CN112763038B - 一种动态称重装置及其称重方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种动态车辆称重装置及其称重方法。动态车辆称重装置包括传感器和处理单元。传感器用于获取行进过程中的车辆作用于传感器所位于的混凝土板块及传感器的附属结构上的振动信号。处理单元用于根据振动信号来确定车辆的重量。本公开通过利用传感器感测车辆作用于混凝土板块及附属结构的振动信号，并且直接利用振动信号来确定车辆的重量，为车辆的动态称重提供了一种新途径。此外，振动传感器的使用相比于传统称重设备，可以有效提高称重精度，同时节约成本。

Description

一种动态称重装置及其称重方法

技术领域

本公开一般地涉及称重技术领域。具体地，本公开涉及一种动态称重装置以及称重方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述可包括可以探究的概念，但不一定是之前已经想到或者已经探究的概念。因此，除非在此指出，否则在本部分中描述的内容对于本申请的说明书和权利要求书而言不是现有技术，并且并不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

动态称重技术是指在车辆行进过程中对车辆进行称重的技术。动态称重装置被广泛应用于计重收费、超限检测等应用中，在交通管理、超限治理以及进出口监管中起到了重要的作用。传统的动态称重装置通常由承载体和传感器组成。其中，承载体安装在路面基础的凹槽内，用于承载车辆行驶过程中的全部或者部分车辆重量并将其所承载的重量传递至传感器；而传感器设置于承载体下方，用于将其受力转换为电信号。动态行驶的车辆经过安装有传感器的称重台后，传感器感受到动态车辆的压力信号，再由处理器进行一系列的分析、处理，最后计算得出车辆的动态称重数值。

采用传统的称重装置称重时，可能会面临设备寿命低、维护量大、结构复杂的等问题。

发明内容

为了至少解决上面的一个或多个技术问题，本公开提供一种动态称重装置以及称重方法。本公开实施例通过利用传感器感测车辆作用于混凝土板块及附属结构上的振动信号，并且直接利用振动信号来确定车辆的重量，为车辆的动态称重提供了一种新途径。进一步地，由于使用振动传感器代替传统的安装于路面基础凹槽内的称重装置，可以提升称重精度。鉴于此，本公开在如下的多个方面提供相应的解决方案。

在第一方面，本公开提供一种动态车辆称重装置，包括：传感器，用于获取行进过程中的车辆作用于所述传感器的附属结构上的振动信号；以及处理单元，用于根据所述振动信号来确定所述车辆的重量。

在一个实施例中，其中所述传感器包括以下至少一种：加速度传感器、速度传感器和位移传感器；并且相应地，所述振动信号包括以下至少一种：形变加速度信号、形变速度信号、和形变位移信号。

在另一个实施例中，其中所述附属结构具备弹性，并且所述附属结构选自以下任一：金属结构；灌封材料；以及金属结构与灌封材料的结合。

在再一个实施例中，其中所述传感器通过安装辅件预制或灌封在混凝土板块中，所述附属结构布置在所述安装辅件与所述混凝土之间并与二者紧密结合，并且灌封的材料的强度不小于所述混凝土的强度；所述安装辅件的强度小于所述混凝土和/或所述灌封的材料的强度。

在第二方面，本公开提供一种动态车辆称重方法，包括：利用传感器获取行进过程中的车辆作用于所述传感器所位于的混凝土板块及所述传感器的附属结构上的振动信号；以及利用处理单元根据所述振动信号来确定所述车辆的重量。

在一个实施例中，其中所述振动信号包括由于所述车辆经过时的振动而导致的所述混凝土板块的形变相关信息以及所述附属结构的形变相关信息。

在另一个实施例中，其中根据所述振动信号来确定所述车辆的重量包括：根据所述振动信号确定所述混凝土板块的第一形变位移量和所述附属结构的第二形变位移量中的至少一个；以及基于所述第一形变位移量和所述第二形变位移量中的至少一个来确定所述车辆的重量。

在又一个实施例中，其中确定所述第一形变位移量和所述第二形变位移量中的至少一个包括：根据所述振动信号确定总形变位移量；提取所述总形变位移量中的低频部分作为所述第一形变位移量；和/或提取所述总形变位移量中的高频部分作为所述第二形变位移量。

在又一个实施例中，其中确定所述车辆的重量包括如下至少一项：利用所述第一形变位移量确定所述车辆的第一重量；利用所述第二形变位移量确定所述车辆的第二重量；以及基于所述第一重量和第二重量确定所述车辆的最终重量。

在又一个实施例中，其中利用所述第一形变位移量确定所述车辆的第一重量包括基于如下公式计算所述第一重量W1：

W1＝f1(s1,v,k1)；

其中s1表示第一形变位移量，v表示车辆速度，k1表示第一转换系数，其通过对所述传感器进行标定来确定。

在又一个实施例中，其中利用所述第二形变位移量确定所述车辆的第二重量包括：从所述第二形变位移量中选取有效车辆轴载信号；以及根据所述轴载信号来确定所述车辆的第二重量。

在再一个实施例中，其中根据所述轴载信号来确定所述车辆的第二重量包括基于如下公式计算所述第二重量W2：

W2＝f2(s2,v,k2)；

其中s2表示轴载信号，v表示车辆速度，k2表示第二转换系数，其通过对所述传感器进行标定来确定。

根据本公开的实施例，通过利用传感器来感测车辆行驶过程中作用于混凝土板块及传感器附属结构的振动信号，可以直接利用振动信号来确定车辆的重量，为车辆的动态称重提供了一种新渠道。进一步地，由于使用感测振动的传感器代替传统的路面基础凹槽内的称重装置，可以克服与传统称重装置关联的各种缺陷。例如，在一些实施例中，将传感器及其附属结构通过直接预制或灌封在混凝土板块内形成一体，使得动态称重装置结构简单化，从而减少了施工量和后期维护量。进一步地，本公开实施例中传感器、附属结构以及混凝土板块融为一体，使得传感器的形变量减小，从而提高了传感器的使用寿命。同时，混凝土板块、传感器、附属结构之间彼此不存在传力结构，因而不会导致传感器信号滞后而增大误差。更进一步地，由于传感器的附属结构的材质、强度可控，从而可以更精确地对传感器进行标定，使得称重精度更高。由此，本公开实施例结合混凝土板块和附属结构相关的形变信息，可以进一步提高称重精度。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分其中：

图1A-图1B示出现有称重装置的示例性示意图；

图2示出本公开实施例的动态称重装置的示例性结构示意图；

图3示出根据本公开实施例的没有车辆经过时的传感器采集到的振动信号的示例性波形图；

图4示出根据本公开实施例的有车辆经过时的传感器采集到的振动信号的示例性波形图；

图5示出根据本公开实施例的示例性形变速度信号；

图6示出根据本公开实施例的示例性形变位移信号；

图7示出根据本公开实施例的形变位移量分离的示例性低频信号；

图8示出根据本公开实施例的形变位移量分离的示例性高频信号；

图9示出根据本公开实施例的多个传感器布置于混凝土板块内的示例性俯视图；

图10示出根据本公开实施例的传感器及其附属结构预制于混凝土板块内的示例性剖面图；

图11示出根据本公开实施例的传感器及其附属结构灌封于混凝土板块内的示例性剖面图；以及

图12示出根据本公开实施例的动态称重方法的示例性流程图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本公开的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

动态车辆称重是指通过测量和分析轮胎动态力来测量一辆运动中的车辆的总重和/或部分重量。动态称重装置通常由承载体和传感器组成且安装于路面基础凹槽内。此外，传感器还外接至包含软件的电子仪器，以便测量动态轮胎力、车辆的轮重、轴重和/或总重。动态车辆称重通常可应用于例如计重收费、高速超限管理等多个场景中，由此，动态称重在交通管理、超限治理以及进出口监管中起到了重要作用。

图1A示出现有称重装置的示例性示意图。如图1所示，在路面基础1的凹槽2内安装有两块承载体3，承载体3之间通过连接件连接并保持表面平齐。每块承载体3底部的四个角处均设置有传感器4。图1B示出了承载体的底面示意图，包括四个传感器4。传感器4可以通过有线或无线外接至电子仪器(图中未示出)。

承载体3和传感器4组成称重装置，该称重装置通过安装底板预埋件5安装并固定于路面基础1的凹槽2内。预埋件5通过连接器6连接并固定至承载体3。安装后的承载体3与路面平齐。承载体3与路面基础1之间还设置有水平限位器7。

当有车辆行驶经过称重装置时，承载体将承受该车辆全部或部分的重量，并且将其所承载的重量传递至传感器，由传感器感测车辆经过时的压力信号。感测到的压力信号接着可以传送到电子仪器和/或数据处理装置，以对压力信号进行分析、处理，从而获得车辆经过时的称重数值。

结合上述图1描述可知，采用现有称重装置的称重方法在一定程度上可以获得车辆重量，但是也存在如下缺陷。

在第一方面，当车辆行驶经过称重装置时，由于承载体直接承载其全部或大部分重量，并将重量传递至传感器，使得承载体与传感器的形变量增大，容易造成承载体和传感器损坏，从而降低了承载体和传感器的使用寿命。

在第二方面，为避免承载体将其所承载的重量传递至路面，在安装过程中，通常在承载体与路面基础凹槽内壁预留间隙。但预留的间隙会导致水或泥沙等进入承载体下方，逐渐积累的水或泥沙将分担本应由传感器承担的压力，从而导致称重数值不准确。因此，需要定期清理承载体下方的杂物，从而造成维护不便。

在第三方面，车辆行驶经过承载体时，会对承载体产生水平作用力。该水平作用力会导致承载体平移，使得承载体与路面基础产生干涉，从而影响称重精度。为防止前述水平作用力的影响，在安装时，通常在承载体和路面基础之间设置水平限位装置(如图1A所示的限位器7)。该设置导致称重装置结构复杂，从而造成安装和维护不便。

在第四方面，由于承载体尺寸较大，与地面平齐并且表面可见，车辆经过时直接与承载体表面接触，当车辆驾驶员有意在承载体上采取例如加速、绕“S”或者顶千斤顶等操作时，会对称重装置的称重精度造成影响。

在第五方面，承载体通常采用金属材料制作而成，并且在制作时尽量将其表面打磨光滑，以便减小车辆经过承载体时产生的振动而影响称重效果。但由于承载体表面的摩擦系数小于混凝土或者沥青路面的摩擦系数，从而对车辆制动造成影响，产生安全隐患。

有鉴于此，为了克服上述一个或多个方面的缺陷，在本公开的实施例，提供了一种基于传感器来感测车辆行驶过程中作用于混凝土板块及传感器附属结构的振动信号，可以直接利用振动信号来确定车辆的重量的方案。在一些实现中，车辆振动信号可以通过车辆行驶经过所导致的混凝土板块的形变以及车辆行驶经过所导致的附属结构的形变来表征，以便进一步地提高称重精度。在这些实现中，传感器及其附属结构可以嵌入在混凝土板块中与之结为一体，从而简化结构并减少安装施工量与后期维护量。同时，使得传感器所受形变量减小，提高了传感器的使用寿命，从而节约了成本。此外，传感器的附属结构的材质、强度可控，从而可以更精确地对传感器进行标定，称重精度更高。

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。

图2示出本公开实施例的动态称重装置200的示例性结构示意图。如图所示，动态车辆称重装置200包括传感器201和处理单元202。

传感器201用于在车辆行进过程中获取或感测车辆作用于混凝土板块上以及作用于传感器的附属结构上的振动信号。

经过分析，车辆行驶通过动态称重装置200时的主要振动包括以下几类：车辆的轴重给路面板块的形变；车身自身的俯仰振动传递给路面；车轮部分振动的固有频率；以及车轮的轮胎花纹、发动机振动、变速箱等给路面的激励。更进一步分析，车辆的轴重给板块的形变又可以包括两部分：重量带给板块的形变，其表现为超低频的信号；其次为重物对板块的冲击带来的板块振动，这部分振动的频率与速度相关。

基于上述分析，在本公开的实施例中，提出了利用车辆行驶经过所导致的路面板块(例如，混凝土板块)的形变以及车辆行驶经过所导致的传感器的附属结构的形变来直接确定车辆重量的方案，也即振动信号通过板块以及附属结构的形变来表征。具体地，振动信号可以包括传感器所位于的混凝土板块由于车辆行驶经过时的振动而导致的形变相关的信息以及附属结构的形变相关信息。

在这些实现中，传感器及其附属结构可以嵌入在路面板块/混凝土板块中与之结为一体，以便感测板块以及附属结构的形变。后面将详细描述传感器及其附属结构与板块的结合方式。

可以采用各种类型的传感器来感测振动导致的板块以及附属结构的形变。

在一个实施例中，该传感器可以是加速度传感器，相应地，感测到的振动信号是形变加速度信号。

在另一个实施例中，传感器可以是速度传感器，相应地，感测到的振动信号是形变速度信号。

在又一个实施例中，传感器可以是位移传感器，相应地，感测到的振动信号是形变位移信号。

在再一个实施例中，当使用多个传感器时，可以采用上述加速度传感器、速度传感器和位移传感器中的任一种传感器，也可以采用其中任两种传感器或者三种传感器一起使用，每种传感器的数量也可以互不相同，本公开实施例在此不作限制。通过允许混合各种传感器，为系统设计人员提供了更多种选择，以便综合考虑称重精度和建造成本。

当没有车辆经过混凝土板块时，传感器通常也能检测到信号。图3示出根据本公开实施例的没有车辆经过时的传感器采集到的振动信号的示例性波形图，图中横坐标为时间，纵坐标为采集到的振动信号的幅值。该幅值与传感器类型相对应，由此，该幅值可以是加速度、速度或者位移。在该场景中，所采集的振动信号基本上是平稳的，并且此时振动主要来源于传感器自身的振动。

当有车辆行驶经过混凝土板块时，混凝土板块由于车辆碾压而产生形变。同时，由于车辆的轴振动对传感器的附属结构造成一定的压力，也会导致附属结构发生相应的形变。由此，传感器可以获取混凝土板块以及附属结构的相关的形变信号。图4示出根据本公开实施例的有车辆经过时的传感器采集到的振动信号的示例性波形图，图中横坐标为时间，纵坐标为采集到的振动信号的幅值。同样地，该幅值可以是加速度、速度或者位移。在该场景下，采集到非平稳的振动信号。

在一个应用场景中，通常在沿车辆行驶方向的称重装置的两侧设置分车设备，例如可以采用线圈来分离车辆。由于车辆是金属，因此，当有车辆经过线圈时会有电流产生，其周围磁场发生变化，以此来对车辆进行分离，以获得每辆车经过称重装置时的振动信号。

回到图2，处理单元202用于根据传感器感测到的振动信号来确定车辆的重量。在一些实施例中，处理单元可以包括例如电子仪器设备(其例如可以是数字接线盒)和数据处理装置(可以是运行信号分析软件的处理器，例如MATLAB)。

具体地，处理单元中的电子仪器设备可以用于接收并显示由传感器获取的振动信号，同时对获取到的振动信号进行预处理。在一个实施例中，上述传感器获取的振动信号是模拟电压信号。具体地，传感器可以将机械振动量(位移、速度、加速度、力等)转换为电量(电荷、电压等)或电参数(电阻、电感、电容等)的变化。同样地，与本公开实施例中传感器类型相对应地，传感器将加速度、速度或者位移等形变相关信号转换为电压信号。结合上述描述，传感器可以与电子仪器连接，由此，电子仪器对获取到的电压信号可以进行例如放大处理，并将其经过模数转换等预处理转换为可处理的数字信号。该数字信号可以理解成上述形变加速度信号、形变速度信号或者形变位移信号等形变相关信号的数字化表征。

本领域技术人员可以理解，处理单元也可以直接对采集到的模拟信号进行处理，无需进行模数转换。本公开实施例在此方面没有限制。

进一步地，处理单元可以根据振动信号确定混凝土板块的第一形变位移量和附属结构的第二形变位移量中的至少一个，并且基于所确定的第一形变位移量和第二形变位移量中的至少一个来确定车辆的重量。在一个实施场景中，处理单元中包括的数据处理装置可以针对预处理后的振动信号进行分析处理，以确定第一形变位移量和/或第二形变位移量。

从前面描述可知，混凝土板块的形变信息和传感器附属结构的形变信息是由传感器一起采集的，也即两种形变信息是混合在一起的。进一步的分析表明，这两种形变信息具有不同的频率特性。例如，混凝土板块的形变信息表现为超低频的信号；附属结构(例如具有弹性)的形变信息可以表现为高频信号。因此，可以根据频率特性，从传感器感测到的信号中提取不同的形变信息。

具体地，在一些实施例中，可以首先根据振动信号确定总形变位移量；然后提取总形变位移量中的低频部分作为混凝土板块的第一形变位移量；和/或提取总形变位移量中的高频部分作为附属结构的第二形变位移量。取决于振动信号的具体形式，可以采用不同的处理方式来获得总形变位移量。

在一个实施例中，当振动信号包括形变加速度信号时，处理单元可以通过对形变加速度信号进行两次积分处理来确定总形变位移量。

在另一个实施例中，当振动信号包括形变速度信号时，处理单元可以对形变速度信号进行一次积分处理来确定总形变位移量。

在又一个实施例中，当振动信号包括形变位移信号时，处理单元可以直接将形变位移信号确定为总形变位移量。

在再一个实施例中，当振动信号包括上述任两种或三种形变相关信号的混合时，可以针对不同类型的形变相关信号分别采取对应的处理方式。

图5示出根据本公开实施例的示例性速度信号。该速度信号可以是形变加速度信号一次积分处理后得到的，也可以是由速度传感器直接感测到的。图中横坐标表示时间，纵坐标表示形变速度。

图6示出根据本公开实施例的示例性位移信号。该位移信号可以是形变加速度信号二次积分处理后得到的，也可以是形变速度信号一次积分处理后得到的，还可以是位移传感器直接感测到的。图中横坐标表示时间，纵坐标表示形变位移。在本公开实施例中，形变位移量是指混凝土板块振动时产生的垂直方向上的形变位移。

继而，可以根据频率特性，从总形变位移量中分离出混凝土板块的第一形变位移量和附属结构的第二形变位移量。

图7示出根据本公开实施例的混凝土板块的第一形变位移量。对比图7和图6可以看出，图7是从图6的总形变位移量中分离的低频信号。

图8示出根据本公开实施例的附属结构的第二形变位移量。对比图8和图6可以看出，图8是从图6的总形变位移量中分离的高频信号。

获得第一和/或第二形变位移量之后，处理单元(例如，数据处理装置)可以基于第一和/或第二形变位移量来确定车辆的重量。

在一些实施例中，处理单元可以基于第一形变位移量来确定车辆的第一重量。例如，处理单元可以基于以下公式来确定车辆的第一重量W1：

W1＝f1(s1,v,k1) (1)

其中f1(x)表示x的函数，s1表示第一形变位移量，v表示车辆速度，k1表示第一转换系数。第一转换系数k1可以通过对传感器进行标定来确定。

函数f1(s1,v,k1)可以有各种表示形式。在一些实施例中，公式(1)可以具体表示为：

W1＝∫s1dt*v*k1 (2)

可选地或附加地，在一些实施例中，处理单元可以基于第二形变位移量来确定车辆的第二重量。

在获取第二形变位移量之后，本领域技术人员可以根据需要利用处理单元(例如，数据处理装置)从第二形变位移量中选取有效的车辆轴载信号来确定车辆的第二重量。例如，图8中示出的6个峰值较高的波形分别表示车辆每个轴经过时产生的形变位移量。通过设定阈值，可以提取这6个波峰，作为有效的轴载信号。通过设置阈值，可以有效滤除混凝土板块可能传导过来的振动，例如图8中的高波峰旁边微小的波峰。

接着，利用处理单元基于有效的轴载信号来确定车辆的重量。在一些实施例中，处理单元可以基于以下公式来确定车辆的第二重量W2：

W2＝f2(s2,v,k2) (3)

其中f2(x)表示x的函数，s2表示第二形变位移量，v表示车辆速度，k2表示第二转换系数。第二转换系数k2可以通过对传感器进行标定来确定。

函数f2(s2,v,k2)可以有各种表示形式。在一些实施例中，公式(3)可以具体表示为：

W2＝∫s2dt*v*k2 (4)

上述公式中的车辆速度可以采用多种方式来确定。例如，可以基于现有的测速设备或方案来采集车辆速度，诸如道路上已经装备的激光测速、声波测速、雷达测速等设备。

在一些实施例中，可以通过配置多个上述传感器来确定车辆速度。例如，可以在车辆行进方向上布置多个传感器，从而基于这些传感器感测到的振动信号来联合确定车辆速度。在这些实施例中，无需额外的测速设备来确定车辆速度，可以简化系统结构，提高处理效率。

在一种实现中，可以基于这些传感器之间的相对位置、传感器感测到车辆/车轴的时序信号(也即车辆/车轴依次到达各个传感器的时间)等信息来计算车辆的速度。具体计算速度的方式在本领域是已知的，此处不再详述。

需要理解的是，通过公式(4)获得是车辆的一个轴的重量。在一个实施场景中，可以利用公式(4)计算出车辆的每个轴的轴重，再对每个轴重进行加权求和来获得车辆的重量。

在一些实施例中，可以仅基于公式(2)确定的车辆的第一重量来确定车辆的最终重量。

在另一些实施例中，可以仅基于公式(4)确定的车辆的第二重量来确定车辆的最终重量。

在又一些实施例中，可以综合第一重量和第二重量来确定车辆的最终重量，以进一步提高称重精度。例如，可以对第一重量和第二重量进行加权平均，以作为最终重量。

从前面的描述可知，基于每个传感器感测的振动信号，可以相应地计算车辆的重量。当采用多个传感器时，可以联合这些传感器的感测信息来确定车辆的重量，从而避免个体传感器的误差，提高称重精度。

在一些实施例中，可以在针对每个传感器单独计算车辆重量之后，基于所确定的多个车辆重量来确定最终车辆重量。例如，可以通过对各个传感器所确定的车辆重量的加权平均来确定最终车辆重量。

在另一些实施例中，可以首先对多个传感器感测的信号进行汇总处理，然后再基于处理后的总信号来确定最终车辆重量。例如，可以通过对各个传感器所感测的形变相关信号进行加权平均，然后基于平均后的信号来确定车辆重量，作为最终车辆重量。

以上描述了本公开实施例提供的基于振动信号来确定车辆重量的方案。从上述描述可知，本公开实施例提供了一种全新的动态车辆称重方案，并因此可以应用各种传感器来感测振动信号，从而确定车辆重量。这些传感器通常都很小，并且可以嵌入在混凝土板块中与之成为一体。因此，相比于前面结合图1描述的现有称重装置而言，采用本公开的实施例，有利于提高传感器的使用寿命，同时减小传感器的形变量误差，从而提高称重精度。

图9示出根据本公开实施例的多个传感器布置于混凝土板块内的示例性俯视图。这里需要理解的是，图9是图2所示动态车辆称重装置200的一种具体实施方式。因此，上文结合图2所描述的动态车辆称重装置200的某些技术特征和细节也同样适用于图9。

如图9所示，在沿车辆行驶方向上布置有混凝土板块8，在该混凝土板块8上与车辆行驶方向垂直的方向上开设有四个路面切槽9，并且在每个路面切槽9内还布置有多个传感器20及其附属结构(图中未示出)。多个传感器20以及附属结构可以直接预制(如图10所示)或灌封(如图11所示)于路面切槽9内。在一个实施例中，混凝土板块在与车辆行驶方向垂直的方向上的尺寸(宽度)可以是一个车道的宽度，在与车辆行驶方向平行的方向上的尺寸(长度)可以是任意的，例如可以为四米至六米。优选地，长和宽的比例不超过1.5。需要理解的是，本公开实施例并不限制混凝土板块的长度和宽度。

在另一个实施例中，路面切槽与车辆行驶方向垂直的方向上的尺寸(宽度)可以与混凝土板块的宽度一致，例如，可以是一个车道的宽度；路面切槽在与车辆行驶方向平行的方向上的尺寸(长度)可以较小，通常不超过10cm。在又一个实施例中，路面切槽之间可以间隔一定距离，例如该间距可以是10cm-2m。需要理解的是，本公开实施例并不限制路面切槽的长度和宽度以及路面切槽的间距。同时路面切槽的个数可以是一个或者多个，不限于图7中的四个路面切槽。在一些实施场景中，将传感器及其附属结构直接预制于混凝土板块内时，也可以不开设路面切槽。

在另一些实施例中，路面切槽的方向可以不同于图9。例如，可以在与车辆行驶方向平行的方向上开设多条路面切槽，甚至可以斜着开设路面切槽，只需控制传感器的位置，使其能够采集到有效信号以计算车辆重量。

如前面所提到的，传感器及其附属结构可以嵌入在混凝土板块中。传感器的嵌入位置和嵌入深度、以及传感器的数量可以基于多种因素综合确定。在一些实施例中，每个传感器在混凝土板块中的位置和深度设置成使得每个传感器感测到的振动信号保持一致性。

传感器一致性可以包括两方面。在一方面，当针对相同的激励(例如，同一车辆经过混凝土板块)时，不同传感器的输出信号会有所不同。基于此，可以在安装传感器之前对其进行调试和确认，使得不同的传感器针对相同激励输出的信号保持一致性。

在另一方面，当传感器安装在不同位置时会导致传感器有不同的信号输出。换句话说，当相同的重量(例如，同一车辆)作用到(例如，行驶经过)该位置以及该位置附近时，不同位置处的传感器产生的信号会有不同。由此，可以在传感器安装之后对其进行调试、标定和确认。

在一个实施场景中，假设车辆经过碾压混凝土板块时距离传感器的距离为L，传感器的输出信号记为Y，车辆重量记为W，则可以通过以下公式来标定传感器输出与距离L和重量W之间的关系：

Y＝f(L,W) (5)

具体地，当车辆通过多个传感器之间时，多个传感器间的输出信号分别记为Y1、Y2……Yn，由此，可以得到一系列公式：

基于上述公式(6)，可以获得车辆的作用位置与多个传感器的位置以及车辆重量的关系。由公式(6)可知，该公式的解的误差与传感器的数量相关。具体地，传感器之间距离越远(给定混凝土板块内的传感器数量越少)，则公式(6)包括的式子越少，获得的解的误差越大。同理，传感器之间距离越近(给定混凝土板块内的传感器数量越多)，则公式(6)包括的式子越多，获得的解的误差越小，解也越准确。

此外，传感器在混凝土板块内的深度会影响传感器的对作用于其上的振动信号的可检测距离。通常，超出可检测距离时，传感器无法检测或者产生较大误差。由此，在一些实施例中，可以根据传感器的深度来调整每个传感器的位置以及传感器数量，以便保证多个传感器产生的振动信号的一致性。在一些实施例中，传感器的深度可以设置为12cm-13cm，传感器之间的距离可以设置在40cm左右。

虽然图9示出了一种传感器的布局方式，但是本公开实施例不限于此，本领域技术人员可以根据不同的选择要求/偏向、不同的传感器精度、成本等因素来最终确定传感器的数量、安装位置、安装深度等。安装布局也不限于图9这种行列规则式，例如可以相互交错排列。

传感器及其附属结构可以采取多种方式嵌入在混凝土板块中。

图10示出根据本公开实施例的传感器及其附属结构预制于混凝土板块内的示例性剖面图。这里需要理解的是图10是图9所示的传感器及其附属结构布置于混凝土板块内的一种具体实施方式。因此，上文结合图9所描述的布置中的某些技术特征和细节也同样适用于图10。

如图10所示，在沿车辆行驶方向上布置有混凝土板块8，混凝土板块8在制作时预先安装有传感器20，传感器20的下方通过安装辅件10固定，并且在安装辅件10和混凝土板块8之间布置有附属结构11并与二者紧密结合。该附属结构11具有弹性，由此可以响应于车辆经过时的轴重而产生明显的形变，从而可以获得清晰的信号，便于后续提取和处理。在一些实施例中，附属结构可以是各种材质构成的结构，包括但不限于金属结构(例如，可以是钢板或者槽钢)，灌封材料或者金属结构与灌封材料结合而成的特殊结构。由于附属结构的材质可以选择，因此其强度也可以加以控制，以适应不同需求。例如，附属结构的强度可以根据传感器的灵敏度选择。例如，当传感器的灵敏度较高时，附属结构的强度相应的较高；反之，当传感器的灵敏度较低时，附属结构的强度相应的较低。

在另一些实施例中，需要理解的是，安装辅件在本公开实施例中仅仅起到辅助传感器定位以及在浇筑时固定传感器的作用。由于安装辅件强度远小于混凝土板块的强度，因此，安装辅件不会对传感器的形变感知造成影响或者造成影响很小，在实际场景中，该影响可以忽略不计。

图11示出根据本公开实施例的传感器及其附属结构灌封于混凝土板块内的示例性剖面图。这里需要理解的是图11是图9所示的传感器及其附属结构布置于混凝土板块内的另一种具体实施方式。因此，上文结合图9所描述的布置中的某些技术特征和细节也同样适用于图11。

如图11所示，在混凝土板块8上开设有横截面为矩形的路面切槽9。在该路面切槽9内，传感器20的下方通过安装辅件10固定，并且在安装辅件10和路面切槽9的底部之间布置有附属结构11并与二者紧密结合。在传感器20的上方通过灌封材料12灌封到至少与混凝土板块8平齐。在一个实施例中，前述灌封材料的强度不低于混凝土板块的强度，以便车辆经过混凝土板块和灌封材料时产生的信号一致。灌封材料可以与混凝土板块平齐(例如图中所示)或者高出混凝土板块。当灌封材料低于混凝土板块时，车辆经过混凝土板块和灌封材料时产生的信号不同，有可能导致称重数值不准确。需要理解的是，上述图10中关于附属结构和安装辅件的描述也适用于图11，在此不再重复。

基于上述描述可知，本公开实施例的传感器及其附属结构可以通过安装辅件预制或灌封于混凝土板块内形成一体，从而感测混凝土板块以及附属结构的形变相关信号，并由此来计算车辆的重量。由于传感器及其附属结构与混凝土结合为一体，共同承载车辆重量，因此传感器与混凝土之间没有传力结构，不存在传感器信号滞后和形变量大带来的设备寿命低相关的问题。而且，这种一体结构制造简单，由于不存在空隙和额外的结构，维护起来也很方便，更有利于长期使用。进一步地，传感器嵌入在混凝土块中的这种安装方式，使得传感器表面不可见，可以有效抑制车辆驾驶员的各种影响称重的驾驶行为。更进一步地，灌封材料的材质可以与混凝土相同，从而对车辆的制动不会产生不利影响。此外，传感器的附属结构的材质、强度可控，从而可以更精确地对传感器进行标定，称重精度更高。

基于前述动态车辆称重装置，本公开还提供了一种相应的动态车辆称重方法。图12示出根据本公开实施例的动态车辆称重方法1200的示例性流程图。

如图所示，在步骤1202处，利用传感器在车辆行进过程中获取车辆作用于混凝土板块及传感器的附属结构上的振动信号。车辆通过混凝土板块时，混凝土板块会因车辆轴重或轴组中的原因而发生形变。同时，车辆轴重也会对附属结构造成一定的压力，从而导致传感器的附属结构也发生相应地改变。这些形变的大小与轴重的大小相关，因此可以使用传感器来采集混凝土以及附属结构的形变产生的信号。

在一个实施例中，传感器可以包括以下至少一种：加速度传感器、速度传感器和位移传感器。相应地，传感器所采集的振动信号可以包括以下至少一种：形变加速度信号、形变速度信号和形变位移信号。

传感器及其附属结构可以嵌入在路面板块/混凝土板块中与之结为一体，以便感测混凝土板块以及附属结构的形变。传感器及其附属结构与板块的结合方式可以参考前面结合图10-图11的描述，此处不再重复。

基于上述采集到振动信号后，继续图12，在步骤1204处，利用处理单元根据振动信号来确定车辆的重量。

具体地，根据振动信号确定车辆的重量可以进一步包括：根据振动信号确定混凝土板块的第一形变位移量和附属结构的第二形变位移量中的至少一个；以及根据所确定的第一形变位移量和/或第二形变位移量来确定车辆的重量。

在一些实施例中，可以首先根据振动信号确定总形变位移量，然后根据频率特性，从总形变位移量中提取不同的形变信息。

取决于振动信号的具体形式，可以采用不同的处理方式来获得总形变位移量。例如，当振动信号包括形变加速度信号时，可以通过对形变加速度信号进行两次积分处理来确定形变位移量。又例如，当振动信号包括形变速度信号时，可以对形变速度信号进行一次积分处理来确定形变位移量。再例如，当振动信号包括形变位移信号时，可以直接将形变位移信号确定为形变位移量。振动信号也可以包括上述任两种或三种形变相关信号的混合，此时可以针对不同类型的形变相关信号分别采取对应的处理方式。

接着，可以根据频率特性，从总形变位移量中分离出混凝土板块的第一形变位移量和附属结构的第二形变位移量。例如，低频部分为第一形变位移量，高频部分为第二形变位移量。

基于上述获得第一形变位移量和第二形变位移量后，可以基于获取的第一形变位移量和第二形变位移量来确定车辆的重量。在一些实施例中，可以基于前面结合图2描述的公式(2)和(4)来确定车辆重量，此处不再重复。需要理解的是，公式(2)是基于混凝土板块形变获得车辆的第一重量，公式(4)是基于附属结构形变获得车辆的第二重量，在一些实施例中可以对这里的第一重量和第二重量进行加权平均，从而获得整个车辆重量。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

应当理解，本公开的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本公开的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本公开说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本公开。如在本公开说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本公开说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

虽然本文已经示出和描述了本披露的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本披露思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本披露的过程中，可以采用对本文所描述的本披露实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本披露的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (9)

1.一种动态车辆称重装置，其特征在于，包括：

传感器和处理单元；

所述传感器通过安装辅件预制或灌封在混凝土板块中；

所述传感器的附属结构布置在所述安装辅件与所述混凝土板块之间并与二者紧密结合；

所述传感器用于获取行进过程中的车辆作用于所述传感器所位于的混凝土板块和所述传感器的附属结构上的振动信号；

所述处理单元用于根据所述振动信号确定总形变位移量，提取所述总形变位移量中的低频部分作为所述混凝土板块的第一形变位移量，提取所述总形变位移量中的高频部分作为所述附属结构的第二形变位移量，基于所述第一形变位移量和所述第二形变位移量确定所述车辆的重量；

其中，所述传感器包括以下至少一种：加速度传感器、速度传感器和位移传感器；并且相应地，

所述振动信号包括以下至少一种：形变加速度信号、形变速度信号和形变位移信号。

2.根据权利要求1所述的动态车辆称重装置，其特征在于，

所述附属结构具备弹性，并且所述附属结构选自以下任一：

金属结构；

灌封材料；以及

金属结构与灌封材料的结合。

3.根据权利要求2所述的动态车辆称重装置，其特征在于，

当所述传感器通过安装辅件预制或灌封在混凝土板块中，灌封的材料强度不小于所述混凝土的强度；

所述安装辅件的强度小于所述混凝土和/或所述灌封的材料的强度。

4.一种动态车辆称重方法，其特征在于，包括：

利用传感器获取行进过程中的车辆作用于所述传感器所位于的混凝土板块及所述传感器的附属结构上的振动信号；以及

利用处理单元根据所述振动信号来确定所述车辆的重量：根据所述振动信号确定总形变位移量，提取所述总形变位移量中的低频部分作为所述混凝土板块的第一形变位移量，提取所述总形变位移量中的高频部分作为所述附属结构的第二形变位移量，基于所述第一形变位移量和所述第二形变位移量确定所述车辆的重量，

其中，所述传感器包括以下至少一种：加速度传感器、速度传感器和位移传感器；并且相应地，

所述振动信号包括以下至少一种：形变加速度信号、形变速度信号和形变位移信号。

5.根据权利要求4所述的动态车辆称重方法，其特征在于，

所述振动信号包括由于所述车辆经过时的振动而导致的所述混凝土板块的形变相关信息以及所述附属结构的形变相关信息。

6.根据权利要求4所述的动态车辆称重方法，其特征在于，

利用所述第一形变位移量确定所述车辆的第一重量；

利用所述第二形变位移量确定所述车辆的第二重量；以及

基于所述第一重量和第二重量确定所述车辆的最终重量。

7.根据权利要求6所述的动态车辆称重方法，其特征在于，

利用所述第一形变位移量确定所述车辆的第一重量包括基于如下公式计算所述第一重量W1：

W1＝f1(s1,v,k1)；

其中，s1表示第一形变位移量，v表示车辆速度，k1表示第一转换系数，其通过对所述传感器进行标定来确定。

8.根据权利要求6所述的动态车辆称重方法，其特征在于，

利用所述第二形变位移量确定所述车辆的第二重量包括：

从所述第二形变位移量中选取有效车辆轴载信号；以及

根据所述轴载信号来确定所述车辆的第二重量。

9.根据权利要求8所述的动态车辆称重方法，其特征在于，

根据所述轴载信号来确定所述车辆的第二重量包括基于如下公式计算所述第二重量W2：

W2＝f2(s2,v,k2)；

其中s2表示轴载信号，v表示车辆速度，k2表示第二转换系数，其通过对所述传感器进行标定来确定。