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基于微传感器的高速动态车辆超载检测技术冯强超北京交通大学海滨学院测控技术与仪器摘要随着我国经济和交通事业的发展公路运输的超重现象越来越严重超载造成了路面桥梁等设施的破坏从而恶化了道路服务水平和行车安全状况给国家造成巨大的经济损失同时因超载运输引发的交事故也日益增多威胁着人民的生命安全传统的车辆称重都是在静止时进行的这种称重方式是最准确的方法但是这种传统的称重方式有它自身的缺点测量效率较低需要人工干预无法实现对所有车辆的24小时不停车监控动态地测量行驶中车辆的轴载对于公路的养护及执法具有重要的意义因此路政管理部门急需一种动态称重(WIM)系统来抑制超载现象已有的公路动态称重系统其称重原理大都是利该系统需较长的承载板而且限制了较低的车辆通过速度以保证动态称重信号经过一定时间的衰减稳定到一定程度才开始计量转换处理本文利用高精度微传感器建立了一种新型的桥梁高速动态超载检测方法桥梁采用简支梁模型车/桥相互作用模型化为具有固定间距点力匀速通过桥面利用安装在桥梁下面的微传感器测量车辆经过桥面引起的桥梁响应建立测量信号与车辆载重的对应关系进而获得动态车辆的载重值由于采用间接测量方法只需将传感器固定在桥下即可不需要开挖道路安装方便也不会对交通产生任何影响。国际上许多国家公路车辆在运输货物的过程中普遍存在超载现象且超载现象车辆比例相当高[1]根据德国调查超载车辆达50%以上美国40%-60%的大型载货汽车都超载随着我国经济的迅速发展对公路运输的需求和运能急剧增加运输车辆超载的现象随之急剧增加据调查进入上海市的车辆中超载超限率已达到51%其中超限率达到37%超限车辆会对道路造成严重破坏[2,3,4]1950年美国各州公路工作者协会经过试验研究提出了反映汽车轴载重量与公路路面之间关系的著名的四次方法则即对于柔性路面重车轴载使路面达到标准轴载同等损坏程度时相应的等效换算系数大致为轴载比4次方的关系,这就是说轴载荷增加到原轴重的2倍公路路面的损伤将增大到原来的16倍左右重车超载严重缩短道路寿命车超载对桥梁的破坏则更是触目惊心国内桥梁大多存在因重车超载造成的桥面开裂部分桥梁甚至发生因受重载瞬间桥板垮塌桥梁断裂等严重事故超限车辆造成的直接经济损失非常严重据有关专家计算即使不考虑税费的流失超载者每获得1000元相应国家就损失6000元超载还大量导致交通事故发生由于超载车辆控制能力降低容易导致交通事故发生在某些地区与车辆超载有关的交通事故肇事已经占到了交通事故总数的20左右治理车辆超载超限势在必行也是自2000年4月1日起施行的超限运输车辆行驶公路管理规定所要求的无论是从规范运输市场还是降低交通事故以及提高公路税收打击和遏制日益严重的超限运输行为已是当务之急。超载运输的危害随着我国经济和交通事业的发展全国公路总里程不断增长路网条件不断改善公路运输获得了快速发展公路货运量己成为各种运输方式货运量之首货物周转量也逐年增加然而长期以来公路货运却出现了一种非法超限运输的怪现象即超高超宽超长超重运输据不完全统计超限运输的比率占货运车辆的50%以上超载量平均为4-6.25倍车辆超载大大缩短了交通基础设施的使用寿命给国家造成巨大的经济损失同时因超载超限运输引发的交通事故也日益增多威胁着人民的生命安全严重影响了公路的正常运行。动态车辆超载检测系统的现状在过去的几十年内关于桥梁模型利用桥梁测量高速运行车辆载重的方法以及桥车超载检系统被广泛研究这些工作的进行对桥梁的设计和维护非常有用同时对于发展车辆超载检测与交通控制起到积极作用测量车辆的传统方法是通过静态测重平台要求车辆停在测重平台上直到测重结束测重平台在运行时必须有人工参与操作尽管静态测重是最简单也是最令人信服的称重方法但是却是低效的除载重平台每年的养护费用很高外超载车辆可以通过司机间的相互交流知道载重平台的具体位置而逃避检查[8]为此大量的关于研制WIM系统的工作开展以减少对静态载重平台的依赖。现有的WIM系统目前全世界仅有几种WIM系统在有限的范围内使用主要分为三类1传感器安装在路面平台平板狭窄板2传感器安装在路面之上网纹板窄板缆索3传感器在桥梁或者涵洞上他们各有优点表。传感器安装在路面中的WIM系统主要包括埋植于路面中的沿着车辆轮胎行驶路线的测量装置这种系统的标准设计是用一个金属框架来防护用来测量通过车辆现有的WIM系统安装在路面中安装在路面上安装在桥下上海交通大学硕士学位论文基于微传感器的高速动态车辆超载检测技术引起力的各种测力元件和其他的电子装备路面被开挖用来使安装系统后仍然与路面相平典型地两个同样的框架分别被安装在沿着车辆轮胎行驶路线上这种系统的两个专利分别由同一家公司YamatoScaleCompany,Limited的Yamanka在1974年[9]和Tamamura在1977年申请[10]Yamanka的系统中一个平板被安装在沿着车辆行驶路线上平板平均上下沿的记录信号去获得车辆的载重Tamamura的系统是相似的是它平均的信号来自沿着车辆轮胎行驶路线上安放的一系列较小的平板Mills于1990年[11]和Loshbough于1991年[12]研制的系统和已有系统基本相似尽管他们在框架和平板上稍微有些不同所有的这些系统都是平均测量到的被车辆引起的很少一部分数据。高速超载检测系统利用现场敏感器件检测桥梁振动和形变信号经过放大和滤波进入数据采集系统利用红外探测器输出车辆的上下桥信号由中央处理器对采集到的信号进行分析和处理依据车型识别结果得到的标准载重判别处理结果是否超载信息为验证系统的可行性利用高灵敏测量器件搭建了试验平台详细介绍了试验器件的选择与试验电路的设计方案讨论了试验器件安装位置的选择同时经过实地勘察选择A4高速高路经上海交通大学闵行校区一个桥梁作为试验桥梁并制定详细的试验计划。结论与展望公路超载造成了路面桥梁等设施的破坏给国家造成巨大的经济损失同时因超载运输引发的交通事故也日益增多威胁着人民的生命安全传统的车辆称重都是在静止时进行的这种称重方式是最准确的方法但是这种传统的称重方式有测量效率较低需进行路面开挖隐蔽性差等缺点已有的公路动态称重系统大都是利用承载板传感单元测量重力信号该系统需较长的承载板而且限制了较低的车辆通过速度本文利用高精度微传感器建立了一种新型的桥梁高速动态超载检测方法利用安装在桥梁下面的微传感器测量车辆经过桥面引起的桥梁响应建立测量信号与车辆载重的对应关系进而获得动态车辆的载重值不需要开挖道路安装方便也不会对交通产生任何影响该系统体积小移动方便不易被违章司机察觉可以实现有效路面监控具有很好的实用前景。参考文献[1]王振清.公路超限运输概论.北京人民交通出版社1997[2]JinfangWangMingguangWu.AnviewofResearchOnWeight-In-MotionSystem.Processingofthe5thworldcongressonintelligentcontrolandAutomation,2004,Hangzhou,P.R.China[3]王迎杰,沈利平.浅谈超限运输车辆行驶公路的危害.交通科技与经济.2002(3),41-42[4]何兆益,唐伯明等.超重车辆对重庆市公路路面使用寿命影响分析.[J].重庆交通学院学报.2001.20(20).P48-52[5]=297[6]交通部.公路沥青路面设计规范(JTJ014-97),人民交通出版社1994.7[7]交通部.公路水泥混凝土路面设计规范(JT0112-94),人民交通出版社,2002.1[8]Snyder,R.,Moses,F.,et.al.BridgeWeigh-in-MotionSystem[P].U.S.PatentNo.5,111,897,May12,1972.[9]Yamanaka,M.,Masuda,Y.,DeviceforWeighingRunningVehicle.UnitedStatesPatentNo.US3835945,Sept.17,1974[10]Tamuamura,R.,Y,Yamanaka,M.,DeviceforWeighingRunningVehicle.U.S.PatentNo.US4049069,Sept.1977[11]Mills,N.,Weight-in-MotionScale,U.SPatentNo.US4957178,Sept1990[12]Loshbough,R.,Hall,D.,VehicleWeighinginMotionApparatusandMethod,U.SPatentNo.US1989000117795,March,1991