公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1、公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)摘要公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計對于保護公路的正常使用有著重要的經(jīng)濟意義和社會價值。隨著公路運輸工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了對公路車輛進行動態(tài)稱重越來越嚴格的要求，動態(tài)稱重是路政部門加強正常運輸、強制超載超限、提高管理工作效率，實現(xiàn)路政系統(tǒng)管理現(xiàn)代化、科學化的一項關(guān)鍵技術(shù)。就公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)而言，稱重的精度是最重要的性能指標，它標志著公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的技術(shù)水平的高低。目前公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)由于對采集的信號只能簡單的處理，加上建立的數(shù)學模型不適合非線性對象的特殊性，同時缺乏對干擾因素以及各種干擾因素之間的關(guān)系做深層次的研究和處理，所以系統(tǒng)的精度難以

2、得到很大的提高。鑒于影響動態(tài)稱重的干擾因素很多，而且這些因素之間不存在確切的函數(shù)關(guān)系，用傳統(tǒng)的數(shù)學模型方法很難分析清楚這些干擾因素之間的關(guān)系，所以本文從理論基礎(chǔ)方面入手，從提高稱重精度的思想出發(fā)，介紹了應用于車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的各種智能算法模型，比較分析發(fā)現(xiàn)對于非線性對象沒有解決誤差精度問題，最終提出善于非線性建模的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)的基本思想、計算過程、執(zhí)行步驟、存在的問題，以及針對動態(tài)稱重對象的非線性特征以及稱重過程中存在的精度不準確問題采取了 BP 算法的改進方法，進一步滿足了現(xiàn)場環(huán)境的稱重要求。通過分析公路車載動態(tài)稱重對象，建立了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)稱重系統(tǒng)模型，根據(jù)現(xiàn)場采集的

3、動態(tài)稱重數(shù)據(jù)進行了網(wǎng)絡(luò)模型的分析與數(shù)據(jù)訓練，訓練結(jié)果表明精度完全符合現(xiàn)場要求和國家標準。對于系統(tǒng)硬件方面，系統(tǒng)采用單片機進行數(shù)據(jù)采集與傳送，對單片機的選擇進行了介紹；用于數(shù)據(jù)處理的動態(tài)稱重軟件系統(tǒng)除了實現(xiàn)重量數(shù)據(jù)的處理、顯示和查詢等基本功能以外，它還實現(xiàn)了將采集的數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中并能以報表的形式打印出來的功能，以便于統(tǒng)計和查閱。本文中主要用到的單片機開發(fā)工具是 C 語言，工控機里的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件采用 Visual C+ 6.0 編程語言，主要利用 RS-232 串行接口來提供串口通信，使用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對稱重采集的數(shù)據(jù)建模仿真的環(huán)境是 MATLABR2007。關(guān)鍵詞：動態(tài)稱重系統(tǒng)，單片機

4、，數(shù)學模型，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DESIGNATION AND EMPOLDER OF HIGHWAYCAR-LOADING WEIGH-IN-MOTION SYSTEMABSTRACTThe Highway Car-loading Weigh-in-Motion system（WIMS）has undoubtedly played anantive electronic role and social value in the protection of highway trancport. Along with thedevelopment of the Highway Transportati

5、on,Industrial production and Business Trade, it isrequired that the Highway WIMS needs to saticfy more qualification of modernization andscientization for the rapid automatically and the enforcement of the overloading rule.As to the Highway Car-loading WIMS, the weighing precision of the vehicle mov

6、ing isthe most important standard specification. It indicates the technical level of the HighwayCar-loading WIMS. While the weighing signal processing of the actual Weigh-in-Motion issimple digital filter and the model is not fit well with non-leneared object. Even further signalprocessing technique

7、 of kinds of disturbing factors. So the WIM systems precision is hardlyimproved.Because there are so many factors affect the WIMS accuracy, and there are not exactfunction relations among these factors, this paper introduces some new arithmetic models tosettle these factors compared with other model

8、s.In theory of improving the WIM systemsprecision, final chance is choosing BP neural network. It mostly introduces the basic idea,calculated process, executes steps and existed problems of BP Neural Network, and Finallyputs forward the improved method to satisfy weigh-in-motion requirement.Through

9、analyzing Highway WIMS cars,this paper bases BP Neural Nerwork model.The weigh-in-motion datas, which gathered in scene and trained by the BP Neural Networkmodel, indicate that the precision accords with practical requirement and internationalstandard. In hardware, the system use single-chip microco

10、mputer and introduced the choosingcondition of the single-ship microcomputer. The WIM system of the paper described canimplement not only the basic function of gathering data, processing data, display data, andquery data,but preserved the gathering data into the database and print in form. The syste

11、mmainly use C language to write in the single-chip microcomputer, and use Visual C+ 6.0 towrite in the computer for processing data. The RS-232 is used to communicate theserial.Otherwise, the paper use MATLAB R2007 language to model weighing system,simulink and train the weighing datas.Key Words: We

12、igh-in-Motion System, Single-Chip Microcomputer, System Math Modeling,BP Neural Network目錄第一章 緒論.11.1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的意義 .11.1.1 汽車超限超載的危害.11.1.2 公路車載動態(tài)稱重課題研究的意義.21.2 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀 .31.3 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .41.4 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .51.5 本文研究的主要內(nèi)容及工作簡述 .61.6 本章小結(jié) .6第二章 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)整體設(shè)計思想.82.1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

13、.82.1.1 稱重板壓力傳感器.82.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).102.1.3 計算機系統(tǒng).102.1.4 顯示器系統(tǒng)、打印機系統(tǒng).122.1.5 動態(tài)稱重系統(tǒng)一些輔助硬件設(shè)備.132.2 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)軟件系統(tǒng) .132.2.1 數(shù)據(jù)采集軟件程序設(shè)計.142.2.2 數(shù)據(jù)預處理模塊.152.2.3 顯示程序設(shè)計.152.2.4 通信程序模塊.152.2.5 計算機上的軟件設(shè)計.162.3 本章小結(jié) .16第三章 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學建模.183.1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的傳統(tǒng)建模方法 .183.1.1 機理模型.183.1.2 經(jīng)驗模型.193.1.3 辨識模型.203.2 公路車載

14、動態(tài)稱重系統(tǒng)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法 .213.2.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) .213.2.2 輸入層和輸出層節(jié)點數(shù)的確定.223.2.3 隱含層數(shù)和層內(nèi)節(jié)點數(shù)的確定.233.2.4 基本 BP 算法原理.243.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法和傳統(tǒng)建模方法的比較.283.3.1 傳統(tǒng)建模方法的缺陷.283.3.2 BP 改進算法的措施和方法 .283.4 本章小結(jié) .31第四章 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)稱重系統(tǒng)模型設(shè)計與實現(xiàn).334.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制概述 .334.1.1 用作控制器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制.334.1.2 用作被控對象模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu).344.2 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公路動態(tài)

15、稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理 .374.2.1 動態(tài)稱重數(shù)據(jù)處理方法比較與分析.374.2.2 數(shù)據(jù)獲取與 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立.384.2.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的實現(xiàn) .444.2.4 實驗結(jié)果分析.464.3 本章小結(jié) .47第五章 結(jié)論.485.1 全文總結(jié) .485.2 研究展望 .48致謝.50參考文獻.51附錄一 動態(tài)稱重現(xiàn)場采集部分數(shù)據(jù).53附錄二 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)訓練仿真程序 .55簡歷 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文.57第一章 緒論1.1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的意義隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步, 各種運輸車的數(shù)量和比重逐年遞增,現(xiàn)代交通運輸業(yè)得到飛速的發(fā)展。根據(jù)交通部規(guī)劃，到 201

16、0 年，公路總里程要達到 210 萬至 230 萬公里，全面建成"五縱七橫"國道主干線，目前人口在 20 萬以上的城市高速公路連接率將達到 90%，高速公路總里程達到 5 萬公里。面對交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車超限超載運輸現(xiàn)象問題突出，并且變得越來越嚴重，公路超限超載現(xiàn)象會造成路面、橋梁等公路交通設(shè)施的損壞，從而惡化了交通道路的服務水平和行車安全狀況。為了有效地治理超限超載現(xiàn)象，交通部門普遍采用了對動態(tài)車輛的重量進行計重收費來治理超限超載問題，這樣公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)就顯得十分迫切和必要12。隨著我國公路管理方法的不斷發(fā)展和完善，管理手段日趨電子化和信息化，越來越多的先進技

17、術(shù)被引用到公路的監(jiān)督管理之中，檢查車輛超載的辦法也由固定地點稱重檢測發(fā)展到可隨時變化地點的稱重檢測。車載稱重系統(tǒng)，就是其中的一種改良技術(shù)，這套系統(tǒng)解決了以往車輛稱重地點固定，不方便在公路全段隨機檢查的問題，也可以減少因為檢查站空間狹小，通過能力有限而造成通行高峰時避免出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，改善交通。本文設(shè)計的動態(tài)稱重系統(tǒng)是江西省南昌市某公司自行設(shè)計和開發(fā)的公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)，已經(jīng)應用于公路收費的路政執(zhí)法部門中，用于治理公路交通運輸，打擊超速超載現(xiàn)象。同時提高車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重數(shù)據(jù)精度，降低稱重系統(tǒng)的成本仍是一個未能解決的問題。國內(nèi)外一直都在探索一種新型的動態(tài)稱重方案：如何設(shè)計出速度快、抗干擾能

18、力強、準確度高的新型動態(tài)稱重系統(tǒng)，對交通相關(guān)部門有效地實施超限管理，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護的成本、減少環(huán)境污染等方面有著顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。1.1.1 汽車超限超載的危害公路交通運輸業(yè)的發(fā)展無疑對國民經(jīng)濟建設(shè)起到了積極的推動作用，但是號稱公路隱形殺手的營運車輛超載現(xiàn)象屢禁不止，其危害是多方面的3。一、造成了大量道路交通安全事故據(jù)統(tǒng)計，70%的道路安全事故是由于汽車超限超載引起的，多于50%的死傷性重大道路交通事故與超限超載有著直接或者間接的關(guān)系，汽車超限超載運輸給人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。二、超限超載汽車的荷載遠遠超過了公路和橋梁的設(shè)計承受荷載，致使路面損壞、

19、橋梁斷裂，大大縮短公路的正常使用年限，使其不得不提前進行大修。交通部的實驗表明，一輛超載100%的車輛，通過瀝青路面一次所造成的破壞程度，相當于核定載荷的標準車輛走265次；通過水泥路面一次造成的破壞程度，相當于核定荷載的標準車輛走6.55萬次。據(jù)有關(guān)專家介紹，超重10噸的貨車超載1倍，對公路的破壞力相當于正常載重時的16倍；超載2倍，對公路的破壞力增加80倍。而且核定載重量越大的車輛，超載對公路的破壞越嚴重。三、導致了道路運輸市場的惡性競爭貨車車主競相壓價承攬貨源，以超限超載的方式來獲取利潤，結(jié)果超載的越多，賺錢就越多，形成了“壓低價格-超限超載-運力過剩-在超限超載”這樣的惡性循環(huán)。四、嚴

20、重污染大氣環(huán)境由于超限超載車輛燃油系統(tǒng)負荷過大，尤其是燃油凈化系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，燃燒不完成的情況下，尾氣嚴重超標，導致車輛行駛過程中的黑煙尾氣，對公路兩旁周圍環(huán)境造成了嚴重的大氣環(huán)境污染。鑒于超限超載運輸車輛所造成的巨大危害，加強公路運輸?shù)墓芾?、保障行車安全等問題也顯得日趨重要。交通部2000年2號令超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定（以下簡稱規(guī)定）于2000年4月1日起執(zhí)行，規(guī)定對各類車輛的軸載質(zhì)量作了明確規(guī)定并指出“公路管理機構(gòu)可根據(jù)需要在公路上設(shè)置車輛軸載質(zhì)量及車輛總質(zhì)量檢測裝置”，可見，有效治理超限超載問題迫在眉睫。1.1.2 公路車載動態(tài)稱重課題研究的意義鑒于國內(nèi)車輛超載、超限的嚴重性，公

21、路交通管理相關(guān)部門急于收集當前公路上行駛的車輛車型組成、軸載譜和超重程度、分析超重車輛對路面的損害影響程度，以便估算公路交通部門需為此增加的建設(shè)投資，并制定相應的管理措施和法規(guī)，為公路運營部門按車重收費提供有效技術(shù)手段。目前對車輛的超限超載檢測有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法：靜態(tài)稱重雖然精度高，但其規(guī)模較大，引人注目，往往使許多超限超載車輛易于逃避，同時靜態(tài)稱重還容易造成交通不通暢，難以發(fā)揮高速公路的優(yōu)越性；而動態(tài)稱重系統(tǒng)能實現(xiàn)超載治理和不停車計重收費系統(tǒng)的完美結(jié)合，因此動態(tài)稱重是現(xiàn)代交通中超限超載運輸測量的主要手段和發(fā)展方向，是不停車計重收費的基礎(chǔ)。但由于影響動態(tài)稱重精度的因素較多，例如，汽車的振動、

22、路面的不平整程度、汽車的通過速度等等。這些因素勢必會使測量精度降低，使測量結(jié)果不準確、不具說服力。為了提高動態(tài)稱重系統(tǒng)的測量精度，國內(nèi)很多研發(fā)機構(gòu)和公司長期致力于動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究，但是一直以來并沒有取得太大的突破和進展。而國外的設(shè)備價格十分昂貴而且沒有知識產(chǎn)權(quán)，因此對動態(tài)稱重系統(tǒng)進行進一步的研究，包括如何設(shè)計出速度快、抗干擾能力強、準確度高的新型全自動汽車動態(tài)稱重超限管理系統(tǒng)，對交通部門有效地實施超限超重管理，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護的成本、減少環(huán)境污染等方面都有著顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)主要由動態(tài)稱重系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩個部分組成，其總體系統(tǒng)實現(xiàn)

23、原理就是將便攜式稱重儀器、監(jiān)控攝像機、數(shù)字圖像處理器等相關(guān)電子設(shè)備裝配到改裝車車身上，讓現(xiàn)場的路政工作人員可以通過視頻監(jiān)控和稱重系統(tǒng)測量出來的數(shù)據(jù)來監(jiān)督整個車輛稱重的過程。圖 1-1 是公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的總體設(shè)計框架圖，本文的主要研究內(nèi)容就是對稱重采集的數(shù)據(jù)進行處理，獲得精度很高的稱重結(jié)果。圖 1-1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)總體框架圖Fig.1-1 Structure of Weigh-in-Motion System1.2 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀國外許多國家的公路交通運輸也普遍存在超限超載現(xiàn)象。為了避免超限超載車輛引發(fā)的一系列危害，歐洲、美國、日本、加拿大等一些國家從上個世紀

24、50 年代就開始對公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)進行研究并取得了一系列顯著的成果，在改善稱重環(huán)境和提高稱重精度方面取得了很大的進步，如表 1-1 所示是國外一些國家關(guān)于動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究發(fā)展歷程以及所取得的一些成果45。1.3 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國高等級公路的發(fā)展較國外晚一些，但是超載現(xiàn)象特別嚴重，尤其是在一些礦產(chǎn)資源富有的地區(qū)，為此，1987 年國務院頒布了中華人民共和國公路管理條例、1988年交通部頒布了中華人民共和國公路管理實施細則，2000 年交通部再次頒布了超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定。我國于 20 世紀 80 年代出現(xiàn)了帶基坑和無基坑兩種電子汽車衡，1994 年一種動、靜態(tài)

25、兩用電子軌道衡在太原鋼鐵公司通過了鑒定，該產(chǎn)品集動態(tài)和靜態(tài)軌道衡的優(yōu)點于一身，較好地解決了檢測精度與汽車通過時速度之間的矛盾。作為國家八五重點科技項目，交通部重慶公路科學研究所研制了一種固定式動態(tài)稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)軸重誤差小于+10%，置信度為 95%。云南航天新技術(shù)工程有限公司引進其技術(shù)并于 1999 年 8 月獲得了國家技術(shù)監(jiān)督局的計量器具型式批準證書。從 2003 年起，江蘇、河南、山東、安徽等省份先后實施公路車載計重收費，鑒于以上發(fā)展速度和面臨的情況，本文作者發(fā)現(xiàn)到設(shè)計一套高精度高穩(wěn)定性的公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)，必將成為公路路政檢測部門治理超限超載和實施計重收費提供有效的技術(shù)手段。表 1-

26、1 國外一些國家動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究歷程和成果展示Tab 1-1 research process and production revelation of weigh-in-motion system in foreign cuntries時間（年）國 家動態(tài)稱重的研究發(fā)展及其突破1958美 國開始了為期 16 年的 WIM 系統(tǒng)的研究1968西 德PAT 公司開始平板式動態(tài)車輛稱重器的研究1974美 國首次在車輛載荷研究中使用了 WIM 系統(tǒng)1974法 國取得了一項版電纜動態(tài)車輛稱重器的專利，即Vibracoax1983法 國Vibracoax 動態(tài)稱重系統(tǒng)在法國投入使用1983美 國壓電材

27、料用作動態(tài)稱重的研究在美國開始；同年 9月，美國聯(lián)邦公路管理總署提議開始研究“低成本動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)”1984美 國36 個州均安裝了 WIM 系統(tǒng)1985美 國“低成本動態(tài)稱量系統(tǒng)” 在現(xiàn)場投入運行并交美國聯(lián)邦公路部署推廣使用1988英國研究了一種性能優(yōu)于 Vibracoax 的新型稱重壓電傳感器 Vebetek51990西德PAT 的平板式傳感器性能較理想。同時展示數(shù)種低成本的動態(tài)稱重系統(tǒng)，他們主要基于壓電纜，壓電膜和電容傳感技術(shù)。在安裝條件很好的情況下，能使統(tǒng)計平均誤差控制在 15%左右1991英國Vebetek5 已經(jīng)改型為 Vibetek201994德國在中國舉行的“國際交通自動化技

28、術(shù)會議”上，展示了采用平板式傳感器的 SAW100 動態(tài)稱重系統(tǒng)及在自動收費站的應用1998瑞典著名的 CET（Cold Environment Test）測試，結(jié)果表明德國 PAT、瑞士 Kistler、美國 Mikros 等公司的稱重產(chǎn)品處于領(lǐng)先水平2000ITS 年會上展出了由美國 MSI 公司開發(fā)的共聚物壓電軸傳感器，可以同時測量車速、車軸數(shù)、軸距并進行車型分類和動態(tài)稱重目前，國內(nèi)動態(tài)稱重研究缺乏對影響汽車動態(tài)稱重的干擾因素做系統(tǒng)分析，檢測時又要求信號經(jīng)過一定時間衰減達到穩(wěn)定后開始測量，使得稱重物往往需要較長的受荷板或受制于較低的汽車通過速度，檢測精度也不高，一般平均誤差從+5%- +

29、30%不等，相應的置信度為 90%或 95%。因此檢測精度和汽車通過速度的問題一直未能在實際中得到很好地解決。1.4 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的發(fā)展趨勢綜上所述，對于所謂的動態(tài)稱重就是測量行使車輛的動態(tài)輪胎受力并計算相應的靜態(tài)車輛重量的過程：一個公路動態(tài)稱重系統(tǒng)是一套傳感器和支持儀器，用來測量在特定地點和特定時間一輛行駛車輛的出現(xiàn)及其動態(tài)輪胎受力，計算車輛的重量、車速、軸距、車輛類型以及有關(guān)車輛的其它參數(shù)并且處理好顯示和存儲這些信息。其主要特點是節(jié)省時間，效率高，使得稱重時不至于造成對正常交通的干擾。這對公路建設(shè)與管理有著極為重要的意義，同時對車輛運輸現(xiàn)代化管理也有較大的促進作用。經(jīng)過了幾十年的研

30、究，現(xiàn)在的汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的成果，但是汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)在國內(nèi)的研究應用時間還很短，已有的動態(tài)稱重系統(tǒng)主要是從國外引進的技術(shù)，做的二次開發(fā)，缺乏核心技術(shù)。同時，動態(tài)稱重系統(tǒng)在國內(nèi)外都處于比較前沿的位置，技術(shù)都還沒有完全成熟，特別是測量的精度、汽車的通行速度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三方面都需要很大的改進。（1）測量精度目前動態(tài)稱重系統(tǒng)精確度低，主要是因為加在傳感器平臺上的力除了汽車的真實重量之外，還有由許多因素引起的干擾力，加車速、車輛自身諧振、路面激勵、輪胎驅(qū)動力等，汽車的真實重量有可能淹沒在各種干擾信號中，如何從外界隨機不確定的干擾力中獲取真實的車重，是動態(tài)稱重技術(shù)的難點和關(guān)鍵。國內(nèi)研制出的固

31、定式動態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重誤差通常為（5%-10%），但是在有些場合還是不能滿足，提高準確度是動態(tài)稱重技術(shù)的迫切需要。（2）汽車的通行速度現(xiàn)在的動態(tài)稱重系統(tǒng)允許汽車的通行速度比較低，每小時 5-10km。但是隨著不停車收費系統(tǒng)的普及，就要求在更高的汽車通行速度下準確測量，目前現(xiàn)有應用的動態(tài)稱重系統(tǒng)就不能符合要求。為了滿足未來交通的需要，美國紐約州立大學的研究人員已經(jīng)研制了在汽車時速高達 88km，路面應力達 10kg/cm2的情況下，其測量精度可保持在 2%以內(nèi)的動態(tài)稱重系統(tǒng)，但是造價過高，目前還不能推廣使用。所以國內(nèi)的科研人員也可以在引進的技術(shù)中加以突破或者研制出具有自我知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)，在一定的

32、精度保證下，降低價格，不斷提高汽車的通行速度。（3）動態(tài)稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)有應用的動態(tài)稱重系統(tǒng)，一般是固定安裝，建設(shè)周期長，造價比較高，影響公路的正常運行。這就需要不斷的改進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即在不影響測量速度和精度的前提下，要盡量減少占地面積工程造價和安裝要求，簡化結(jié)構(gòu)，縮短工期，最好能不影響公路的正常運行?？傊?，從發(fā)展的角度看，汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)今后的幾年里可望在以下幾個方面有所進展：（1）稱重時汽車的通行速度進一步提高，達到不停車就可以稱重的目的要求，提高稱重的效率；（2）動態(tài)稱重精度優(yōu)于 4%，并盡量提高，符合國際的稱重標準要求，同時進一步優(yōu)化整個稱重系統(tǒng)，使得系統(tǒng)達到最佳使用壽命；（3）盡

33、量減小占地面積、工程造價和安裝要求，考慮成本和現(xiàn)場的實際環(huán)境，對于路政部門也很重要，提高系統(tǒng)對外界環(huán)境的適應能力和抗干擾能力。1.5 本文研究的主要內(nèi)容及工作簡述綜上所述，現(xiàn)行的動態(tài)稱重系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的研究，仍沒有取得令人滿意的進展。分析原因，可以發(fā)現(xiàn)以往的研究存在著以下不足：（1）對車輛的動態(tài)稱重時的干擾因素缺乏完整的分析，以往的研究主要致力于結(jié)構(gòu)的改進，傳感器的設(shè)計等硬件方面，使其動態(tài)稱重性能得以改善，但是稱重精度沒有得到相應的回報。（2）缺乏對動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計理論的研究，至今動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計仍沿用靜態(tài)稱重設(shè)計方法。很多設(shè)計研究方案只是停留在對動態(tài)稱重系統(tǒng)做一個簡單的模型搭建，沒有針對稱重

34、對象的特性進行分析，使得稱重數(shù)據(jù)明顯不符合公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的具體要求，不能滿足智能交通系統(tǒng)的發(fā)展要求。（3）沒有一個確定的公式、函數(shù)或依據(jù)來計算動態(tài)稱重車輛的真實軸重值。所以對于稱重數(shù)據(jù)的處理顯得很抽象，研究方法雖然很多，但深度不夠，對于具體解決稱重精度還是沒有有效的措施。本課題研究主要從稱重精度方面著手，通過對動態(tài)稱重時的干擾因素分析來提高稱重精度，鑒于影響動態(tài)稱重的干擾因素很多，而且這些因素之間不存在確切的函數(shù)關(guān)系。用傳統(tǒng)的數(shù)學方法很難分析這些干擾因素之間的關(guān)系，而選擇智能算法在處理非線性的、復雜的問題方面有其獨特的優(yōu)勢，可以更好的解決稱重精度的非線性問題。由于智能算法的局限性，以及稱

35、重模型的非線性等問題，所以本問經(jīng)過智能算法優(yōu)化控制的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)還具有較大的誤差。為了進一步提高稱重精度，本文對采集的稱重數(shù)據(jù)進行BP 網(wǎng)絡(luò)訓練，將不同車速下的軸重信號與車輛的實際載荷進行非線性建模，由于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度快、有唯一最佳逼近點的特性以及無局部極小的優(yōu)點，通過仿真結(jié)果表明稱重效果良好，可用于實際的動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究中。1.6 本章小結(jié)本章主要闡述了用于公路路政部門測量行駛車輛的動態(tài)重量值、速度等相關(guān)參數(shù)的公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究目的和意義，通過分析目前關(guān)于公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的國外和國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，進而探討公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢，最后提出了本課題研究所需要做

36、的主要工作。第二章 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)整體設(shè)計思想2.1 公路車載動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件系統(tǒng)公路車載汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：稱重板壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、顯示器系統(tǒng)和打印機系統(tǒng)，見圖 2-1 所示。其次還有一些輔助的硬件設(shè)備，我們只做簡單的介紹。為了使硬件電路設(shè)計趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗，系統(tǒng)的電路設(shè)計著重考慮到以下幾個方面67：（1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法，以提高設(shè)計的成功率。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)；（2）盡量選用功能強、集成度高的芯片；（3）系統(tǒng)擴展與外圍設(shè)備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以

37、便進行二次開發(fā)；（4）硬件結(jié)構(gòu)應結(jié)合應用軟件方案一起考慮，硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件實現(xiàn)來得長，而且占用 CPU 的時間，應當充分考慮兩者速度匹配的問題。（5）在電路設(shè)計時，充分考慮應用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。不同的電路有不同的驅(qū)動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣，實驗表明，如果阻抗匹配不當，系統(tǒng)的驅(qū)動能力不夠，將導致系統(tǒng)工作不可靠甚至無法工作。而且這種不可靠很難通過一般的測試手段來確定。因此，在電路設(shè)計時，注意增加系統(tǒng)的驅(qū)動能力和減少系統(tǒng)的功耗。（6）可靠性及

38、抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、印刷電路板布線、通道隔離等等。圖 2-1 動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2-1 Structure of Weigh-in-Motion Hardware System2.1.1 稱重板壓力傳感器稱重板主要是一塊內(nèi)置一定數(shù)量壓力傳感器的剛性金屬板，金屬板的寬度不超過車輛輪胎的直徑，以保證同一時刻只有車輛的一個承重軸作用于稱重平臺之上，同時金屬板的長度超過車輛承重軸的長度，以保證同一時刻，車輛的一個承重軸完全作用于稱重平臺之上。金屬板的底部附著數(shù)量不等分布平衡的壓力傳感器，剛性的金屬板使車輛稱重軸作用于板上，稱重軸的重量通過金屬板

39、傳遞到壓力傳感器，經(jīng)過壓力傳感器以后轉(zhuǎn)換成電信號傳入稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。稱重板壓力傳感器是構(gòu)成系統(tǒng)信息輸入的主要窗口，為系統(tǒng)提供賴以處理和決策控制所必需的原始信息。它將車重信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，其性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的計量精度和穩(wěn)定性。測量重量的傳感器有很多種，按工作原理分有彈性力平衡式壓力傳感器、感應式傳感器、應變式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式壓力傳感器、電容式傳感器、光纖式傳感器、數(shù)字式傳感器等等。選擇傳感器要考慮以下幾點：（1）數(shù)量的選擇根據(jù)電子稱重系統(tǒng)的用途、稱重板需要支撐點數(shù)而定，一般講稱重板有幾個支撐點就選擇幾個傳感器，使用時根據(jù)實際情況來確定；（2）量程的選擇根據(jù)被測

40、壓力的大小確定傳感器的量程。根據(jù)經(jīng)驗，一般應使傳感器工作在其30%-70%量程內(nèi)，但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的動態(tài)稱重系統(tǒng)，在選擇傳感器時，一般要擴大其量程，使傳感器工作在其量程的 20%-30%之內(nèi)，以增大傳感器稱重儲備量，保證傳感器的使用安全和壽命。（3）準確度的選擇稱重傳感器準確度等級的選擇，以滿足稱重系統(tǒng)的準確度要求為準，切不可片面追求高的準確度等級。若在同一稱重系統(tǒng)內(nèi)使用 n 只并聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)相同、型式相同、額定負荷相同的稱重傳感器，則由誤差傳遞公式可得，其綜合誤差 r 為：r = n，式中： 表示單個稱重傳感器的綜合誤差；n 表示稱重傳感器的個數(shù)，因此，由上式可以看出，n

41、 個稱重傳感器并聯(lián)后，其總的綜合誤差 r 是單個稱重傳感器綜合誤差的1 n 倍。則總的綜合誤差反而小了。這是由于單個稱重傳感器的誤差可看作是服從統(tǒng)計規(guī)律的，它有大、有小、有正、有負。并聯(lián)后，其誤差相互抵消了一部分，所以總的綜合誤差反而小了。（4）使用環(huán)境及介質(zhì)性能的考慮根據(jù)環(huán)境條件和被測介質(zhì)的性能綜合選擇。（5）傳感器型號傳感器型號的選擇要考慮各種類型傳感器的適用范圍。這主要取決于稱量的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱量安全可靠。綜合環(huán)境、使用條件要求和性價比等技術(shù)指標，我們在實踐中選擇電阻應變片式壓力傳感器。電阻應變片式壓力傳感器的特點如下；精度高，測量范圍廣；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；可在

42、高低溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場、潮濕等惡劣環(huán)境下正常工作；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；價格便宜，品種多樣，便于選擇和大量使用；頻率響應較好，即可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量8。2.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集如圖 2-2 所示是指將速度、加速度、壓力等模擬量采集、經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳入計算機進行存儲、處理和輸出結(jié)果的過程。由此可見，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務就是將傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過單片機轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計算機或其它設(shè)備進行處理。模擬信號處理，主要涉及到改善傳感器輸出的模擬信號的質(zhì)量而采用的一系列措施，如放大、濾波、函數(shù)擬和、非線性補償、信號的壓縮與展開等，模擬信號處理后，需

43、要將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量以便于計算機系統(tǒng)作進一步的處理、分析和存儲等操作。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果直接影響數(shù)據(jù)處理的效果。此數(shù)據(jù)采集應保證所采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性。為了使得系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的地運行，系統(tǒng)采用單片機的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。圖 2-2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2-2 Structure of Data Collection System單片機選擇：該硬件電路系統(tǒng)實際上是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，任務是把由傳感器輸出的小電壓信號（通常是 3-5mV 左右）傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后單片機將該模擬信號轉(zhuǎn)換為 00HFFH 的數(shù)字信號，當其轉(zhuǎn)換結(jié)束時通過串口發(fā)送給計算機進行處理和保存。綜合數(shù)據(jù)

44、采集系統(tǒng)模塊完成的主要功能有以下三點：（1）放大電路負責將稱重平臺傳送過來的模擬小電壓信號放大；（2）A/D 轉(zhuǎn)換單元負責將放大后的模擬小電壓信號采樣，采樣后的離散信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，通過輸入通道傳送到計算機，進行數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理；（3）動態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊中還有硬件濾波單元，濾波單元可以將車輛經(jīng)過稱重平臺時產(chǎn)生的高頻噪聲以及稱重系統(tǒng)本身內(nèi)部工作電路工作時產(chǎn)生的高頻率噪聲濾除，減小計算機個模塊之間處理的負擔，增加動態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量和穩(wěn)定性和精確度910。2.1.3 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)也稱為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)的主要作用是對傳輸?shù)慕?jīng)過離散化的電信號進行各種數(shù)據(jù)預處理，處理完成的信

45、號經(jīng)過某種智能算法，產(chǎn)生動態(tài)稱重的數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，也就是整個動態(tài)稱重過程的結(jié)果動態(tài)車輛的靜態(tài)重量值。軟件系統(tǒng)的運算結(jié)果傳入顯示輸出設(shè)備系統(tǒng)。計算機的另一主要功能是實現(xiàn)對監(jiān)控場景圖像數(shù)據(jù)的采集、錄像、回放、動態(tài)偵測，以及完成稱重數(shù)據(jù)的傳輸，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠程傳輸?shù)铰氛块T指揮中心。該模塊是整個硬件設(shè)計的中心部分，它可以完成多種功能，如；串口數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)庫記錄的添加、刪除、查詢等，它還可以對數(shù)據(jù)庫中的記錄進行訪問、統(tǒng)計、并能以報表的形式打印出來。在該模塊設(shè)計中，數(shù)據(jù)庫部分占有極其重要的地位，它不僅影響整個系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和運行效率，還關(guān)系到數(shù)據(jù)的安全性、完整性和一致性。該部分也采用模

46、塊化設(shè)計，根據(jù)程序的功能可以分為：數(shù)據(jù)的存取與傳輸、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的顯示和打印等模塊。（1）數(shù)據(jù)的存取與傳輸數(shù)據(jù)的存取是計算機通過通信協(xié)議從串口讀取數(shù)據(jù)，所讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中。由于單片機發(fā)送數(shù)據(jù)和計算機讀取數(shù)據(jù)的速度與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的速度不匹配，為了防止數(shù)據(jù)的丟失、保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，該系統(tǒng)在接受數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)之間建立一個“虛擬中間站”，即建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，讀取的數(shù)據(jù)先送往緩沖區(qū)里邊，數(shù)據(jù)處理模塊不停的從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)進行處理。通信協(xié)議：由計算機承擔主控任務，單片機接受計算機指令，并根據(jù)指令信息發(fā)送數(shù)據(jù)。通信協(xié)議如下：采用 PS-232 串口異步通信，1

47、位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗，波特率 9600b/s。傳輸數(shù)據(jù)采用二進制模式。m_ctrlComn.SetInputPort(1): /選擇 COM1m_ctrlComn.Settings(“9600,n,8,1”);m_ctrlComn.SetInputMode(1): /輸入方式為二進制方式數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：建立一個隊伍數(shù)組，數(shù)組的個體為一個含有速度，加速度，壓力等數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)存取流程：初始化串口，建立讀數(shù)據(jù)的流程，如果有數(shù)據(jù)，產(chǎn)生中斷，讀取數(shù)據(jù)，放到緩沖區(qū)，建立處理數(shù)據(jù)線程，處理數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存取流程圖如圖 2-3 所示：圖 2-3 數(shù)據(jù)存取流程圖Fig.2-3 Flow Chart of Weighing Data I/O System（2）數(shù)據(jù)處理由于影響動態(tài)稱重的因素復雜多樣，以及各因素之間存在著復雜的非線性關(guān)系，不存在確定的函數(shù)關(guān)系。因此確定的數(shù)學方法已經(jīng)無能為力了，而采用智能算法控制技術(shù)（尤其是 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）為處理非線性的、模糊的等沒有確定函數(shù)關(guān)系的問題提供了強有力的工具，因此本系統(tǒng)采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)復合改進的智能算法對稱重對象進行數(shù)據(jù)處理1112。由于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出的非線性映射關(guān)系，而且有很好的逼近非線性映射的能力，通過仿真結(jié)果表明稱重效果良好，可用于實際環(huán)境和現(xiàn)場實時