CN103852147B - 一种联体式矫正违规行驶的动态称重系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种联体式矫正违规行驶的动态称重方法，通过联体式称重平台的拉杆限位装置上增加水平力(拉力/压力)传感器，用于检测行车方向称重平台的水平受力情况，与称重传感器一起形成对称重平台进行水平方向、垂直方向全方位的力学检测，通过作弊识别和重量补偿模型以及轴组平衡补偿算法，以此提升原有的动态称重系统的矫正车辆违规行驶的性能，有效地抑制跳磅、S型、点刹等作弊行为。

Description

一种联体式矫正违规行驶的动态称重系统及方法

技术领域

本发明涉及动态称重领域，特别涉及一种应用于高速公路等道路上的联体式矫正违规行驶的动态称重系统及方法。

背景技术

我国自展开超限治理以来，国内计重收费、超限检测设备应运而生，超载超限的治理收到了良好的效果。但随着计重收费、超限检测设备在国内的广泛应用，货车司机逐渐摸索出一些降低称重数据的作弊方法，以逃避正常缴费，目前，现有动态称重系统只能检测称重平台垂直方向的受力情况，也就是检测轴载荷，不能够检测行车方向称重平台的水平受力情况。而通过根据垂直方向受力分析得到的经验模型和重量补偿模型进行作弊行为的自动识别和重量补偿的风险较大，作弊行为识别准确率和重量补偿精度完全受称重传感器制约，可靠性较低。主要有以下几种缺点和不足：

1.跳磅过秤，车辆前轮停在称重平台边缘，货车司机踩住刹车并加大油门，待车辆达到高速(一般为3000转以上)后，突然放开刹车及手刹，车头猛然跃起，使车辆前轴从称重平台上掠过，造成车辆重心后移，前轴重量减轻，对于目前动态称重领域特别是称重台面短的称重产品就无法捕捉到其真实重量，并且由于无法检测到水平力就无法检测到车轮下落到秤台时的水平力来对车辆行为进行判断。

2.点刹(拖秤)，车辆以较快的速度(一般＞20公里/小时，＜30公里/小时)通过称台，当后轮快接近称重平台时，司机猛踩刹车，车身前倾，重心前移，后轮顺势滑过称重平台。车轮在刹车时会与秤台面产生很大的摩擦力，目前的动态称重领域的称重系统无法检测到水平力，就无法捕捉到车轮与秤台的摩擦力，从而导致无法识别这种作弊方法。而不采用差分方式进行水平力的处理就会出现秤台长时间使用拉近传感器导致误判率极高的情况。

3.S型过秤，车辆先靠近车道右侧行驶，通过称重平台时从右向左使车辆保持向左前侧方向缓慢移动，当车前轮(转向轮)通过称重平台时，司机猛打方向盘，使车身保持向右前侧方向缓慢移动，直至车辆完全通过称重平台。车辆在超宽车道走S型通过称重区时，称重信息容易丢轴丢重量。车轮在秤台上转向时会产生很大的水平力，目前的动态称重领域特别是称重台面短的称重系统无法检测到水平力，就无法捕捉到车轮与秤台的摩擦力，从而会产生很大的称重误差。

通过分析，车辆在通过称重装置时，称重平台所受的水平力对建立作弊识别模型和重量补偿模型具有很高的参考价值。通过对称重平台进行力学分析，利用其所受的垂直力和水平力能够建立更为合理准确的车辆动力学模型，能够提高作弊识别模型和重量补偿模型的可靠性，提高作弊行为识别准确率和重量补偿精度。

发明内容

本发明提供了一种联体式矫正违规行驶的动态称重系统，通过在原有的动态称重系统的拉杆限位装置上安装水平力(拉力/压力)传感器，并通过数据采集控制器处理水平力(拉力/压力)传感器和称重传感器检测到的信号、识别作弊行为、生成修正系数修正最终重量。本系统能够有效的解决过秤车辆作弊造成重量损失这一问题，可以有效的抑制车辆跳磅过秤、S型过秤、点刹(拖秤)等作弊行为，从而提高车辆称重的准确性。本发明提供了一种联体式矫正违规行驶的动态称重方法，通过在联体式称重平台的拉杆限位装置上增加水平力(拉力/压力)传感器，用于检测行车方向称重平台的水平受力情况，与称重传感器一起形成对称重平台进行水平方向、垂直方向全方位的力学检测，通过作弊识别和重量补偿模型以及轴组平衡补偿算法，以此提升原有的动态称重系统的矫正车辆违规行驶的性能。本系统能够有效的解决过秤车辆作弊造成重量损失这一问题，可以有效的抑制车辆跳磅过秤、S型过秤、点刹(拖秤)等作弊行为，从而提高车辆称重的准确性。

本发明的目的是，提供一种具有矫正车辆违规行驶功能的动态称重方法，本方法在原有动态称重系统的基础上，在拉杆限位装置上增加水平力(拉力/压力)传感器，用于检测行车方向称重平台的水平受力情况，与称重传感器一起形成对称重平台进行水平方向、垂直方向全方位的力学检测，通过差分方法分析两只水平拉力传感器的受力来消除由于称台位置变化所产生的外力影响，并通过建立的动力学模型对称重重量进行补偿，所述动力学模型是利用车辆通过称台时能够得到指定轴的加减速度，再根据后轴重量、空载重量、水平行车方向受力及加速度大小来建立的，再结合不同车型不同载荷行驶的轴重模型和水平行车方向受力，从而得到更为精确的重量补偿模型，对称重重量进行适当的补偿或修正，减少称重损失。

本具有矫正车辆违规行驶功能的动态称重系统和方法通过对称重平台所受的垂直力和水平力、车型、轴组类型、车速、轴速、左右偏载特征等数据进行分析，提取作弊车辆特征，通过采集车辆运动特征建立神经网络模型的技术路线，在算法实现的过程中将上述特征作为权重参数建立模型，实现自动识别车辆不规范过秤的作弊行为。重量补偿模型是通过对称重平台所受的垂直力和水平力进行分析并建立车辆动力学模型的方法实现，车辆通过称台时能够得到指定轴的加减速度，再根据后轴重量、空载重量、水平行车方向受力及加速度大小可以建立动力学模型从而得到参考轴重，再结合不同车型不同载荷行驶的轴重模型和水平行车方向受力，从而得到更为精确的重量补偿模型，对称重重量进行适当的补偿或修正，减少称重损失。

车辆的轴组平衡补偿算法：当中间轴上称时，弹簧发生形变，形变量为h。此时，中间轴受到的支持力减小，分担到左右两根轴上，导致左右两根轴受到的压力增加，悬架位置下降了x1。有第一个轮重量减少量等于后面两个轮重量增加量，并假设微小形变下弹性系数不变，则有

k(h-x₁)＝kx₁+kx₁(1)

解出

当两个轮同时在称上时，同样两根轴重量的减少量主要分担到第三根轴上，悬架位置下降了x2。两个轮重量减少量近似等于第三个轮重量增加量，同样假设微小形变下弹性系数不变，有

k(h-x₂)+k(h-x₂)＝kx₂(2)

解出

由于称量时发生弹性形变，第1、2轴同时在称上的真实重量G_z1真应为称量重量G_z1加上补偿量，即

G_z1真＝G_z1+2(h-x₂)k(3)

同理，每个轴的分别称量时的真实重量G_1真、G_2真分别为

G_1真＝G₁+(h-x₁)k(4)

G_2真＝G₂+(h-x₁)k(5)

则G_z1真＝G_1真+G_2真(6)

通过公式(1)～(6)即可解出弹性系数k值，即

$k=\frac{3(G_{z1}-G_1-G_2)}{2h}---\left(7\right)$

同理，对于第2、3轴

$k=\frac{3(G_{z2}-G_2-G_3)}{2h}---\left(8\right)$

(7)与(8)合并后得，

$k=\frac{3(G_{z1}+G_{z2}-G_1-2G_2-G_3)}{4h}$

由此算出每根轴的真实重量为：

三联轴总重为：

本发明的优点和有益效果为：

在原有的动态称重系统的拉杆限位装置上安装2只水平力(拉力/压力)传感器，既能起到限位作用，又能起到通过水平力(拉力/压力)传感器检测行车方向称重平台的受力情况，形成对称重平台的全方位的力学检测，能够建立更为可靠、准确的作弊识别模型和重量补偿模型，以提高作弊行为识别准确率和重量补偿精度，并且两只水平力(拉力/压力)传感器分别感知上下秤端的两个方向的水平力利用差分特性消除了由于秤台位置变化所产生的外力影响，避免了单方向测力带来的误判和精度不高等缺陷。轴组平衡补偿算法能够减少目前其他结构的衡器所具有车道的车型差异缺陷。

附图说明

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的结构示意图；

图2为本发明的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的拉杆限位装置结构图；

图3为本发明的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的结构框图；

图4为本发明的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的工作流程图；

图5为本发明的联体式矫正违规行驶的动态称重系统过车时车辆的受力情况。

图1中：100.轮轴识别器102.框架103.称重平台105.线圈

1040、1041.红外线车辆分离器1061、1062纵向拉杆限位

107.数字接线盒108.数据采集控制器

1063a、1063b.带水平力(拉力/压力)传感器的横向限位

1030a、1030b、1031a、1031b、1032a、1032b.称重传感器

图2中：200.开口销202.拉杆固定座201.拉力传感器

203.关节轴承205.销轴

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明如下。

实施例：

如图1所示，本实施例的联体式矫正违规行驶的动态称重系统在原有动态称重系统的基础上，通过改进称重平台拉杆限位装置，在拉杆限位上安装水平力(拉力/压力)传感器，增加检测称重平台水平受力情况，达到对称重平台水平方向、垂直方向全方位力学检测分析的目的，依据其可建立更为可靠、准确的作弊识别模型识别作弊行为，通过轴组平衡补偿算法重量补偿模型，以此提高原有的动态称重系统的矫正车辆违规行驶的功能。

本具有矫正车辆违规行驶功能的动态称重系统包括：称重平台(103)、数据采集控制器(108)、数字接线盒(107)、红外线车辆分离器(1040、1041)、轮轴识别器(100)、线圈检测器(105)和必要的辅助材料、设备等。

本实施例的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的称重平台部分主要包括联体式称重平台(103)、称重平台框架(102)、限位装置(1061、1062、1063)、称重传感器(1030、1031、1032)。上秤端称重平台的四个角支点以及中线上设置有3组称重传感器(第一组：1030a、1030b；第二组：1031a、1031b；第三组：1032a、1032b)。

称重平台框架102用于安装固定上秤端平台、下秤端平台、称重传感器(1030a、1030b、1031a、1031b、1032a、1032b)、限位装置(1061、1062、1063)。

限位装置为纵向限位(1061、1062、1063)纵向限位(1061、1062、1063)为拉杆限位，每台秤需要四个拉杆限位装置，其中2个拉杆限位装置上装有水平力(拉力/压力)传感器(1063)，作为水平力检测传感器，用于检测称重平台所受的水平拉力及采集相关数据，通过数据采集控制器(108)修正称重重量。

如图2所示，拉杆限位由两个开口销(200)，两个拉杆固定座(202)，一个水平力(拉力/压力)传感器(201)，两个关节轴承(203)，两个销轴(205)组成，其中一个拉杆固定座安装固定在称重平台上，另一个拉杆固定座安装固定在称重平台框架(102)上。

如图3所示，数字接线盒(107)与称重传感器(1030a、1030b、1031a、1031b、1032a、1032b)、拉杆限位上的2个水平力检测传感器(1063)、轮轴识别器(100)、红外线车辆分离器(1040、1041)和数据采集控制器(108)相连接，用于将各种数据传送给数据采集控制器(108)。数据采集控制器(108)包括：数据生成单元，用于根据各轴对称重平台产生的垂直压力与水平拉力和对应的轴型信号生成各轴的动态称重数据和轴型数据；有效数据获取单元，用于对动态称重数据进行处理获取轴重有效数据；三角函数逼近单元，用于对轴重有效数据进行三角函数逼近处理获取轴重基准数据和修正数据；防作弊处理单元，用于对称重传感器和拉力传感器等数据进行分析、处理，识别作弊行为并得出修正系数；轴重输出单元，用于根据轴型数据、轴重基准数据、修正数据以及收尾信号获取被称重车辆的轴重、轴型、轴组重、轴速等车辆信息，并输出车辆信息。

本实施例的动态称重系统和方法包括：采用两块互相搭接的称重平台承载驶过的被称重车辆；获取两块称重平台下三组称重传感器(1030a、1030b、1031a、1031b、1032a、1032b)采集的被称重车辆各轴的轴载信号；在四只拉杆限位装置中的两只上安装水平力(拉力/压力)传感器(1063)，获取一组共2只水平力(拉力/压力)传感器(1063)采集的被称重车辆对称重平台受到的水平力；根据称重平台所受的垂直力和水平力、车型、轴组类型、车速、轴速、左右偏载特征等数据进行分析，识别作弊行为并得出重量修正系数，生成被测车辆的轴重数据。

被称重车辆沿图1所示的行车方向行驶，车辆首先通过轮轴识别器(100)，并判断车辆胎型；然后通过上秤端平台(103)和红外线车辆分离器(1040、1041)，并对称重平台(103)产生压力，同时对第一组称重传感器(1030a、1030b)和第二组称重传感器(1031a、1031b)开始采集称重数据；然后通过下称端平台，并对第三组称重传感器(1032a、1032b)开始采集称重数据。在车辆通过联体式称重平台(103)过程中，拉杆限位上的水平力检测传感器(1063)开始采集数据，通过数据采集控制器(108)分析处理数据，判断车辆是否作弊并根据作弊情况得出修正系数；然后通过线圈检测器(100)并被触发。

在红外线车辆分离器(1040、1041)触发期间，称重平台的各个称重传感器和防作弊传感器输出波形；当数据采集控制器(100)收到数字接线盒(107)发出的数据时，经过分析出来相关数据、波形，得出轴型、胎型、修正后的轴重等信息，并根据两块称重平台采集的称重数据的时序关系分辨出被称重车辆的行驶状态。

如图4所示，为本实施例的联体式矫正违规行驶的动态称重系统的工作流程图，首先通过轮轴识别器2检测通过称重平台的胎型，并通过红外线车辆分离器(1040、1041)、称重传感器(1030a、1030b、1031a、1031b、1032a、1032b)、纵向限位上的二个水平力检测传感器(1063a、1063b)、数据采集控制器(108)、轮轴识别器(100)采集生成轴重、轴速、胎型等信息，并将这些信息存入缓存器，并最终上传数据。

本实施例的矫正车辆违规行驶方法是：通过对称重平台所受的垂直力和水平力、车型、轴组类型、车速、轴速、左右偏载特征等数据进行分析，提取作弊车辆特征，通过采集车辆运动特征建立神经网络模型的技术路线，在算法实现的过程中将上述特征作为权重参数建立模型，实现自动识别车辆不规范过秤的作弊行为。轴组平衡补偿算法采用如下公式计算联轴轴组真实重量：

G_总为联轴轴组平衡补偿后的重量，G_z1为联轴轴1、轴2的共称称量重量，G_z2为联轴轴2、轴3的共称称量重量，G₁，G₂，G₃分别为联轴轴1、轴2、轴3的称量重量。是通过对轴载荷与水平行车方向受力进行分析并建立车辆动力学模型的方法实现，车辆通过称台时能够得到指定轴的加减速度，再根据后轴重量、空载重量、水平行车方向受力及加速度大小可以建立动力学模型从而得到参考轴重，再结合不同车型不同载荷行驶的轴重模型和水平行车方向受力，从而得到更为精确的重量补偿模型，对称重重量进行适当的补偿或修正，减少称重损失。

其中，轴组平衡补偿算法的推导过程如下：

车辆的轴组平衡补偿算法：当中间轴上称时，弹簧发生形变，形变量为h。此时，中间轴受到的支持力减小，分担到左右两根轴上，导致左右两根轴受到的压力增加，悬架位置下降了x1。有第一个轮重量减少量等于后面两个轮重量增加量，并假设微小形变下弹性系数不变，则有

k(h-x₁)＝kx₁+kx₁(1)

解出

当两个轮同时在称上时，同样两根轴重量的减少量主要分担到第三根轴上，悬架位置下降了x2。两个轮重量减少量近似等于第三个轮重量增加量，同样假设微小形变下弹性系数不变，有

k(h-x₂)+k(h-x₂)＝kx₂(2)

解出

由于称量时发生弹性形变，第1、2轴同时在称上的真实重量G_z1真应为称量重量G_z1加上补偿量，即

G_z1真＝G_z1+2(h-x₂)k(3)

同理，每个轴的分别称量时的真实重量G_1真、G_2真分别为

G_1真＝G₁+(h-x₁)k(4)

G_2真＝G₂+(h-x₁)k(5)

则G_z1真＝G_1真+G_2真(6)

通过公式(1)～(6)即可解出弹性系数k值，即

$k=\frac{3(G_{z1}-G_1-G_2)}{2h}---\left(7\right)$

同理，对于第2、3轴

$k=\frac{3(G_{z2}-G_2-G_3)}{2h}---\left(8\right)$

(7)与(8)合并后得，

$k=\frac{3(G_{z1}+G_{z2}-G_1-2G_2-G_3)}{4h}$

由此算出每根轴的真实重量为：

三联轴总重为：

本实施例防作弊传感器防作弊原理如下：

如图5所示，汽车车轮正常行驶上秤时，车轮相对于秤台台面的运动为滚动，此时车轮会对秤台台面产生与行驶方向相同的滚动摩擦力F滚，摩擦力公式F滚＝G*f滚，其中f滚为摩擦系数。认为同一辆车的轮胎规格基本相同，即当车辆正常过秤时，各轴的摩擦系数基本相同。若车辆的某一车轮通过秤台台面时车辆点刹，点刹时车轮抱死，此时车轮相对于秤台台面的运动为滑动，车轮对秤台台面产生的与行驶方向相同的滑动摩擦力F滑＝G*f滑，其中f滑为摩擦系数，对于车轮有f滑>f滚，因此可以通过采集车轮在水平方向的摩擦力F以及竖直方向的力G，计算出车轮的摩擦系数fn，并通过对比fn的大小实现对车轮点刹的判别。

在车辆通过秤台的过程中，水平方向的摩擦力由两组防作弊传感器采集到，通过采集到的摩擦力与轮重计算出摩擦系数fn，设置阈值η，若后轴fn与前轴fn的比值k小于该阈值，则可以判别出该车后轴通过秤台台面时有点刹现象。若判定为点刹后，根据摩擦系数的差值Δf以及车重等信息能够对车辆重量进行修正。

本实施例的车辆动态称重方法能够对所有通过车道的车辆进行动态称重，可以根据三组称重传感器采集的称重平台所受的的时序关系判断出被称重车辆在两块称重平台上的行驶状态。由于车轴通过不同称重平台与通道的时刻不同，轴载数据存在一定时间差，还可以对称重精度起到一定的补偿作用。本发明方案不仅能大大提高称重的精度，还能有效地区分倒车、轴型、胎型，判断作弊行驶，防止因为不正常行驶造成的车辆称重信息部分或者全部丢失等现象的发生。

Claims (3)

1.一种联体式矫正违规行驶的动态称重方法，其特征是联体式称重平台的拉杆限位装置上增加水平力传感器，用于检测行车方向称重平台的水平受力情况，与称重传感器一起形成对称重平台进行水平方向、垂直方向全方位的力学检测，通过作弊识别和重量补偿模型以及轴组平衡补偿算法，以此提升原有的动态称重系统的矫正车辆违规行驶的性能；

上述作弊识别方法具体为：通过对称重平台所受的垂直力和水平力、车型、轴组类型、车速、轴速、左右偏载特征数据进行分析，提取作弊车辆特征；将上述特征作为权重参数建立神经网络模型，实现自动识别车辆不规范过秤的作弊行为；

上述重量补偿方法具体为：车辆通过秤台时能够得到指定轴的加减速度，根据后轴重量、空载重量、水平行车方向受力及加速度大小建立动力学模型得到参考轴重；结合不同车型不同载荷行驶的轴重模型和水平行车方向受力，从而得到更为精确的重量补偿模型。

2.如权利要求1所述的一种联体式矫正违规行驶的动态称重方法，其特征是所述水平力传感器通过检测行车方向称重平台的水平受力情况，利用差分方法消除了由于称台位置变化所产生的外力影响，避免了单方向测力带来的误判和精度不高的缺陷。

3.如权利要求1所述的一种联体式矫正违规行驶的动态称重方法，其特征是所述轴组平衡补偿算法采用如下公式计算联轴轴组真实重量：

其中，G_总为联轴轴组平衡补偿后的重量，G_z1为联轴轴1、轴2的共称称量重量，G_z2为联轴轴2、轴3的共称称量重量，G₁，G₂，G₃分别为联轴轴1、轴2、轴3的称量重量。