CN1773225A - 基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，属于检测技术领域。本发明包括以下步骤：(1)选择传感器安装位置：利用桥梁静态梁挠度计算在固定力情况下桥梁各点的位移；(2)采集信号与测量载重：桥梁采用简支梁模型，车/桥相互作用模型化为两个具有固定间距的点力匀速通过桥面，建立车辆通过桥面时的运动方程，分析车辆通过桥面的整个过程并建立相应的函数对应关系式；(3)超载判别：依据车型识别结果，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重，将实际载重和标准载重作比较判断是否超载。本发明解决静态载重测量方法测量效率较低、无法24小时不停车监控的问题。

Description

基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种计量技术领域的检测方法，具体地说，是一种基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法。

背景技术

公路车辆在运输货物的过程中，普遍存在超载现象。超载车辆会对道路造成严重破坏，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的发生。在动态称重(WIM)出现之前，所有的车辆称重都是在静态时进行的。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，无法24小时不停车监控。另一方面，静态称重场所规模大，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。公路动态称重的定义：动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应静态车辆重量的过程。现有的桥梁动态测量方法主要是利用车辆通过桥面引起的桥梁应变进行计算，更多关注车辆的静态载重，但车辆的动态载重同样重要。

经对现有技术的文献检索发现，2001年香港科技大学T.Chan等人提出利用振动理论测量桥梁车辆动态响应(T.Chan etc.“移动力识别研究I：理论”.[J].声音与振动学报.2001.247(1)，59-76)。该方法并详细分析了单力动态称重的原理以及相应的实验验证，但是并没有给出实际车辆对应的两个点力时公式的详细理论推导，在试验部分对于传感器安装位置的选择建立在试验的基础上，并没有给出相应的理论依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，使其解决静态载重测量方法测量效率较低、无法24小时不停车监控的问题，同时针对利用桥梁振动原理进行载重测试时实际车辆通过桥面的情况给出详细分析，并对传感器安装位置的选择给出详细的解释。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：

(1)选择传感器安装位置：

根据安装传感器必须能够提供足够的信息和信息的对称性准则，利用桥梁静态梁挠度计算在固定力情况下桥梁各点的位移，综合考虑选取L/4，L/2，3L/4处分别安装加速度传感器；由于受系数(1/i)⁴的影响，选取各节点处位移前三个模态叠加作为桥梁位移。

梁的静态位移由下式给出：

$\mathrm{\υ}(x,t)=\frac{2P}{\mathrm{EIL}{(\mathrm{\π}/L)}^4}\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{1}{i}\right)}^4\sin \frac{\mathrm{i\πx}}{L}\sin \frac{\mathrm{i\π}\hat{x}\left(t\right)}{L}$

其中：E为桥梁材料的Young系数；I是桥梁横截面的惯性矩；L是桥梁的长度；i为对应模态序号； 是静态力P在t时刻在桥上的位置。

(2)采集信号与测量载重：

桥梁采用简支梁模型，车/桥相互作用模型化为两个具有固定间距的点力匀速通过桥面。建立车辆通过桥面时的运动方程，桥梁动态位移写为模态形状函数与模态的幅值函数乘值和的形式，求得桥梁在x点处t时刻的加速度。分析车辆通过桥面的整个过程并建立相应的函数对应关系式。利用多传感器同时测量的方法的增加检测结果的准确性，建立车辆载重与桥梁加速度的对应函数式。

$\left[\begin{array}{c}{A}_1/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ A_2/\left|\right|{\stackrel{..}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}\\ A_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_1/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ {\mathrm{\υ}}_2/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}\\ {\mathrm{\υ}}_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]$

其中：符号A_i，

表示第i传感器对应的系数矩阵和测量信号；

表示

的范数：f₁，f₂代表车辆通过时前后轴对桥面产生的压力。

(3)超载判别

依据车型识别结果(车型识别不在本发明讨论范围，假定识别结果正确)，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重。将实际载重和标准载重作比较判断是否超载，如果超载，启动摄像机对超载车辆进行拍摄，并采取相应的处罚措施。

利用本发明建立的动态称量(WIM)系统不需要进行地面开挖，建造成本较低，具有很强的可移动性，对通过车辆的速度没有限制，能实现24小时不间断检测，具有很好的实用前景。该系统测量行驶车辆引起的振动，在进行车辆超限动态测量的同时还可以实现对高速公路振动的长时间实时监控，为今后道路的设计提供数据以避免高速公路的振动对周边环境产生重大影响。

附图说明

图1为桥梁信号前三个模态位移参数值示意图。

图2为车辆通过桥面过程图。

车辆经过桥面的过程可以分为：图2(a)表示前轮在桥上后轮未上桥，图2(b)表示前后轮都在桥上，图2(c)表示前轮下桥后轮在桥上三个分过程。

图3为两点移动力匀速通过桥面仿真结果图。

其中：图3(a)表示车辆前轮5％噪声下仿真结果图；图3(b)表示车辆后轮5％噪声下仿真结果图；图3(c)表示车辆前轮5％噪声下误差曲线图；图3(d)表示车辆后轮5％噪声下误差曲线图。

图4为试验平台测量数据仿真结果图。

其中：图4(a)为前轮仿真结果图；图4(b)为后轮仿真结果图；图4(c)为车辆总重仿真结果图。

具体实施方式

1.选择传感器安装位置

试验中传感器位置选择的准则为所安装传感器能够提供足够的信息和对称性的利用。首先，考虑静态梁各处的位移。由于静态梁挠度是桥梁的主要行为，所以静态梁用来作为传感器的位置的选择，表达式为：

$\mathrm{EI}\frac{{\∂}^4\mathrm{\υ}(x,t)}{{\∂x}^4}=\mathrm{\δ}(x-\hat{x}\left(t\right))P$

其中：υ(x，t)是x点在t时刻的桥梁位移(车辆在桥面计算分析部分有详细解释)，梁的静态位移由下式给出：

$\mathrm{\υ}(x,t)=\frac{2P}{\mathrm{EIL}{(\mathrm{\π}/L)}^4}\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{1}{i}\right)}^4\sin \frac{\mathrm{i\πx}}{L}\sin \frac{\mathrm{i\π}\hat{x}\left(t\right)}{L}$

将桥梁8等分，分别安装加速传感器，在一个固定移动点力P的作用下，中点处的位移有最大的值，所以中点被选择作为第一个传感器安装位置。其它安装位置将考虑以中点对称的位置，这样可以最大限度利用信号的对称性来提高准确性。 $\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{1}{i}\right)}^4\sin \frac{\mathrm{i\πx}}{L}$ 是决定测量位置处位移大小的参数，称它为位移参数。由于受系数(1/i)⁴的影响，各节点处位移主要是由前三个模态决定，测量信号前三个模态所对应的位移参数如图1所示：对于信号第1模态，中点x＝L/2处有最大值，次大值出现在x＝3/8L和5L/8处；第2模态，最大值出现在x＝L/4和3L/4处；尽管第3模态幅值比较小，但是在x＝L/4和3L/4处的幅值仍然比x＝3L/8和x＝5L/8处幅值大。综合考虑选取x＝L/4和3L/4作为另外两个传感器的安装位置。

2.采集信号与测量载重

1)车辆在桥面计算分析

桥梁采用简支梁模型，车辆经过桥面时的运动方程为：

$\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^2\mathrm{\υ}(x,t)}{{\∂t}^2}+C\frac{\∂\mathrm{\υ}(x,t)}{\∂t}+\mathrm{EI}\frac{{\∂}^4\mathrm{\υ}(x,t)}{{\∂x}^4}=\mathrm{\δ}(x-\mathrm{ct})f_1\left(t\right)+\mathrm{\δ}(x-\mathrm{ct}+L_s)f_2\left(t\right)$

此处：υ(x，t)是桥上x点处在t时刻的桥梁位移；ρ是单位桥梁密度；C是粘性衰减系数；c是车辆通过桥面的速度；δ(t)是单位冲激函数。基于模型假设，桥梁动态位移可写为模态形状函数

与模态的幅值函数乘值和的形式。可得：

$\mathrm{\υ}(x,t)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{L\ω}}_n^{\′}}\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}{\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})p_n\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

其中：ω_n是第n模态的频率；ξ_n是第n模态的衰减比率。

${\mathrm{\ω}}_n=(n^2{\mathrm{\π}}^2/L^2)\sqrt{\mathrm{EI}/\mathrm{\ρ}},{\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}_n^2},$

$p_n\left(t\right)=f_1\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\πct}}{L}+f_2\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\π}(\mathrm{ct}-L_s)}{L}$

则，桥梁在x点处t时刻的加速度离散结果为，：

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{\ρL}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}\left[\begin{array}{c}{f}_1\left(i\right)\sin \frac{\mathrm{n\πc\Δti}}{L}+\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\·\·}{h}(i-j)f_1\left(j\right)\sin \frac{\mathrm{n\πc\Δtj}}{L}\mathrm{\Δt}+\\ f_2\left(i\right)\sin \frac{\mathrm{n\π}(\mathrm{c\Δti}-L_s)}{L}+\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\·\·}{h}(i-j)f_2\left(j\right)\sin \frac{\mathrm{n\π}(\mathrm{c\Δtj}-L_s)}{L}\mathrm{\Δt}\end{array}\right]$

令：

$D_{\mathrm{xn}}=\frac{2}{\mathrm{\ρL}}\sin \frac{\mathrm{npp}}{L},H_n\left(k\right)=\stackrel{\·\·}{h}\left(k\right)\mathrm{\Δt}$

$S_2\left(k\right)=\sin \left(\frac{\mathrm{n\πc\Δt}}{L}k\right),S_2^{\′}=\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}(\mathrm{kc\Δt}-L_s)}{L}\right)$

利用边界条件：f(0)＝0，f(N_B)＝O，矩阵表达式可写为：

其中， $N_B=\frac{L}{\mathrm{c\Δt}},N=\frac{L+L_s}{\mathrm{c\Δt}}.$

2)车辆通过桥面过程及计算分析

上面描述的是车辆前后轮都在桥面时的情况，但对于只有单轴在桥面的情况同样实用。车辆经过桥面的过程可以分为前轮在桥上后轮未上桥，前后轮都在桥上，前轮下桥后轮在桥上三个分过程，如图2所示：

k≤L_s/cΔt时，为图2(a)所示情况，由于此时后轮未上桥，则S₂′＝0；

L_s/cΔt＜k≤L/cΔt时，为图2(b)所示情况，此时前后轮均在前上；

L/c＜k≤(L+L_s)/c时，为图2(c)所示情况，此时前轮已下桥，后轮在桥上。

则，上式可简写为：

$\left[\begin{array}{cc}{A}_a& 0\\ A_b& A_a\\ A_c& A_b\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]=A*\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]=\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}$

其中：A_a，A_b，A_c分别对应图2所示的三个阶段。

3)多传感器测量信息结合

如果不同位置的加速度传感器同时进行信号测量，可以利用下式将所有测量信号进行计算，可能会获得更加理想的结果，由于不同传感器的标定参数可能会不一样，首先必须进行信号归一化。

$\left[\begin{array}{c}{A}_1/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ A_2/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \·\\ \·\\ \·\\ A_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_1/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ {\mathrm{\υ}}_2/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\υ}}_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]$

4)实验仿真

为验证算法的正确性，对上面的算法进行计算机仿真和试验平台实测数据计算。

仿真假设：车辆前轮：f₁(t)＝20000*[1+0.1*sin(10πt)+0.05sin(40πt)]

          车辆后轮：f₂(t)＝30000*[1-0.1*sin(10πt)+0.05sin(50πt)]

仿真试验所用桥梁参数为：EI＝1.274916*10¹¹Nm²，ρ＝12000kg/m，L＝40m，ζ₁＝0.02，ζ₂＝0.02，ζ₁＝0.04。车辆轴距为Ls＝4m，车辆通过桥面速度为V＝40m/s。试验中，给计算的桥梁响应数据加上信号大小5％的随机白噪声来验证算法的鲁棒性。

如图3所示：两个点力在匀速通过桥面时候能很好计算力的大小，误差曲线显示，前后两个力的计算值误差最大值在5％内，车辆在上下桥时计算值有较大波动，这主要是由于上下桥时振动信号的剧烈变化引起的。

在桥梁L/4，L/2，3L/4处分别安装加速度传感器，测量车辆经过桥梁所引起的振动信号。桥两端安装红外接收器用来记录车辆上下桥信号。将5路信号输入到数字采集卡进行A/D转化，信号采样频率根据实际情况选择，主要根据感兴趣的信号频率决定。主要关心信号前三个模态，数字采集卡的采样频率选为500Hz。桥梁的参数如下：EI＝1074.048Nm²，ρ＝12kg/m，L＝1.5m，ζ₁＝0.02，ζ₂＝0.02，ζ₃＝0.04。小车总重量为2.5kg，前轴重为1.1kg，后轴重为1.4k，轴距为Ls＝0.25m，通过桥面速度为V＝2.066m/s，采样频率为500Hz。

实测数据计算的前轴重值为11.55N，后轴重值为13.57N，总重量值为25.13N。如图4所示：计算结果逼近真实值，误差值在2.5％左右，满足ASTM E1318对WIM称重系统对测量精度，满足固定式或移动式WIM系统，可用于交通数据采集。可以通过增加传感器来提高计算准确性，不过必须以大量的数值计算和降低适时性作为代价。

3.超载判别

由于不同类型的车型对应的标准载重不同。依据车型识别结果(车型识别不在本文讨论范围，假定识别结果正确)，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重。将实际计算载重和标准载重作比较，如果超载，启动摄像机对超载车辆进行拍摄，并采取相应的处罚措施。

Claims (5)

1.一种基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择传感器安装位置：

根据安装传感器必须能够提供足够的信息和信息的对称性准则，利用桥梁静态梁挠度计算在固定力情况下桥梁各点的位移；

(2)采集信号与测量载重：

桥梁采用简支梁模型，车/桥相互作用模型化为两个具有固定间距的点力匀速通过桥面，建立车辆通过桥面时的运动方程，分析车辆通过桥面的整个过程并建立相应的函数对应关系式；

(3)超载判别：

依据车型识别结果，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重，将实际载重和标准载重作比较判断是否超载。

2.根据权利要求1所述的基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(1)中，综合考虑选取L/4，L/2，3L/4处分别安装加速度传感器，由于受系数(¹/_i)⁴的影响，选取各节点处位移前三个模态叠加作为桥梁位移。

3.根据权利要求2所述的基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(1)中，梁的静态位移由下式给出：

$\mathrm{\υ}(x,t)=\frac{2P}{\mathrm{EIL}{(\mathrm{\π}/L)}^4}\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{1}{i}\right)}^4\sin \frac{\mathrm{i\πx}}{L}\sin \frac{\mathrm{i\π}\hat{x}\left(t\right)}{L}$

其中：E为桥梁材料的Young系数；I是桥梁横截面的惯性矩；L是桥梁的长度；i为对应模态序号； 是静态力P在t时刻在桥上的位置。

4.根据权利要求1所述的基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(2)中，桥梁动态位移写为模态形状函数与模态的幅值函数乘值和的形式，求得桥梁在x点处t时刻的加速度。

5.根据权利要求4所述的基于微加速度传感器的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(2)中，利用多传感器同时测量的方法的增加检测结果的准确性，建立车辆载重与桥梁加速度的对应函数式：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ A_2/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \·\\ \·\\ \·\\ A_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_1\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_1\left|\right|\\ {\mathrm{\υ}}_2/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_2\left|\right|\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\υ}}_n/\left|\right|{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\υ}}}_n\left|\right|\end{array}\right]$

其中：符号A_i，

表示第i传感器对应的系数矩阵和测量信号；

表示 的范数；f₁，f₂代表车辆通过时前后轴对桥面产生的压力。

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