1引言

大量超過公路、橋梁限載的運(yùn)輸車輛在公路上行駛，致使公路嚴(yán)重?fù)p壞，大大地縮短了其使用年限。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行理論計(jì)算，當(dāng)車輛軸載質(zhì)量超過標(biāo)準(zhǔn)軸載質(zhì)量一倍時(shí)，車輛行駛瀝青路面一次相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車輛行駛256次；車輛行駛水泥路面相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車輛行駛65536次，可見超限運(yùn)輸車輛對(duì)路面的損壞是成幾何級(jí)數(shù)增加的。研究和實(shí)踐結(jié)果表明，軸重的超限會(huì)使水泥路面的使用年限縮短40%左右，瀝青路面縮短20%-30%左右。一條設(shè)計(jì)壽命15年的高速公路，如經(jīng)常進(jìn)行超限運(yùn)輸，則一般只能使用8年左右。超限超載運(yùn)輸車輛還嚴(yán)重影響橋梁的使用壽命，使得很多應(yīng)在橋梁使用中、后期才發(fā)生的病害提前發(fā)生，縮短了橋梁的使用壽命，甚至造成橋梁垮塌、人員傷亡的惡性事故，社會(huì)影響極為惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國公路干線每年因車輛超限超載造成的損失超過300億元。在路面上建立長期動(dòng)態(tài)軸重自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)過往車輛的軸重、速度、軸距、軸數(shù)等進(jìn)行測量，對(duì)車輛進(jìn)行分類和各種統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)治理超限超載、評(píng)估公路、橋梁狀態(tài)具有非常重要的意義。

2 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成框圖

軸重傳感器采用美國Measurement Specialties公司生產(chǎn)的Roadtrax BL壓電薄膜交通傳感器，該傳感器被用于動(dòng)態(tài)稱重（WIM）、檢測車軸數(shù)、軸距、車速監(jiān)控、車型分類、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通信息采集（道路監(jiān)控）。它具有電容式、無源、高信噪比、大信號(hào)等特點(diǎn)。

壓電材料在受到外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與作用力成正比的電荷信號(hào)。利用這一現(xiàn)象，我們將其埋設(shè)于路面內(nèi)，讓通過汽車碾壓，車輪的重力使其產(chǎn)生輸出信號(hào)。為了精確測量汽車軸重，必須盡可能使汽車一根車軸上的輪胎同時(shí)壓上傳感器，軸重傳感器要垂直于車輛行進(jìn)方向安裝，曲線路面要沿著半徑方向安裝。

由于傳感器的輸出信號(hào)屬電荷信號(hào)，非常微弱，內(nèi)部阻抗極大，所以要通過場效應(yīng)管對(duì)信號(hào)進(jìn)行阻抗變換，然后進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波等，調(diào)理之后的信號(hào)送到PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換。

動(dòng)態(tài)軸重測量系統(tǒng)需要長期運(yùn)行，其計(jì)算機(jī)選用工業(yè)控制用機(jī)。數(shù)據(jù)采集選用美國NI公司生產(chǎn)的PCI-6013多功能數(shù)據(jù)采集卡。它的主要特性有：200KS/S采樣率，16位精度的16路模擬輸入，2路模擬輸出，8條數(shù)字I/O線（5VTTL/CMOS），2路24位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，數(shù)字觸發(fā)，4組不同的模擬輸入范圍，NI-DAQ驅(qū)動(dòng)程序可簡化配置過程。PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡有100MΩ的輸入阻抗，保證輸入負(fù)載不會(huì)影響進(jìn)入的信號(hào)，從而提高數(shù)據(jù)精確度。工控機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)采集到的軸重信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到運(yùn)載汽車的軸重、軸數(shù)、車速和軸距等活載信息，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器入庫。

動(dòng)態(tài)軸重服務(wù)器采用SQL Server2000存儲(chǔ)過往車輛的動(dòng)態(tài)活載信息，以供查詢和分析統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)信息查詢和管理系統(tǒng)在.Net平臺(tái)上構(gòu)建，采用B/S模式。

系統(tǒng)的測量方案如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)測量方案

3 信號(hào)采集分析及其軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要采用NI公司的Lab VIEW7.0。系統(tǒng)主要分析處理算法用VC++6.0以DLL形式實(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)假設(shè)車速在3m或小于3m的距離內(nèi)基本上勻速的?；谶@個(gè)假設(shè)，在不用額外安裝傳感器來判別車來車走情況下，使得整個(gè)汽車活載測量系統(tǒng)得以簡化。

下面以一輛2軸車為例介紹一下汽車軸重、軸距和車速的計(jì)算。圖3是一輛2軸車先后壓上兩個(gè)傳感器后的理想信號(hào)。由于Roadtrax BL的信號(hào)大、高信噪比，再加上調(diào)理電路，現(xiàn)實(shí)情況下信號(hào)也很接近理想情況。汽車先壓上傳感器1，后壓傳感器2。汽車前軸壓上傳感器1產(chǎn)生波峰①，壓上傳感器2產(chǎn)生波峰③，波峰④是車輛后軸離開測試區(qū)域前壓上傳感器2產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)采集卡各個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集率K相同，故采集到的信號(hào)個(gè)數(shù)相同。同一車道上兩傳感器相距d，一般取3m。圖2中N1、N2、N3、N4是波峰對(duì)應(yīng)在信號(hào)序列中的位置。以下是計(jì)算表達(dá)式：

車輛前軸過完兩個(gè)傳感器的時(shí)間t=（N2-N1）/ K或者t=(N2-N1 +N4-N3)/(2*K)；

車輛的車速V=d / t；車輛軸距J=（N4-N1）*V/K；

前軸軸重W1=S1n1+S1n1+1+…+S1n2或W1=（S1n1+S1n1+1+…+S1n2+             S2n3+S2n3+1+…+S2n4）/2，即進(jìn)行軟積分，后軸軸重同理；

圖3 理想軸重信號(hào)

圖4 工作流程圖

在本系統(tǒng)中，現(xiàn)實(shí)情況比較復(fù)雜。從DAQ卡采集到的數(shù)據(jù)中，可能會(huì)不包含軸重信號(hào)，即現(xiàn)有緩沖區(qū)中軸對(duì)不完整，還不足以分析活載情況，這時(shí)就要對(duì)汽車軸重信號(hào)的歸屬問題進(jìn)行判別。一般情況下，可以結(jié)合汽車車速和軸距這兩個(gè)方面綜合考慮。汽車的分類，我們考慮汽車總軸重、單個(gè)軸重和軸距三個(gè)因素，將汽車分為小中大三種類型。整個(gè)軟件的工作流程圖如圖4所示。

圖5顯示的是軸重的信息查詢系統(tǒng)。軸重傳感器安裝在高速公路的行車道和超車道上。其中汽車的軸距和各根軸重沒有列出，可以通過點(diǎn)擊上橋時(shí)間的鏈接來查看。

4 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是利用比較少的傳感器，實(shí)現(xiàn)了汽車軸重動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的測量并將所測得的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)是在研項(xiàng)目新原高速公路小溝特大橋長期健康監(jiān)測的一部分，已經(jīng)投入運(yùn)行。系統(tǒng)除了能夠自動(dòng)測量汽車總重量和汽車軸數(shù)之外，還能自動(dòng)測量單根軸重，車速，汽車軸距。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，所測汽車活載的誤差很小，線性度好，很好地滿足了社會(huì)的要求。