公路车载动态称重系统设计方案与开发

1、公路车载动态称重系统的设计与开发摘要公路车载动态称重系统的设计对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社会价值。随着公路运输工业生产和商业贸易的不断发展，产生了对公路车辆进行动态称 重越来越严格的要求，动态称重是路政部门加强正常运输、强制超载超限、提高管理工 作效率，实现路政系统管理现代化、科学化的一项关键技术。就公路车载动态称重系统而言，称重的精度是最重要的性能指标，它标志着公路车载动态称重系统的技术水平的高低。目前公路车载动态称重系统由于对采集的信号只能 简单的处理，加上建立的数学模型不适合非线性对象的特殊性，同时缺乏对干扰因素以 及各种干扰因素之间的关系做深层次的研究和处理，所以系统的

2、精度难以得到很大的提 高。鉴于影响动态称重的干扰因素很多，而且这些因素之间不存在确切的函数关系，用传统的数学模型方法很难分析清楚这些干扰因素之间的关系，所以本文从理论基础方面 入手，从提高称重精度的思想出发，介绍了应用于车载动态称重系统的各种智能算法模 型，比较分析发现对于非线性对象没有解决误差精度问题，最终提出善于非线性建模的 BP神经网络技术，包括网络的基本思想、计算过程、执行步骤、存在的问题，以及针 对动态称重对象的非线性特征以及称重过程中存在的精度不准确问题采取了 BP算法 的改进方法，进一步满足了现场环境的称重要求。通过分析公路车载动态称重对象，建立了 BP神经网络动态称重系统模型，

3、根据现场采集的动态称重数据进行了网络模型的分析与数据训练，训练结果表明精度完全符合 现场要求和国家标准。对于系统硬件方面，系统采用单片机进行数据采集与传送，对单 片机的选择进行了介绍；用于数据处理的动态称重软件系统除了实现重量数据的处理、 显示和查询等基本功能以外，它还实现了将采集的数据保存于数据库中并能以报表的形 式打印出来的功能，以便于统计和查阅。本文中主要用到的单片机开发工具是C语言， 工控机里的数据处理系统软件采用Visual C+ 6编程语言，主要利用RS-232串行接口 来提供串口通信，使用BP神经网络对称重采集的数据建模仿真的环境是MA TLAB R2007。关键词：动态称重系统

4、，单片机，数学模型，BP神经网络DESIGNATION AND EMPOLDER OF HIGHW AYCAR-LOADING WEIGH-IN-MOTION SYSTEMABSTRACTThe Highway Car-loading Weigh-in-Motion sy（WIMS ） has undoubtedly played anantive electronic role and social value in the protection of highway trancport. Along with t! development of the Highway Transporta

5、tion,Industrial production and Business Trade, it is required that the Highway WIMS needs to saticfy more qualification of modernization and scientization for the rapid automatically and the enforcement of the overloading rule.As to the Highway Car-loading WIMS, the weighing precision of the vehicle

6、 moving is the most important standard specification. It indicates the technical level of the Highway Car-loading WIMS. While the weighing signal processing of the actual Weigh-in-Motion is simple digital filter and the model is not fit well with non-leneared object. Even further s: processing techn

7、ique of kinds of disturbing factors. So the sWptfesyst.e）iii is hardly improved.Because there are so many factors affect theaWcMSacy, and there are not exact function relations among these factors, this paper introduces some new arithmetic models to settle these factors compared with other models.In

8、 theory of improvingthe WIM system precision, final chance is choosing BP neural network. It mostly introduces the basic idea, calculated process, executes steps and existed problems of BP Neural Network, and Finally puts forward the improved method to satisfy weigh-in-motion requirement.Through ana

9、lyzing Highway WIMS cars,this paper bases BP Neural Nerwork model.The weigh-in-motion datas, which gathered in scene and trained by the BP Neural Network model, indicate that the precision accords with practical requirement and international standard. In hardware, the system use single-chip microcom

10、puter and introduced the choosing condition of the single-ship microcomputer. The WIM system of the paper described can implement not only the basic function of gathering data, processing data, display data, and query data,but preserved the gathering data into the database and print in form. The sys

11、tem mainly use C language to write in the single-chip microcomputer, and use Visual C+ 6.0 to write in the computer for processing data. The RS-232 is used to communicate the serial.Otherwise, the paper use MATLAB R2007 language to model weighing system, simulink and train the weighing datas.Key Wor

12、ds: Weigh-in-Motion System, Single-Chip Microcomputer, System Math Modeling, BP Neural Network目录 TOC o 1-5 h z 第一章绪论11.1公路车载动态称重系统的意义11.1.1气车超限超载的危害11.1.2公路车载动态称重课题研究的意义21.2公路车载动态称重系统的国外研究现状31.3公路车载动态称重系统的国内研究现状41.4公路车载动态称重系统的发展趋势51.5本文研究的主要内容及工作简述61.6本章小结6第二章公路车载动态称重系统整体设计思想82.1公路车载动态称重系统硬件系统8称重板压力

13、传感器82.1.2数据采集系统10计算机系统102.1.4显示器系统、打印机系统122.1.5动态称重系统一些辅助硬件设备132.2公路车载动态称重系统软件系统13数据采集软件程序设计142.2.2数据预处理模块152.2.3显示程序设计152.2.4通信程序模块15计算机上的软件设计162.3本章小结16第三章公路车载动态称重系统数学建模183.1公路车载动态称重系统的传统建模方法18机理模型18 霍验模型193.1.3辨识模型203.2公路车载动态称重系统的BP神经网络建模方法21B神经网络的结构213.2.2输入层和输出层节点数的确定223.2.3急含层数和层内节点数的确定23理本BP算

14、法原理243.3 BP神经网络建模方法和传统建模方法的比较283.3.1专统建模方法的缺陷28BP攵进算法的措施和方法283.4本章小结第四章.基于.BP神经网络的动态称重系统模型设计与实现334.1神经网络控制概述33 用作控制器的神经网络控制334.1.2用作被控对象模型的神经网络控制结构344.2基于BP神经网络的公路动态称重系统数据处理37动态称重数据处理方法比较与分析374.2.2数据获取与BP神经网络模型的建立38BP神经网络算法的实现444.2.4实验结果分析464.3本章小结47第五章结论485.1全文总结485.2研究展望48致谢50参考文献51附录一动态称重现场采集部分数据

15、53附录二BP神经网络模型数据训练仿真程序55简历在读期间发表的学术论文57第一章绪论1.1公路车载动态称重系统的意义随着经济的发展和科技的进步，各种运输车的数量和比重逐年递增,现代交通运输业得到飞速的发展。根据交通部规划，到2010年，公路总里程要达到210万至230万 公里，全面建成五纵七横国道主干线，目前人口在20万以上的城市高速公路连接率 将达到90%，高速公路总里程达到5万公里。面对交通运输业的迅猛发展，汽车超限超 载运输现象问题突出，并且变得越来越严重，公路超限超载现象会造成路面、桥梁等公 路交通设施的损坏，从而恶化了交通道路的服务水平和行车安全状况。为了有效地治理 超限超载现象，

16、交通部门普遍采用了对动态车辆的重量进行计重收费来治理超限超载问 题，这样公路车载动态称重系统就显得十分迫切和必要2 随着我国公路管理方法的不断发展和完善，管理手段日趋电子化和信息化，越来越 多的先进技术被引用到公路的监督管理之中，检查车辆超载的办法也由固定地点称重检 测发展到可随时变化地点的称重检测。车载称重系统，就是其中的一种改良技术，这套 系统解决了以往车辆称重地点固定，不方便在公路全段随机检查的问题，也可以减少因 为检查站空间狭小，通过能力有限而造成通行高峰时避免出现拥堵的现象，改善交通。 本文设计的动态称重系统是江西省南昌市某公司自行设计和开发的公路车载动态称重 系统，已经应用于公路收

17、费的路政执法部门中，用于治理公路交通运输，打击超速超载 现象。同时提高车载动态称重系统的称重数据精度，降低称重系统的成本仍是一个未能解 决的问题。国内外一直都在探索一种新型的动态称重方案：如何设计出速度快、抗干扰 能力强、准确度高的新型动态称重系统，对交通相关部门有效地实施超限管理，保证行 车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的 社会效益和经济效益。1.1.1气车超限超载的危害公路交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是号称公路 隐形杀手的营运车辆超载现象屡禁不止，其危害是多方面的 3一、造成了大量道路交通安全事故据统计，70%的道路安

18、全事故是由于汽车超限超载引起的，多于50%的死伤性重大 道路交通事故与超限超载有着直接或者间接的关系，汽车超限超载运输给人民生命财产 造成了巨大的损失。二、超限超载汽车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，大大缩短公路的正常使用年限，使其不得不提前进行大修。交通部的实验表 明，一辆超载100%的车辆，通过沥青路面一次所造成的破坏程度，相当于核定载荷的 标准车辆走265次；通过水泥路面一次造成的破坏程度，相当于核定荷载的标准车辆走 6.55万次。据有关专家介绍，超重10吨的货车超载1倍，对公路的破坏力相当于正常载重 时的16倍；超载2倍，对公路的破坏力增加80倍。而

19、且核定载重量越大的车辆，超载对 公路的破坏越严重。三、导致了道路运输市场的恶性竞争货车车主竞相压价承揽货源，以超限超载的方式来获取利润，结果超载的越多，赚 钱就越多，形成了 “压低价格超限超载-运力过剩在超限超载”这样的恶性循环。四、严重污染大气环境由于超限超载车辆燃油系统负荷过大，尤其是燃油净化系统不能正常运转，燃烧不 完成的情况下，尾气严重超标，导致车辆行驶过程中的黑烟尾气，对公路两旁周围环境 造成了严重的大气环境污染。鉴于超限超载运输车辆所造成的巨大危害，加强公路运输的管理、保障行车安全等 问题也显得日趋重要。交通部2000年2号令超限运输车辆行驶公路管理规定（以下简 称规定）于2000

20、年4月1日起执行，规定对各类车辆的轴载质量作了明确规定并指出 “公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴载质量及车辆总质量检测装置”，可见， 有效治理超限超载问题迫在眉睫。1.1.2公路车载动态称重课题研究的意义鉴于国内车辆超载、超限的严重性，公路交通管理相关部门急于收集当前公路上行 驶的车辆车型组成、轴载谱和超重程度、分析超重车辆对路面的损害影响程度，以便估 算公路交通部门需为此增加的建设投资，并制定相应的管理措施和法规，为公路运营部 门按车重收费提供有效技术手段。目前对车辆的超限超载检测有静态和动态两种方法：静态称重虽然精度高，但其规 模较大，引人注目，往往使许多超限超载车辆易于逃避，同时

21、静态称重还容易造成交通 不通畅，难以发挥高速公路的优越性；而动态称重系统能实现超载治理和不停车计重收 费系统的完美结合，因此动态称重是现代交通中超限超载运输测量的主要手段和发展方 向，是不停车计重收费的基础。但由于影响动态称重精度的因素较多，例如，汽车的振 动、路面的不平整程度、汽车的通过速度等等。这些因素势必会使测量精度降低，使测 量结果不准确、不具说服力。为了提高动态称重系统的测量精度，国内很多研发机构和 公司长期致力于动态称重系统的研究，但是一直以来并没有取得太大的突破和进展。而 国外的设备价格十分昂贵而且没有知识产权，因此对动态称重系统进行进一步的研究， 包括如何设计出速度快、抗干扰能

22、力强、准确度高的新型全自动汽车动态称重超限管理 系统，对交通部门有效地实施超限超重管理，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降 低公路养护的成本、减少环境污染等方面都有着显著的社会效益和经济效益。公路车载动态称重系统主要由动态称重系统和视频监控系统两个部分组成，其总体 系统实现原理就是将便携式称重仪器、监控摄像机、数字图像处理器等相关电子设备装 配到改装车车身上，让现场的路政工作人员可以通过视频监控和称重系统测量出来的数 据来监督整个车辆称重的过程。图1-1是公路车载动态称重系统的总体设计框架图，本文的主要研究内容就是对称重采集的数据进行处理，获得精度很高的称重结果。车载动态称重系统车灾视频监控

23、系统图1-1公路车载动态称重系统总体框架图Fig.1-1 Structure of Weigh-in-Motion System1.2公路车载动态称重系统的国外研究现状国外许多国家的公路交通运输也普遍存在超限超载现象。为了避免超限超载车辆引 发的一系列危害，欧洲、美国、日本、加拿大等一些国家从上个世纪50年代就开始对 公路车载动态称重系统进行研究并取得了一系列显著的成果，在改善称重环境和提高称 重精度方面取得了很大的进步，如表1-1所示是国外一些国家关于动态称重系统的研究 发展历程以及所取得的一些成果 45 1.3公路车载动态称重系统的国内研究现状我国高等级公路的发展较国外晚一些，但是超载现象

24、特别严重，尤其是在一些矿产 资源富有的地区，为此，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，2000年交通部再次颁布了超 限运输车辆行驶公路管理规定。我国于20世纪80年代出现了带基坑和无基坑两种电 子汽车衡，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汽车通过时速度之间的矛 盾。作为国家八五重点科技工程，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动 态称重系统，该系统轴重误差小于+10%，置信度为95%。云南航天新技术工程有限公 司引进其技术并于199

25、9年8月获得了国家技术监督局的计量器具型式批准证书。从2003年起，江苏、河南、山东、安徽等省份先后实施公路车载计重收费，鉴于以上发展速度和面临的情况，本文作者发现到设计一套高精度高稳定性的公路车载动态 称重系统，必将成为公路路政检测部门治理超限超载和实施计重收费提供有效的技术手 段。表1-1国外一些国家动态称重系统的研究历程和成果展示Tab 1-1 research process and production revelation of weigh-in-motion system in foreign cuntries时间(年)国家动态称重的研究发展及其突破1958美国开始了为期16年的

26、WIM系统的研究1968西德PAT公司开始平板式动态车辆称重器的研究1974美国首次在车辆载荷研究中使用了 WIM系统1974法国取得了一项版电缆动态车辆称重器的专利，即Vibracoax1983法国Vibracoax动态称重系统在法国投入使用1983美国压电材料用作动态称重的研究在美国开始；同年9月，美国联邦公 路管理总署提议开始研究“低成本动态车辆称重系统”1984美国36个州均安装了 WIM系统1985美国“低成本动态称量系统”在现场投入运行并父美国联邦公路部署 推广使用1988英国研究了一种性能优于Vibracoa的新型称重压电传感器Vebetek51990西德PAT的平板式传感器性能

27、较理想。同时展示数种低成本的动态称重 系统，他们主要基于压电缆，压电膜和电容传感技术。在安装条件 很好的情况下，能使统计平均误差控制在15%左右1991英国Vebetek5 已经改型为 Vibetek201994德国在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，展示了米用平板式 传感器的SAW100动态称重系统及在自动收费站的应用1998瑞典者名的CET (Cold Environment Te)st测试，结果表明德国PAT、 瑞士 Kistler美国Mikros等公司的称重产品处于领先水平2000ITS年会上展出了由美国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

28、型分类和动态称重目前，国内动态称重研究缺乏对影响汽车动态称重的干扰因素做系统分析，检测时又要求信号经过一定时间衰减达到稳定后开始测量，使得称重物往往需要较长的受荷板 或受制于较低的汽车通过速度，检测精度也不高，一般平均误差从+5%- +30%不等，相 应的置信度为90%或95%。因此检测精度和汽车通过速度的问题一直未能在实际中得到 很好地解决。1.4公路车载动态称重系统的发展趋势综上所述，对于所谓的动态称重就是测量行使车辆的动态轮胎受力并计算相应的静 态车辆重量的过程：一个公路动态称重系统是一套传感器和支持仪器，用来测量在特定 地点和特定时间一辆行驶车辆的出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、

29、车速、轴距、 车辆类型以及有关车辆的其它参数并且处理好显示和存储这些信息。其主要特点是节省 时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通的干扰。这对公路建设与管理有着极 为重要的意义，同时对车辆运输现代化管理也有较大的促进作用。经过了几十年的研究，现在的汽车动态称重系统已经取得了一定的成果，但是汽车 动态称重系统在国内的研究应用时间还很短，已有的动态称重系统主要是从国外引进的 技术，做的二次开发，缺乏核心技术。同时，动态称重系统在国内外都处于比较前沿的 位置，技术都还没有完全成熟，特别是测量的精度、汽车的通行速度、系统结构三方面都需要很大的改进。（1）测量精度目前动态称重系统精确度低，主要是因

30、为加在传感器平台上的力除了汽车的真实重 量之外，还有由许多因素引起的干扰力，加车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动 力等，汽车的真实重量有可能淹没在各种干扰信号中，如何从外界随机不确定的干扰力 中获取真实的车重，是动态称重技术的难点和关键。国内研制出的固定式动态称重系统 的轴重误差通常为（5%-10%），但是在有些场合还是不能满足，提高准确度是动态称重 技术的迫切需要。（2）汽车的通行速度现在的动态称重系统允许汽车的通行速度比较低，每小时5-10km但是随着不停车收费系统的普及，就要求在更高的汽车通行速度下准确测量，目前现有应用的动态称重 系统就不能符合要求。为了满足未来交通的需要，美国纽约

31、州立大学的研究人员已经研 制了在汽车时速高达88km，路面应力达10kg/cm2的情况下，其测量精度可保持在2%以内的动态称重系统，但是造价过高，目前还不能推广使用。所以国内的科研人员也可 以在引进的技术中加以突破或者研制出具有自我知识产权的系统，在一定的精度保证 下，降低价格，不断提高汽车的通行速度。（3）动态称重系统的结构现有应用的动态称重系统，一般是固定安装，建设周期长，造价比较高，影响公路 的正常运行。这就需要不断的改进系统的结构设计，即在不影响测量速度和精度的前提 下，要尽量减少占地面积工程造价和安装要求，简化结构，缩短工期，最好能不影响公 路的正常运行。总之，从发展的角度看，汽车动

32、态称重系统今后的几年里可望在以下几个方面有所 进展：（1）称重时汽车的通行速度进一步提高，达到不停车就可以称重的目的要求，提高称重的效率；（2）动态称重精度优于4%，并尽量提高，符合国际的称重标准要求，同时进一步优化整个称重系统，使得系统达到最佳使用寿命；（3）尽量减小占地面积、工程造价和安装要求，考虑成本和现场的实际环境，对 于路政部门也很重要，提高系统对外界环境的适应能力和抗干扰能力。1.5本文研究的主要内容及工作简述综上所述，现行的动态称重系统经过几十年的研究，仍没有取得令人满意的进展。分析原因，可以发现以往的研究存在着以下不足：（1）对车辆的动态称重时的干扰因素缺乏完整的分析，以往的研

33、究主要致力于结构的改 进，传感器的设计等硬件方面，使其动态称重性能得以改善，但是称重精度没有得到相 应的回报。（2）缺乏对动态称重系统设计理论的研究，至今动态称重系统设计仍沿用静态称重设计 方法。很多设计研究方案只是停留在对动态称重系统做一个简单的模型搭建，没有针对 称重对象的特性进行分析，使得称重数据明显不符合公路车载动态称重系统的具体要求，不能满足智能交通系统的发展要求。（3）没有一个确定的公式、函数或依据来计算动态称重车辆的真实轴重值。所以对于称 重数据的处理显得很抽象，研究方法虽然很多，但深度不够，对于具体解决称重精度还 是没有有效的措施。本课题研究主要从称重精度方面着手，通过对动态称

34、重时的干扰因素分析来提高称 重精度，鉴于影响动态称重的干扰因素很多，而且这些因素之间不存在确切的函数关系。 用传统的数学方法很难分析这些干扰因素之间的关系，而选择智能算法在处理非线性 的、复杂的问题方面有其独特的优势，可以更好的解决称重精度的非线性问题。由于智 能算法的局限性，以及称重模型的非线性等问题，所以本问经过智能算法优化控制的动 态称重数据还具有较大的误差。为了进一步提高称重精度，本文对采集的称重数据进行 BP网络训练，将不同车速下的轴重信号与车辆的实际载荷进行非线性建模，由于BP神 经网络的收敛速度快、有唯一最佳逼近点的特性以及无局部极小的优点，通过仿真结果 表明称重效果良好，可用于

35、实际的动态称重系统的研究中。1.6本章小结本章主要阐述了用于公路路政部门测量行驶车辆的动态重量值、速度等相关参数的公路车载动态称重系统的研究目的和意义，通过分析目前关于公路车载动态称重系统的 国外和国内的研究现状，进而探讨公路车载动态称重系统未来发展的趋势，最后提出了 本课题研究所需要做的主要工作。第二章公路车载动态称重系统整体设计思想2.1公路车载动态称重系统硬件系统公路车载汽车动态称重系统硬件系统主要包括以下几个部分：称重板压力传感器、 数据采集系统、计算机系统、显示器系统和打印机系统，见图2-1所示。其次还有一些 辅助的硬件设备，我们只做简单的介绍。为了使硬件电路设计趋向合理，借鉴别人的

36、成 功经验，系统的电路设计着重考虑到以下几个方面 67（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法，以提高设计的成功率。为硬 件系统的标准化、模块化打下良好的基础；（2）尽量选用功能强、集成度高的芯片；（3）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当 余地，以便进行二次开发；（4）硬件结构应结合应用软件方案一起考虑，硬件结构与软件方案会产生相互影响， 考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意， 由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间，应当充分考虑两者速度匹配的问题。（5）在电路设计时，充分考

37、虑应用系统各部分的驱动能力。不同的电路有不同的驱 动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不一样，实验表明，如果阻抗匹配不当，系统的 驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。而且这种不可靠很难通过一般的 测试手段来确定。因此，在电路设计时，注意增加系统的驱动能力和减少系统的功耗。（6）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件 选择、E印刷电路板布线、通道隔离等等。计算机系统数据X集系统林正一板压力传感器图2-1动态称重系统硬件结构框图Fig.2-1 Structure of Weigh-in-Motion Hardware System2.1.1称重板压力传感器称重板主要是一块内置一定数量压力传感器的刚性金属板，金属板的宽度不超过 车辆轮胎的直径，以保证同一时刻只有车辆的一个承重轴作用于称重平台之上，同时 金属板的长度超过车辆承重轴的长度，以保证同一时刻，车辆的一个承重轴完全作用 于称重平台之上。金属板的底部附着数量不等分布平衡的压力传感器，刚性的金属板 使车辆称重轴作用于板上，称重轴的重量通过金属板传递到压力传感器，经过压力传 感器以后转换成电信号传入称重系统的数据采集和处理系统。称重板压力传感器是构成系统信息输入的主要窗口，为系统提供赖