KR100900809B1

KR100900809B1 - 고속주행차량 자동 계중 시스템

Info

Publication number: KR100900809B1
Application number: KR1020070096116A
Authority: KR
Inventors: 조성윤; 김주현
Original assignee: 조성윤; 김주현
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-06-04
Also published as: KR20090030671A

Abstract

본 발명은 다중 피에조 크리스털 센서를 이용하여 고속으로 주행하는 차량의 축 중량 및 총중량을 효율적으로 계측할 수 있는 고속주행차량 자동 계중 시스템에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 차선별로 소정 간격 이격되게 도로에 매설되며, 차량의 하중에 비례하는 전하량을 발생하는 하중 감지 센서와; 하중 감지 센서에 발생하는 전하를 증폭하여 전압으로 변환하는 전하 증폭기와; 전하 증폭기에 변환된 전압을 적분하는 적분기와; 적분기의 출력 전압을 설정된 이득만큼 증폭하는 신호 증폭기와; 신호 증폭기의 아날로그 출력 전압을 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기와; 아날로그/디지털 변환기에서 출력된 각각의 신호를 최적 하중처리를 위한 신호처리 알고리즘으로 처리하여 계측 대상 차량의 축 중량으로 각각 산출하고, 그 산출한 각각의 축 중량을 가산하여 상기 계측 대상 차량의 총 중량 값을 산출하는 신호 처리부를 구비함으로써, 고속으로 통과하는 차량에 대하여 감속 및 정지하지 않고 모든 차량의 축 중량, 총중량 등을 측정함으로써 과적 단속뿐만 아니라 해당 도로에 대한 중요 교통량 분석을 위한 다양한 정보를 제공하여 효율적인 도로관리 체계를 제공할 수 있게 된다.

과적 차량, 차량 중량 계측 시스템, 고속주행차량

Description

고속주행차량 자동 계중 시스템{System for measuring weight a high speed car}

본 발명은 고속 주행 중인 차량의 축 중량 및 총중량을 효율적으로 자동 측정할 수 있는 고속주행차량 자동 계중 시스템에 관한 것이다.

국가산업화의 지속적인 발전 및 이에 따른 물동량 증가로 인하여 기반 도로망의 유지보수에 많은 예산이 소요되고 있는 실정이다. 특히 과적차량은 기반 도로의 파손을 가져오는 주된 요소이기 때문에 차량의 중량을 계측하고 과적으로 판단될 경우 과태료를 부가하도록 차량을 계중하는 차량 계중 시스템이 제안되고 있다.

종래에 제안된 차량 계중 시스템은 차량이 정지된 상태에서 차량 중량을 측정하거나 특정 속도 이하에서 차량 중량을 측정한다.

따라서 이러한 종래의 차량 계중 시스템은 차량이 정지된 상태에서 측정하거나 특정 속도 이하에서 측정해야 하기 때문에 차량 유도 및 정차에 따른 교통혼잡을 유도하며, 특히 전체 하중을 계측하기 위하여 각 축 중량을 합산해야 하므로 측정방법에 따른 계측 오차가 심하다는 단점이 있었다.

또한, 차량 계중을 위한 특정 영역을 도로 이면에 확보해야 하고, 계중 장비 위치로 유도하는 과정에서 교통사고 유발을 초래하는 단점도 있었으며, 차량 유도 요구를 묵살하는 차량에 대해서는 속수무책이라는 단점도 있었다.

또한, 피에조센서나 루프센서를 도로면에 매설하고 특정 속도 이하로 측정 시스템을 통과하도록 유도해야하는 종래의 차량 계중 시스템은 속도 감소에 따른 교통흐름의 저하로 인해 불필요하게 발생하는 비용이 오히려 도로면의 유지보수 비용을 상회 하며, 특히 계측을 회피하기 위한 급 차선 변경 및 급가감속에는 대처능력이 전무하고 아울러 사고발생의 원인을 제공하기도 하였다.

이에 대한 대책으로 선진 각국에서는 각 국가별 환경에 적합한 고속주행차량 계중 시스템(HWIM: High speed Weight In Motion) 개발연구가 본격화되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 차량 계중 시스템에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은 고속 주행차량의 실시간 중량계측 기능을 효율적으로 제공할 수 있는 고속주행차량 자동 계중 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고속 주행 중인 차량의 축 중량 및 총중량을 효율적으로 자동 측정할 수 있는 고속주행차량 자동 계중 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 해당 도로를 통과하는 모든 차량에 대한 중량, 축간 거리 등에 대한 모든 정보를 축적할 수 있도록 하고, 이들 정보를 재가공함으로써 효율적인 유지보수 전략을 도모할 수 있는 고속주행차량 자동 계중 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명에 따른 "고속주행차량 자동 계중 시스템"은,

자동차용 도로에 매설되어 특정 라인의 차량 진입 및 진출을 감지하는 차량 진출입 감지부에 의해 차량의 진입이 감지되면, 중량 감지 장치에서 그 진입된 차량의 각 축 하중과 해당 차량의 전체 총 중량을 측정하게 된다.

중량 감지 장치는 하중 감지 센서인 피에조 크리스털 센서를 이용하여 고속으로 주행중인 차량의 각 바퀴별 축 하중을 감지하고 측정차량 전체의 총 중량신호 를 추출하게 된다.

차량 인식 및 판독 장치는 상기 특정 라인의 진입한 차량의 영상 정보로부터 번호판 정보를 추출한다. 여기서 차량의 영상 정보로부터 번호판 정보를 추출하는 영상 처리 방법은 영상 처리 업계에서 널리 알려진 공지의 방법을 이용한다.

컨트롤러는 차량 진출입 감지부와 중량 감지 장치 및 차량 인식/판독 장치에서 각각 획득한 진입 정보와 중량 정보 및 차량 번호판 정보 등을 유효 적절하게 분석 및 조합하여 차량 등급분류 및 과적 여부를 판단하게 되고, 과적시 표시장치에 경고 메시지를 출력한다.

이러한 본 발명에 따르면, 차량의 과적상태 검출이 가능하므로, 과적차량의 특정지역 진입방지나 법규위반 고발조치 등에 활용할 수 있으며, 적극적인 과적단속 장치로써 시스템에 설치된 비디오/스틸 카메라들을 이용하여 법규위반으로 고발 조치하거나 소극적인 접근방법으로써 HWIM 스테이션을 기존의 과적차량 단속지점의 수 킬로미터 이전에 설치하여 적발된 차량을 교통 흐름에 방해를 주지 않고 선별하여 정밀 계측 지점으로 호출하여 해당 차량에 대한 정밀검사(inspection)와 정적 중량 검사(static weighing)를 실시하거나 우회도로 유도방식을 선택할 수 있도록 도모해주는 장점이 있다.

또한, 통과 중량을 초과하는 과적 차량의 교량 진입을 막음으로써 추후 교량 파손 및 유지보수 저해 사항을 사전에 차단할 수 있는 장점이 있으며, 시간당 차량 통과 대수, 차량 타입, 화물적재 유무, 화물차량의 축수, 화물차량 등급, 차량 속도, 통과 차량 간격 등에 대한 정확한 통계자료를 수집할 수 있어 이를 바탕으로 정확한 교통 분석연구를 도움을 줄 수 있는 장점도 있으며, 차량 중량에 따른 차등 요금제의 실시를 도모할 수도 있고, 과적뿐만 아니라 적재 중량에 따른 정확한 등급분류가 가능하기 때문에 일반적인 3등급에 따른 통행료 부과방식을 벗어나 적재 중량에 따른 상세 요금부과를 가능케 해주는 장점도 있다.

나아가 본 발명은 HWIM과 함께 적용되는 Decision-making process를 설정하여 최적화된 도로 관리, 진단, 유지 보수 등을 구현토록 도모해주는 장점이 있으며, 축적되는 다양한 자료들을 최적화된 데이터베이스에 구축하고 도로조건, 구조 및 교통량에 따른 historical information을 제공함으로써 추후 교통량 변화 및 유지보수 요구사항을 예측 판단하여 효율적인 도로 유지보수 시기 및 처리 비용 등을 산출토록 도모해주는 장점이 있으며, 이를 바탕으로 신규 도로건설에 대한 중요한 기초 정보를 도출하도록 도모해주는 장점도 있다.

본 발명에 따른 주행 차량 자동 계중 시스템은 고속주행중인 차량의 실시간 중량계측 기능을 효율적으로 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 고속 주행 중인 차량의 축 중량 및 총중량을 효율적으로 자동 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 해당 도로를 통과하는 모든 차량에 대한 중량 등에 대한 모든 정보를 축적할 수 있도록 하고, 이들 정보를 재가공함으로써 효율적인 유지보수 전략을 수립할 수 있도록 도모해주는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고속주행차량 자동 계중 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이고, 도 2는 도 1에 따른 고속주행차량 자동 계중 시스템을 도시한 블록도로서, 차량 진출입 감지부(110)와, 중량 감지 장치(120)와, 차량 인식 및 판독장치(130)와, 표시장치(140)와, 컨트롤러(150)로 구성된다.

차량 진출입 감지부(110)는 루프 코일 센서(loop coil sensor)(111)(112)를 이용해서 루프 코일의 인덕턴스(inductance) 변화를 통하여 도로 특정 라인의 차량 진입 및 진출을 감지하여 계측 대상 차량의 진출입을 인식하도록 한다.

중량 감지 장치(120)는 하중 감지 센서(121)인 피에조 크리스털 센서를 이용하여 주행 차량의 각 바퀴별 축 하중을 감지하고 측정차량 전체의 총 중량신호를 추출하게 된다.

차량 인식 및 판독장치(130)는 3D CCD 카메라(131) 및 문자인식 및 판독 소프트웨어(S/W) 모듈로 구성되어, 차량의 번호를 판독하여 컨트롤러(150)에 제공함으로써, 최종적으로 차량 등급 분류 및 과적을 판정하도록 한다.

표시장치(140)는 과적 차량 운전자에게 과적 관련 위반사항 경고 및 추후 조 치를 통보하여 과적 차량을 해당 도로로부터 이탈 혹은 상세 과중 측정을 위해 특정 지역으로 유도하도록 한다.

컨트롤러는 측정 차량의 총 중량(gross weight), 차량 번호판 등의 정보를 이용하여 도로교통법규 규정 범위 적용을 판단한다. 컨트롤러는 부가적으로 통신 모듈을 포함하고 있어 중앙 통제 컴퓨터로 데이터를 전송하여 중앙 컴퓨터 데이터베이스에 자료를 축적하고 차량 정보를 검색할 수 있는 검색기능도 제공할 수 있도록 한다.

참고로, 상술한 중앙통제 시스템은 각 HWIM(고속주행차량 자동 계중 시스템)으로부터 획득한 차량 계중 정보를 체계적인 저장관리 시스템(DBMS)을 통해 저장 관리하며, 이로부터 지식(knowledge)을 생성할 수 있는 지식정보 체계를 구축하여 도로망 관리에 필요한 관리 정보를 제공한다. 또한, HWIM 시스템 운영정보를 관리함과 아울러 통제 관리한다.

이러한 본 발명은 측정 대상 차량이 고속주행차량 자동 계중 시스템이 설치된 도로로 주행을 하면, 차량 진출입 감지부(110)의 루프 코일 센서(loop coil sensor)(111)에서 측정 대상 차량의 진입을 검출하게 된다. 여기서 루프 코일 센서(111)는 루프 코일의 인덕턴스(inductance) 변화를 이용하여 도로 특정 라인의 차량 진입을 감지하게 된다.

차량 진입이 감지된 후 계측 대상 차량이 전진을 하면 중량 감지 장치(120)의 하중감지센서(121)에 의해 계측 대상 차량의 중량 측정이 시작된다. 여기서 하중감지센서(121)는 도 1에 도시된 바와 같이, 특정 차량 라인에 유효 적절한 개수 로 매설된다.

차량의 축 중량을 측정하기 위한 기본적인 센서로서 피에조 센서, 피에조 필름 센서 등이 활용되고 있으나, 본 발명에서는 압전기 크리스탈(piezoelectric crystal)을 시스템의 기본 센서로 적용하였다. 본 발명에 적용된 크리스털 쿼츠(Quartz)는 실리콘-디옥사이드(Silicon-dioxide(SiO2))를 이용하여 섭씨 400°에서 1000bar압력으로 압출 성형하여 얻어진다. 이러한 공정에 의해서 성형된 결정체는 도 4와 같이 각 축 방향의 물리적 특성을 나타내므로 결정체의 입체각을 측정하는 각도계(goniometer)를 이용하여 정확한 축 방향을 결정하여 절단한다. 도 4는 실리콘-디옥사이드를 이용한 크리스털 쿼츠 커팅 단면도를 도시한 것이다.

이렇게 절단된 크리스털 편들은 다음과 같이 축 방향(longitudinal), 횡단방향(transversal), 전단방향(shear)의 전기적인 효과를 나타낸다.

축 방향 전기적 특성 - 크리스털 편이 축 방향으로 기계적인 압력이 가해지면 표면에 각각 음전기와 양전기가 대전되어 전하를 방출한다.

횡단방향 전기적 특성 - 크리스털 편에 횡단방향으로 기계적인 압력이 가해지면 압력이 가해지지 않은 두 단면의 표면에 전하들이 각 면에 대응되게 방출되어 도 4와 같이 전기적인 특성을 띄게 된다.

전단방향 전기적 특성 - 크리스털 편에 전단방향으로 기계적인 압력이 가해지면 표면에 각각 음전기와 양전기가 대전되어 전하를 방출한다.

즉, 하중감지센서(121)는 기계적인 압력이 가해지면 하중방향에 따라 전하를 방출함으로써 크리스털 편에 가해지는 기계적인 힘(load)을 전기적 신호로 변환하 여 그 크기를 측정할 수 있도록 물리적인 계측 도구를 제공해 준다.

기계적 압력을 전기적 신호로 변환하는 쿼츠를 이용하여 차량의 축 중량을 측정하기 위해서는 도로 면에 매설할 수 있는 정형화된 센서를 구성해야 한다. 센서의 구성은 센서로써 요구되는 기계적 특성과 도로면에서의 내구성 및 설치 운용, 그리고 유지보수가 효율적이며 경제적으로 이루어져야 되므로 다음과 같은 구성으로 이루어지는 것이 바람직하다.

우선 쿼츠를 일렬로 배열하고 배열된 쿼츠 편들을 고정할 수 있도록 알루미늄을 이용하여 고정형틀을 구성하며, 고정형틀 상부에 로드 베어링 패드(load bearing pad)를 부착시키고, 알루미늄 틀과 패드를 특수 수지로 마감함으로써, 차량의 충격에 의한 충격 및 동반되는 잡음을 상쇄할 수 있는 물리적 구조를 형성하도록 구현한다.

이때 차량의 바퀴가 하중감지센서(121)의 패드를 지나갈 때 수직력이 작용하여도 센서 패드 면이 변형되지 않도록 해야 한다. 센서 내부에 내장된 쿼츠는 타이어가 부가하는 기계적 압력에 의해 전하(electron)를 방출하게 되어 부하에 비례하는 전기적 신호를 변환하게 되는 것이다. 본 발명에서 활용되는 압전기 크리스털의 감도는 도로면의 온도, 차량의 타이어가 하중감지센서(121)를 통과하는 시간의 크기 및 차량의 속도에 무관하다. 여기서 발생한 전하들은 전하량 증폭기에 의해 정확히 대응되는 전압으로 변환되기 위해서 추후 추가적인 신호처리 절차가 요구된다.

여기서 차량의 축 중량의 정확도는 차량의 타이어 형태, 타이어 공기압 등에 도 영향을 받지 않음이 실험을 통해 입증되었다. 두 개의 타이어가 한 쌍을 이루는 경우, 일반적으로 화물차량의 구동축 한 쌍을 하나의 바퀴(wheel)로 인식한다. 이 경우 각각의 타이어 축의 하중의 합과 그 값이 일치된다는 것이 실험을 통하여 입증되었다. 즉 측정차량의 타이어의 형태는 센서의 정확도에는 영향을 미치지 않는다.

차량 축과 센서 간의 상호 작용을 살펴보면, 차량의 타이어가 센서 패드를 통과할 때 타이어와 패드 사이의 수평, 수직 방향 및 측력을 발생시킨다. 이때 하중감지센서(121) 내의 쿼츠와 특수 수지의 배열에 의해서 센서 패드에 수직으로 가해지는 힘 즉, Fz만 측정되고 수평 및 측 방향(Fx 및 Fy)의 압력은 상쇄된다.

국내에 운행 중인 보편적인 화물차량에 의해 하중감지센서(121)에 가해지는 타이어 압력은 도 5와 같다.

이때 파형의 최대치가 축 중량을 의미하는 것이 아니다. 왜냐하면, 타이어와 지면이 닿는 부분이 센서 패드의 축 단면을 모두 덮지는 않기 때문이다. 파형의 최대치에 영향을 주는 요소는 다음과 같이 타이어 압력에 의해서 그 결과가 변한다는 것을 실험을 통해서 얻었다.

여기서 실험 차량의 축 중량은 4500N이었으며 타이어 압력을 0.7bar(10psi)부터 2.5bar(36psi)까지 변화시키면서 측정한 결과는 도 6과 같다.

그래프의 x축은 타이어가 센서 면에 닿은 족적의 총 길이(footprint length)를 나타내고, y축은 센서 패드 면에 가해지는 수직방향의 힘의 크기(vertical force Fz(N))를 나타낸다. 이때 족적의 총 길이는 센싱 타임과 차량의 속도의 곱으 로 산출된다. 그림에서 보듯이 곡선이 둘러싼 면적은 다섯 가지 타이어 압력에 따라 모두 동일하다. 곡선의 최고점과 족적의 총 길이만이 타이어 압력에 비례함을 알 수 있다. 압전기 쿼츠를 측정 부품으로 쓰기 때문에 센서의 기본 출력은 전하량(Q)이며, 이는 센서에 가해지는 수직압력 Fz에 비례한다. 이러한 압전기 쿼츠를 사용하는 센서들의 일반적인 감도는 1.76pC/N이라는 것이 실험적 데이터를 바탕으로 알려져 있다.

하중감지센서(121)로부터 얻어지는 전기신호를 전하 증폭기(charge amplifier)(122)를 이용하여 효율적으로 전압신호(voltage signal)로 변환하게 된다.

현재 구현 가능한 전하 증폭기의 변위 값은 약 60000pC/5V이다. 이를 이용하여 전하 증폭기 출력단자에서의 감도(S)를 계산하면 아래의 [수학식1]과 같다.

센서의 감도를 약 1.8 pC/N이라고 가정할 때,

실제 트럭 타이어의 폭이 0.35m(13.8in)이고 공기압이 12bar(174psi)인 트럭에 대한 계산 예측치는 다음과 같이 계산될 수 있다.

압력 ≒ 타이어 압력 × 타이어 폭 × 센서 패드 폭

즉 압력 ≒ 12bar × 0.35m × 0.053m ≒ 2.3kN

이것을 전기적 신호로 변환했을 때 전압 = 압력 × 센서의 감도 × 증폭기 최대변위로 정의된다.

즉, 전압 = 22300N × 1.8pC/N × 5V/60000pC = 3.34V가 된다.

실제로 실험결과에 의하면 약 9톤의 축에서 약 3.5V의 peak pulse가 측정되었다.

주지한 전하 증폭기(122)의 동작 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

하중감지센서(121)의 쿼츠(121a)에 기계적인 외압이 가해 질 때, 도 7과 같이 쿼츠(121a)의 외피 면에 전하가 대전 된다. 이러한 전하들을 손실 혹은 왜곡되지 않도록 전압으로 전환할 수 있도록 해야한다. 즉, 연산 증폭기(122a)를 이용한 전하 증폭기(122)를 사용하여 대전되는 전하량에 대응되는 정확한 전압이 산출될 수 있도록 한다.

전하 증폭기(122)는 입력되는 전하량을 전압으로 변환하고 이를 원하는 레벨 만큼으로 증폭하여 적분기(123)에 전달한다.

적분기(123)는 일반적으로 저역 통과 필터(LPF: low-pass filter)로서 차단주파수(fc) 이하에서는 콘덴서(C)의 양단이 오픈 된 형태의 반전증폭기로 동작하고, 차단주파수(fc)의 이상에서는 주파수에 따른 응답을 갖는 적분기로서 동작한다.

도 8은 연산증폭기를 이용한 적분기의 일 예를 보인 회로도이다.

도 8에서 저항 Rc는 직류 출력 오프셋 영향을 줄이며, 저항 Rs는 낮은 주파수 영역에서 이득의 감소를 방지한다(Rs의 값은 R1의 값에 약 10배 정도를 택하여 시정수 CR을 입력신호의 주기와 유사한 값으로 맞춘다). 이때의 전달 함수(G(s))와 차단주파수(fc)는 아래의 [수학식2]와 같다.

이때 입력 전압(Vin)의 주파수를 f라 하면,

fc>f이면 Vo/Vin = - Rs/R1 즉, 반전 증폭회로로 동작하고,

fc<f이면 Vo/Vi = - 1/sCR1 즉, 적분기로 동작한다.

도 9는 주지한 적분기 회로의 주파수에 따른 동작 특성도이다.

적분기(123)를 거친 신호는 반전 증폭기인 도 10과 같은 신호 증폭기(124)를 통하여 원하는 만큼의 출력을 얻게 된다.

여기서 증폭도는 Rf와 R1의 값에 의해 결정되며, 전달함수(G(s))는 아래의 [수학식3]과 같다.

전달함수에서 "-"부호는 반전임을 의미한다.

이렇게 증폭된 신호는 아날로그/디지털 변환기(125)에 의해 디지털 신호로 변환된다.

하중감지센서(121)로부터 얻어지는 전기적 신호는 아날로그 신호이다. 차량 축 중량의 효율성 및 정확성을 확보하기 위하여 이러한 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환해야 한다. 측정된 신호를 디지털화해야만 정보전송 및 보관 그리고 지식기반 중요 정보로 재가공이 가능하다. 전하 증폭기(122)로부터 얻어지는 신호의 특성은 측정 차량의 타이어 압력 및 족적 길이 그리고 통과 차량의 속도 등에 따라 파형의 외형이 변화된다. 비록 파형에 의한 파생되는 면적이 중량정보를 전달해 주기는 하나 이러한 경우 파형의 모양 즉 곡선 특성의 정확한 획득이 가장 중요한 요소가 된다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 표본화된 아날로그 파형을 얼마만큼 충실하게 표현하는가 그리고 해상도는 어느 정도인가 등을 비트 수로 표시한 것을 양자화 비트 수라고도 한다. 일반적으로는 그 숫자가 클수록 아날로그 신호를 재현성이 높은 디지털 신호로 변환시킬 수 있다. 즉 얻어진 아날로그 파형을 해상도가 높은 디지털 신호로 변환시킬 수 있다. 따라서 얻어진 아날로그 파형을 해상도가 높은 디지털 신호로 변환하기 위한 최적의 샘플링 주기, 즉 신호 표본추출 비율(sampling rate)을 파악해야 한다. 만약 과도한 샘플링 주기를 바탕으로 얻어진 신호를 디지털화하면 획득 정보량이 많아져서 데이터를 처리하여 실시간으로 판단해야 하는 HWIM 시스템 특성을 만족시키기 어려울 것이며, 또한 필요량보다 낮은 샘플링 주기로 신호를 처리한다면 정확한 파형의 특성을 파악하기 어려워 측정의 정확도에 큰 어려움을 겪게 될 것이다. 그러므로 HWIM 센서 신호의 변환을 위한 샘플링 주기는 다음과 같이 산출될 수 있다.

샘플링 비 = 속도(m/s)× 각 신호 당 최소 샘플링 포인트 수(min.of measured points)/족적 길이

이는 원래 신호의 수치적 특성을 유지하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 최소 10 혹은 20이 되어야 한다. 이러한 샘플링 포인트의 수는 신호의 주파수보다 기본적으로 2배 이상이 되어야만 디지털 전송에서 부호 간 간섭을 없앨 수 있다.

이렇게 디지털화된 신호는 신호 처리부(126)에 제공된다.

신호 처리부는 최적 하중 측정을 위한 신호 처리 알고리즘을 이용하여 차량의 바퀴별로 하중을 계산하고, 이를 가산하여 계측 대상 차량의 총 중량 값으로 컨트롤러(150)에 전달한다.

여기서 도 11은 신호 처리를 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다.

먼저, 도 11의 t1과 t2에서 트리거되도록 임계 레벨(threshold level)을 정의하고, t1-Δt가 신호처리의 시작점이 되고, t2+Δt가 최종점이 되도록 Δt를 정의한 후, 추출된 센서 출력 곡선의 시작점과 끝점 사이의 면적을 계산한다.

시작점과 끝점의 출력 전압 u(t)와 baseline b(t) 면적(Area) 산출은 다음과 같이 정의한다.

Area = ∫[u(t) - b(t)] 또는 디지털화된 신호에 대해서는 Area = ∑[ui - bi](i는 샘플 수) 방법으로 산출한다.

따라서 바퀴 하중(Wheel load)이 W이고, 면적이 A, 차량속도가 V, 센서 폭이 Ls, 그리고 calibration constant가 C일 때, 바퀴 하중 W는 다음과 같이 산출한다.

W = (V/Ls) × A × C

C는 Calibration 상수로써 정해진 기준 중량 값을 갖는 시험 차량 들을 이용하여 그 값을 결정한다. 이때 도로면의 온도, 측정 차량의 속도 등을 위한 보상 값들은 고려치 않는다.

신호 처리부(126)는 이렇게 하나의 하중감지센서를 통해 감지된 하나의 바퀴에 대한 축 하중을 계산하고, 각각의 센서에 대해서 계산한 축 하중을 합하여 계측 대상 차량의 총 중량 값으로 컨트롤러(150)에 제공한다.

도 3에는 하나의 하중감지센서(121)에 대한 신호 처리 과정만을 도시한 것이나, 실질적으로 계측 차량에 대한 각 바퀴 수(2개의 바퀴가 한 쌍으로 이루어진 경우에는 하나의 바퀴로 간주함)에 대응하게 신호 처리 과정이 필요하며, 신호 처리부(126)에는 각 바퀴 수에 대응하는 수의 아날로그/디지털 변환기가 연결되어 축 하중 검출 신호가 전달된다.

컨트롤러(150)는 시스템 전반을 제어하며, 중량 감지 장치(120)와 차량 인식 및 판독 장치(130)에서 제공되는 정보를 분석하여, 계측 대상 차량의 과적 여부를 판단하고, 과적시 표시장치(140)를 통해 저장된 경고 메시지를 출력한다.

여기서 컨트롤러(150)는 차량 번호별 차량 정보와 차종별 과적 정보가 저장 되는 차량 정보 데이터베이스(151)와, 차량 인식 및 판독 장치(130)로부터 출력되는 차량 번호에 따라 차종을 판단하는 차종 판단부(152)와, 상기 중량 감지 장치(120)로부터 출력되는 해당 차량의 총 중량 정보와 상기 차종 판단부(152)에서 판단한 차종에 따라 상기 차량 정보 데이터베이스(151)에 저장된 과적 정보와 비교하여 과적 여부를 판단하고 과적시 상기 표시장치(140)로 경고 메시지를 출력하는 과적 유무 판단부(153)를 포함한다. 여기서 표시장치(140)는 예를 들면, LED와 같은 소형 디스플레이 수단으로 구현되거나, LCD와 같은 데이터 표시 장치를 이용하여 구현된다. 이러한 표시장치(140)는 통상적인 주지된 구성이 될 수 있다.

차량 정보 데이터베이스(151)는 예를 들면, EEPROM 또는 플래시 롬과 같은 비휘발성 메모리이면 족하며, 고용량의 하드 디스크 또는 네트워크 접속이 가능한 대용량 저장 장치로도 구현될 수 있다. 차량 정보 데이터베이스(151)는 차량의 번호별로 해당 차량의 차종, 차주, 차량 등록지와 같은 차량 정보와 차종별 과적 정보 즉, 차종별 중량에 따른 기준 과적 정보가 저장된다. 차량 정보 데이터베이스(151)에 저장된 차량 정보는 차종 판단부(152)와 과적 유무 판단부(153)에 의해 엑세스 제어된다.

차종 판단부(152)는 차량 인식 및 판독 장치(130)로부터 출력되는 차량 번호를 차량 정보 데이터베이스(151)에서 조회하여 차종을 판단하여 출력한다. 여기서 차량 인식 및 판독장치(130)에서 촬영된 차량 영상으로부터의 차량 번호의 인식은 주지의 기술이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

과적 유무 판단부(153)는 자동 연산 신경망 또는 퍼지 시스템을 이용하는데, 중량 감지 장치(120)의 중량 감지 신호와 차량 인식 및 판독 장치(130)의 차량 번호와의 상관관계를 인공 지능 기반으로 판단함으로써, 대용량의 차량 정보 데이터베이스(151)를 운용하기 위한 오버헤드와 비용을 절감할 수 있다. 즉, 자동 연산 신경망 또는 퍼지 시스템을 이용하여 차량의 중량과 해당 차량의 차량 번호의 정보를 차량 정보 데이터베이스(151)에 저장된 차종별 과적 정보와 비교하여 해당 차량의 과적 유무를 판단하고, 과적시 표시장치(140)를 통해 경고 메시지를 출력한다.

상술한 자동 연산 신경망 또는 퍼지 시스템은 일반적인 연산 시스템에 사용되는 것으로 변화에 따라 달라지는 변수에 대하여 정확한 측정이 가능하게 한다.

따라서, 본 발명에 따른 고속주행차량 자동 계중 시스템은 고속주행중인 차량의 차종별 과적을 판단할 수 있어 차량의 계중을 위해 교통이 정체되거나 운전자가 과적 차량 유도 요구를 묵살하더라도 자동으로 계중 및 과적 여부를 판단하여 처리할 수 있는 장점을 갖는다.

부가적으로 본 발명에 따른 주행 차량 자동 계중 시스템은 해당 시스템에 의해 계중되는 차량의 번호별 진입·진출 이력 정보를 저장하고 이를 제공할 수 있다.

이에 따라 컨트롤러(150)는 진입·진출 차량의 계중 정보가 저장되는 통행 정보 데이터베이스와, 차량 번호별 차량의 진입·진출 이력 정보를 상기 통행 정보 데이터베이스에 저장하는 도로 통행 정보 수집부를 더 포함할 수 있다.

통행 정보 데이터베이스는 예를 들면, EEPROM 또는 플래시 롬과 같은 비휘발성 메모리이면 족하며, 고용량의 하드 디스크 또는 네트워크 접속이 가능한 대용량 저장 장치로도 구현될 수 있다. 통행 정보 데이터베이스는 차량번호별 통행 시간별 측정된 속도, 중량 등의 정보가 저장된다. 도로 통행 정보 수집부는 차량번호별 통행 시간별 측정된 속도, 중량 등의 정보를 수신하여 통행 정보 데이터베이스에 저장하며, 네트워크를 통해 연결된 중앙 관제 센터에 주기적으로 제공하여 전체 교통량 산출 등에 이용될 수 있도록 한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고속주행차량 자동 계중 시스템을 개략적으로 도시한 개요도.

도 2는 도 1에 따른 고속주행차량 자동 계중 시스템을 도시한 블록도.

도 3은 도 2의 중량 감지 장치의 일 예를 도시한 블록도.

도 4는 실리콘-디옥사이드를 이용한 크리스털 쿼츠 커팅 단면도.

도 5는 차량 축과 센서 간의 상호 작용 관계도.

도 6은 타이어 압력에 따른 족적 힘의 관계 그래프.

도 7은 전하 증폭기의 동작 원리를 설명하기 위한 회로도.

도 8은 연산증폭기를 이용한 적분기의 회로도.

도 9는 적분기 회로의 주파수에 따른 동작 특성도.

도 10은 반전 증폭기의 회로도.

도 11은 최적 하중측정을 위한 신호처리 알고리즘을 설명하기 위한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110… 차량 진출입 감지부

120… 중량 감지 장치

130… 차량 인식 및 판독 장치

140… 표시장치

150… 컨트롤러

Claims

차선별로 소정 간격 이격되게 도로에 매설되며, 차량의 하중에 비례하는 전하량을 발생하되, 일렬로 배열된 쿼츠 편들을 고정할 수 있도록 알루미늄으로 성형된 고정형틀과, 상기 고정형틀의 상부에 특수 수지에 의해 부착되며, 상기 배열된 쿼츠 편들을 외부 충격으로부터 보호하기 위한 로드 베어링 패드(load bearing pad)를 포함하는 복수의 하중 감지 센서와;

상기 복수의 하중 감지 센서에 각각 발생하는 전하를 증폭하여 전압으로 변환하는 복수의 전하 증폭기와;

상기 복수의 전하 증폭기에 각각 변환된 전압을 적분하는 복수의 적분기와;

상기 복수 적분기의 아날로그 출력 전압을 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하여 출력하는 복수의 아날로그/디지털 변환기와;

상기 복수의 아날로그/디지털 변환기에서 출력된 각각의 신호를 최적 하중처리를 위한 신호처리 알고리즘으로 처리하여 계측 대상 차량의 축 중량으로 각각 산출하고, 그 산출한 각각의 축 중량을 가산하여 상기 계측 대상 차량의 총 중량 값을 산출하는 신호 처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
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제1항에 있어서, 상기 하중 감지 센서는,

차량의 하중에 의해 가해지는 수직압력에 비례하는 전하량을 발생하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전하 증폭기는,

연산 증폭기를 이용하되, 하중을 발생하는 차량의 압력과 미리 설정된 상기 하중 감지 센서의 감도와 미리 설정된 상기 전하 증폭기의 최대 변위를 각각 승산하여 그 결과치를 발생한 전하량에 대한 전압으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적분기는,

차단주파수(fc)의 이하에서는 반전증폭기로 동작하고, 상기 차단주파수(fc)의 이상에서는 주파수에 따른 응답을 갖는 적분기로 동작하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
제1항에 있어서, 상기 아날로그/디지털 변환기는,

아래와 같은 [수식]에 의해 생성된 최적의 샘플링 주기로 입력되는 아날로그 신호를 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.

[수식]

샘플링 주기 = 차량 속도(m/s)× 각 신호 당 최소 샘플링 포인트 수(min.of measured points)/족적 길이
제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,

바퀴 하중(Wheel load)이 W이고, 면적이 A, 차량속도가 V, 센서 폭이 Ls, 그리고 상수 C일 때, 바퀴 하중 W는 아래와 같은 [수식]에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.

[수식]

W = (V/Ls) × A × C

C는 Calibration 상수로써 정해진 기준 중량 값을 갖는 시험 차량 들을 이용하여 그 값을 결정한다.
제1항에 있어서, 상기 고속주행차량 자동 계중 시스템은,

상기 복수 적분기와 상기 복수의 아날로그/디지털 변환기 사이에 게재되어, 상기 복수 적분기의 출력 전압을 설정된 이득만큼 증폭하여 상기 복수의 아날로그/디지털 변환기에 제공하는 복수의 신호 증폭기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
주행중인 차량의 진입 및 진출을 감지하는 차량 진출입 감지부와;

상기 차량 진출입 감지부를 통해 진입 감지된 차량의 속도와 하중에 따른 총 중량을 감지하는 중량 감지 장치와;

상기 진입 차량의 영상을 촬영하고 그 촬영 영상으로부터 차량 번호를 추출하는 차량 인식 및 판독 장치와;

계중 차량의 과적 여부를 디스플레이하는 표시 장치; 및

상기 중량 감지 장치와 상기 차량 인식 판독 장치로부터 출력되는 차량 하중과 차량 번호를 이용하여 고속으로 주행중인 차량의 과적 여부를 판단하여 과적시 상기 표시 장치에 경고 메시지를 출력하되,

차량 번호별 차량 정보와 차종별 과적 정보가 저장되는 차량 정보 데이터베이스와, 상기 차량 인식 및 판독 장치로부터 출력되는 차량 번호에 따라 차종을 판단하는 차종 판단부와, 상기 중량 감지 장치로부터 출력되는 해당 차량의 총 중량 정보와 상기 차종 판단부에서 판단한 차종에 따라 상기 차량 정보 데이터베이스에 저장된 과적 정보와 비교하여 과적 여부를 판단하고 과적시 상기 표시장치로 경고 메시지를 출력하는 과적 유무 판단부를 구비한 컨트롤러;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
제9항에 있어서, 상기 중량 감지 장치는,

차선별로 소정 간격 이격되게 도로에 매설되며, 차량의 하중에 비례하는 전하량을 발생하는 복수의 하중 감지 센서와;

상기 복수의 하중 감지 센서에 각각 발생하는 전하를 증폭하여 전압으로 변환하는 복수의 전하 증폭기와;

상기 복수의 전하 증폭기에 각각 변환된 전압을 적분하는 복수의 적분기와;

상기 복수 적분기의 출력 전압을 설정된 이득만큼 증폭하는 복수의 신호 증폭기와;

상기 복수 신호 증폭기의 아날로그 출력 전압을 그에 상응하는 디지털 신호로 변환하여 출력하는 복수의 아날로그/디지털 변환기와;

상기 복수의 아날로그/디지털 변환기에서 출력된 각각의 신호를 최적 하중처리를 위한 신호처리 알고리즘으로 처리하여 계측 대상 차량의 축 중량으로 각각 산출하고, 그 산출한 각각의 축 중량을 가산하여 상기 계측 대상 차량의 총 중량 값을 산출하는 신호 처리부로 구성된 것을 특징으로 하는 고속주행차량 자동 계중 시스템.
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