动态称重技术在公路车辆上的应用

动态称重技术在公路车辆上的应用

一、车辆轴载荷变化大、争议多、引发纠纷多21世纪初，中国实施了公路安全和收费率的综合政策，为公路车辆动态重复使用打开了广阔的应用市场。动态称重技术也经历了轴载荷计量、轴组称重、整车跟车（整车+轴载荷）称重等多个发展阶段，其称重原理均采用了轴载荷累计总重或者是通过轴载荷参与计算总重量的计量原理，我们称之轴载荷计量模式。长期的实践证明，轴载荷计重原理下的动态称重设备称重误差大、争议多、引发的纠纷多。引用中国质量报的一篇文章《高速公路计重收费离准确计量有多远》“从计重收费开始之日起，有关计重不准的投诉和纠纷就从没停止过”。研究发现，运动中的车辆的重心（质心）是处在移动之中，而车辆的重心（质心）会影响轴载荷，因此，运动中的车辆的轴载荷是个变量。进一步研究，车辆重心（质心）移动影响因子很多，如路面的粗糙度、称量速度变化、车辆的加减速、车辆不规则驾驶、车辆的刚性、轮胎气压、车载货物的位移、秤体与路面的连接水平度等等因素。实际上，这些客观现实问题在应用现场是无法规避的。由于车辆的质心与轴载荷易受上述影响因子影响，因此，运动中车辆的轴载荷是不可重复、不可再现的变量，无法准确测量。计量学认为缺乏一致性和准确性就丧失了溯源性，失去了溯源性就等于失去了精准性，也不能称之为计量学意义上的称重，所以轴载荷计重原理下的动态称重设备称重误差大也就成了必然。二、道路车辆动态称重技术wim的充要条件经过十多年的实践与理论研究，根据计量学的基础理论及计量特性要求，我们提出来公路车辆动态称重（WIM）必须满足的充要条件。（一）精准度的应用准确度指计量结果与被测量真值的一致程度。量值的准确可靠是计量的目的。车辆动态称重结果的精准度是称重的基本要求，也是体现公平公正的基础，关系到广大车主利益，是称重技术的重要基础因素、立足之本。一切计量工作，计量结果的准确性是第一重要的参数指标，离开了准确性就谈不上计量，准确性是动态称重的最重要的指标。（二）称重结果的稳定性稳定性是指在允差范围内称量结果应当保持一致、可重复，习惯称一致性或重复性。所有的称重设备必须具备稳定性，称重结果的稳定性也是称重的基本要求和重要性能之一。例如，我国交通管理部门先后开展了多年的货车计重ETC试点工作，项目均采用了各种动态轴载计量设备，均是因为准确性与稳定性差而使ETC项目下马。（三）量值溯源原则“溯源性”是“准确性”和“一致性”计量学的技术归宗。量值溯源是称重技术的必要条件，无论静态称重和动态称重均要遵循的基本原则。车辆的总重量是具备溯源性，也是唯一的可溯源的量值。（四）保持动态性称量动态性指称重过程的效率高低，动态性能是衡量动态公路自动衡器是否具备实用性的重要因素。公路车辆实现连续动态称重，需要使车辆保持一定的行车速度，具备较好的动态性能，方能满足动态称重的高效、快捷要求。现代物流及公路治超均需要提高通行效率、减少交通拥堵，要求系统具备适用的动态称重性能。动态性是动态称重的重要功能，也是区分静态与动态汽车衡的重要标志。以上四大基本要素归纳起来就构成了公路车辆动态称重的充要条件。三、道路车辆的动态称重技术wim进一步研究发现，满足四个充要条件只有整车称重，因为整车重量是唯一能够溯源的量值，所以整车称重也是唯一技术路径。（一）自动配系统方案公路车辆完成动态称重实现如图1所示。实现条件是称量区单车完成称重，不能有其它车辆的干扰，需要信号提示或人工干预。前车完全驶离称量区以后后车才能驶入，两次称重之间间隔长、效率低。实践证明，这种模式系统称量准确度与稳定性，缺点是动态性较差、车辆通行率低。正因为这个缺点，推广应用受到局限，许多应用场景无法大规模投入实际使用，只能在动态性能要求不高的场合使用。（二）动态称重的实现路径为此，我们提出了基于模块化级联结构的整车连续动态称重思路与相应的称重方法。很好地解决了整车连续跟车状态下的动态称重问题，既有效率、也有精度。模块化级联结构可以消除前后车辆之间的相互影响，提高称重的效率；模块化级联结构又能实现整车称重（动态拟合），保证了称重准确度，从而找到了实现公路车辆动态称重的技术路径。为实现上述技术，我们发明了整车连续跟车动态称重方法，即系统利用级联阵列称重模块的组合技术、构建整车称重系统，使连续跟车称重拟合成动态“一车一秤”模式。级联阵列称重模块的几何长度设计应长短适宜，不能长也不能过短。模块过长易出现一个模块同时容纳两辆的载荷，模块过短易导致传感器动态响应时间不足而影响系统准确度。级联阵列称重模块总长度以20米至25米为最佳。如图2所示（WIM）动态称重系统采用n秤台模块级联的方式，级联阵列称重模块总长度应小于25米，每个独立称重模块都有完整的传感器及数据处理系统，即具有独立称重功能；各个称重模块之间无物理上的连接，相互独立。技术核心是通过级联阵列称重模块的组合技术、构建整车称重系统，使连续跟车称重自动拟合成动态“一车一秤”模式，达到称重结果高准确度、高稳定性、通行效率，实现了公路车辆动态称重。四、动态称重的关键技术运动中的车辆的轴载对传感器造成的噪声很大，受车辆加减速的影响，传感器输出信号时常被噪声所淹没，并且称重信号中的噪声是由复杂的因素造成的，一般是非平稳噪声，因此，噪声处理技术也就成为动态称重的关键技术。本文重点介绍利用小波变换来滤除噪声干扰的方法。小波去噪的基本原理是去寻找最佳的从原始信号到小波系数空间映射，从而滤除原始信号中的噪声。其处理的基本流程是将输入的含噪声信号进行多分辨率的小波变换，在各个尺度下计算对应的小波系数，然后再对小波系数进行处理，滤出对应的系数，最后使用处理完的系数重新构建信号。（一）车辆动态称重的车辆模型车辆的轴载荷通过轮胎和秤台接触，而轮胎与秤台的接触不是点接触而是面接触。同时，轮胎和地面的接触压力分布并不是处处一致的，而是满足一定的分布函数，并且连续变化。因此，当汽车经过称重传感器的时候，并不会产生一个我们理想中的方波信号，而是一个类抛物线信号。在经过动态称重系统时，车辆的速度变化会对实际称重结果有影响。以双轴车为例，图3显示了车辆在前进过程中主要受到的力的情况。图3中，车辆受到的重力由W表示，前后轮受到地面的压力大小分别为N车辆在正常的行驶过程中，车辆对于前后轮的着地点处于扭矩平衡状态，此时有：得到：整车作用在秤台上的力从上式可以看出，当车辆处于匀速状态时，F路面的不平整性会很明显的影响动态称重的精度。车辆悬挂系统的震动都直接或间接的路面的不平整有关，并且轮胎和车体货物也不是一个刚体，路面不平整性也会带来这些物体的振动。最终影响实际的结果，测试结果显示，因为路面不平整带来的振动的幅值可以达到实际车重的0～30%左右。使用2轴车4自由度模型分析，如图4所示。整个模型按车辆的纵向建模，车辆的运动方向向右。车辆的悬挂系统建模为一个弹簧加阻尼器，车轮可以看成是车轴一样的弹性阻尼系统也可以只是一个弹簧。将轮胎和地面的接触看成是点接触。整理以上各式写成矩阵的形式有：其中式中：m式中：z（二）车桥式自动称重系统的母小波分解和去噪方法的确定小波变换中使用的母小波有很多种，选用不同小波对信号进行分析会得到不同的现象。常用的母小波函数有Haar、Morlet、Daubechies、Mexican、Meyer等。一般情况下，基小波的选择原则是尽量让小波的波形近似于待测信号，而小波系数的大小实际是反映了小波基函数和信号局部的相似程度，对应的系数越大，代表信号的相似性越高。在具体实际的应用过程中，还需要考虑小波函数的支撑长度、对称性、正则性、相似性、消失矩阶数等因素。因为车辆动态称重系统的信号历程短，对称性好，在分析了大部分母小波后，确定使用coifN小波作为系统的母小波。主要原因是coifN小波的对称性好，并且具有近似正交性，它的支撑长度和消失矩随着序列信号N的增加而增加。根据Nyquist采样定理，想要不丢失信号细节，要求：其中，F小波分解中的分解级数的选择十分重要。一般层数越大，噪声和信号表现出不同特点的几率也就越大，这将越有利于信号和噪声两者的分离。但同时，层数越多，会使信号的失真也就越大。最终在一定程度上影响去噪效果，所以在设计的时候需要同时兼顾两者，选择合适的分解层数。一般情况下，小波分解的频段和具体的采样频率有关。假设分解N层，则每个频段宽度为F图5为三轴车经过秤台时，多个秤台合成的重量。波形的大幅低频振荡是汽车悬挂系统带来的，波形的小幅高频振荡是承台本身的振荡，同时，该波形还混入了电路及其他因素带来的高频噪声，以及车辆在不同称重块上转移时因为块间隙带来的突变噪声。本系统使用的小波分解层数为3层。另外秤台本身的振动以及车辆悬挂系统的振动依然存在。可以通过接着增加小波分解的层数来滤除这两者带来的噪声。又因为车辆在秤台上如果不受噪声干扰则为直流信号，因此直接使用阈值的方法去除分解后的所有细节分量。使用5阶、9阶小波对信号进行分解得到的去噪波形如图5所示，可以从图中看出，随着分解层数的增加，秤台的振动噪声，车辆的振动噪声被依次移除。五、动态整车称重首台样机经过超五万余车的实验验证，实现了连续跟车状态下的动态整车称重，各项技术指标均达到了设计目标要求。2019年5月通过了国家衡器检验检测中心验收，全部指标合格。六、