車輛超載檢測系統(tǒng)研究

ID:343458 · 發(fā)表于 2018-6-2 14:11

1 緒論

目前，為有效治理機(jī)動(dòng)車嚴(yán)重違章超載、超限運(yùn)輸現(xiàn)象，預(yù)防道路交通事故，維護(hù)良好的道路交通秩序，許多交通管理部門專門成立了“治超”機(jī)構(gòu)，“治超”人員日夜上路查堵，往往造成交通堵塞，查一漏百，而人工判斷又缺乏準(zhǔn)確性，查堵中的不正之風(fēng)時(shí)有發(fā)生。鑒于這種情況，在超載車必經(jīng)的道路下埋上檢測儀器，通過電腦自動(dòng)識(shí)別是否超載就顯得尤為重要。

本設(shè)計(jì)是車輛超載與檢測系統(tǒng)研究，這項(xiàng)研究可以判斷機(jī)動(dòng)車是否超載而求在車輛超載時(shí)能夠提供報(bào)警和顯示車輛超載的重量。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為研究系統(tǒng)處理的核心，利用橋式稱重傳感器WPL110將車輛載重量等量轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓信號調(diào)理后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC0838轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過RS485接口電路送到上位機(jī)，上位機(jī)與設(shè)定的載重量作比較并判斷是否超載，若超載顯示超載的重量并報(bào)警。

1.1選題背景　

隨著我國經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的發(fā)展全國公路總里程不斷增長路網(wǎng)條件不斷改善公路運(yùn)輸獲得了快速發(fā)展公路貨運(yùn)量己成為各種運(yùn)輸方式貨運(yùn)量之首貨物周轉(zhuǎn)量也逐年增加然而長期以來公路貨運(yùn)卻出現(xiàn)了一種非法超限運(yùn)輸?shù)墓脂F(xiàn)象即超高超寬超長超重運(yùn)輸據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)超限運(yùn)輸?shù)谋嚷收钾涍\(yùn)車輛的50%以上超載量平均為4-6.25 倍車輛超載大大縮短了交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失同時(shí)因超載超限運(yùn)輸引發(fā)的交通事故也日益增多威脅著人民的生命安全嚴(yán)重影響了公路的正常運(yùn)行。針對超載車輛，主要有以下幾個(gè)不良影響：

（1）加速公路路面損壞和大大縮短了公路使用年限。在理論上，公路的使用壽命的設(shè)計(jì)年限是根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定來計(jì)算設(shè)計(jì)的，在我國公路路面的荷載為單軸雙輪荷載10噸來設(shè)計(jì)的，司機(jī)若按這個(gè)荷載承載貨物運(yùn)輸，是不會(huì)對公路路面造成大的損害的，而且，不會(huì)增加公路管理局對公路路面的維護(hù)量。但若車輛作用于路面的實(shí)際荷載超過路面的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，那么，公路的使用壽命將大大縮短。車輛超載會(huì)增加車輛對路面的損害，按照國際上通用的計(jì)算方法，汽車軸載質(zhì)量對公路路面的破壞關(guān)系服從“十六次方法則”，即汽車軸載質(zhì)量每增加一倍，公路受損將增加16倍,全國公路每年因車輛超載造成的損失超過300億元。

（2）嚴(yán)重的環(huán)境污染。車輛超載必然使發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而排出的濃煙和噪聲是正常情況下的幾倍，對自然和社會(huì)環(huán)境的危害是顯而易見的。

（3）嚴(yán)重影響公路交通安全。近年來我國發(fā)生的車輛連環(huán)相撞特大交通事故，許多均與車輛的超載有關(guān)。例如，京滬高速公路江蘇沂淮段在一年時(shí)間內(nèi)因車輛超限所造成的交通事故共46起，死亡61人，傷123人。廣東京珠高速公路粵境北段開通半年就已經(jīng)死傷80多人，經(jīng)交通部門的專家分析，與車輛嚴(yán)重超載超限有直接關(guān)系。車輛嚴(yán)重超載時(shí)，使車輛的行駛穩(wěn)定性、剎車性能、輪胎承荷能力、轉(zhuǎn)向可靠度等行駛狀況大大降低，一旦，出現(xiàn)問題行駛的車輛將無法駕馭，極易引發(fā)交通安全事故。

（4）降低公路的使用效率和影響交通。嚴(yán)重超載車輛車速無法高速行駛，且由于車體大，影響后車通行，常常造成公路的交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。由于超載車輛行駛速度難以提高，形成移動(dòng)瓶頸，影響鄰車司機(jī)的視野，造成車輛行駛緩慢，漫漫車龍前后綿延數(shù)十公里。例如，2003年9月110國道與八達(dá)嶺高速公路上大量的超載車輛導(dǎo)致八達(dá)嶺高速公路遭遇到歷史上最嚴(yán)重堵車，連續(xù)7天道路不暢，上千輛載重貨車蝸行。

（5）擾亂國家養(yǎng)路費(fèi)和路橋收費(fèi)政策，使國家稅費(fèi)大量流失，導(dǎo)致不公平競爭。目前，我國公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、通行費(fèi)都是按車管部門核定的噸位來收的，超載就必然導(dǎo)致這部分費(fèi)用的流失。正常營運(yùn)的貨車，保守地按每車平均超載15噸來計(jì)算，每年流失的養(yǎng)路費(fèi)高達(dá)4萬元，從全國證常營運(yùn)的貨車數(shù)量不難算出國家每年因車輛超載而流失的稅費(fèi)將是一個(gè)龐大的數(shù)目。養(yǎng)路費(fèi)和路橋費(fèi)是道路使用者或受益者對利用道路所支付的一種補(bǔ)償，所以，超載的運(yùn)輸公司或承運(yùn)者鉆了國家公路收費(fèi)的政策的空子，而對于遵紀(jì)守法的人來說，無疑是不公平的。

（6）嚴(yán)重?cái)_亂運(yùn)輸市場秩序。隨著社會(huì)的發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)的成熟發(fā)展，人民對物質(zhì)的需求日益增多和提高，同時(shí)也加大了運(yùn)輸市場運(yùn)力的需求，所以，運(yùn)輸公司或承運(yùn)者為節(jié)省成本和提高效益，于是采用超載運(yùn)輸來獲取高額的利潤和行業(yè)的競爭優(yōu)勢，同時(shí)，看到利益的同行也都相繼模仿，竟相超載運(yùn)輸，嚴(yán)重?cái)_亂了運(yùn)輸市場的秩序，加劇超載運(yùn)輸現(xiàn)象。例如，2007年，由于國際油價(jià)的飆長，國內(nèi)成品油價(jià)格也相繼提高，某些未進(jìn)行超限超載試定的省份或地區(qū)，運(yùn)輸公司或承運(yùn)者惡意違反道路交通規(guī)定，使車輛嚴(yán)重超限超載上路運(yùn)輸。

（7）對橋梁的安全構(gòu)成重大威脅。如果車輛經(jīng)常嚴(yán)重超載通過橋梁，即使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高的水泥混凝土橋梁也會(huì)產(chǎn)生橋梁撓度增大，水泥混凝土過早開裂，逐步引起鋼筋銹蝕，而在橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，則會(huì)出現(xiàn)伸縮縫接口出現(xiàn)鋼材焊口開焊、橋頭填土下沉，甚至還可能由于我國公路超重運(yùn)輸現(xiàn)象也十分普遍和嚴(yán)重，車主通過改裝車身、后橋和輪胎來大幅度提高貨車的裝載能力。超重對路面的破壞非常嚴(yán)重，給路上行人及車輛帶來非常大的安全隱患。要遏制超限運(yùn)輸，最大可能的減少超限運(yùn)輸造成的危害，需要做很多方面的工作，實(shí)現(xiàn)對公路汽車的動(dòng)態(tài)稱重，無疑是其中很重要的一環(huán)。超限超載工作治理需要大量的檢測設(shè)備，然而，目前在全國裝有檢測設(shè)備的高等級公路匝道或收費(fèi)站卻不多，車輛是否超載主要由交警和路政憑經(jīng)驗(yàn)判斷，這樣由于缺乏科學(xué)性，給管理部門的嚴(yán)格執(zhí)法帶來了很大困難。

在高速公路上交警若懷疑某車超載則讓其停車，到指定的檢測點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)稱重，以確定其超載及超載量。其缺點(diǎn)是：

1)依靠目測和經(jīng)驗(yàn)來判斷，誤差很大，極易造成對超載車的漏檢；

2)若對過往每輛車都檢查，則很容易引起交通阻塞；

3)停車稱重，檢測效率非常低，需要時(shí)間長。

傳統(tǒng)的稱重方法是采用基于電量學(xué)的汽車衡(地秤)，然而這種傳統(tǒng)的電量學(xué)汽車衡在耐久性指標(biāo)上難以滿足實(shí)際工程需要，因?yàn)樗哂谐杀靖摺⒕鹊汀⒐δ芎唵巍⒎€(wěn)定性重復(fù)性差、靈敏度低和零點(diǎn)漂移大以及維修復(fù)雜等缺陷，這樣就給計(jì)量工作帶來了的誤差，從而使國家稅費(fèi)流失。因此，當(dāng)前的汽車稱重傳感檢測技術(shù)還不能充分滿足工業(yè)和實(shí)際工程的需要，急需研制出響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的新型稱重傳感器，這對交通部門有效地實(shí)施超限管理，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護(hù)的成本、減少環(huán)境污染等方面有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。若能實(shí)現(xiàn)對汽車的動(dòng)態(tài)稱重，則可以很好的解決這些問題。動(dòng)態(tài)稱重是測量行駛中汽車重量的一種技術(shù)，利用動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，增加對超載汽車的監(jiān)控，配合處罰可以迫使車輛不敢超載，保護(hù)道路的同時(shí)還降低了交通事故的發(fā)生。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)一般安裝在高速公路收費(fèi)站前，當(dāng)汽車駛過的時(shí)候，重量被記錄下來，顯示給高速公路的路政管理人員。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，提供了一種實(shí)時(shí)連續(xù)，對所有汽車無偏差測量的新技術(shù)。雖然各種動(dòng)態(tài)稱重的原理不同，但是目前大部分動(dòng)態(tài)稱重傳感器的缺點(diǎn)有精度低、壽命短、易受電磁十?dāng)_等。

本設(shè)計(jì)就是基于這種需求，設(shè)計(jì)一基于單片機(jī)的機(jī)車超載檢測系統(tǒng)，對過往機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行稱重，判斷是否超載，若超載顯示超載重量并進(jìn)行報(bào)警。要判斷汽車是否超載首先要知道車輛所裝載的貨物質(zhì)量，隨著傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，利用電子技術(shù)也可以測量出物體的質(zhì)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對汽車超載的監(jiān)控，而且精度可以做的很高。利用電子技術(shù)判斷汽車是否超載的基本的原理是：利用傳感器將汽車的載重量轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后通過放大電路將這個(gè)微弱的電壓信號按比例放大后送A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過接口電路將這個(gè)數(shù)字信號傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出汽車的載重量并判斷是否超載，如果超載了要顯示超載的重量并報(bào)警。

1.2國內(nèi)外汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

公路的快速發(fā)展對國民經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)作用已為多年來持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)所證明。但是在汽車運(yùn)輸中，由于受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)。載貨汽車超載現(xiàn)象普遍存在。超載行駛造成公路嚴(yán)重?fù)p壞，引發(fā)許多惡性交通事故。超載，是指汽車裝載的貨物超過汽車本身的額定載重量。國外許多國家的道路運(yùn)輸也普遍存在超限超載現(xiàn)象。為了避免超限超載車輛引發(fā)的一系列危害，歐共體成員國和美國、加拿大等國在上世紀(jì)50年代就開始對汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(weigh—in—motion．簡稱WIM)進(jìn)行研究并取得了相應(yīng)的成果。1974年，美國首次在車輛載荷研究中使用WIM系統(tǒng)。1992年，由歐洲高速公路系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟(FEHRI)發(fā)起。按照歐盟運(yùn)輸委員會(huì)(ECTD)的程序框架制定了COST323計(jì)劃．該計(jì)劃主要內(nèi)容就是研究對公路行駛車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)載

荷監(jiān)控的相關(guān)問題，其中最重要的一項(xiàng)測試是在瑞士進(jìn)行為期30個(gè)月的WIM系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測試。

遍存在的問題是：設(shè)備質(zhì)量重，安裝困難，工作效率低，影響交通通行，甚至誘發(fā)交通事故，危及稽查人員的人身安全。特別是隨著高速不停車收費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展。現(xiàn)有的靜態(tài)稱重系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)很難滿足要求。

1990 年在美國舉行的“國際交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)會(huì)議”上西德PAT的平板式傳感器性能較理想同時(shí)展示數(shù)種低成本的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)它們主要基于壓電纜壓電膜和電容傳感技術(shù)在安裝理想的情況下能使統(tǒng)計(jì)平均誤差控制在15%左右

1994 年在中國舉行的“國際交通自動(dòng)化技術(shù)會(huì)議”上德國展示了采用平板式傳感器的SAW100 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)及其在自動(dòng)收費(fèi)站的應(yīng)用在90 年代中期以后安放在橋板上面的WIM 系統(tǒng)在美國聯(lián)邦高速公路協(xié)會(huì)的同意下成為可能在美國在公路長期管理計(jì)劃LTPP 下已經(jīng)搜集了大量的數(shù)據(jù).

1997 年美國聯(lián)邦公路管理局出版“WIM 實(shí)踐手冊”用于愛荷華州州立大學(xué)運(yùn)輸研究和教學(xué)使用

2002 年ASTM1318高速公路WIM 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)說明書第2 版發(fā)行.國內(nèi)對超載車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究正方興未艾現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)車輛系統(tǒng)主要是在靜態(tài)稱重基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的動(dòng)態(tài)汽車衡要求汽車通過速度低且需要開挖道路安裝不方便目前的產(chǎn)品包括青島公平衡器總公司的ZCS 型公路車輛超限檢測系統(tǒng)和SCS 系列便攜式軸重秤北京高登衡器的ZCS 固定式公路運(yùn)輸車輛超限檢測系統(tǒng)廣東天日科技有限公司的TCD104 車輛超限檢測儀等其缺點(diǎn)主要是要求通過的速度低從而導(dǎo)致交通的不暢通高速系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段因此，有必要運(yùn)用法律、行政、經(jīng)濟(jì)等手段對車輛超載的違法進(jìn)行治理。尤其是運(yùn)用技術(shù)手段對車輛超載行為進(jìn)行“主動(dòng)”治理。但是，截止目前為止。純技術(shù)手段的研究仍較少見。本文將從技術(shù)層面出發(fā)，從“源頭”對車輛超載的行為進(jìn)行限制，最大限度扼制超載違法行為，凈化公路通行環(huán)境，提升公路安全通行效率和運(yùn)輸車輛合法轉(zhuǎn)載率，減少道路交通事故。

目前，在我國廣泛使用著的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)稱重裝置的秤體仍然是采用秤體平臺(tái)跨接在傳感器上，使稱重物的重量經(jīng)過秤體結(jié)構(gòu)再傳遞到傳感器上的簡支梁型的橋式結(jié)構(gòu)。其有著價(jià)格優(yōu)勢大、組裝靈活和易于維護(hù)等特點(diǎn)。并且，國內(nèi)與其配套的精度較高的車輛動(dòng)態(tài)稱重顯示控制器儀表，在16km/h以內(nèi)的勻速過秤測試中，單軸載重測量的平均誤差從±2% ~ ±6%不等[13]，但在16km/h以上更快速度下，會(huì)產(chǎn)生非真實(shí)的車重值甚至?xí)捎跈z測速度不夠快而導(dǎo)致丟軸重的情況發(fā)生。所以，在過去幾十年的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)研究中，在如何保持檢測精度的穩(wěn)定性和減少車輛通過速度對檢測的影響，一直是致力解決的問題。

1.3國內(nèi)外汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)向

盡管對車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究己經(jīng)有了很大進(jìn)展，但在研究過程中還存在許多問題需要解決：

（1）研究稱重本體。車輛是稱重本體，是稱重系統(tǒng)的對象，車輛在秤臺(tái)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，秤臺(tái)的受力情況的與車輛的運(yùn)動(dòng)情況有著密切的聯(lián)系，對它們的研究分析和對其之間的關(guān)系進(jìn)行深入的研究有利于幫助提高系統(tǒng)的測量精度。

（2）注重模型和實(shí)踐檢驗(yàn)。由上面所了解到的許多關(guān)于車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的研究方法，這些技術(shù)大多數(shù)仍停留在理論研究的層次，真正應(yīng)用于實(shí)踐的并不多，而沒有能在真正的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境以及以實(shí)踐中檢驗(yàn)。

（3）應(yīng)用高性能微控制器。電子衡器儀表與微控制器的結(jié)合，是衡器發(fā)展的歷史飛躍。這是由于采用微控制器后，對動(dòng)態(tài)稱重信號的實(shí)時(shí)分析成為可能，如機(jī)械阻抗分析、數(shù)字濾波、傅立葉分析等，這樣使電子衡器儀表的數(shù)據(jù)處理能力有很大的提高，使車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展展望。

A) 車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將融入ITS(Intellingent Transport Systems)，成為其組成部分，因此作為固定式的WIM系統(tǒng)或裝置，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這一背景，在數(shù)據(jù)處理、信號傳輸、上下位機(jī)的關(guān)系、硬件配備等方面，均要考慮，以便于其“嵌入”ITS。

B) 稱重傳感器的壽命將制約車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的廣泛使用，這是國內(nèi)業(yè)界應(yīng)當(dāng)認(rèn)真面對的問題。國內(nèi)較為普遍地運(yùn)用壓電陶瓷式、電阻應(yīng)變片式等形式稱重傳感器，國外則較多地運(yùn)用了壓電薄膜、液壓管、共聚物壓電軸等形式的稱重傳感器，大大提高了使用壽命，對于便攜式WIM系統(tǒng)還能方便現(xiàn)場使用。

C) 目前國際上還沒有規(guī)范且權(quán)威的車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅有一個(gè)得到西方國家承認(rèn)的國際參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1318—94。這給我國研究和應(yīng)用車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。機(jī)遇是在沒有國際權(quán)威規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的情形下，我國有了領(lǐng)先設(shè)立國際標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)。挑戰(zhàn)在于如何在國內(nèi)深入研究和應(yīng)用車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，至少先要建立相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，并付諸實(shí)施。

D)低速WIM系統(tǒng)的造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用都要低于高速WIM系統(tǒng)。以我國目前的道路運(yùn)輸水平，對應(yīng)WIM系統(tǒng)的允許通過車速并不需要太高。用于計(jì)重收費(fèi)的場合，固定式WIM系統(tǒng)一般安裝在收費(fèi)口或匝道口，在與ITS系統(tǒng)相配的情形下，車速一般不會(huì)高于40km/h。用于執(zhí)法臨檢的場合，便攜式WIM系統(tǒng)一般安裝于輔道或路側(cè)，車速一般不會(huì)高于5km/h。

1.5主要設(shè)計(jì)（研究）內(nèi) 容

本設(shè)計(jì)涉及一基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)車超載檢測系統(tǒng)，在高速公路收費(fèi)口的路面上裝有固定連著傳感器的鋼板，當(dāng)汽車經(jīng)過時(shí)，車輛的重量就會(huì)被稱重傳感器測量出來，送到變送器處理后，再傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過分析判斷，就會(huì)對超載車輛發(fā)出警報(bào)。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能：

（1）該系統(tǒng)有32個(gè)傳感器，每個(gè)收費(fèi)路口用4個(gè)傳感器組成一個(gè)稱，可同時(shí)檢測8個(gè)收費(fèi)口；

（2）計(jì)算機(jī)通過發(fā)送命令字控制相應(yīng)的變送器進(jìn)行校正、故障診斷、數(shù)據(jù)采集等工作；

（3）一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制32個(gè)變送器工作，采用多點(diǎn)通訊形式；

（4）具備掉電參數(shù)保護(hù)功能，上電后參數(shù)恢復(fù)功能（部分?jǐn)?shù)據(jù)清零）；

（5）能夠遵循RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，生成標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信數(shù)據(jù)包。

1.5系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

（1）參數(shù)測量誤差范圍為不大于±1%；

（2）監(jiān)控?cái)?shù)量：32臺(tái)；

（3）實(shí)時(shí)采集周期＜＝1次/1分鐘，發(fā)送周期＝1次/1小時(shí)；

（4）數(shù)據(jù)輸出：所有表格數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果均可輸出為 Excel文件。