基于動態稱重公路車輛實時監控系統的設計與實現

獲取實時可靠的交通信息是發展智能交通系統(ITS) 的基礎。 本文報道了一種結合動態稱重(WIM)技術，在車輛正常行駛中，測量車輛的軸載荷和其它交通數據的自動化系統，詳細介紹了該系統的組成、工作原理、關鍵技術及軟件設計。 測試結果表明，系統所獲取的交通信息全面、可靠，方便實現對公路車輛的實時監控和動態管理。

0.引言

智能交通系統(Intelligent Transportation System，簡稱 ITS) 是通過對信息、通信、控制、傳感器和系統集成等先進技術的綜合運用，來實現出行者、運載工具和交通設施之間的有效協調，其對于緩解城市交通擁堵、提升交通的運營和管理水平、增強交通運輸的社會服務能力， 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展的前沿技術，也是 21 世紀我國交通運輸發展的重要方向。

文獻中對 ITS 有這樣一段描述:“ 不論是靜態或實時的交通數據或是數據地圖，信息是 ITS 技術的核心。 許多 ITS 工具是以信息的收集、處理、集成和提供為基礎的。 ITS 產生的數據可以通過網絡提供當前狀態的實時信息或為旅行規劃服務的在線信息，使得公路管理部門和機構、道路運營商、公共交通和商業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、更協調和更聰明的決策或更靈活的運輸網絡應用。” 可見，如何獲取實時可靠的交通信息一直是 ITS 研究的核心內容，對 ITS 的發展更是有著舉足輕重的作用。

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

綜合以上情況，我們設計了一種基于 WIM 的公路車輛實時監控系統。 該系統可在不影響現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，并建立有效的數據管理、匯總及分析平臺，從而實現對公路車輛的實時監測與動態管理。

1 系統組成及工作原理

1． 1 系統組成

基于 WIM 的公路車輛實時監控系統主要由地面傳感裝置、數據采集處理中心、數據遠程傳輸裝置、終端管理中心及系統軟件等組成，其中地面傳感裝置包括石英壓電傳感器、車輛輪數傳感器、環形線圈三部分，具體如圖 1 所示。

1． 2 工作原理

于監測點所在的路段敷設地面傳感裝置，并在現場為其建立數據采集處理中心。 當車輛正常行駛通過地面傳感裝置時，石英壓電傳感器負責拾取所有車輪對路面的沖擊載荷等信息，進行機－ 電能量轉換；車輛輪數傳感器僅拾取單側車輪與傳感器橫向接觸寬度的信息， 同樣也進行機－ 電能量轉換；車輛通過環形線圈會引起線圈回路電感量的變化，依此來分離連續通過的相鄰車輛，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形線圈所輸出的三種信號，數據采集處理中心首先通過信號處理器或專門的設計電路，分別將其轉化為模擬電量，接著利用數據采集卡對已處理信號進行實時、連續采集，然后經過數據采集軟件一套復雜的處理流程，最終給出被測車輛包括軸載荷、車速、車長等在內的諸多信息參數。

由數據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、可靠的數據管理與服務平臺。 用戶通過系統管理軟件來實現對整個系統的全面管理。

1． 3 檢測數據

本系統檢測數據全面，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、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，其中絕大多數來源于石英壓電傳感器的信號。

2 關鍵技術的實現

本系統的設計立足于 WIM 技術，而系統動態稱重功能的實現則主要依賴于核心硬件傳感器的開發以及動態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測量方面具有其它材料所不能比擬的優良性能。

2． 1． 2 結構設計

本傳感器的傳力板和承力板均為整體結構，并為剛性金屬構件；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設有絕緣套和屏蔽定位環，絕緣密封層將其余空間填滿；預緊螺栓將傳力板、承力板以及置于它們之間的壓力感應單元聯結， 它既是傳力板和承力板的結構連接部件，又構成了壓力感應單元的預緊裝置；定位環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 兩種規格，可避免因傳感器長度過長所產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 車輛輪數傳感器

車輛輪數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，但采用其它壓電材料，在動態測量方面則同樣具有優良的

性能。 其結構設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稱重系統的技術難點和關鍵。 目前車輛動態稱重數據處理方法主要有以下幾種:濾波法、積分法、經驗模態分解( EMD) 方法和模型參數估計等。其中積分法精度相對較高，但需大量的數據才能保證精度，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 。

本系統所設計的石英壓電傳感器固有頻率≥ 50kＨz，動態響應快，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。 由沖擊力轉化的電荷量進入專門的信號處理器經過變換、適調、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化為高精度的數字信號，并為后續的軸載計算提供大量數據。

通過大量的試驗、數據回歸及反復驗證，本系統形成了一套優良的動態稱重軸載計算方法。 該方法首先對采集數據進行積分， 然后代入經驗公式，再對計算結果進行速度等修正，從而得到車輛的準確軸載。 經試驗證明，該方法在動態稱重軸載計算方面具有較高的精度，且簡便易行。

3 系統軟件設計

3． 1 設計總述

系統軟件的開發工具為 Visual C + + 6． 0，軟件后臺采用 Microsoft Access 2000 數據庫，操作系統采用 Windows 2000。 軟件由兩部分組成:數據采集和系統管理。 整個軟件采用 C / S( Client / Server) 架構

設計，客戶端是數據采集軟件，服務器是系統管理軟件，兩者之間的通信采用 SOCKET 通信協議。 服

務器統一控制管理多個客戶端，而一個客戶端可以負責某個現場一個或多個車道的車輛檢測。 軟件系統的具體結構與流程見圖 2。

軟件采用 C / S 結構，分為兩個程序進行單獨設計，主要是為了提高數據的采集與處理能力，同時也滿足了遠程監控管理的需要。

3． 2 數據采集軟件

3． 2． 1 設計要求數據采集軟件位于現場的數據采集處理中心，負責原始數據的采集、車輛基本信息的生成及發送等。 考慮車輛通過地面傳感裝置的情況復雜、車流量大、監測點無人看守等因素，從設計上要求數據采集軟件必須能正確、高效地處理數據并能保證長期穩定可靠地運行，而這也是保證整個系統所獲取

的數據真實可信、運行穩定可靠的前提和基礎。3． 2． 2 詳細設計

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

通過時間等基本信息；網絡通信模塊將生成的車輛基本信息通過有線或無線網絡以 SOCKET 通信方

式實時發送給服務器。 另外，參數配置模塊主要實現系統參數的設定與修改；車輛數據監控模塊負責車輛信息的界面顯示、 系統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。

客戶端數據采集軟件的核心是數據采集、數據處理及整合車輛信息三個模塊，這部分采用多線程技術編程，大大提高了軟件的執行效率。

另外，本系統選用的數據采集卡具有 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。 數據采集軟件配合采集卡，通過合理設計，實現了一個客戶端控制一個或多個車道的車輛

檢測，在提高系統集成度的同時大大降低了系統成本。

3． 3 系統管理軟件

3． 3． 1 設計要求

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

件在設計上要求界面友好、操作方便、簡單易學。3． 3． 2 詳細設計

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

息響應函數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 結構決定的文檔與視圖的關系，即視圖中顯示文檔數據的部分隨著文檔數據的改變而改變，將多個視圖———實時車輛監控頁面、車輛信息查詢頁面、交通流量統計頁面以及系統參數配置頁面等通過指針關聯到同一個文檔，從

而實現了數據共享以及相應視圖的顯示，節省了存儲空間[5] 。

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

碼權限管理等安全功能。

數據庫連接采用 DAO 方式，利用 SQＬ 語句實現查詢，并對數據庫進行了加密，使數據庫不能被

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

４ 系統性能測試

本系統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用。 長期測試結果表明，系統性能良好，運行穩定可靠，在不同季節及各種惡劣天氣下，系統功能及所獲得的各項車輛信息參數均滿足系統設計時的預期目標。 系統的主要技術參數指標如表 1 所示。

5 結論

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

規劃、設計、施工、運營、養護、執法和投資具有重要意義。