【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ........ 30 結(jié)論 ........................................................................................................................................... 31 致謝 ........................................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 33 附錄 ........................................................................................................................................... 35 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 第 1 章 緒論 課題背景 近年來，我國道路運(yùn)輸車輛超限超載現(xiàn)象極為 普遍，在嚴(yán)重的地區(qū)，幾乎所有的貨運(yùn)車輛都存在不同程度的超限超載行為。 2020年以來，有關(guān)部門和地方先后開展了一系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超載涉及面廣，治理難度大，加之利益驅(qū)動(dòng)，特別是源頭問題沒有得到有效解決，使超限超載成為一個(gè) “頑癥 ”，有 “愈演愈烈 ”之勢(shì)。 車輛超限超載運(yùn)輸對(duì)交通安全、運(yùn)輸市場(chǎng)、車輛生產(chǎn)秩序及路橋基礎(chǔ)設(shè)施造成極大危害。一是誘發(fā)了大量道路交通安全事故；據(jù)統(tǒng)計(jì)， 70％的道路安全事故是由于車輛超限超載引發(fā)的， 50％的群死群傷性重特大道路交通事故與超限超載有直接關(guān)系，車輛超限超載運(yùn)輸給 人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。二是嚴(yán)重?fù)p壞了路橋基礎(chǔ)設(shè)施；超限超載車輛的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了公路和橋梁的設(shè)計(jì)承受荷載，致使路面損壞、橋梁斷裂。正常使用年限大大縮短，不得不提前大中修。全國公路每年因車輛超限超載造成的損失超過 300億元，給國家財(cái)產(chǎn)造成了巨額損失。三是導(dǎo)致了道路運(yùn)輸市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)；以競(jìng)相壓價(jià)承攬貨源，以超限超載來獲取利潤(rùn)，超載越多，賺的越多，形成了 “壓價(jià) ——超限超載——運(yùn)力過剩 ——再超限超載 ”的惡性循環(huán)，正常使用年限在 10年左右的貨運(yùn)車輛 2~3年后即破舊不堪 [1]。四是造成車輛 “大噸小標(biāo) ”泛濫；為迎合車 輛超限超載運(yùn)輸?shù)男枨?，一些車輛生產(chǎn)廠商競(jìng)相生產(chǎn) “大噸小標(biāo) ”汽車，一些車輛改裝廠和修理廠也紛紛非法改裝車輛，影響了汽車工業(yè)的健康發(fā)展。 上述問題說明，車輛超限超載運(yùn)輸造成道路運(yùn)輸市場(chǎng)扭曲，誠信水準(zhǔn)下降，嚴(yán)重?fù)p害了統(tǒng)一開放、競(jìng)爭(zhēng)有序的市場(chǎng)秩序，阻礙了現(xiàn)代道路運(yùn)輸市場(chǎng)體系的建立和完善，破壞了正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)秩序，也嚴(yán)重危及國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。道路運(yùn)輸車輛超限超載的危害性，引起了黨中央、國務(wù)院的高度重視 [2]。發(fā)達(dá)國家在公路骨干網(wǎng)上普遍設(shè)立了檢測(cè)設(shè)備，對(duì)超限現(xiàn)象實(shí)施嚴(yán)格管理。目前在全國超限超載治理工作中需要大量 的檢測(cè)設(shè)備，而裝有檢測(cè)設(shè)備的高等級(jí)公路匝道或收費(fèi)站卻不多，車輛是否超載主要由交通管理人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷，由于缺乏科學(xué)性，給管理部門的嚴(yán)格執(zhí)法帶來困難?；蛘卟捎么笮偷匕醭幼鳛橛?jì)量設(shè)備而造成車輛排隊(duì)等候稱量，使交通堵塞，因此目前路政管理部門需要一種動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)來規(guī)范公路車輛貨重檢測(cè)，從而抑制日益嚴(yán)重的超載現(xiàn)象。 動(dòng)態(tài)稱重概述 動(dòng)態(tài)稱重簡(jiǎn)稱為 WIM(weighinmotion)，是指汽車在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下稱出汽車的重量。與停車狀態(tài)下的靜態(tài)稱重相比，動(dòng)態(tài)稱重的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間、效率高，使得稱重不至于造成對(duì)正常交 通的干擾，對(duì)公路建設(shè)與管理有著極為重要的意義，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸管理的現(xiàn)代化也有著巨大的促進(jìn)作用。但另一方面，靜態(tài)稱重時(shí)車輛平穩(wěn)地作用在稱重儀上，除汽車的真實(shí)重量外無其他任何干擾，因此容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。而動(dòng)態(tài)稱重時(shí)除汽車的真實(shí)重量外還有其他許多因素，如汽車結(jié)構(gòu)及載荷狀況、車輛行駛狀態(tài)、哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 路面狀況等會(huì)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)稱重造成很大困難。目前汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)已經(jīng)在一些發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等得到廣泛應(yīng)用，其中德國 PAT公司生產(chǎn)的產(chǎn)品精度已達(dá) 177。3％，而國內(nèi)在這方面研究的起步比較晚 ，目前產(chǎn)品的平均誤差從 177。5 ％到 177。30％不等 [3] [4]。 車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的回顧 為了抑制車輛超載給道路設(shè)施造成損害，國外從 20世紀(jì) 50年代后期就開始對(duì)車輛超載檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，到 20世紀(jì) 90年代基本上形成了成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品也由靜態(tài)的整車測(cè)量發(fā)展到了動(dòng)態(tài)的軸重檢測(cè)，這就是人們熟知的動(dòng)態(tài)稱重 WIM技術(shù)。在過去幾十年的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)研究中，在如何保持檢測(cè)精度的前提下提高車輛通過速度一直是各研究機(jī)構(gòu)所致力解決的問題，不懈的努力使動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，綜述國內(nèi)外資料，目前動(dòng)態(tài)稱重方法主要有以下 幾種。 1. ADV法、 DV法、 V法 該類方法是 20世紀(jì) 80年代的日本小野敏郎為解決動(dòng)態(tài)稱重問題所提出來的，其測(cè)量思路主要是同時(shí)或單獨(dú)測(cè)量重物移動(dòng)的位移、速度和加速度，然后用直接方法或數(shù)值積分方法來求解稱重過程的微分方程以獲得力值。這類方法有些是因需同時(shí)使用多種不同類型傳感器而難以實(shí)現(xiàn) [5] [6] [7]，有些雖然只使用同類傳感器，但由于采用積分方法因而準(zhǔn)確度較差，且往往只適用于噪聲很小的場(chǎng)合。 2. 位移積分法 該方法是目前國內(nèi)多個(gè)科研單位主要采用的方法 [8]。也是 ADV法、DV法、 V法的一種沿襲。其原理大致是 ：將稱重系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)一小段位移 L1。沿其長(zhǎng)度 L方向積分。 L1的兩端通過對(duì)稱重系統(tǒng)各傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較而定，如圖 11所示。動(dòng)態(tài)分量在積分區(qū)間被平均，使車輛振動(dòng)造成的干擾影響較小，因此精度相對(duì)也較高，但這需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)才能保證精度，這也是目前動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)當(dāng)提高車輛通過速度時(shí)，測(cè)量精度無法保證的原因所在。 負(fù) 荷凈 重LL1t圖 1 1 輪 重 的 典 型 波 形F i g . 1 1 T y p i c a l w a v e o f w h e e l w e i g h t 3. 補(bǔ)償法 該方法主要是針對(duì)傳感器的響應(yīng)速度慢和超調(diào)量大，在很大程度上限制了動(dòng)態(tài)稱重速度和準(zhǔn)確度的提高的缺點(diǎn)，從而提出通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償元件，在 比 “稱重傳感器穩(wěn)定時(shí)間 ”更短的時(shí)間里完成測(cè)量，因此動(dòng)態(tài)稱重裝置主要由稱重傳感器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償元件組成。 4. 專家系統(tǒng) 該方法主要是引入知識(shí)模型而構(gòu)成專家系統(tǒng)。即把優(yōu)秀稱重測(cè)力專家的思維過程固化到測(cè)量程序中，并與計(jì)算機(jī)修正程序結(jié)合起來，進(jìn)而提高計(jì)量?jī)x器的測(cè)試能力和故障檢測(cè)能力。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 5. 參數(shù)估計(jì)法 該方法主要是把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)問題來處理 [9]，即首先根據(jù)有關(guān)稱重測(cè)力系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型，然后用該模型去擬合稱重測(cè)力過程的輸出信號(hào)，從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)。由于被測(cè)重量或力 值可以看成是稱重測(cè)力過程的終值，因此它們可以用模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)或預(yù)測(cè)。 6. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 該方法主要是基于并行技術(shù)的思想，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為控制核心，采取多因素協(xié)調(diào)，將檢測(cè)過程中對(duì)影響稱重精度和限制車輛通過速度起主導(dǎo)作用的因素作為訓(xùn)練樣本 [10]，通過訓(xùn)練獲得較好的網(wǎng)絡(luò)模型，再根據(jù)該模型和網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)得出車重，并期望提高檢測(cè)精度。 目前來看，利用數(shù)學(xué)模型的稱重檢測(cè)方法是比較有前途的，絕大多數(shù)稱重系統(tǒng)基本上是具有二階（或準(zhǔn)二階）傳遞特性的系統(tǒng)，假如稱重系統(tǒng)采用二階的自回歸滑動(dòng)模型ARMA，再借助于這個(gè)模型和遞推的最小 二乘法 RLS即可由極短的稱重階躍響應(yīng)估計(jì)出模型參數(shù)和被稱重量。在現(xiàn)有的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，為了提高檢測(cè)精度，信號(hào)的測(cè)量往往是在衰減到一定程度并穩(wěn)定后才進(jìn)行，這就大大限制了車輛通過速度。 車輛動(dòng)態(tài)稱重產(chǎn)品的發(fā)展歷史 在 20世紀(jì)，許多國家的道路運(yùn)輸普遍存在超載現(xiàn)象，據(jù)調(diào)查，德國大型載貨車輛中超載車輛數(shù)量達(dá)到 50％，日本達(dá)到 20％，美國達(dá)到 40％ ~60％。為了避免超載車輛對(duì)公路造成早期破壞，歐共體成員國和美國、日本、加拿大等國在 20世紀(jì) 50年代就開始對(duì)車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行研究并取得了相應(yīng)的成果 [11]。 20世紀(jì) 50年代末，美國開始對(duì) WIM系統(tǒng)進(jìn)行研究。 20世紀(jì) 60年代末，西德的 PAT公司開始對(duì)平板式車輛動(dòng)態(tài)稱重器進(jìn)行研究 [12]。 1974年，美國首次在車輛載荷研究中使用 WIM系統(tǒng)；同年法國取得了一項(xiàng)壓電纜動(dòng)態(tài)車輛稱重器的專利，即 Vibracoax。 20世紀(jì) 80年代中期，美國各大州開始推廣安裝WIM 系統(tǒng)。 1988年英國研制了一種性能優(yōu)于 Vibracoax的新型壓電稱重傳感器 Vibetek5。1991年改型為 Vibetek20。 1992年，由歐洲高速公路系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟 (FEHRI)發(fā)起，按照歐盟運(yùn)輸委 員會(huì) (ECTD)的程序框架進(jìn)行了 COST323計(jì)劃。該計(jì)劃主要內(nèi)容就是研究對(duì)公路行駛車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)控的相關(guān)問題，其中最重要的一項(xiàng)測(cè)試是在瑞士進(jìn)行的為期 30個(gè)月的 WIM系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。 1994年，歐盟開始進(jìn)行 WAVE(Weighing in motion of Axle and Vehicles forEurope)計(jì)劃 —從 1997年 6月到 1998年 6月在瑞典氣候寒冷條件下進(jìn)行產(chǎn)品系統(tǒng)測(cè)試，即著名的 CET(Cold Environment Test)測(cè)試。結(jié)果表明德國PAT、瑞士 Kistler、美國 Mikros等公司的產(chǎn)品在測(cè)量性能方面處于領(lǐng)先水平。 2020年 ITS年會(huì)上展出了一種由美國 MSI公司開發(fā)的共聚物壓電軸傳感器，可以同時(shí)測(cè)量車速、車軸數(shù)、軸距并進(jìn)行車型分類和動(dòng)態(tài)稱重 [13]。 國內(nèi)的超載現(xiàn)象在某些省份特別嚴(yán)重，尤其是存在礦產(chǎn)資源的地區(qū) [14]。我國在不同時(shí)期對(duì)超載現(xiàn)象提出過相應(yīng)的管理措施： 1987年國務(wù)院頒布了《中華人民共和國公路管理?xiàng)l例》， 1988年交通部頒布了《中華人民共和國公路管理實(shí)施細(xì)則》， 2020年交通部頒布了《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》， 2020年底溫家寶總理在交通部上報(bào)的《關(guān)于 加強(qiáng)車輛超限超載治理工作的報(bào)告》上簽署意見， 2020年實(shí)施了《關(guān)于在全國開展車輛超限超載治理工作的實(shí)施方案》。伴隨著國家法規(guī)的不斷頒布，國內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)一哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 直未停止過對(duì)車輛超載檢測(cè)技術(shù)的研究，其中也包括引進(jìn)國外技術(shù)。我國 “七五 ”期間開始引進(jìn)和消化國外動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，同時(shí)也開始對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行研制。但引進(jìn)產(chǎn)品都屬于國外換代產(chǎn)品，主要問題有：適應(yīng)速度范圍?。ǖ退俜秶?，測(cè)量精度不高，傳感器過于龐大，安裝施工及維護(hù)不便。 20世紀(jì) 80年代出現(xiàn)了電子汽車衡，它包括帶基坑和無基坑兩種，帶基坑的電子車輛衡對(duì)道路破壞較大。 1994年一種動(dòng)、靜態(tài)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)軌道衡的優(yōu)點(diǎn)于一身，較好地解決了檢測(cè)精度與車輛通過速度之間的矛盾。作為國家 “八五 ”期間重點(diǎn)科技項(xiàng)目，交通部重慶公路科學(xué)研究所研制了一種固定式動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一套稱重傳感器和一臺(tái)電子測(cè)量?jī)x器構(gòu)成，每車道布置兩只傳感器，每臺(tái)儀器可測(cè)量 1~4個(gè)車道，軸重誤差小于 177。10％，置信度為 95％。 1999年，德國 PAT載荷監(jiān)控產(chǎn)品開始進(jìn)入中國市場(chǎng)，云南航天新技術(shù)工程有限公司引進(jìn)其技術(shù)并于 1999年 8月獲得了國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的《計(jì)量器具 型式批準(zhǔn)證書》。 國內(nèi)目前動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究狀況是起步晚、時(shí)間短，在研究過程中未能對(duì)行駛車輛的干擾因素作深入系統(tǒng)的分析，對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)信號(hào)處理簡(jiǎn)單，為了提高檢測(cè)精度，往往要求信號(hào)在經(jīng)過一定時(shí)間衰減并達(dá)到穩(wěn)定后開始測(cè)量。使得這類產(chǎn)品往往需要較長(zhǎng)的受荷板或受制于較低的車輛通過速度，檢測(cè)精度也不高，一般平均誤差為 177。(5％ ~30％ )。目前國內(nèi)如京珠高速公路、南京長(zhǎng)江二橋等高等級(jí)公路和橋梁上安裝的高精度車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要來自國外，這類產(chǎn)品存在價(jià)格昂貴、超限標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)法規(guī)不一致等缺陷。 車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的國內(nèi) 發(fā)展展望 1. 車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將融入 ITS(Intellingent Transport Systems)，成為其組成部分，因此作為固定式的 WIM 系統(tǒng)或裝置，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這一背景，在數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳輸、上下位機(jī)的關(guān)系、硬件配備等方面，均要考慮，以便于其 “嵌入 ”ITS。 2. 稱重傳感器的壽命將制約車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的廣泛使用，這是國內(nèi)業(yè)界應(yīng)當(dāng)認(rèn)真面對(duì)的問題。國內(nèi)較為普遍地運(yùn)用壓電陶瓷式、電阻應(yīng)變片式等形式稱重傳感器，國外則較多地運(yùn)用了壓電薄膜、液壓管、共聚物壓電軸等形式的稱重傳感器，大大提高了使用壽命，對(duì)于 便攜式 WIM 系統(tǒng)還能方便現(xiàn)場(chǎng)使用。 3. 目前國際上還沒有規(guī)范且權(quán)威的車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅有一個(gè)得到西方國家承認(rèn)的國際參考標(biāo)準(zhǔn) ASTM E1318—94。這給我國研究和應(yīng)用車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。機(jī)遇是在沒有