CN105021266B - 动态称重系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动态称重系统，不仅能够准确地计算出车辆在各种行驶速度下的重量，还能够提高传统低速称重设备在车辆速度较高的情况下称重的准确度。所述系统包括：称重模块和重量计算模块；其中，所述称重模块，用于实时采集待测车辆的重量信号，并传输给所述重量计算模块，所述重量计算模块，用于根据所述称重模块传输的待测车辆的重量信号，计算出待测车辆的行驶速度speed，并根据所述待测车辆的行驶速度speed和所述待测车辆的重量信号计算待测车辆的重量W。
Description
技术领域
本发明涉及动态称重技术领域，具体涉及一种动态称重系统。
背景技术
动态称重技术的应用已经十分广泛，目前，全国范围内的动态称重车道已经超过2万条。动态称重技术有低速称重和高速称重之分。低速称重目前的应用较为广泛，技术较为成熟，称重精度也较高，是国内主流的动态称重方法，目前国内绝大部分计重收费站点采用的是低速称重设备及技术。低速称重中多采用单称台、联体称、整车称等内嵌传感器的称体作为称重设备。此类设备是多个独立的称重传感器嵌入到一块(或多块)称体结构(多为钢结构)中，称重台面的面积一般远大于轮胎的接地面积，车辆的一个轴或多个轴甚至整辆车都可以完全行驶在称重台面上，因此低速称重设备多为轴重称或者整车称。车辆行驶时通过称体结构对传感器产生压力，从而可以采集到相关信号并计算车辆重量。如图1所示，为传统低速称台采集到的一辆两轴车的波形信号，由于低速设备的称重区域一般远大于轮胎的接地面积，故对各路传感器进行加和计算后，波形上会形成一条近似反映重量信息的曲线，如图1中红色线条所示。其中，红色曲线的ab段表示车轴正在驶入称台，bc段表示车轴完全进入称台，cd段表示车轴正在驶离称台。目前，多采用bc段的信息进行车辆的重量计算。
低速称重设备一般是将多个独立的传感器嵌入到称台结构当中从而组合成为一个较宽的称重台面，允许车辆整个轴甚至整辆车能够完全行驶在称重台面的称重区域。但是，这种结构具有一个固有的很难避免的缺陷，那就是当车辆速度较快时(大于15km/h)，这种嵌入式的结构和较宽的称重台面，将导致传感器出现较大震动，相关波形如图2所示。结合上文描述，在高速情况下，若仍然采用传统的bc段计算重量的方法，将严重影响称重结果，导致称重不准。
高速称重设备主要应用在高速公路、国省道等自由流通行的道路断面上。其采用的传感器与低速设备不同，多为一体式的称重传感器，即：称体本身即为称重传感器。此类设备尺寸较小，多呈条状，一般其称重区域要远远小于车辆轮胎的接地面积，因此高速称重设备多为不完全称重设备。目前应用较为广泛的高速称重条状传感器有窄条、石英、压电膜等。如图3所示为条状传感器采集到的一辆两轴车的波形信号。由于高速设备的称重区域一般远小于轮胎的接地面积，故采集到的此类设备的波形一般较为陡峭，且有一个明显的波峰。图中，e点为车辆的上称点，f点为车辆的下称点。目前，多采用ef段波形的积分与车辆的速度的乘积来计算此段波形所反映的重量信息。
如图4所示，高速称重设备一般采用多根条状传感器联合布局的方式，由于条状传感器的称重区域面积要远小于轮胎的接地面积，故可以精确得到轮胎触发前后传感器的时刻t1和t2，其中，传感器1的触发时刻t1＝(T1+T2)/2，T1代表传感器1的上称时刻，T2代表传感器1的下称时刻，t2的计算与之类似。有了t1与t2再结合传感器之间的固定距离L，很容易计算出车辆的精确速度v，v＝L/(t2-t1)。
而对于高速称重设备而言，其相比于低速称重设备体积很小，且为一体式的设计，无嵌入式安装结构，故即使车辆在高速(大于80km/h)行驶状态下，传感器的震动依然很小，可以忽略不计。
高速称重设备在减少尺寸以适应高速自由流应用要求的前提下，也牺牲了一部分称重精度。在车辆速度较低时(小于20km/h)，低速称重设备的精度要远远优于高速称重设备，但是如前文所述，在车辆速度较高时，低速称重设备却不能准确地对车辆进行称重。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种动态称重系统，不仅能够准确地计算出车辆在各种行驶速度下的重量，还能够提高传统低速称重设备在车辆速度较高的情况下称重的准确度。
为此目的，本发明提出一种动态称重系统，包括：
称重模块和重量计算模块；其中，
所述称重模块，用于实时采集待测车辆的重量信号，并传输给所述重量计算模块，包括称台框架、称重台面、第一低速应变式传感器、第二低速应变式传感器、第三低速应变式传感器、第四低速应变式传感器、第五高速条状传感器和第六高速条状传感器，所述第一低速应变式传感器、第二低速应变式传感器、第三低速应变式传感器和第四低速应变式传感器嵌入式安装在所述称重台面下，所述称重台面固定在所述称台框架上，所述第五高速条状传感器和第六高速条状传感器嵌入在所述称台框架中，所述第五高速条状传感器和第六高速条状传感器位于所述称重台面两侧，并且互相平行；
所述重量计算模块，用于根据所述称重模块传输的待测车辆的重量信号，计算出待测车辆的行驶速度speed，并根据所述待测车辆的行驶速度speed和所述待测车辆的重量信号计算待测车辆的重量W，计算公式为
speed1、speed2和speed3为速度阈值，f为预设参数，mi为低速应变式传感器采集的待测车辆完全上称波形区域的信号幅值，n1为低速应变式传感器完全上称区域的采样点数，si为低速应变式传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n2为低速应变式传感器上称区域的采样点数，k1为第一增益系数，hj为高速条状传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n3为高速条状传感器上称区域的采样点数，k2为第二增益系数。
本发明实施例所述的动态称重系统，对于行驶速度在不同速度范围内的车辆，采用不同的计算公式计算其重量，在车辆行驶速度小于speed1时，因车辆的速度较不稳定，这时采用现有的低速称重设备的低速应变式传感器采集到的车辆完全上称波形的幅值即代表车辆的重量，因而相较于利用车辆速度和车辆上称波形的现有的高速称重设备的重量计算，采用摒弃车辆速度、利用车辆完全上称波形的现有的低速称重设备的重量计算公式，能够准确地计算车辆的重量；在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时，因车辆的速度较小且较稳定，使得低速应变式传感器的震动较弱，这就使得采用现有的高速称重设备的重量计算方法计算出的车重相较于低速称重设备更为准确；在车辆行驶速度不小于speed2且不大于speed3时，车辆会使低速应变式传感器的震动较强，这时采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式和现有的高速称重设备的重量计算公式相结合的方法来计算车重，能够中和采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式计算出的车重的误差；在车辆行驶速度大于speed3时，车辆会使低速应变式传感器剧烈震动，这时采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式进行车重的计算已然不合适，而采用现有的高速称重设备的重量计算公式则能够准确地计算出车重，即本发明相较于现有的低速称重设备，融合了高速称重设备和低速称重设备的优点，因而不仅能够准确地计算出车辆在各种行驶速度下的重量，还能够提高传统低速称重设备在车辆速度较高的情况下称重的准确度。
附图说明
图1为一种低速称采集到的两轴车的重量波形信号；
图2为车辆高速行驶时低速称重设备采集到的波形；
图3为一种高速称重设备采集到的两轴车的重量波形信号；
图4为一种典型高速称重设备的速度计算示意图；
图5为本发明动态称重系统一实施例的结构示意图；
图6为本发明动态称重系统另一实施例的部分结构示意图；
图7为一种典型低速称重设备的速度计算示意图；
图8为传统低速称重设备高速(大于20km/h)称重精度散点分布图；
图9为本发明动态称重系统高速(大于20km/h)称重精度散点分布图；
图10为传统低速称重设备在车辆点刹作弊时的精度分布散点图；
图11为本发明动态称重系统在车辆点刹作弊时的精度分布散点图；
图12为传统低速称重设备在车辆跳称作弊时的精度分布散点图；
图13为本发明动态称重系统在车辆跳称作弊时的精度分布散点图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图5所示，本实施例公开一种动态称重系统，包括：
称重模块A和重量计算模块B；其中，
所述称重模块A，用于实时采集待测车辆的重量信号，并传输给所述重量计算模块，包括称台框架7、称重台面8、第一低速应变式传感器1、第二低速应变式传感器2、第三低速应变式传感器3、第四低速应变式传感器4、第五高速条状传感器5和第六高速条状传感器6，所述第一低速应变式传感器1、第二低速应变式传感器2、第三低速应变式传感器3和第四低速应变式传感器4嵌入式安装在所述称重台面8下，所述称重台面固定在所述称台框架7上，所述第五高速条状传感器5和第六高速条状传感器6嵌入在所述称台框架7中，所述第五高速条状传感器5和第六高速条状传感器6位于所述称重台面8两侧，并且互相平行；
所述重量计算模块B，用于根据所述称重模块A传输的待测车辆的重量信号，计算出待测车辆的行驶速度speed，并根据所述待测车辆的行驶速度speed和所述待测车辆的重量信号计算待测车辆的重量W，计算公式为
speed1、speed2和speed3为速度阈值，f为预设参数，mi为低速应变式传感器采集的待测车辆完全上称波形区域的信号幅值，n1为低速应变式传感器完全上称区域的采样点数，si为低速应变式传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n2为低速应变式传感器上称区域的采样点数，k1为第一增益系数，hj为高速条状传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n3为高速条状传感器上称区域的采样点数，k2为第二增益系数。
如图5所示，本发明动态称重系统的称台结构由称台框架、称重台面、一定数量的应变式传感器和一定数量的高速条状传感器组成，其中，应变式传感器与传统的低速称重设备的应变式传感器相同，嵌入到称重台面下方；高速条状传感器则嵌入到称台框架结构中，呈一定规则排列。
图5中，条状传感器与应变式传感器之间是相互独立的，传感器1-4为传统低速应变式传感器；传感器5-6为高速称重条状传感器，嵌入到称台框架当中，以保证其稳定，避免称重台面的震动对其造成影响,保证车辆的左侧轮胎和右侧轮胎都至少有1根传感器能够采集到其重量信号。传感器5-6的数量可按照称重精度、框架宽度、传感器宽度自由选择，但要求称台前方和后方都至少有一条条状传感器，且传感器之间要互相平行，若在车辆高速状态下要达到较高的精度，可相应增加条状传感器的数量，如图6所示是动态称重系统的称台结构的另一种可行性方案。
本发明实施例所述的动态称重系统，对于行驶速度在不同速度范围内的车辆，采用不同的计算公式计算其重量，在车辆行驶速度小于speed1时，因车辆的速度较不稳定，这时采用现有的低速称重设备的低速应变式传感器采集到的车辆完全上称波形的幅值即代表车辆的重量，因而相较于利用车辆速度和车辆上称波形的现有的高速称重设备的重量计算，采用摒弃车辆速度、利用车辆完全上称波形的现有的低速称重设备的重量计算公式，能够准确地计算车辆的重量；在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时，因车辆的速度较小且较稳定，使得低速应变式传感器的震动较弱，这就使得采用现有的高速称重设备的重量计算方法计算出的车重相较于低速称重设备更为准确；在车辆行驶速度不小于speed2且不大于speed3时，车辆会使低速应变式传感器的震动较强，这时采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式和现有的高速称重设备的重量计算公式相结合的方法来计算车重，能够中和采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式计算出的车重的误差；在车辆行驶速度大于speed3时，车辆会使低速应变式传感器剧烈震动，这时采用在车辆行驶速度不小于speed1且不大于speed2时的重量计算公式进行车重的计算已然不合适，而采用现有的高速称重设备的重量计算公式则能够准确地计算出车重，即本发明相较于现有的低速称重设备，融合了高速称重设备和低速称重设备的优点，因而不仅能够准确地计算出车辆在各种行驶速度下的重量，还能够提高传统低速称重设备在车辆速度较高的情况下称重的准确度。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，所述重量计算模块，还用于在待测车辆的行驶速度不小于speed1，且不大于speed3时，对计算出的待测车辆的重量进行修正。
本发明实施例中，在待测车辆的行驶速度不小于speed1，且不大于speed3时，对计算出的待测车辆的重量进行修正，能够提高待测车辆的重量计算的精度。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，所述重量计算模块，还用于在待测车辆的行驶速度不小于speed1，且不大于speed3时，计算出待测车辆的加速度，根据所述加速度对待测车辆的重量进行修正，其中修正公式为W'＝W/(1-m*|a|)，W'为修正后待测车辆的重量，W为待测车辆的重量，m为修正系数，a为待测车辆的加速度。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，若待测车辆行驶过程中先经过第五高速条状传感器，后经过第六高速条状传感器，则a的计算公式为其中，t1、t2分别为待测车辆上、下第五高速条状传感器的时间，t3、t4分别为待测车辆上、下称重台面的时间，t5、t6分别为待测车辆上下第六高速条状传感器的时间，l1为第五高速条状传感器的水平中心线到称重台面的水平中心线之间的距离，l2为称重台面的水平中心线到第六高速条状传感器的水平中心线之间的距离。
此外，在现有的低速称重应用中，由于车辆通过速度较低，在利益的驱使下，很多司机采用作弊的方式通过称重台板。常规的作弊方法主要有点刹和跳称。点刹是当车辆以一定速度通过称台时，司机主动狠踩刹车，导致车辆突然减速，从而影响称重精度；跳称是车辆从静止状态突然加速，导致车辆前轴抬起，影响称重精度。通过上述分析可以发现，能否准确的计算车辆加速度是影响称重设备防作弊性能的最重要的因素。而加速度计算的准确与否又与速度的计算密切相关。如图7所示，是一种典型的低速称重设备的速度计算示意图，一般来说，会选取一个重量阈值M1作为上称标志，即传感器采集到的重量信息大于M1时即认为车辆上称，此时记录时刻值为t1，同样，当传感器采集到的重量信息小于M1时即认为车辆下称，此时记录时刻值为t2，t1与t2时间之内行驶过的距离为L，则车辆的速度v＝L/(t2-t1)。在上下称阈值确定的情况下，由于轮胎接地面积的存在，加之称台的称重台面要远大于此接地面积，故L值无法精确计算，导致速度计算出现误差，进而影响车辆加速度的计算，从而导致低速设备的防作弊性能较差。
如图4所示，本发明结合上文高速称重设备的速度计算方法，假设上下传感器5的时间t1、t2，上下称重台面的时间t3、t4，上下传感器6的时间t5、t6，传感器5的水平中心线到称重台面的水平中心线之间的距离为l1，称重台面的水平中心线到传感器6的水平中心线之间的距离为l2，则：
车辆的上称速度
车辆的下称速度
于是，车辆加速度
本发明实施例中，按照加速度的计算公式能够准确地计算出加速度，从而相较于现有的低速称重设备计算出的加速度会出现误差，能够解决车辆以作弊方式通过传统低速称重设备出现的称重不准的问题，从而能够显著提高传统低速称重设备的防作弊性能。
本发明提供的称重算法如下所示：
speed1、speed2和speed3为速度阈值，f为预设参数，mi为低速应变式传感器采集的待测车辆完全上称波形区域的信号幅值，n1为低速应变式传感器完全上称区域的采样点数，si为低速应变式传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n2为低速应变式传感器上称区域的采样点数，k1为第一增益系数，hj为高速条状传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n3为高速条状传感器上称区域的采样点数，k2为第二增益系数。
如上文中图1所示，为一根轴通过称重台板时台板所受压力变化曲线，可以看到ab段为车轴逐渐驶上称重台板时称重台板的压力变化，bc段为车轴完全在称重台板上的压力变化，cd段为车轴逐渐离开称重台板时的压力变化，通常在计算重量时仅仅采用车轴完全作用于称重台板的bc段压力数据而舍弃车轴不完全作用于称重台板的ab段和cd段压力数据。而高速称重的算法则充分利用了车轴上秤压力信号和下秤压力信号，将ab、bc、cd三段采用统一的算法集合到一起：
该方法将舍弃不用的ab段和cd段车轴不完全称重压力数据进行利用，因此其称重准确度高于原有的仅完全称重的bc段压力数据，但仅仅采用低速称重设备时，在低速阶段，车辆本身运行速度不稳定，speed的获取精度不高，导致W2相对W1精度提升不明显，甚至W2精度低于W1，但在车辆速度提升至中速阶段时，车辆运行速度稳定，但由于车辆速度提升后车辆本身的振动以及台板本身的振动均加大，且因L获取误差较大，故导致依靠低速称重设备本身计算得到speed的精度不高，导致W2相对W1精度提升不明显，甚至W2精度低于W1，但在台板前后增加条式传感器后，在车辆运行速度稳定后，其speed获取精度大大提高，从而使W2的算法精度高于W1。
图8至图13为本发明与传统低速称台的效果对比图。图8为传统低速称重设备高速(大于20km/h)称重精度散点分布图；图9为本发明动态称重系统高速(大于20km/h)称重精度散点分布图；图10为传统低速称重设备在车辆点刹作弊时的精度分布散点图；图11为本发明动态称重系统在车辆点刹作弊时的精度分布散点图；图12为传统低速称重设备在车辆跳称作弊时的精度分布散点图；图13为本发明动态称重系统在车辆跳称作弊时的精度分布散点图。如以上各图所示，本发明提高了传统低速称重设备在车辆速度较高时的称重精度，并能够对车辆作弊行为导致的称重结果不准进行有效修正。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，所述重量计算模块，还用于对所述称重模块传输的待测车辆的重量信号进行滤波、放大、模数转换处理，并在处理完成之后进行特征参数提取，根据提取到的特征参数计算出待测车辆的行驶速度speed。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，还包括：
显示模块和报警模块；其中，
所述显示模块，用于对待测车辆的重量进行显示；
所述报警模块，用于在待测车辆的重量超出预设的阈值范围时进行报警。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，还包括：
车牌识别模块和综合处理模块；其中，
所述车牌识别模块，用于对待测车辆的车牌进行抓拍、识别，得到待测车辆的车牌信息；
所述综合处理模块，用于对待测车辆的车牌信息和重量进行组合处理，并将组合处理的结果上传给远程服务器。
本发明实施例中，获取待测车辆的车牌信息，并将待测车辆的车牌信息和重量上传给远程服务器，能够便于用户通过远程服务器再次对待测车辆的历史称重信息进行查看。
可选地，在本发明动态称重系统的另一实施例中，所述高速条状传感器的数量大于2。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种动态称重系统，其特征在于，包括：
称重模块和重量计算模块；其中，
所述称重模块，用于实时采集待测车辆的重量信号，并传输给所述重量计算模块，包括称台框架、称重台面、第一低速应变式传感器、第二低速应变式传感器、第三低速应变式传感器、第四低速应变式传感器、第五高速条状传感器和第六高速条状传感器，所述第一低速应变式传感器、第二低速应变式传感器、第三低速应变式传感器和第四低速应变式传感器嵌入式安装在所述称重台面下，所述称重台面固定在所述称台框架上，所述第五高速条状传感器和第六高速条状传感器嵌入在所述称台框架中，所述第五高速条状传感器和第六高速条状传感器位于所述称重台面两侧，并且互相平行；
所述重量计算模块，用于根据所述称重模块传输的待测车辆的重量信号，计算出待测车辆的行驶速度speed，并根据所述待测车辆的行驶速度speed和所述待测车辆的重量信号计算待测车辆的重量W，计算公式为
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<mo>,</mo>
</mrow>
speed1、speed2和speed3为速度阈值，f为预设参数，mi为低速应变式传感器采集的待测车辆完全上称波形区域的信号幅值，n1为低速应变式传感器完全上称区域的采样点数，si为低速应变式传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n2为低速应变式传感器上称区域的采样点数，k1为第一增益系数，hj为高速条状传感器采集的待测车辆上称波形区域的信号幅值，n3为高速条状传感器上称区域的采样点数，k2为第二增益系数。
2.根据权利要求1所述的动态称重系统，其特征在于，所述重量计算模块，还用于在待测车辆的行驶速度不小于speed1，且不大于speed3时，对计算出的待测车辆的重量进行修正。
3.根据权利要求2所述的动态称重系统，其特征在于，所述重量计算模块，还用于在待测车辆的行驶速度不小于speed1，且不大于speed3时，计算出待测车辆的加速度，根据所述加速度对待测车辆的重量进行修正，其中修正公式为W'＝W/(1-m*|a|)，W'为修正后待测车辆的重量，W为待测车辆的重量，m为修正系数，a为待测车辆的加速度。
4.根据权利要求3所述的动态称重系统，其特征在于，若待测车辆行驶过程中先经过第五高速条状传感器，后经过第六高速条状传感器，则a的计算公式为其中，t1、t2分别为待测车辆上、下第五高速条状传感器的时间，t3、t4分别为待测车辆上、下称重台面的时间，t5、t6分别为待测车辆上下第六高速条状传感器的时间，l1为第五高速条状传感器的水平中心线到称重台面的水平中心线之间的距离，l2为称重台面的水平中心线到第六高速条状传感器的水平中心线之间的距离。
5.根据权利要求1所述的动态称重系统，其特征在于，所述重量计算模块，还用于对所述称重模块传输的待测车辆的重量信号进行滤波、放大、模数转换处理，并在处理完成之后进行特征参数提取，根据提取到的特征参数计算出待测车辆的行驶速度speed。
6.根据权利要求1所述的动态称重系统，其特征在于，还包括：
显示模块和报警模块；其中，
所述显示模块，用于对待测车辆的重量进行显示；
所述报警模块，用于在待测车辆的重量超出预设的阈值范围时进行报警。
7.根据权利要求1所述的动态称重系统，其特征在于，还包括：
车牌识别模块和综合处理模块；其中，
所述车牌识别模块，用于对待测车辆的车牌进行抓拍、识别，得到待测车辆的车牌信息；
所述综合处理模块，用于对待测车辆的车牌信息和重量进行组合处理，并将组合处理的结果上传给远程服务器。
8.根据权利要求1所述的动态称重系统，其特征在于，所述高速条状传感器的数量大于2。
Priority Applications (1)
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