基于動態(tài)稱重公路車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

獲取實時可靠的交通信息是發(fā)展智能交通系統(tǒng)(ITS) 的基礎(chǔ)。 本文報道了一種結(jié)合動態(tài)稱重(WIM)技術(shù)，在車輛正常行駛中，測量車輛的軸載荷和其它交通數(shù)據(jù)的自動化系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的組成、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)及軟件設(shè)計。 測試結(jié)果表明，系統(tǒng)所獲取的交通信息全面、可靠，方便實現(xiàn)對公路車輛的實時監(jiān)控和動態(tài)管理。

0.引言

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，簡稱 ITS) 是通過對信息、通信、控制、傳感器和系統(tǒng)集成等先進技術(shù)的綜合運用，來實現(xiàn)出行者、運載工具和交通設(shè)施之間的有效協(xié)調(diào)，其對于緩解城市交通擁堵、提升交通的運營和管理水平、增強交通運輸?shù)纳鐣?wù)能力， 都具有十分重要的促進作用。 智能交通已成為當前國際道路交通和運輸科技發(fā)展的前沿技術(shù)，也是 21 世紀我國交通運輸發(fā)展的重要方向。

文獻中對 ITS 有這樣一段描述:“ 不論是靜態(tài)或?qū)崟r的交通數(shù)據(jù)或是數(shù)據(jù)地圖，信息是 ITS 技術(shù)的核心。 許多 ITS 工具是以信息的收集、處理、集成和提供為基礎(chǔ)的。 ITS 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)提供當前狀態(tài)的實時信息或為旅行規(guī)劃服務(wù)的在線信息，使得公路管理部門和機構(gòu)、道路運營商、公共交通和商業(yè)運輸提供商以及個體出行者制定出有更好的信息支撐的、更安全的、更協(xié)調(diào)和更聰明的決策或更靈活的運輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。” 可見，如何獲取實時可靠的交通信息一直是 ITS 研究的核心內(nèi)容，對 ITS 的發(fā)展更是有著舉足輕重的作用。

公路車輛動態(tài)稱重( Ｈighway Vehicle Weight-in-Motion，簡稱 WIM) 是一項在車輛運動狀態(tài)下獲取車輛軸載荷及總載荷的先進技術(shù)，其作為 ITS的一個重要組成部分，已經(jīng)引起了國內(nèi)外的普遍重視，并且得到了初步應(yīng)用。

綜合以上情況，我們設(shè)計了一種基于 WIM 的公路車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可在不影響現(xiàn)有車輛通行效率的前提下，自動檢測各種車速條件下所有通過車輛的信息參數(shù)，并建立有效的數(shù)據(jù)管理、匯總及分析平臺，從而實現(xiàn)對公路車輛的實時監(jiān)測與動態(tài)管理。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1． 1 系統(tǒng)組成

基于 WIM 的公路車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面?zhèn)鞲醒b置、數(shù)據(jù)采集處理中心、數(shù)據(jù)遠程傳輸裝置、終端管理中心及系統(tǒng)軟件等組成，其中地面?zhèn)鞲醒b置包括石英壓電傳感器、車輛輪數(shù)傳感器、環(huán)形線圈三部分，具體如圖 1 所示。

1． 2 工作原理

于監(jiān)測點所在的路段敷設(shè)地面?zhèn)鞲醒b置，并在現(xiàn)場為其建立數(shù)據(jù)采集處理中心。 當車輛正常行駛通過地面?zhèn)鞲醒b置時，石英壓電傳感器負責(zé)拾取所有車輪對路面的沖擊載荷等信息，進行機－ 電能量轉(zhuǎn)換；車輛輪數(shù)傳感器僅拾取單側(cè)車輪與傳感器橫向接觸寬度的信息， 同樣也進行機－ 電能量轉(zhuǎn)換；車輛通過環(huán)形線圈會引起線圈回路電感量的變化，依此來分離連續(xù)通過的相鄰車輛，為被測車輛建立一個獨立完整的信息。

針對以上傳感器和環(huán)形線圈所輸出的三種信號，數(shù)據(jù)采集處理中心首先通過信號處理器或?qū)ｉT的設(shè)計電路，分別將其轉(zhuǎn)化為模擬電量，接著利用數(shù)據(jù)采集卡對已處理信號進行實時、連續(xù)采集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集軟件一套復(fù)雜的處理流程，最終給出被測車輛包括軸載荷、車速、車長等在內(nèi)的諸多信息參數(shù)。

由數(shù)據(jù)采集處理中心生成的車輛基本信息，將通過有線或無線傳輸裝置實時傳送至終端管理中心，其中系統(tǒng)管理軟件將對接收到的車輛信息作進一步整合，并建立高效、可靠的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)平臺。 用戶通過系統(tǒng)管理軟件來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的全面管理。

1． 3 檢測數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)全面，配合車牌識別裝置，可獲得軸載荷、總載荷、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、車長、車牌號、通過速度、通過加速度、通過時間、通過車道、違例( 超重、超速) 等 1４ 項車輛信息參數(shù)，其中絕大多數(shù)來源于石英壓電傳感器的信號。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計立足于 WIM 技術(shù)，而系統(tǒng)動態(tài)稱重功能的實現(xiàn)則主要依賴于核心硬件傳感器的開發(fā)以及動態(tài)稱重軸載計算方法的研究。

2． 1 石英壓電傳感器

2． 1． 1 壓電材料的選擇

本傳感器選用石英晶體片作為壓電材料，該材料具備固有頻率高、動態(tài)特性好等特點，因此利用石英壓電材料制作的傳感器在動態(tài)測量方面具有其它材料所不能比擬的優(yōu)良性能。

2． 1． 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本傳感器的傳力板和承力板均為整體結(jié)構(gòu)，并為剛性金屬構(gòu)件；它們之間置有均勻分布的壓電元件和傳力片；壓電元件和傳力片外側(cè)設(shè)有絕緣套和屏蔽定位環(huán)，絕緣密封層將其余空間填滿；預(yù)緊螺栓將傳力板、承力板以及置于它們之間的壓力感應(yīng)單元聯(lián)結(jié)， 它既是傳力板和承力板的結(jié)構(gòu)連接部件，又構(gòu)成了壓力感應(yīng)單元的預(yù)緊裝置；定位環(huán)將傳力板和承力板準確定位并防止水平方向位移。

本傳感器上表面、 下底面寬度分別為 50mm、100mm，單根長度有 750mm 和 900mm 兩種規(guī)格，可避免因傳感器長度過長所產(chǎn)生的加工難度及精度等問題。 實際安裝時可將多根傳感器按橫向、緊密排列方式進行組合，來覆蓋整個車道寬度，以做到對正常通過車輛無漏檢。

2． 2 車輛輪數(shù)傳感器

車輛輪數(shù)傳感器可分辨出通過車輪所屬車軸為雙輪軸還是四輪軸，這為軸類型的詳細判別提供了有力手段。 若無該傳感器的檢測，軸類型的分類僅能停留在根據(jù)軸距分為單軸、雙連軸、三連軸的粗略水平上。

本傳感器的工作原理仍然為壓電效應(yīng)，但采用其它壓電材料，在動態(tài)測量方面則同樣具有優(yōu)良的

性能。 其結(jié)構(gòu)設(shè)計與石英壓電傳感器相似，單根長度為 1200mm。 一根傳感器可以滿足一個車道的檢

測，對正常通過車輛無漏檢。 在設(shè)計上與其它同功能的傳感裝置相比，本傳感器表面采用無觸點式設(shè)計，安裝后與路面齊平，不會給在公路上正常行駛的車輛造成任何安全隱患。

2． 3 軸載計算方法

動態(tài)稱重時，車輪通過稱重裝置的時間很短并且有很多的干擾因素，如車速、車輛自身諧振、路面激勵等[3] 。 因此，如何準確測出真實軸重就成為動態(tài)稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點和關(guān)鍵。 目前車輛動態(tài)稱重數(shù)據(jù)處理方法主要有以下幾種:濾波法、積分法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解( EMD) 方法和模型參數(shù)估計等。其中積分法精度相對較高，但需大量的數(shù)據(jù)才能保證精度，這也是提高車輛通過速度時，測量精度就無法保證的原因所在 。

本系統(tǒng)所設(shè)計的石英壓電傳感器固有頻率≥ 50kＨz，動態(tài)響應(yīng)快，即使車輛以極高的速度通過，傳感器仍能充分拾取車輪對路面的沖擊載荷等信息。 由沖擊力轉(zhuǎn)化的電荷量進入專門的信號處理器經(jīng)過變換、適調(diào)、低高通濾波、放大等處理后，輸出的模擬電信號已抑制、 消除了絕大部分外部干擾。 選用的采集卡具有 12 位 A / D 轉(zhuǎn)換器，對單個車道的信號采樣頻率通常為 50kＨz 甚至更高，輸出信號進入采集卡后轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字信號，并為后續(xù)的軸載計算提供大量數(shù)據(jù)。

通過大量的試驗、數(shù)據(jù)回歸及反復(fù)驗證，本系統(tǒng)形成了一套優(yōu)良的動態(tài)稱重軸載計算方法。 該方法首先對采集數(shù)據(jù)進行積分， 然后代入經(jīng)驗公式，再對計算結(jié)果進行速度等修正，從而得到車輛的準確軸載。 經(jīng)試驗證明，該方法在動態(tài)稱重軸載計算方面具有較高的精度，且簡便易行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3． 1 設(shè)計總述

系統(tǒng)軟件的開發(fā)工具為 Visual C + + 6． 0，軟件后臺采用 Microsoft Access 2000 數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)采用 Windows 2000。 軟件由兩部分組成:數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)管理。 整個軟件采用 C / S( Client / Server) 架構(gòu)

設(shè)計，客戶端是數(shù)據(jù)采集軟件，服務(wù)器是系統(tǒng)管理軟件，兩者之間的通信采用 SOCKET 通信協(xié)議。 服

務(wù)器統(tǒng)一控制管理多個客戶端，而一個客戶端可以負責(zé)某個現(xiàn)場一個或多個車道的車輛檢測。 軟件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與流程見圖 2。

軟件采用 C / S 結(jié)構(gòu)，分為兩個程序進行單獨設(shè)計，主要是為了提高數(shù)據(jù)的采集與處理能力，同時也滿足了遠程監(jiān)控管理的需要。

3． 2 數(shù)據(jù)采集軟件

3． 2． 1 設(shè)計要求數(shù)據(jù)采集軟件位于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集處理中心，負責(zé)原始數(shù)據(jù)的采集、車輛基本信息的生成及發(fā)送等。 考慮車輛通過地面?zhèn)鞲醒b置的情況復(fù)雜、車流量大、監(jiān)測點無人看守等因素，從設(shè)計上要求數(shù)據(jù)采集軟件必須能正確、高效地處理數(shù)據(jù)并能保證長期穩(wěn)定可靠地運行，而這也是保證整個系統(tǒng)所獲取

的數(shù)據(jù)真實可信、運行穩(wěn)定可靠的前提和基礎(chǔ)。3． 2． 2 詳細設(shè)計

如圖 2 客戶端中，數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)從采集卡中讀取數(shù)據(jù)至內(nèi)存；數(shù)據(jù)處理模塊對讀取到內(nèi)存的數(shù)據(jù)進行處理，辨別并提取代表石英壓電傳感器車輪信號的有效數(shù)據(jù)；計算車輛輪數(shù)模塊負責(zé)判斷通過車輛輪數(shù)傳感器的單側(cè)車輪是單輪胎還是雙輪胎；每當一輛車完全通過地面?zhèn)鞲醒b置后，車輛分離模塊立即向數(shù)據(jù)處理模塊和計算車輛輪數(shù)模塊發(fā)送一信號量，兩模塊收到該信號量后，首先將之前的各自數(shù)據(jù)合并，再打包發(fā)送給整合車輛信息模塊；整合車輛信息模塊對接收到的數(shù)據(jù)包進行一系列復(fù)雜運算，最終得到被檢測車輛的軸載荷、速度、

通過時間等基本信息；網(wǎng)絡(luò)通信模塊將生成的車輛基本信息通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)以 SOCKET 通信方

式實時發(fā)送給服務(wù)器。 另外，參數(shù)配置模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與修改；車輛數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊負責(zé)車輛信息的界面顯示、 系統(tǒng)日志文件的生成及保存，以方便需要時了解客戶端的運行狀況。

客戶端數(shù)據(jù)采集軟件的核心是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及整合車輛信息三個模塊，這部分采用多線程技術(shù)編程，大大提高了軟件的執(zhí)行效率。

另外，本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡具有 32 個模擬輸入通道，最高 800kＨz 的采用頻率，因此通過單個

采集卡采集多個車道的信號在硬件方面是完全具備條件的。 數(shù)據(jù)采集軟件配合采集卡，通過合理設(shè)計，實現(xiàn)了一個客戶端控制一個或多個車道的車輛

檢測，在提高系統(tǒng)集成度的同時大大降低了系統(tǒng)成本。

3． 3 系統(tǒng)管理軟件

3． 3． 1 設(shè)計要求

系統(tǒng)管理軟件是本系統(tǒng)提供給最終用戶的人機接口，系統(tǒng)用戶通過它來管理整個系統(tǒng)。 因此軟

件在設(shè)計上要求界面友好、操作方便、簡單易學(xué)。3． 3． 2 詳細設(shè)計

本軟件在風(fēng)格上不采用傳統(tǒng)的 MFC 程序樣式，去掉傳統(tǒng)的菜單選項、工具欄、狀態(tài)欄以及視圖主框架的邊框顯示。 采用的是單文檔多視圖結(jié)構(gòu)，但視圖切換的方式同樣并沒有采用 MFC 框架設(shè)定的切分窗口或者菜單選項等方法，而是自行設(shè)計了消

息響應(yīng)函數(shù)來進行不同視圖之間的切換。 將控制視圖切換的功能模塊放入 CMainFrame 類中，便于整

體的控制。 利用 Doc-View 結(jié)構(gòu)決定的文檔與視圖的關(guān)系，即視圖中顯示文檔數(shù)據(jù)的部分隨著文檔數(shù)據(jù)的改變而改變，將多個視圖———實時車輛監(jiān)控頁面、車輛信息查詢頁面、交通流量統(tǒng)計頁面以及系統(tǒng)參數(shù)配置頁面等通過指針關(guān)聯(lián)到同一個文檔，從

而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享以及相應(yīng)視圖的顯示，節(jié)省了存儲空間[5] 。

如圖 2 服務(wù)器中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要負責(zé)接收來自客戶端的車輛基本信息，向客戶端發(fā)送相關(guān)控制指令等；實時車輛監(jiān)控模塊除進一步整合車輛基本信息，形成該車輛如總載荷、車型等詳細參數(shù)外，還負責(zé)刷新界面顯示車輛信息， 往數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)，實時或定時向上級主管部門指定服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)，對超載、超速等違法車輛進行篩選并預(yù)警等；車輛信息查詢模塊通過訪問數(shù)據(jù)庫進行各種統(tǒng)計條件下車輛信息的詳細查詢，并顯示查詢結(jié)果；交通流量統(tǒng)計模塊通過訪問數(shù)據(jù)庫，對各種條件下的交通流量分布進行統(tǒng)計；查詢或統(tǒng)計結(jié)果可以圖形或報表形式打印輸出。 另外，參數(shù)配置模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與修改，該模塊具有用戶登錄、密

碼權(quán)限管理等安全功能。

數(shù)據(jù)庫連接采用 DAO 方式，利用 SQＬ 語句實現(xiàn)查詢，并對數(shù)據(jù)庫進行了加密，使數(shù)據(jù)庫不能被

隨意打開或修改數(shù)據(jù)，保證了檢測數(shù)據(jù)的客觀公正性。 為滿足系統(tǒng)大容量存儲需求，車輛信息按月劃分保存在不同的數(shù)據(jù)庫文件中。

４ 系統(tǒng)性能測試

本系統(tǒng)已在交通部公路交通試驗場國家 ITS 中心示范道路上進行了安裝和應(yīng)用。 長期測試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能良好，運行穩(wěn)定可靠，在不同季節(jié)及各種惡劣天氣下，系統(tǒng)功能及所獲得的各項車輛信息參數(shù)均滿足系統(tǒng)設(shè)計時的預(yù)期目標。 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)指標如表 1 所示。

5 結(jié)論

本文提出的基于 WIM 的公路車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)，可在車輛正常行駛過程中，瞬間完成其各項交通數(shù)據(jù)的檢測。 本系統(tǒng)所獲得的交通信息全面、可靠，而且具有足夠的精度。 因此，系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將為公路交通的現(xiàn)代化管理和利用公路交通信息服務(wù)社會公眾提供有力的技術(shù)支持，同時對公路的

規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護、執(zhí)法和投資具有重要意義。