可以得到高速行驶车辆的轮轴重量,还可以根据其预定的逻辑关系,判断出被测车辆的轮轴类型和行驶速度,为高速公路车辆信息提供更丰富的现场数据资料。该项目开发成功后,可使我国动态称重传感器技术赶上国际同类产品的先进水平。

例如:弯板式传感器的应用

弯板式传感技术是利用电阻应变片原理,在一个高品质的金属结构板上,制作成复合板式的传感器,具有安装高度低、称量的稳定性好、防护简单、使用可靠等特点,其动态称重行驶速度可在5~150km/h内,适应于中、高速称重检测系统。弯板式传感器已在包括欧盟交通委员会、美国联邦交通委员会等组织进行的历次动态称重产品测试中得到了良好结果。

弯板是由在内部集成了应变片网的金属板构成,传感器表面覆盖一层高温硫化橡胶。弯板传感器的长度为508mm(在行驶方向),宽度有1.25m和1.75m两种规格,可完整的记录轮胎的压力信号,测量轮载值。通常一个车道铺设两个传感器,用于测量车轴载荷。整个传感器厚度不大于25mm,安装在钢制支架中,整个支架是用环氧树脂浇入路面的浅槽中。

例如:压电膜式传感器的应用

压电膜式传感技术是利用聚偏氟乙烯制成的薄膜式称重传感器,在特定的受力方向上,施加压力(或重力),产生成比例的带电荷,经检测电路进行检测处理和运算后,转换成相应的重量值。该传感器具有频率响应宽、动态称重速度快、称重信号稳定的优点,现在国外已开始在智能交通(ITS)行业中应用,如高速动态称重(WIM)、公路路口闯红灯监测、电子自动门的检测系统等方面。

例如:石英晶体传感器的应用

石英晶体传感器是一种专用于WIM的称重检测传感器,其灵敏度较高、信号的稳定性较好,现在欧洲已有在实际现场安装应用的实例。

石英传感器的设计是基于一个中空型材,石英晶体元件预紧安装在内部(如上图示)。施加水平力,型材张开可插入石英元件。在释放水平力之后,压电元件被预紧。为了避免传感器出现疲劳或“被挤出”,由高强度轻型金属合金挤压而成的型材经有限元分析优化,具有与路面挠性匹配的弯曲刚性。

1米长的传感器模块中,每5厘米配有一个石英元件。安装到道路时,用多个传感器模块相连至所需长度。电缆通过内部导槽引出。

为了达到与路面磨损特性一致,传感器上表面配有10mm厚的石英沙环氧树脂的覆盖层。通过研磨,可使传感器上层与道路的不平整,比如车辙沟痕匹配一致。当需要进行路面维修时,石英传感器的高刚度对路面铺设工作提供了便利。

利用石英晶体传感技术,采取多个传感器的现场合理布置和其他检测元器件,不仅可以得到高速行驶车辆的轮轴重量,还可以根据其预定的逻辑关系,判断出被测车辆的轮轴类型和行驶速度,为高速公路车辆信息提供更丰富的现场数据资料。该项目开发成功后,可使我国动态称重传感器技术赶上国际同类产品的先进水平。

3.3高速动态称重数据处理关键技术及应用

研究重点:动态称重是一项比较复杂的技术,其中数据处理是目前国内、外动态称重研究的重点。目前大多采用傅立叶分析与均值滤波法、非线性最小二乘法优化理论法、扩展卡尔曼滤波法、小波理论分析法、以FPGA实现的FIR低通数字滤波法、参数估算法、EMD经验模分解法(见参考文献[3])、矢量量化与自适应修正算法等。目前首要解决的是从模型仿真的实验阶段发展到真正的实际应用阶段。通过分解逐步将称重信号中的动态分量分离出来,从而得到反映真实轴重的稳态值。

汽车在行驶过程中由于车辆过秤速度快、采样时间有限,不能采样到完整周期的低频动态载荷。例如,秤台长度760mm(考虑轮胎接触面积,实际有效长度约为490mm),车速10km/h时采样时间为178ms,对3Hz动态载荷而言只有0.54个周期,车速20km/h时只有0.27个周期(见参考文献[4])。针对这种包含不完整低频动态载荷的称重信号,普通的平均、滤波方法已无能为力。下面分别介绍几种较为先进的动态数据处理方法:

EMD法(EmpiricalModeDecomposition)是美国首先提出的一种最新的信号处理方法。该方法认为任何信号都可由一系列不同的本征模函数IMF(In-trinsicModeFunction)合成,因此可以把信号分解成若干阶IMF,其中频率最低的IMF表示原始信号的趋势或均值,其余各阶IMF反映了信号的动态特性。EMD本质上是一种具有自适应能力的平稳化处理方法,是目前世界上提取数据序列趋势或均值的最先进的方法之一。

傅立叶分析与均值滤波法的核心是采用由波形的倾向和大小而产生的振动的基本频率和振动位置的数据计算出来,再计算纯振动的成份,然后将所测量的数据减去纯振动成份值的方法。根据这种方法,即使行驶速度较高也能使采集数据保持较好的稳定性。

非线性最小二乘法优化理论法是用“优化理论”,对非线性最小二乘法进行优化。相关报道介绍说:通过模型小车试验,总重测量误差最大为±2.4%;用输出误差算法在动态称重数据处理中的应用,实车试验取得了1%的称量准确度,但要求秤台较宽,达到1.5m,而且对称量过程限定了条件。扩展卡尔曼滤波法用于动态称重中,同样是以

模型小车为试验手段。目前这些方法的报道中还没有见到进行实际采样数据的试验,大多以模型小车或模型仿真为主,把这些方法应用到实际动态称重时还有许多工作要做。

小波理论分析法是把一个信号分解成由原始小波经过移位和缩放后的一系列小波。小波分析完全克服了傅立叶分析的局限,即同时可以处理时域和频域两个信号,既可以利用长时间的数据序列来得到精确的低频信号,又可以通过细化数据来得到信号的高频部分。利用数学工具Matlab中小波信号处理法,即可方便地对采样信号进行处理。

3.4高速动态检测关键技术及装备

A.高速公路动态检测关键技术及装备研究重点:按照2005版OIMLR13《4公路车辆自动衡器》规定的测试项目,重点对不同车速范围、不同的车型与变速状态、不同的路面状况进行动态称量测试。(见参考文献[5])

B.动态轨道衡检测关键技术及装备研究重点:按照2005版OIMLR10《6自动轨道衡》规定的测试项目,重点对联挂车列进行不同车速范围、不同的车型与变速状态、不同的轨道、车钩状况、进行动态称量测试。采用仿真技术对称重软件进行防作弊检测。

4结尾与展望

高速动态称重技术及装备发展的目标参数展望如下:

4.1高精度快速动态称重仪表:①解决了已往动态称重仪表执行速度慢,数据吞吐量低,具有高度实时要求的快速动态称重数据检测;②智能化;③集成化。

4.2快速动态响应的高精度称重传感器:将压电石英晶体等各种先进的传感器技术应用于实际现场。在温度为-20~50℃之间动态车速达到120km/h,动态称重准确度保持在±5%以内。

4.3高速动态称重数据处理关键技术:根据实测数据进行EMD等各种先进的数据处理分解试验,使动态车速达到120km/h,而动态称重准确度保持在±5%以内。

4.4高速动态检测关键装备:

解决了以往联挂动态现场条件无法满足2005版OIMLR10《6自动轨道衡》;

解决了以往无法满足R134《公路车辆自动衡器》规定的测试条件。

通过上述设想的实施,可使我国动态称重领域掌握了四类高速动态称重关键技术:

①高精度快速动态称重仪表;

②快速动态响应的高精度称重传感器;

③高速动态称重数据处理关键技术;

④高速动态检测关键装备。

从而提高了我国动态称重技术的整体水平,为与国际先进水平接轨创造了条件。

参考文献:

[1]《基于经验模态分解的汽车动态称重数据处理》.周志峰、蔡萍、许嘉、陈日兴《中国机械工程》2005.20.

[2]《DSP数字信号处理系统介绍》电子科技大学DSP实验室,2004.3.

[3]《长期稳定的石英动态称重WIM传感器》(NATDA’96NationalDataAcquisitionConference1996)R.CalderaraKistlerInstrumenteAG,Switzerland.

[4]《车辆动态称重及其在公路管理系统中的运用》.周祖濂《.第四届全国称重技术研讨会论文集》.

[5]《Automaticinstrumentsforweighingroadvehiclesinmotion》OIMLR134-2005.

[6]《AutomaticRail-weighbridges》OIMLR106-2005.

作者简介:陈日兴,男,高级工程师,大学本科,总工程师,研究方向:衡器产品开发与计量技术,1992年开始享受国务院政府特殊津贴。