CN102506975A - 一种车辆超载实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

一种实时监测车辆超载的方法属于公路交通安全技术领域，其特征在于，安装在车上的车辆实时测重系统根据其测得的每个车轮的动态载重和车量载重校正系统测出的载重车辆的静态载重，拟合得到各个车轮承载重量的权重值，并以上次权重值作为此次权重值计算实时载重，重复多次，直到平稳运行时相邻两次的权重值都在2％～5％的误差内为止，算出此时车辆载重，若超出此车型的额定载重，则发出无线报警信号，实现车辆超载的远程监测，并且每经过一次称重平台校正一次各车轮承载重量的权重值，本方法利用物联网有效的把静态测重和动态测重结合起来，从而形成了一种动态经常性校正机制，不仅具有精度高、体积小、安装方便的特点，还具有实时监测的优点。

Description

一种车辆超载实时监测的方法

技术领域

本发明涉及一种车辆超载实时监测的方法，利用物联网有效的把静态测重和动态测重结合起来，从而形成了一种动态经常性校正机制，达到了实时监测的目的。采用本方法，不仅具有建造成本低、可移动性强的特点，还具有24小时不间断监测的优点，在车辆行使的情况下，仍然能够利用本方法进行车辆超载实时监测，具有很高的准确度。 

背景技术

国际上许多国家，公路车辆在运输货物的过程中，普遍存在超载现象，且超载车辆比例相当高，超载车辆会对道路造成严重破坏，超载车辆造成的直接经济损失非常严重，同时超载还大量导致交通事故发生。为了避免超载汽车对公路造成过早破坏，发达国家在20世纪50年代就开始对汽车动态称重系统进行研究以控制货运车辆超载运行。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(ECTO)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上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的是在瑞士进行为期30个月的WIM(weighing in motion)动态称重技术系统实际应用测试。1994年，欧盟开始进行WAVE(weighing in motion of axle and vehicles for Europe)计划即著名的CET(cold environment test)测试。为了规范世界上的动态称重系统，1990年德克萨斯大学的学者起草了ASTME1318-90标准，E1318标准给出WIM系统分类，并给出相应的WIM系统的验收标准，该标准通过了美国实验及材料协会(ASTM)标准委员会的认定。目前，国外汽车动态称重系统的研究以美国和德国水平较高，德国PAT公司生产的产品精度已达到±3％。 

目前采用的车辆超载监测的方法之一是：治超监测站的车辆载重监测。治超监测站称重方式主要有两种，一种是静态监测，静态测量时的车辆称重正好等于静态车辆的地心引力，这种称重方式是最准确的方法。但是，这种传统的称重方式有它自身的缺点，一方面，需要在路边或路口设置专门的场地或称重站，测量效率较低，需要工作人员对车辆进行预选，无法实现对所有车辆的24小时不停车监控，且易引起交通堵塞。另一方面，由于静态称重规模大、成本高、携带不便，引人注目，超载车辆往往以绕道的方式躲避称重检查，造成国家税收的大量流失。另一种是动态监测，即地下安装有基于压力或者压电传感器的称重系统，车辆以一定的速度通过称重台，自动实现载重监测，其优点是提高了载重监测效率，缺点是测 量时车辆运动过程中受随机载荷和冲击载荷以及外界的诸多因素的影响，如空气阻力、驾驶员的操作水平等，这都在相当大的程度上增加了汽车运动的复杂程度，严重影响了称重的客观性和准确性。但现有的动态车辆系统主要是在静态称重基础上改进形成的动态汽车衡，要求汽车通过速度低，且需要开挖道路，安装不方便。澳大利亚实测结果表明，在一条道路上面，永久式称重站测出的超载车辆为0.5％，用动态测重方式竟达30％，差距明显。 

目前采用的车辆超载监测的方法之二是：基于电容传感器车辆载重监测。该监测方式中，将电容传感器安装于车上，采用实验方法对称重系统的静态特性进行标定，其优点是避免停止载重监测，且能对车辆超载监测实时记录，缺点是电容传感器在车辆运行的环境中和位移变化较大时的测量其精度很难保证，另外对每辆车都必须进行载荷-位移标定，不具有普遍适用性。 

目前采用的车辆超载监测的方法之三是：基于无线传输的轮胎状态的车辆载重监测。通过研究汽车行驶时轮胎载荷的变化以及轮胎载荷、气压、温度之间的关系，利用三者关系的数学模型来判断车辆载荷。该方案的优点是可实现车辆超载动态实时监测，具有普遍适用性，缺点是汽车轮胎温度和压力的采集、数据的传输难度较大，采集的精度的也很难保证，对无线传输的技术要求也太高，开发代价大。 

发明内容

目前，车辆载重测量装置成本高、不能实时监测，使其应用范围受到很多的限制，随着科学技术的进步，这种测试装置已不能满足社会的需求。分析比较上面三种监测方案，不难发现车辆超载监测矛盾在于既需要车辆静态测重的准确性，又需要动态测重给车载监测带来的便利性。为此，本研究从这两方面考虑，提出了一种新的车辆超重实时监测方法，解决现有的车辆超载监测无法实时监测的缺欠，以及克服体积大、成本高的困难，本发明利用物联网有效的把静态测重和动态测重结合起来，用动态测重来给出实时车辆载重，用静态测重来给出静态车辆载重并校正车辆载重，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校正车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改。本文利用车辆的钢板弹簧悬架的变形量与车辆载重的对应关系，获得在车辆正常行驶情况下的载重信息，并用在固定监测站(可放在高速路的出入口处)测出的静态载重信息对车辆载重进行校正，设计了一套基于应变称重传感器的物联网的车辆超载动态实时监测系统。 

本发明的特征在于，所述方法依次含有以下步骤： 

步骤(1)车辆实时测重系统的安装：在车辆的车桥上依次安装相互串接的放大器和8位逐次逼近式A/D转换器，共有四组，形成四组检测电路，各组检测电路分别与四个车轮相对应，再在每个车轮的钢板弹簧悬架的中间位置安放四个电阻应变式称重传感器，其中两个固定在钢板弹簧悬架上面，测量受拉应变，两个固定在钢板弹簧悬架下面，测量受压应变，四个电阻应变式称重传感器组成一个电桥电路，再把四个所述电桥电路的输出端与各自对应的一组上述检测电路中的放大器的输入端相连接起来，最后把四个检测电路中的8位逐次逼近式A/D转换器的输出端分别连到安放在车桥上的带有无线发射器和接收器的第一微处理器(1)的输入端； 

步骤(2)车辆实时测重系统中第一微处理器(1)初始化：向所述的第一微处理器(1)输入此车型对应的额定载重G_n； 

步骤(3)利用车辆载重校正系统中带有发射器的第二微处理器(2)进行静态称重：当车辆第一次在重量监测站或高速路口时，使用称重平台对载重车辆进行测量，静态测得此车的载重G₀，通过车辆载重校正系统中第二微处理器(2)的发射器发射到车辆实时测重系统中第一微处理器(1)的接收器，第一微处理器(1)根据公式：F＝σΔL， 

钢板弹簧相关系数，由钢板弹簧厚度h、刚度k和弯曲跨距l决定，ΔL为电阻应变式称重传感器的金属电阻丝的形变长度，算出四个上述车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁₀、F₂₀、F₃₀、F₄₀，再根据车辆的静态载重G₀和四个车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁₀、F₂₀、F₃₀、F₄₀，按照下式进行拟合，求出四个所述车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀：G＝α₁F₁+α₂F₂+α₃F₃+α₄F₄， 

在静态下：α₁＝α₁₀，α₂＝α₂₀，α₃＝α₃₀，α₄＝α₄₀，F₁＝F₁₀，F₂＝F₂₀，F₃＝F₃₀，F₄＝F₄₀，把静态测重下的权重值α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，设定：F₁，第一个前车轮钢板弹簧悬架的承载重量，顺序从左到右，下同；F₂，第二个前车轮钢板弹簧悬架的承载重量；F₃，第三个后车轮钢板弹簧悬架的承载重量；F₄，第四个后车轮钢板弹簧悬架的承载重量；G，车辆的载重； 

步骤(4)在行驶车辆过程中，按照在车辆实时测重系统的第一微处理器(1)中设定的采样时刻，把上一次测得的权重值，作为下一次测量的权重值，按步骤(3)中所述的拟 合式计算出车辆的动态实时载重G₁，再根据步骤(3)中拟合得到的四个车轮钢板弹簧悬架对应的权重，在下一采样时刻重复步骤(3)，直到当车辆平稳行驶时相邻两次测得的权重值α₁₁、α₂₁、α₃₁、α₄₁的变化都在2％～5％的误差范围内，算出此时的车辆载重； 

步骤(5)把步骤(4)测出的载重与跟此车型对应的额定载重G_n进行比较，来判断此车是否超重，若超重，则利用车辆实时测重系统的发射器发射无线报警信号，实现车辆超载的远程监测； 

步骤(6)利用车辆载重校正系统对车辆载重进行校正：当车辆再次通过重量监测站或高速路口时，使用称重平台对载重车辆进行静态测量，按照步骤(3)拟合出四个车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重值，把此次求得静态下的权重值和上次存储的静态权重值求平均得出新的静态下的权重值，存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校正车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改； 

步骤(7)对超重车辆的处理过程：根据车辆实时监测系统提供的载重信息，在重量监测站或高速路口，我们可以对超载车辆引导到专用通道进行处理，而对没有超载的车辆仍可正常行使，这样做就减少了交通阻塞以及正常载重车辆的排队时间。 

本发明提出的车辆超载实时监测方法，其优点主要包括该系统容许车辆正常行驶，不需要人工干预，可以实现24小时不间断在线测量；利用物联网有效的把静态测重和动态测重结合起来，由于采用了动态测重，所以能够实时测重，由于采用静态测重，所以能够准确测重并校正车辆载重，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校正车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改；此方法只需将传感器固定在车上即可，不需要开挖道路，安装方便，也不会对交通产生任何影响；系统体积小，移动方便，不易被违章司机察觉，可以实现实时有效监控。 

附图说明

图1是车辆超重实时监测中的车重实时测重系统。 

图2是车辆超重实时监测中的车辆载重校正系统。 

图3是车辆超重实时监测系统整体框图。 

图4是车辆超重实时监测系统流程图。 

具体实施方式

本发明提出的实时监测车辆超重的方法，包括两个系统： 

第一个是车辆实时测重系统，此系统安装在车上，其所对应的电路原理模块由电桥电路、放大器、A/D转换器和第一微处理器(1)四个部分组成： 

1)电桥电路：固定在车辆的每个钢板弹簧悬架的中间，由四个电阻应变式称重传感器组成，其中两个固定在钢板弹簧悬架上面的中间位置，测量受拉应变，两个固定在钢板弹簧悬架下面的中间位置，测量受压应变，电阻应变式称重传感器测量行驶车辆由于载重引起的钢板弹簧悬架的形变量并转变成电阻改变量，电桥电路把电阻应变式称重传感器的电阻改变量换算成电压的改变量； 

2)放大器：固定在车桥上，因为检测电桥输出的电压改变量很小，要经过放大器放大； 

3)A/D转换器：固定在车桥上，把经过放大的信号进行A/D转换，变成利于下一步处理的数字信号； 

4)第一微处理器(1)：固定在车桥上，根据公式F＝σΔL算出四个上述车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁、F₂、F₃、F₄，再根据G＝α₁F₁+α₂F₂+α₃F₃+α₄F₄和四个上述车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁、F₂、F₃、F₄，拟合出每个钢板弹簧悬架承载重量的权重α₁、α₂、α₃、α₄，主要有三个作用：(1)当车辆第一次经过称重平台，拟合出四个所述车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀，并存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正；(2)根据上次测量所给出的每个钢板弹簧悬架承载重量的权重α₁、α₂、α₃、α₄，算出整个车的实时载重G＝α₁F₁+α₂F₂+α₃F₃+α₄F₄，按照在车辆实时测重系统的第一微处理器(1)中设定的采样时刻，把上一次测得的权重值，作为下一次测量的权重值计算出车辆的实时载重，重复上述过程，直到当车辆平稳行驶时相邻两次测得的权重α₁₁、α₂₁、α₃₁、α₄₁的变化都在2％～5％的误差范围内，把此时计算出的车辆实时载重与跟此车型对应的额定载重G_n进行比较，来判断此车是否超重，若超重，则利用发射器发射无线报警信号，实现车辆超载的远程监测；(3)当车辆再次通过称重平台，利用车辆载重校正系统对车辆载重进行校正：拟合出四个所述车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重，把此次求得静态下的权重值和上次存储的静 态权重值求平均得出新的静态下的权重值，并存储到第一微处理器(1)，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校准车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改；此外第一微处理器(1)还带有发射器和接收器，发射器用来把车辆实时载重以及是否超载的信息发给有关部门，接收器用来接受来自车辆载重校正系统的车辆静态测重信息。 

第二个是车辆载重校正系统，此系统在重量监测站或高速路口，其所对应的原理模块由测重平台和第二微处理器(2)两个部分组成： 

1)测重平台：测量车辆静态载重； 

2)第二微处理器(2)：带有发射器，并把称重平台测得的车辆的静态载重G0通过自身的发射器发射到车辆实时测重系统中第一微处理器(1)的接收器中。 

以下结合附图，详细说明本发明的内容： 

图1是车辆超重实时监测中的车辆实时测重系统电路原理模块。如图1所示，该系统是安装在车上，其中把电阻应变式称重传感器放在车辆的每个车轮的钢板弹簧悬架的中间，测量行驶车辆由于载重引起的钢板弹簧悬架的形变量，钢板弹簧悬架的弹性形变与车辆载重成正比变化，因此弹性体上的应变片阻值也发生正比变化： (其中L为电阻应变式称重传感器的金属电阻丝长度，ΔL为电阻应变式称重传感器的金属电阻丝的形变长度，灵敏度系数μ值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关)，四个电阻应变式称重传感器组成一个电桥电路，其中两个固定在钢板弹簧悬架上面的中间位置，测量受拉应变，两个固定在钢板弹簧悬架下面中间位置，测量受压应变，通过此电桥电路，我们得到与车辆载重成正比的电压信号： 

(U为检测电桥的供电电压，R为电桥电路的电阻，ΔR为电阻应变式称重传感器的阻值变化，ΔU为与车辆载重成正比的电桥电路输出的电压信号)，这就将压力信号通过传感器转换成了电压信号(此时为模拟信号)，电压信号经过放大器放大后，送入8位逐次逼近式A/D转换器组成的A/D转换电路，将其转换成便于下一步处理的数字电压信号，最后将该信号送入第一微处理器(1)处理，第 一微处理器(1)根据模型 (其中F为弹力大小，β为已知常系数， 

为钢板弹簧相关系数，由钢板弹簧厚度h、刚度k和弯曲跨距l决定)，把各个传感器输出的电压(多个车轮)换算成每个车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量：F₁、F₂、F₃、F₄，据上次测量所给出的每个钢板弹簧悬架承载重量的权重α₁、α₂、α₃、α₄，算出整个车的实时载重G＝α₁F₁+α₂F₂+α₃F₃+α₄F₄，按照在车辆实时测重系统的第一微处理器(1)中设定的采样时刻，把上一次测得的权重值，作为下一次测量的权重值，重复上述过程，直到当车辆平稳行驶时相邻两次测得的权重α₁₁、α₂₁、α₃₁、α₄₁的变化都在2％～5％的误差范围内，把此时计算出的车辆实时载重与跟此车型对应的额定载重G_n进行比较，来判断此车是否超重，若超重，则利用发射器发射无线报警信号，实现车辆超载的远程监测。 

图2是车辆超重实时监测中的车辆载重校正系统框图。如图2所示，当车辆在重量监测站或高速路口时，使用地面称重平台对载重物进行静态测量，称重此车的静态载重，把此车的静态载重通过车辆载重校正系统中第二微处理器(2)的发射器发射到车辆实时测重系统中第一微处理器(1)的接收器。当车辆第一次经过称重平台，拟合出四个所述车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀，存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正；当车辆再次通过称重平台，利用车辆载重校正系统对车辆载重进行校正：把此次求得静态下的权重值和上次存储的静态权重值求平均得出新的静态下的权重值，存储起来到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校正车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改。 

根据车辆实时监测系统提供的载重信息，在重量监测站或高速路口，我们可以对超载车辆引用到专用通道进行处理，而对没有超载的车辆仍可正常行使，这样做就减少了交通阻塞以及正常载重车辆的排队时间。 

Claims (1)

1.一种实时监测车辆超载的方法，其特征在于，所述方法含有以下步骤：

步骤(1)车辆实时测重系统的安装：

在车辆的车桥上依次安装相互串接的放大器和8位逐次逼近式A/D转换器，共有四组，形成四组检测电路，各组检测电路分别与四个车轮相对应，再在每个车轮的钢板弹簧悬架的中间位置安放四个电阻应变式称重传感器，其中两个固定在钢板弹簧悬架上面，测量受拉应变，两个固定在钢板弹簧悬架下面，测量受压应变，四个电阻应变式称重传感器组成一个电桥电路，再把四个所述电桥电路的输出端与各自对应的一组上述检测电路中的放大器的输入端相连接起来，最后把四个检测电路中的8位逐次逼近式A/D转换器的输出端分别连到安放在车桥上的带有无线发射器和接收器的第一微处理器(1)的输入端；

步骤(2)车辆实时测重系统中第一微处理器(1)初始化：

向所述的第一微处理器(1)输入此车型对应的额定载重G_n；

步骤(3)利用车辆载重校正系统中带有发射器的第二微处理器(2)进行静态称重：

当车辆第一次在重量监测站或高速路口时，使用称重平台对载重车辆进行测量，静态测得此车的载重G₀，通过车辆载重校正系统中第二微处理器(2)的发射器发射到车辆实时测重系统中第一微处理器(1)的接收器，第一微处理器(1)根据公式：

F＝σΔL，

为钢板弹簧相关系数，由钢板弹簧厚度h、刚度k和弯曲跨距l决定，ΔL为电阻应变式称重传感器的金属电阻丝的形变长度，

算出四个上述车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁₀、F₂₀、F₃₀、F₄₀，再根据车辆的静态载重G0和四个车轮钢板弹簧悬架的各自的承载重量F₁₀、F₂₀、F₃₀、F₄₀，按照下式进行拟合，求出四个所述车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀：

G＝α₁F₁+α₂F₂+α₃F₃+α₄F₄，

在静态下：α₁＝α₁₀，α₂＝α₂₀，α₃＝α₃₀，α₄＝α₄₀，F₁＝F₁₀，F₂＝F₂₀，F₃＝F₃₀，F₄＝F₄₀，把静态测重下的权重值α₁₀、α₂₀、α₃₀、α₄₀存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，设定：F₁，第一个前车轮钢板弹簧悬架的承载重量，顺序从左到右，下同；F₂，第二个前车轮钢板弹簧悬架的承载重量；F₃，第三个后车轮钢板弹簧悬架的承载重量；F₄，第四个后车轮钢板弹簧悬架的承载重量；G，车辆的载重；

步骤(4)在行驶车辆过程中，按照在车辆实时测重系统的第一微处理器(1)中设定的采样时刻，把上一次测得的权重值，作为下一次测量的权重值，按步骤(3)中所述的拟合式计算出车辆的动态实时载重G₁，再根据步骤(3)中拟合得到的四个车轮钢板弹簧悬架对应的权重，在下一采样时刻重复步骤(3)，直到当车辆平稳行驶时相邻两次测得的权重值α₁₁、α₂₁、α₃₁、α₄₁的变化都在2％～5％的误差范围内，算出此时的车辆载重；

步骤(5)把步骤(4)测出的载重与跟此车型对应的额定载重G_n进行比较，来判断此车是否超重，若超重，则利用车辆实时测重系统的发射器发射无线报警信号，实现车辆超载的远程监测；

步骤(6)利用车辆载重校正系统对车辆载重进行校正：

当车辆再次通过重量监测站或高速路口时，使用称重平台对载重车辆进行静态测量，按照步骤(3)拟合出四个车轮钢板弹簧悬架在静态下的权重值，把此次求得静态下的权重值和上次存储的静态权重值求平均得出新的静态下的权重值，存储到第一微处理器(1)中，用于下面的动态测重和车辆再次经过称重平台时的车辆载重校正，即每经过一次称重平台调整校正一次车轮承载重量的权重值，从而达到动态经常性校正车辆载重的目的，有效防止了因长时间不校正引起的测重误差及测重数据篡改。

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