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1 引言

傳統(tǒng)靜態(tài)稱重作為檢測公路車輛超載的方法，存在效率低、占地面積大、移動不方便等缺點[1]，車輛行駛稱重技術(shù)（weigh inmotion，簡稱 WIM[2]）作為一種智能稱重技術(shù)得到了廣泛研究和迅速的發(fā)展。歐美發(fā)達國家?guī)资昵熬烷_始了對車輛動態(tài)稱重技術(shù)的研究，稱重技術(shù)現(xiàn)已成熟并形成了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，我國在這方面的研究起步較晚，但隨著動態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展，我國也會制定相關(guān) WIM 技術(shù)標準和精度劃分標準。集成化應(yīng)變式稱重系統(tǒng)是動態(tài)稱重系統(tǒng)的核心部分，其中偏載精度、動態(tài)響應(yīng)特性直接決定整個動態(tài)稱重系統(tǒng)的工作性能與測量精度。因此如何提高稱重精度就成為當(dāng)前動態(tài)稱重技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 高精度集成化稱重儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 車輛動態(tài)稱重的影響因素及主要防范方法

被測的車輛以一定的速度 v 通過稱重板的時候。存在以下幾種影響稱重精度的運動：

（1）繞 X 軸的側(cè)傾，引起軸上的重量在同一輪軸上由一側(cè)車輪向另一側(cè)車輪上轉(zhuǎn)移或者在同一轉(zhuǎn)向架上重量從一邊向另一邊轉(zhuǎn)移。如果兩邊同時稱重，重量在兩個輪子間的分布不會影響到整個稱重的分布。

（2）繞 Y 軸的俯仰運動，俯仰表示重量從前軸轉(zhuǎn)移到后軸反之亦然。通常認為軸重法是將汽車先分軸測量，然后相加得到總重。然而這樣可能會引入相當(dāng)大的誤差，這主要取決于車速和俯仰頻率之間的相互作用。例如，在前軸稱重瞬間，車的前端下俯，測量讀數(shù)較實際重量偏大；若某瞬間后軸在秤臺上，車的后端恰好下俯，則測量讀數(shù)同樣偏大，因此簡單將兩個測量值相加的做法嚴格來說是不恰當(dāng)?shù)摹?/span>

（3）繞 Z 軸的橫擺運動，橫擺表示水平面內(nèi)的運動產(chǎn)生的力，針對這個力可以選擇對水平力不敏感的稱重傳感系統(tǒng)，可在機械設(shè)計中保障這一點。假如水平力約束器保持水平，則作用在約束器上的力將不會產(chǎn)生垂直分力影響稱重系統(tǒng)。

（4）起伏表示沿 Z 軸的移動，即車輛的振動，也將影響重量讀數(shù)，因為它象俯仰那樣產(chǎn)生垂直的力，俯仰可以使車的前端或者后端重量讀數(shù)增大或者減少，Z 方向同時在兩端產(chǎn)生垂直力，因此這種效應(yīng)也影響稱重的精度。很顯然這樣的運動直接影響重量讀數(shù)，因為它是垂直方向的作用力，是作用于稱重系統(tǒng)的作用力。

2.2 集成化稱重板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先規(guī)定板的方向，由于這里設(shè)計的為一矩形板。板的長度方向是指與車速方向相平行的方向，寬度方向則是與車速方向垂直的方向。

一般而言，要求稱重板具有良好的彈性特性和穩(wěn)定性，在長時間使用中溫度變化時候都應(yīng)保證穩(wěn)定的特性。在稱重板寬度設(shè)計時候經(jīng)?？紤]載重汽車最不利的情況即雙連軸并且雙輪胎情況，因此設(shè)計稱重板的寬度時候按照尺寸很大的雙輪胎斷面寬度來考慮，根據(jù)實際載重車輪胎尺寸表 1 和如圖 3 所示雙連軸并且雙輪胎情況可以計算出雙輪胎寬度（包括兩輪胎之間距離）范圍為：843 mm≤Lmax雙輪寬≤1013 mm，取值為 1000mm。因此設(shè)計尺寸不宜過小，以適合稱量大尺寸輪胎的重型載重車；稱重板的長度通常是越長越好，這樣可以保證一定的測量精度，由于目前的技術(shù)發(fā)展，參考同樣功能的軸重測量系統(tǒng)，板子的長度設(shè)計值可以減少到 600 mm 以下，取值為 500mm。

 

一般在 500 mm≤L長度≤600 mm。綜合以上因素考慮稱重臺板是用 25 mm 厚 35CrMnSiA 熱軋鋼板通過切削加工出一塊兩個寬度外緣形成凸起區(qū)、中間為厚度為 13mm 凹陷區(qū)的大型35CrMnSiA 合金板，這時 35CrMnSiA 合金板就成為一塊兩個寬度帶承力支承的板橋結(jié)構(gòu)。這里所設(shè)計的集成化稱重儀是由超靜定梁組成的集成化稱重傳感器，因此剪支梁在受載情況下可以找到其純剪切區(qū)域，然后就可以在純剪切區(qū)域內(nèi)沿著 45°或 135°方向粘貼電阻應(yīng)變片。

傳統(tǒng)的方法是根據(jù)材料力學(xué)計算可以確定中性層的位置，但是計算過于繁瑣，根據(jù)有限元分析可以非常簡便的確定中性層的位置及其周圍接近純剪切的區(qū)域（貼片的位置），中性層位置為應(yīng)變符號相反兩區(qū)域之間的過渡區(qū)域，因此選擇了中性層及其中性層附近區(qū)域單元作為貼片單元，由主應(yīng)力分析可知道，1 為受壓應(yīng)變片，2 為受拉應(yīng)變片。

稱重板貼片區(qū)域示意圖在稱重板的開槽區(qū)域采用集中貼片?？梢灾蕾N片 1、3、5、7 為受壓片，貼片 2、4、6、8 為受拉片，將圖 6 中平分稱重板長度中心軸線對稱的槽的應(yīng)變片按相同性質(zhì)兩應(yīng)變片串聯(lián)作為差動全橋的一個橋臂，拉壓橋臂組成差動全橋電路。

 

3 稱重質(zhì)量計算方法

對于重量測量方案，采用積分平均法計算各輪載重量。通過采樣得到了輪胎動載荷信號。

采用積分平均方法。認為車輛通過秤臺時作用力分為靜態(tài)分量和由各種諧波成分組成的動態(tài)分量兩部分，將各應(yīng)變區(qū)的輸出總和，取一小段 L1，沿其長度 Seg（波峰的計算寬度，用觸發(fā)門檻確定了其寬度）積分，圖中陰影面積除以長度 L1便得到接近于輪重的靜態(tài)分量。假設(shè)各應(yīng)變區(qū)的電橋輸出電壓初值分別為 u10，u20，…，un0，載荷作用過后，各應(yīng)變區(qū)的電橋輸出為 u1，u2，…，un。

式中：S—各差動全橋電路調(diào)節(jié)到一致的靈敏度，其物理意義為各應(yīng)變區(qū)的輸出單位電壓需要施加的載荷；n—差動全橋電路的數(shù)量，u 的值反映了載荷的大小。此方案的計算結(jié)果有很高的精度。

4 計算模型與算法

動態(tài)稱重精度不僅與稱重系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受其他各種因素的影響：如車輛載重、車輛通過速度、板簧結(jié)構(gòu)和車輛振動等，通過改善稱重系統(tǒng)硬件設(shè)施，可減小稱重誤差；在相同的硬件條件下，一種成功的算方法能在很大程度上提高動態(tài)稱重精度[4]。

提出了結(jié)合 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法：主計算模型的計算值G軍對WIM 系統(tǒng)計算輸出值 G 的貢獻起到主導(dǎo)作用，而 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正模型的輸出值△G 將對計算輸出值 G 起到修正作用，以提高系統(tǒng)的測量精度，計算模型如圖 11 所示。

因此，數(shù)學(xué)模型可表示為：G=G+△G，G=f_k（U）  （2），（3）

△G=f_ANN (U,v,P₀,τ,C, T)           （4）

式中：f_k—各路的電壓輸出 U 與主計算值G軍之間的函數(shù)；f_ANN—經(jīng)過訓(xùn)練得到的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)；U，v，τ，C—上邊采用積分平均法計算出來的集成化稱重板的電壓取值，車速、輪胎參數(shù)、系統(tǒng)剛度。

在訓(xùn)練時，將 U，v，τ，C 作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，G₀-G（G₀為通過地磅測得的靜態(tài)稱重值）作為網(wǎng)絡(luò)的輸出（訓(xùn)練目標值）。利用從試驗中得到的有效數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練與驗證后，即可用于預(yù)測計算。

5 實驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗，對模型的算法進行了驗證，表 2 中數(shù)據(jù)為在船山礦石場做實驗所得，測量時將動態(tài)稱重系統(tǒng)置于汽車到達地磅之前的一段距離內(nèi)（約 10m），車輪靜態(tài)質(zhì)量由地磅標定（誤差為±20%kg），測得車輛左前（后）輪的質(zhì)量與靜態(tài)質(zhì)量對比，如表 2 所示。從表 2 可以看出，車速在 5km/h 以內(nèi)，由稱重儀測得的輪重精度較高，控制在 3%以內(nèi)。目前我國尚無相關(guān)的動態(tài)稱重的法規(guī)和標準，本稱重儀滿足美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）IV 類 WIM 系統(tǒng)的要求，可用于交通數(shù)據(jù)采集、汽車總質(zhì)量檢查[6]。

6 結(jié)論

建立了高精度積分平均新方法求解稱重質(zhì)量并且結(jié)合 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算模型及算法，通過對硬件與軟件的改善，稱重精度達到了 ASTMIV 類的要求。所設(shè)計的 WIM 稱重系統(tǒng)精度高、稱重臺面低、質(zhì)量輕、便于攜帶，可用于交通數(shù)據(jù)采集、汽車過載檢測。

 

參考文獻

［1］James G.The oregon DOT slow-speed weigh-in-motion（SWIM）project

［R］.TheOregonDepartmentofTransportation，1998.

［2］BerganaAT，NormLindgrenb，CurtisBerthelot.Preservinghighwayinfras tructure using weigh-in-motion （WIM）［R］.Transportation Research News，1998：2-8.

［3］樊麗輝.車輛動態(tài)稱重技術(shù)［J］.中南汽車運輸，1998（2），30（5）：5-7.

［4］魏魯原，伍斌，崔霞.動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計［J］.自動化儀表，2002，23（8）：34-37.

［5］Jacob B.Assessment for the accuracy and classification of weigh -in -motion systems: Part 1 statistical and background. Heavy vehicle systems［J］.A series of the international journal of vehicle design，2000，7（2/3）:136-152.

［6］Luo Yan，Cheng Zhibing，Su Qingzu，Research on Weigh -In -Motion System Using High-pressure Oil Pipe［J］.the 2004 SAE World Congress，PaperNo.:04AE-19，2004.

 
 

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