本文介紹了動(dòng)態(tài)稱重的特征和系統(tǒng)組成，根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)汽車衡的檢定實(shí)施和營(yíng)運(yùn)狀況， 分析了車輛動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確性影響因素與減少誤差的措施，并提出了推薦的動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)軟件框架。

0.前言

近年來(lái)，在公路上行駛的超限運(yùn)輸車愈來(lái)愈多， 據(jù)統(tǒng)計(jì)，貨車超載超限運(yùn)輸肇事占交通事故總數(shù)的 30%以上，占貨車事故的55%以上。超載不僅是造成 交通事故的主要原因，加劇公路的疲勞破壞，同時(shí) 也危及中小跨徑橋梁和舊橋的安全.為此,交通部于 2000年4月1日頒布實(shí)施了《超限運(yùn)輸車輛行駛公 路管理機(jī)構(gòu)管理規(guī)定》，并指出公路管理機(jī)構(gòu)可根據(jù) 需要在公路上設(shè)置運(yùn)輸車輛軸載質(zhì)量及車貨總質(zhì)量 的檢測(cè)裝置。

工作中，有時(shí)要在運(yùn)動(dòng)的或振動(dòng)的環(huán)境中，諸如 遠(yuǎn)洋輪船、飛機(jī)或貨車上對(duì)物體進(jìn)行稱量，形成了 動(dòng)態(tài)稱重狀態(tài)，而動(dòng)態(tài)汽車衡就在這樣的背景下產(chǎn) 生了，一些發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)50年代就開(kāi)始了動(dòng) 態(tài)稱重技術(shù)的研究。

1.車輛動(dòng)態(tài)稱重的特征

動(dòng)態(tài)測(cè)量是指為確定量的瞬時(shí)值及（或）其隨 時(shí)間變化所進(jìn)行的測(cè)量，即被測(cè)量是隨時(shí)間而變化 的；而靜態(tài)測(cè)量中，通常考慮信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，只 關(guān)注測(cè)量結(jié)果的不確定度和隨時(shí)間的穩(wěn)定性和可靠性。

車輛動(dòng)態(tài)稱重有以下特征：車輛的類型（型號(hào)）， 路面的平整度，車輛的行駛速度,車輛的動(dòng)平衡作 用，輪胎的狀態(tài)，車輛拖掛的類型，裝載物的特性 (固態(tài)/液態(tài)），以及駕駛員的操作方式，加、減速等。

2.計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的組成

目前多數(shù)計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

1、 鋼制秤臺(tái)在結(jié)構(gòu)上有兩種形式：稱重傳感器安裝高 于秤臺(tái)的位置,稱之為上翻式秤臺(tái)；另一種則是將傳 感器裝在秤臺(tái)下面，與常規(guī)汽車衡一樣，秤臺(tái)限位主 要有兩種類型,一種是拉桿式限位，另一種是頂式限 位。

2、專用稱重控制器，這是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。 動(dòng)態(tài)稱重時(shí)需要比靜態(tài)更高的采樣率，但只要采樣 率符合Naquest定律的要求（即釆樣率不低于信號(hào) 最高有效頻率的2倍即可保證包含信號(hào)的所有信 息），即可滿足，而實(shí)際上傳感器的精度和布置形式 也很重要，甚至決定算法。

3、輪軸識(shí)別器的作用是正確判別通過(guò)的車軸每 側(cè)是單輪還是雙輪，同時(shí)與秤臺(tái)一起判別軸型是單 軸還是雙聯(lián)軸或三聯(lián)軸。目前常見(jiàn)的大體上有兩大 類：一是采用多個(gè)傳感器（通常有稱重傳感器和非 接觸式開(kāi)關(guān)兩大類）；另一種是采用壓電元件來(lái)識(shí) 別。

4、紅外車輛分離器的作用是檢測(cè)車輛是否已完 全通過(guò)秤臺(tái)，由一組紅外發(fā)射/接受光柵組成。

5、綜合顯示器，能顯示收費(fèi)車輛的車型、應(yīng)收 金額和通行信號(hào)燈。

6、收費(fèi)計(jì)算機(jī)是用于收費(fèi)系統(tǒng)與計(jì)重系統(tǒng)的聯(lián) 接以及稱重?cái)?shù)據(jù)的處理。如圖1所示。

3.計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱量檢測(cè)分析

動(dòng)態(tài)稱量測(cè)試步驟簡(jiǎn)單介紹如下：設(shè)備供應(yīng)商 技術(shù)人員預(yù)先對(duì)被檢衡器進(jìn)行系統(tǒng)自校，確認(rèn)各項(xiàng) 正常后，使用動(dòng)態(tài)檢衡車分別以0 km/h-5km/h、5 km/h-lOkm/h、15 km/h-20km/h 各不超過(guò) 3 次勻速行 駛駛過(guò)被檢衡器，對(duì)被檢衡器進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱量測(cè)試.

根據(jù)每一速度下偏離標(biāo)準(zhǔn)值敁大的儀表示值計(jì)算該 速度下的準(zhǔn)確性誤差，根據(jù)每一速度下儀表域大示 值和敁小示值的差值計(jì)算該速度下的重復(fù)性誤差。

從理論上講，對(duì)輪軸稱重時(shí)，都是測(cè)出輪胎對(duì) 秤臺(tái)的作用力。依次測(cè)最各輪軸的“重S”。在測(cè)量 時(shí)車軸間的相對(duì)距離保持不變。但實(shí)際上，車輛組 件之間的位置不變只是近似的。車輛、貨物的復(fù)合 繭心隨車輛的移動(dòng)而變動(dòng)。因此在稱不同輪軸時(shí)， 車輛的實(shí)際重心是不同的，這樣依次對(duì)輪軸稱繭相 加得到整車的繭:，就沒(méi)有整車稱重的結(jié)果準(zhǔn)確。 另外當(dāng)稱重儀周圍支持車輪的地面與秤重臺(tái)面不在 同一水平上，各軸之間將產(chǎn)生不可忽略的“重量轉(zhuǎn) 移?，引起的測(cè)量誤差將更大。因此為了最大限度減 少由于“繭貸轉(zhuǎn)移”帶來(lái)的影響，應(yīng)盡量使車輪保 持在同一水平上。車輪的圓度、動(dòng)平衡在髙速轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)將產(chǎn)生顯著的附加垂直力，形成所謂的輪胎力。 隨著車速的變快，其影響是不可忽略的，由圖2和 圖3可知，路面平整度較差的狀態(tài)下，稱重重量偏 高的概書(shū)：低速40%、中速50%、高速60% ；平整度 較好的狀態(tài)下，稱重：偏高的概率：低速40%、中 速50%、高速70%。

4.稱重精度的因素分析與減少誤差的措施

動(dòng)態(tài)稱重與靜態(tài)稱里的本質(zhì)區(qū)別就是稱重過(guò)程 在系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)的情況下進(jìn)行，很多因素顯著 地影響稱里的精度。在速度較低的時(shí)候，實(shí)際軸載 與靜態(tài)軸載的差別不大，但足在速度較高時(shí)，動(dòng)態(tài) 軸載與靜態(tài)軸載有顯著的差別！這主耍足汽發(fā)生振動(dòng)。

4.1動(dòng)力系統(tǒng)

汽車在運(yùn)行的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行，各 種轉(zhuǎn)動(dòng)部件不可避免地存在偏心，這些都必然激勵(lì) 汽車發(fā)生振動(dòng)。不過(guò)由于此激勵(lì)的頻率很高，可以 通過(guò)相應(yīng)的濾波等方法消除。

4.2路面不平整

實(shí)際的路面不可能完全平整光滑的，汽車行駛 過(guò)程中，汽車的懸掛在不平整的路面的隨機(jī)激勵(lì)下， 將發(fā)生復(fù)雜的振動(dòng)。由于稱繭的時(shí)間很短，低頻噪 聲很難消除，這是影響稱重準(zhǔn)確的主耍因素。

4.3汽車加減速

實(shí)際中汽車尤其是滿載的汽車的重心總是高于懸掛 的支撐點(diǎn)。當(dāng)汽車加速減速的時(shí)候’由于慣性的作 用將導(dǎo)致汽車產(chǎn)生前后俯仰與重心前后移動(dòng)的水平 縱向震動(dòng)以及整體豎直方向振動(dòng)。

路面不平整、加速減速引起汽車整體俯仰振動(dòng) 導(dǎo)致的變化，都將顯著的影響稱量結(jié)果的準(zhǔn)確度。 所以OIML國(guó)際建議、ASTM規(guī)范都對(duì)稱重控制區(qū)的路 面平整度、汽車在稱重前的運(yùn)行狀態(tài)做了詳細(xì)的規(guī) 定以盡可能減少由于外界的干擾而引起的誤差。

4.4稱重系統(tǒng)本身誤差及其誤差累積

因通過(guò)定期檢查來(lái)校正常見(jiàn)的惡意違規(guī)行駛的 四種形式：1.點(diǎn)剎車；2.壓秤邊；3.走S形路線；

翹頭，按照正常的數(shù)據(jù)處理及邏輯判別，這四種 形式都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏輕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)丟掉一個(gè)軸重 并導(dǎo)致車型檢測(cè)失誤。解決方法就是在稱量數(shù)據(jù)的 采集與邏輯判斷中增加特殊的比較與邏輯條件。

5.動(dòng)態(tài)稱重常用算法的比較分析

國(guó)外很早開(kāi)始對(duì)WIM相關(guān)技術(shù)開(kāi)展了研究，發(fā) 展了一些算法以提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的精度，下面對(duì) 目前己經(jīng)報(bào)道過(guò)的算法做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹與回顧。

5.1積分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 結(jié)局動(dòng)態(tài)稱重問(wèn)題所提出來(lái)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)值積分發(fā)來(lái)求解稱重過(guò)程的微 分方程以獲得待測(cè)的重量。

5.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)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)量專家的思維過(guò)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(lái)，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。

5.3參數(shù)估計(jì)法

參數(shù)估計(jì)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(wèn)題來(lái)處理，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(guò)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)。在實(shí)際應(yīng)用 中，結(jié)果表明具有較好的效果。

5.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)該方法主要是基于并行技術(shù)的思想， 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(guò)程中對(duì)影響稱重精度和限制車輛通過(guò)速度起 主導(dǎo)作用的因素作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)訓(xùn)練獲得較好 的網(wǎng)絡(luò)模型。稱重臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，要進(jìn)行高精度 建模很困難。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以避開(kāi)復(fù)雜的物 理建模，僅根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行黑箱建 模。

目前來(lái)看，利用數(shù)學(xué)模型的稱重檢測(cè)方法比較 有前途的。國(guó)外已經(jīng)見(jiàn)到利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)際 運(yùn)用的報(bào)導(dǎo)，特別是對(duì)于多傳感器稱重系統(tǒng)，據(jù)報(bào) 導(dǎo)效果很好。在2005年2月在臺(tái)北市舉行的ICWIM4 會(huì)議上，A. Gonzalez與E. J. O'Brien報(bào)道了采用功 能網(wǎng)絡(luò)替代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的做法，該方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相 比不需要大量的訓(xùn)練，但仍然可以達(dá)到較高的精度。

6.結(jié)語(yǔ)

計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)在我國(guó)的使用越來(lái)越廣泛，江蘇、 安徽和山東等省已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，其他 很多省份處于調(diào)研或試點(diǎn)階段，很多衡器廠家和公 路機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商看好其巨大的市場(chǎng)前景而紛紛上 馬，但是計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)有其特殊性：全天侯工作，使用頻率遠(yuǎn)高于一般汽車衡；動(dòng)態(tài)稱重，技術(shù)含量 高,如何規(guī)范這一市場(chǎng),讓動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備健康的發(fā)展， 為公路交通服務(wù)，是我們應(yīng)該思考的問(wèn)題。