桥梁限载自动监控系统的制作方法

专利名称：桥梁限载自动监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种自动控制技术领域的监控系统，具体是一种为了保障桥梁安全而设置的一种桥梁限载自动监控系统。

背景技术：
车辆超载问题已经引起公众越来越多的关注，在经济利益的驱使下众多载货卡车严重超载的现象处处可见，最为严重者，其最大超载高达114％以上，据不完全统计，平均超载在60％以上。众所周知，车辆超载不仅对车辆自身存在很大的安全隐患，而且极易酿成恶性交通事故，更为严重的是，会严重损坏沿途的路面与桥涵结构。理论分析可知，对于混凝土桥梁结构而言，超载的危害是巨大的，会造成过大的挠度从而使得混凝土开裂，引起钢筋锈蚀；桥面混凝土破损、伸缩装置损坏；引起桥台填土沉降、桥头跳车；结构疲劳损伤等病害，严重危害桥梁的耐久性。严重超载还会导致桥梁结构破坏、倒塌，造成生命、财产的重大损失。治理超载是一个亟待解决的问题，需要很多部门的合作。除了对公路桥梁设置限载标志，是对治理超载问题有着重要的现实意义外，尚需依靠先进的技术手段从根本上来解决公路桥梁的安全问题以避免桥梁倒塌等悲剧的发生，并能够最大限度地保障经济的可持续增长。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利名称为“液压式全自动道路、桥梁限载装置”，申请(专利)号200420091925.3，该专利介绍一种液压式全自动道路、桥梁限载装置，其特征是，超载感应油缸组相对于地面呈矩阵排列，各感应油缸以油管互联联通，并以油压管回路联通阻车器的顶升油缸，超载感应油缸组内设置超载感应油缸压杆的限位器，超载感应油缸组内的超载感应油缸压杆上端设置超载感应压板，各超载感应压板组成相互独立格栅式排列。该装置用压强区分大小车辆的超载与否，安装在主要道路或桥梁的左右两侧地基各一组，并且设置逆行拦车器。
上述“液压式全自动道路、桥梁限载装置”可以在一定程度上解决通过桥梁超载车辆的鉴别与阻止通行问题，但是，其最大缺点在于1、“超载感应油缸组相对于地面呈矩阵排列”，此类纯机械结构，形式极为复杂，无疑对现场安装、使用和维护均极为不便；2、无法根据桥梁实际承载力的变化适时调整“超载感应”标准；3、所述“超载感应”实际上仅能感应轴载，而无法真正感应车辆总重；4、所述“逆行拦车器”，当车辆被“超载感应”鉴别超载时，只要将车辆后退离开“超载感应”后，“逆行拦车器”就自行被“打开”，违规车辆可以轻易逆向绕行。


发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种桥梁限载自动监控系统，使其能够在无人参与的情况下实现桥梁通行限载的全自动与智能化监控技术功能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述桥梁限载自动监控系统包括汽车动态称重装置、两个CCD摄像头、数据采集模块、信号处理器、GPRS模块、GPRS通信主体、终端控制驱动器、终端电传动机构、车辆通行阻拦器、终端语音播放器、终端显示屏。汽车动态称重装置在受到汽车重压的作用下将压力信号传感、转换为电气模拟信号输出，其输出端口与数据采集模块的模拟信号输入端口连接，CCD摄像头用于采集图像，其输出端口经视频电缆连接至数据采集模块的图像信号输入端口，数据采集模块的输出插槽与信号处理器的输入插槽连接，信号处理器的RS232接口与GPRS模块的RS232接口相连接，信号处理器的控制输出端口与终端控制驱动器的输入端口连接，终端控制驱动器的输出端口与终端电传动机构的驱动信号输入端口连接，终端电传动机构的输出力臂与车辆通行阻拦器的力臂连接；信号处理器的数字语音输出接口与终端语音播放器的输入接口连接，信号处理器的显示输出接口与终端显示屏输入接口连接，GPRS模块的射频输出无线发射端口与GPRS通信主体射频接收天线对接，GPRS通信主体射频发射天线与GPRS模块的射频输入无线接收端口对接，GPRS通信主体射频接收与发射天线是同一个装置，能够同时接收和发射不同频段的数字调制信号。
所述汽车动态称重装置专门用于传感汽车车轮对地面的压力(简称汽车轮压)，传感所检测到的轮压电气模拟信号被输出至数据采集模块的模拟信号输入端口；第一CCD摄像头用于对汽车侧向车轮及轮轴间距图像的采集，第二CCD摄像头用于监视超载车辆疏导让行情况，两个CCD摄像头将采集到的图像输出至数据采集模块的图像信号输入端口，数据采集模块通过与信号处理器的输出/输入插槽将采集到的轮压数字信号与数字图像信号并行输送至信号处理器，信号处理器经运行图像识别与数值计算模块后准确获取当前汽车的轴载与总重两项重要评定参数，因此可以判定当前车辆是否超出桥梁限载标准。当汽车未出现超载时，汽车正常通行不受任何影响；当汽车超载时，立即由信号处理器的控制输出端口向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟驱动信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号启动终端电传动机构，在终端电传动机构的机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器以阻止超载汽车通行；同时，信号处理器向终端语音播放器输出数字语音信号，由终端语音播放器向当前车辆告知超载状况，并禁止其通过前方桥梁；同时，信号处理器向终端显示屏输出文字显示信息，由终端显示屏向当前车辆警示超载数据信息，并监视超载车辆让行情况以便确定是否向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令。信号处理器将监控信息经RS232接口输入GPRS模块向GPRS通信系统传送，使GPRS通信系统实时掌握桥梁限载监控的基本数据资料；GPRS通信系统根据桥梁实际承载能力的评定与测试结果实时将修正过的桥梁限载标准发送到监控终端GPRS模块的射频输入无线接收端口，再经RS232接口进入信号处理器，因此实现GPRS通信系统对所有监控终端的远程监控。
所述汽车动态称重装置，包括耐压力球形橡胶气囊、压力传感器、信号传输电缆、气门嘴、压力支撑体、载压钢板，每个耐压力球形橡胶气囊上下各胶接一个具有相等截面积的压力支撑体，称为上压力支撑体和下压力支撑体，上压力支撑体和下压力支撑体又分别与载压钢板焊接紧固，称为上载压钢板和下载压钢板，上载压钢板和下载压钢板之间具有两个物理外形与参数完全相同的耐压力球形橡胶气囊及其上压力支撑体和下压力支撑体，每个耐压力球形橡胶气囊的上截面封装一个压力传感器和一个气门嘴。当车辆碾压上载压钢板时，将自身的重力通过上载压钢板和上压力支撑体传递到两个耐压力球形橡胶气囊，耐压力球形橡胶气囊感受到的压力在密闭的容腔内及时传递到压力传感器，压力传感器将感应到的轮压电气模拟信号通过信号传输电缆输出至数据采集模块的输入端口以供后续信号处理。其中，耐压力球形橡胶气囊是一种具有上下平行截面的封闭充气橡胶球体，球体外半径为250mm，上下平行截面的圆平面半径为248mm，球体壁厚为10mm，所采用橡胶材料的耐压极限值达到

密封气体预置压力为0.1MPa，最大允许承受压力为1MPa；压力传感器，其压力感应量程为0～1.5MPa，传感信号通过信号传输电缆输出。信号传输电缆通过上压力支撑体中的线槽引伸到外围直至后续系统的信号处理输入端口，电缆为双芯屏蔽线。汽车动态称重装置中的气门嘴，用以调节和标定耐压力球形橡胶气囊中的气体压力。当耐压力球形橡胶气囊中的压力低于预置压力0.1MPa时，通过气门嘴向内补气使其达到预置压力0.1MPa；否则，通过气门嘴向外放气使其达到预置压力0.1Mpa。上压力支撑体与下压力支撑体为圆柱形结构，其横截面与耐压力球形橡胶气囊的上下平行截面的圆平面等面积，并分别紧密胶接而粘合，上压力支撑体和下压力支撑体又分别与上载压钢板和下载压钢板焊接紧固，因此，耐压力球形橡胶气囊与上压力支撑体、下压力支撑体、上载压钢板及下载压钢板上下相互之间组成一体化结构。在上压力支撑体中轴的平行方向上正对着压力传感器和气门嘴具有两个开放式圆柱槽，正对着压力传感器的圆柱槽侧向与上载压钢板的水平圆柱槽相通用以引伸信号传输电缆与后续系统的信号处理输入端口相连接。上压力支撑体中的两个开放式圆柱槽到达上载压钢板上的地面端口具有封口丝堵以防在运行中有灰尘和杂物落入，打开封口丝堵即可方便检修和调试工作。
当汽车通过桥梁监控入口时，耐压力球形橡胶气囊将感受到的压力在密封的容腔内及时传递到压力传感器，经过传感器的信号转换，压力传感器的输出端口具有一个与压力成线性关系的轮压电气模拟信号输出，两个压力传感器的轮压电气模拟信号通过两个信号传输电缆并行输出至数据采集模块的两个输入端口。
对汽车的动态称重过程，无需对车辆的行驶速度及其姿态进行限制。无论同轴的两个(组)车轮同步碾压或不同步碾压，均可利用两个耐压力球形橡胶气囊分别测得被测车轮着力点i的压力值并通过数学模型准确计算车轮轴载，进而利用每个轴载，再由车辆总重数学模型准确求取车辆总重。
所述CCD摄像头，即电荷耦合图像采集摄像头，它是一种在低照度下能对物体图像传感并输出标准视频模拟信号的图像采集装置，其中，第一CCD摄像头采集汽车侧向车轮及轮轴间距图像，第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像。
所述数据采集模块，是一种用于压力模拟信号与图像信号采集和预处理的前置信号处理模块，包括第一模拟信号输入端口、第二模拟信号输入端口、第一图像信号输入端口、第二图像信号输入端口、A/D转换器、图像预处理器与输出插槽五部分组成。其中，两个模拟信号输入端口分别用以接收汽车动态称重装置中两个压力传感器经两个信号传输电缆输出的汽车轮压电气模拟信号；模拟信号输入接口的输出端接至A/D转换器的输入端，A/D转换器负责将模拟信号转换成数字信号并经输出插槽输入至信号处理器的输入端；图像信号输入端口用以接受来自CCD摄像头输出的图像信号，其中，第一图像信号输入端口接收第一CCD摄像头采集图像，第二图像信号输入端口接收第二CCD摄像头采集图像；图像输入端口的输出端连接至图像预处理器的输入端；图像预处理器对被采集图像信号进行解码和模数转换，图像预处理器的输出信号经输出插槽输入至信号处理器的输入端。
所述信号处理器包括图像处理模块、数值计算模块和控制模块。所述图像处理模块，对汽车侧向图像进行轮廓线提取，从第一CCD摄像头采集的图像中识别车辆轮轴数、车轮直径及轮轴象素坐标，从第二CCD摄像头采集的图像中识别超载车辆让行情况。所述数值计算模块，将汽车动态称重装置传送的、并经过数据采集模块数字化的两个汽车轮压信号进行相加获得轴压力(简称轴压)ui的值，由于汽车动态称重装置中的上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积固定，根据重力与压力(压强)之间的关系，只需将被测压力乘上作用面积即可获得被测轮压所对应的重力，因此利用轴载公式

计算能够获得汽车轴载，其中，i＝1，2，3...，i为被测轮轴编号，Pi1、Pi2分别为第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所承受第i号轮轴两个车轮/车轮组的压力，S为上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积，Gi1＝Pi1S，Gi2＝Pi2S，Gi1、Gi2分别为第i号轮轴的两个车轮/车轮组分别对第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所施加的重力，ui1、ui2为两个压力传感器输出的轮压电气模拟信号，K＝i1/ui1＝Pi2/ui2为轮压与压力传感器输出的轮压电气模拟信号之间的比例系数，ui1、ui2经过数据采集模块的预处理和信号处理器的数值计算后，首先获得第i号轮轴对汽车动态称重装置施压结果所产生的轴压信号ui＝ui1+ui2的值，即，轴压等于两个压力传感器所感应轮压信号的相加，将轴压ui、接触面积S与比例系数K代入上述轴载公式最终求取轴载；由轮轴象素坐标计算轮轴间距，再根据轴载、轮轴数及其间距来计算车辆总重，记录车辆超载信息；在信号处理器中建立桥梁实际承载能力标准，并接收路网监控中心通过GPRS通信系统传送的桥梁实际承载能力标准修正值以实时更新桥梁限载监控标准；将被测车辆总重和轴载与桥梁最大允许车辆总重和最大允许轴载分别进行比较，记录当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数。所述控制模块，将超载信息转换为控制指令向终端控制驱动器发送，控制指令包括禁止超载车辆通行指令和车辆通行阻拦器复位指令，所述复位指令即引桥入口恢复车辆正常通行状态下的监控指令；向终端语音播放器输出数字语音信号，向终端显示屏输出显示信息；经GPRS模块向GPRS通信系统及其移动巡检交互监控信息；当识别结果确认超载车辆已从疏导车道让行后，向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，否则，由终端语音播放器和终端显示屏向超载车辆持续发出警示信息，并请求移动巡检协助。
所述GPRS模块，包括单片机、GPRS芯片、SIM卡、外部接口和扩展数据存储器。其中，单片机支持TCP/IP协议，用于控制GPRS芯片的信息接收和发送，并通过标准RS232串口和外部控制器(比如本发明的信号处理器)进行数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发；GPRS是通用无线分组业务的缩写，是介于第二代和第三代之间的一种通信技术。GPRS采用与数字通无线通信网络GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TD-MA帧结构，因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需要作软件升级，有了GPRS，用户的呼叫建立时间大大缩短，几乎可以做到“永远在线”，此外，GPRS是以营运商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低；SIM卡叫做“用户识别卡”，它实际上是一张内含大规模集成电路的智能卡片，用来登记用户的重要数据和信息，拥有SIM卡即表明自身拥有GSM通信的合法身份，SIM卡最重要的一项功能是进行鉴权和加密。当用户移动到新的区域拨打或接听电话时，交换机都要对用户进行鉴权，以确定是否为合法用户。这时，SIM卡和交换机同时利用鉴权算法，对鉴权密钥和8位随机数字进行计算，计算结果相同的，SIM卡被承认，否则SIM卡被拒绝，用户无法进行呼叫。SIM卡还可利用加密算法，对话音进行加密，防止窃听。
所述GPRS通信主体，包括发射/接收天线、GPRS服务支持节点、GPRS骨干网、网关支持节点、因特网、路网监控中心服务器，在原有数字通无线通信网络GSM基础上引入两个新的网络节点GPRS服务支持节点和网关支持节点，GPRS服务支持节点和单片机处在同一等级水平，并跟踪单片机的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，网关支持节点支持与外部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网和GPRS服务支持节点连通。GPRS终端通过接口从客户系统(比如，本发明的信号处理器)取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支持节点封装后，通过GPRS骨干网与网关支持接点进行通信，网关支持节点对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到GPRS服务支持节点，再经发射/接收天线发送到GPRS终端，GPRS通信主体与各GPRS终端构成完整的GPRS通信系统。
所述GPRS通信主体中的路网监控中心服务器，其系统硬件不低于常用标准配置(如PIV1.8G PC-610L/PCA-6006V/PIV2.8G/CPU/256DDR/80GBHDD/50XCDDROM/KB+MOUSE/USB)，包括对桥梁限载标准的确定与修正、超载车辆的数据统计与分析、特殊情况(包括战备、消防、桥梁维修等)下的遥控指令发送三个工作模块。其中，第一工作模块，根据桥梁实际承载能力评定法(包括基于实桥调查的经验方法、荷载试验法、设计理论法)所获得的数据来确定桥梁限载标准值，并通过GPRS通信系统发送至桥梁监控终端的信号处理器，以便信号处理器对桥梁限载标准进行设置或者修正更新；第二工作模块，接收各个监控终端所发生的车辆动态信息进行桥梁道路交通数据统计与分析，以便管理与决策层提升桥梁设计水平和路桥监控技术水平，所接收的动态信息中包括终端数字图像信号；第三工作模块，一旦特殊情况发生，路网监控中心服务器能够直接向监控终端信号处理器下达遥控指令，实行桥梁交通的强制性控制。
所述终端控制驱动器，接收信号处理器输出的控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号。
所述终端电传动机构，将输入的电气功率信号转换成为机械力矩，启动车辆通行阻拦器阻止超载车辆通行，或者，车辆通行阻拦器复位，恢复车辆正常通行状态下的监控。
所述车辆通行阻拦器，是一种横杆式机械转动机构，受禁止超载车辆通行指令控制，车辆通行阻拦器在终端电传动机构力臂的推动下，平稳转动下落，横置于车道中间；受车辆通行阻拦器复位指令控制，车辆通行阻拦器在终端电传动机构力臂的拉动下，平稳转动升起，竖置于车道旁。
所述终端语音播放器，包括数字输入接口、D/A转换器、音频放大电路和扬声器，数字输入接口接收信号处理器的数字语音输出信号，其出口再连至D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端连至音频放大器的输入端，音频放大器的输出端连至扬声器的输入端。信号处理器根据数据处理结果将数字语音信号送至终端语音播放器的数字输入接口，终端语音播放器收到数字语音信号后，经D/A转换器将其转换成模拟语音信号，再经音频放大电路的功率放大，最终输出至扬声器播放完整语义。
所述终端显示屏，在正常通行状态下，显示屏显示桥梁限载标准，当信号处理器判定当前车辆超载被限制通行时，向终端显示屏的输入接口输入文字显示信号，即在终端显示屏上增加当前车辆超载数据信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果对车辆轴载与总重的动态检测与计算结果相对误差小于2％，在允许误差2％的前提下，对超载车辆的检测与鉴别正确率达到100％，最终证实本发明具有桥梁限载监控的智能化与自动化以及监控点独立监控与路网监控中心遥控相结合的显著功能，因此从真正意义上提高桥梁通行的安全性，并最大限度地减轻了桥梁监管人员的劳动强度，同时，路网监控中心能够通过GPRS通信系统从各个监控终端获取当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数等重要的动态基本数据，为进一步改善桥梁设计和路网规划等技术和管理决策提供重要依据。



图1为本发明系统结构示意图 图1示出，汽车动态称重装置1、第一CCD摄像头2、第二CCD摄像头3、数据采集模块4、信号处理器5、GPRS模块6、GPRS通信主体7、终端控制驱动器8、终端电传动机构9、车辆通行阻拦器10、终端语音播放器11、终端显示屏12、桥梁监控终端35、GPRS移动巡检36。
图2为本发明汽车动态称重装置结构正视图 图3为本发明汽车动态称重装置结构俯视剖面图 图2与图3示出，第一耐压力球形橡胶气囊13、第二耐压力球形橡胶气囊14、第一压力传感器15、第二压力传感器16、第一信号传输电缆17、第二信号传输电缆18、气门嘴19、上压力支撑体20、下压力支撑体21、上载压钢板22、下载压钢板23。
图4为本发明GPRS模块内部结构图 图4示出，GPRS芯片24、SIM卡25、单片机26、扩展数据存储器27、RS232接口28、信号处理器5。
图5为本发明GPRS通信主体结构图 图5示出，发射/接收天线29、GPRS服务支持节点30、GPRS骨干网31、网关支持节点32、因特网33、路网监控中心服务器34。

具体实施例方式 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括汽车动态称重装置1、第一CCD摄像头2、第二CCD摄像头3、数据采集模块4、信号处理器5、GPRS模块6、GPRS通信主体7、终端控制驱动器8、终端电传动机构9、车辆通行阻拦器10、终端语音播放器11、终端显示屏12。由埋设于引桥入口路面上的汽车动态称重装置1随着汽车的行进传感出汽车轮压电气模拟信号，并将其实时地输送至数据采集模块4的模拟信号输入端口，第一CCD摄像头2采集的汽车侧向图像由其输出端口经视频电缆连接至数据采集模块4的第一图像信号输入端口，第二CCD摄像头3采集的超载汽车疏导让行情况图像由其输出端口经视频电缆连接至数据采集模块4的第二图像信号输入端口，数据采集模块4将数字化后的每个汽车轮压电气模拟信号与预处理后的图像信号经过其输出插槽输入至信号处理器5的输入端，信号处理器5的控制输出端口与终端控制驱动器8的输入端口连接，终端控制驱动器8的输出端口与终端电传动机构9连接，终端电传动机构9的输出力臂与车辆通行阻拦器10的力臂连接，信号处理器5的数字语音输出接口与终端语音播放器11的数字输入接口连接，信号处理器5的显示输出接口与终端显示屏12输入接口连接，信号处理器5的标准串行RS232接口与GPRS模块6的RS232接口28相连接。
本发明工作机理分为三个子系统，具体是由第一CCD摄像头2、第二CCD摄像头3、数据采集模块4、信号处理器5组成图像识别第一子系统；由汽车动态称重装置1、数据采集模块4、信号处理器5组成数值计算第二子系统；由信号处理器5、GPRS模块6、GPRS通信主体7、终端控制驱动器8、终端电传动机构9、车辆通行阻拦器10、终端语音播放器11、终端显示屏12组成控制第三子系统。第一子系统，承担着对汽车侧向图像轮廓线提取、车辆轮轴数、车轮直径与轮轴象素坐标识别，以及对超载车辆让行情况的识别；第二子系统，根据汽车动态称重装置1输出信号求取被测汽车每个轴载，再跟据车辆轮轴数、车轮直径与轮轴象素坐标，运用车辆总重方程计算被测车辆总重，并依据限载桥梁的规定通行标准判定当前载重车辆是否超载；第三子系统，当车辆超出限载标准时，信号处理器5输出控制指令至终端控制驱动器8，经终端控制驱动器8放大后的功率信号驱动终端电传动机构9带动车辆通行阻拦器10的力臂关闭车辆通道，同时，信号处理器4向终端语音播放器11与终端显示屏10输入相应数字信号实现对当前车辆超载信息的语音和文字警示，并监视超载车辆让行情况以便确定是否向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，还通过GPRS模块6向GPRS通信系统及其GPRS移动巡检36传送当前超载车辆动态信息，便于整个路网的管理与监控。
所述汽车动态称重装置1，如图2与图3所示，包括第一耐压力球形橡胶气囊13、第二耐压力球形橡胶气囊14、第一压力传感器15、第二压力传感器16、第一信号传输电缆17、第二信号传输电缆18、气门嘴19、上压力支撑体20、下压力支撑体21、上载压钢板22、下载压钢板23。第一耐压力球形橡胶气囊13、第二耐压力球形橡胶气囊14上下各胶接一个具有相等截面积的压力支撑体，称为上压力支撑体20和下压力支撑体21，上压力支撑体20和下压力支撑体21又分别与上载压钢板22、下载压钢板23焊接紧固，第一耐压力球形橡胶气囊13、第二耐压力球形橡胶气囊14的上截面各封装第一压力传感器15和第二压力传感器16及其气门嘴19，第一压力传感器15通过第一信号传输电缆17连接到数据采集模块的第一模拟信号输入端口，第二压力传感器16通过第二信号传输电缆18连接到数据采集模块的第二模拟信号输入端口。由于上压力支撑体与耐压力球形橡胶气囊之间的接触面积固定，因此压力传感器输出的汽车轮压电气模拟信号乘上受力面积与系数后即可直接获得被测车轮的重力，进而根据轴载公式计算出当前车轮轴载。对汽车的动态称重过程，无需对车辆的行驶速度及其姿态提出任何要求，根据轴载、轴距和轮轴数，再利用整车重量数学模型能够准确获得车辆总重。
所述第一CCD摄像头2与第二CCD摄像头3配置了电子自动调节光圈光学镜头，因此保证了在不同环境照度下，CCD输出的图像均具有优良的亮度与分辨率。
所述数据采集模块3，包括第一模拟信号输入端口、第二模拟信号输入端口、第一图像信号输入端口、第二图像信号输入端口、A/D转换器、图像预处理器与输出插槽，其中，两个模拟信号输入端口分别用以接收汽车动态称重装置中两个压力传感器经两个信号传输电缆输出的汽车轮压电气模拟信号，模拟信号输入接口的输出端接至A/D转换器的输入端，A/D转换器负责将模拟信号转换成数字信号并经输出插槽输入至信号处理器的输入端，图像信号输入端口用以接受来自CCD摄像头输出的图像信号，第一图像信号输入端口接收第一CCD摄像头采集图像，第二图像信号输入端口接收第二CCD摄像头采集图像，图像输入端口的输出端连接至图像预处理器的输入端，图像预处理器对被采集图像信号进行解码和模数转换，图像预处理器的输出信号经输出插槽输入至信号处理器的输入端。
所述信号处理器5，包括图像处理模块、数值计算模块和控制模块。所述图像处理模块，对汽车侧向图像进行轮廓线提取，从第一CCD摄像头2采集的图像中识别车辆轮轴数、车轮直径及轮轴象素坐标，从第二CCD摄像头3采集的图像中识别超载车辆让行情况。所述数值计算模块，将汽车动态称重装置1传送的并经过数据采集模块4数字化的两个汽车轮压信号进行相加获得ui的数字化值，然后根据轴载公式计算出当前车轮轴载，由轮轴象素坐标计算轮轴间距，再根据轴载、轮轴数及其间距来计算车辆总重，记录车辆超载信息；在信号处理器5中建立桥梁实际承载能力标准，并接收路网监控中心通过GPRS通信系统传送的桥梁实际承载能力标准修正值以实时更新桥梁限载监控标准，将被测车辆总重和轴载与桥梁最大允许车辆总重和最大允许轴载分别进行比较，记录当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数。所述控制模块，将超载信息转换为控制指令向终端控制驱动器8发送，控制指令包括禁止超载车辆通行指令和车辆通行阻拦器复位指令，所述复位指令即引桥入口恢复车辆正常通行状态下的监控指令；向终端语音播放器11输出数字语音信号，向终端显示屏12输出显示信息，经GPRS模块向GPRS通信系统及其移动巡检交互监控信息，当识别结果确认超载车辆已从疏导车道让行后，向终端控制驱动器8发送车辆通行阻拦器复位指令，否则，由终端语音播放器11和终端显示屏12向超载车辆持续发出警示信息，并请求移动巡检协助。
所述GPRS模块6，如图4所示，包括GPRS芯片24、SIM卡25、单片机26、扩展数据存储器27、RS232接口28，单片机26采用MSC1210，主要用于控制GPRS芯片24的信息接收和发送，并通过标准RS232串口28和信号处理器5进行数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发。
所述GPRS通信主体7，如图5所示，包括发射/接收天线29、GPRS服务支持节点30、GPRS骨干网31、网关支持节点32、因特网33、路网监控中心服务器34，在原有数字通无线通信网络GSM基础上引入两个新的网络节点GPRS服务支持节点30和网关支持节点32，GPRS服务支持节点30和单片机26处在同一等级水平，并跟踪单片机26的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，网关支持节点32支持与外部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网31和GPRS服务支持节点30连通。GPRS终端通过接口从信号处理器5取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支持节点30封装后，通过GPRS骨干网31与网关支持接点32进行通信，网关支持节点33对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网31发送到GPRS服务支持节点30，再经发射/接收天线29发送到GPRS终端，GPRS通信主体7与各GPRS终端构成完整的GPRS系统。
所述路网监控中心服务器34，包括被监控桥梁限载标准的确定与修正、超载车辆数据统计与分析、特殊情况(包括战备、消防、桥梁维修等)下的遥控指令发送三大模块。第一模块，根据桥梁实际承载能力确定桥梁限载标准值，并通过GPRS通信系统发送至监控终端的信号处理器，对桥梁限载标准进行修正、更新；第二模块，通过接收各个监控终端所发生的超载车辆数据动态信息，供管理决策层进行数据统计与分析，以便提升桥梁设计水平和路桥监控技术水平，所接收的动态信息中包括终端数字图像信号；第三模块，一旦特殊情况发生，路网监控中心服务器34直接向监控终端信号处理器下达遥控指令，强制关闭桥梁。
所述终端控制驱动器8，当信号处理器5判定当前车辆超载时，即向将终端控制驱动器8的输入端口输出数字控制指令，终端控制驱动器8将数字控制指令转换成模拟信号并经功率放大后，驱动终端电传动机构9，进而带动车辆通行阻拦器10阻止车辆通行，当信号处理器确认超载车辆已从疏导车道让行后，终端控制驱动器准确接收到信号处理器输出的车辆通行阻拦器复位指令。
所述终端语音播放器11，包括数字输入接口、D/A转换器、音频放大电路和扬声器，数字输入接口接收信号处理器5的输出数字信号，其出口连至D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端连至音频放大器的输入端，音频放大器的输出端连至扬声器的输入端。终端语音播放器11与终端显示屏12均在信号处理器5在向终端控制驱动器8发出控制指令的同时，接收到相应的数字信号，此时，前者即向当前车辆用清晰的语音提示“当前车辆已经超过前方桥梁允许通行载重量××％，请通过疏导车道为其它车辆让行！”后者则在屏幕上明示前方桥梁允许通行轴载与总重以及当前车辆的实际轴载与总重等数据信息。
当车辆进入桥梁引桥入口时 (1)由埋设于入口路面上的汽车动态称重装置随着汽车的行进将逐一传感出汽车轮压电气模拟信号，并实时地将其输送至数据采集模块的模拟信号输入端口； (2)第一CCD摄像头采集汽车侧向图像，第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像，并将图像模拟信号分别经视频电缆线输出至数据采集模块的第一、第二图像信号输入端口； (3)数据采集模块将每个汽车轮压电气模拟信号转换为数字信号，对被采集图像信号进行解码和模数转换，随后将上述预处理后的数字信号经过输出插槽并行输入至信号处理器的输入端； (4)信号处理器运行图像处理、数值计算和控制输出三大工作模块，完成对汽车侧向图像轮廓线提取，车辆轮轴数识别，轮轴间距计算，汽车轴载与车辆总重计算，最后对当前载重汽车是否允许通行作出判定，并确定是否输出控制指令； (5)当被测汽车超载时，立即由信号处理器的控制输出端口向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟信号，经功率放大后驱动终端电传动机构，在终端电传动机构的机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器阻止超载汽车通过，并向终端语音播放器和终端显示屏输出信号，通过语音和文字显示以告知当前超载车辆，同时，监视超载车辆是否从疏导车道让行，否则，由终端语音播放器和终端显示屏向超载车辆持续发出警示信息，并请求引动巡检员协助，当确认超载车辆已从疏导车道让行后，信号处理器向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令； (6)与此同时，信号处理器经GPRS模块，再由GPRS通信系统向路网监控中心服务器和GPRS移动巡检36进行监控信息交互。
在本发明技术的自动监控下，能够在引桥入口处准确检出车辆实际轴载和总重，凡是轴载超过120kN或者总重超出300kN的车辆，系统对其明确告知超载信息、禁止其通行前方桥梁，并引导其进入疏导车道，同时通过GPRS通信系统将超载车辆信息送达路网监控中心和GPRS移动巡检36，整个监控过程的鉴别正确率达到100％，因此有效保障了桥梁的通行安全和道路畅通。
权利要求
1.一种桥梁限载自动监控系统，其特征在于，包括汽车动态称重装置、两个CCD摄像头、数据采集模块、信号处理器、GPRS模块、GPRS通信主体、终端控制驱动器、终端电传动机构、车辆通行阻拦器、终端语音播放器、终端显示屏，其中所述汽车动态称重装置用于传感汽车车轮对地面的压力，传感所检测到的轮压电气模拟信号被输出至数据采集模块的模拟信号输入端口，第一CCD摄像头用于对汽车侧向车轮及轮轴间距图像的采集，第二CCD摄像头用于监视超载车辆疏导让行情况，两个CCD摄像头将采集到的图像输出至数据采集模块的图像信号输入端口，数据采集模块通过与信号处理器的输出/输入插槽将采集到的压力数字信号与数字图像信号并行输送至信号处理器，信号处理器经运行图像识别与数值计算模块后准确获取当前汽车的轴载与总重两项重要评定参数，并据此判定当前车辆是否超出桥梁限载标准，当汽车未出现超载时，汽车正常通行不受任何影响，当汽车超载时，立即由信号处理器的控制输出端口向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟驱动信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号启动终端电传动机构，在终端电传动机构的机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器以阻止超载汽车通过，同时，信号处理器向终端语音播放器输出数字语音信号，由终端语音播放器向当前车辆语音告示超载状况，禁止其通过前方桥梁，信号处理器向终端显示屏输出文字显示信号，由终端显示屏向当前车辆警示超载数据信息，并监视超载车辆让行情况以便确定是否向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，信号处理器将监控信息经RS232接口输入GPRS模块向GPRS通信系统传送，使得GPRS通信系统实时掌握桥梁限载监控的基本数据资料，GPRS通信系统根据桥梁实际承载能力的评定与测试结果实时将修正过的桥梁限载标准发送到监控终端的GPRS模块，再经RS232接口进入信号处理器，实现GPRS通信系统对所有监控终端的远程监控。
2.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述汽车动态称重装置，包括第一耐压力球形橡胶气囊、第二耐压力球形橡胶气囊、第一压力传感器、第二压力传感器、第一信号传输电缆、第二信号传输电缆、气门嘴、上压力支撑体、下压力支撑体、上载压钢板、下载压钢板，第一耐压力球形橡胶气囊、第二耐压力球形橡胶气囊上下各胶接一个具有相等截面积的压力支撑体，称为上压力支撑体和下压力支撑体，上压力支撑体和下压力支撑体又分别与上载压钢板、下载压钢板焊接紧固，第一耐压力球形橡胶气囊、第二耐压力球形橡胶气囊的上截面各封装第一压力传感器和第二压力传感器及其气门嘴，第一压力传感器通过第一信号传输电缆连接到数据采集模块的第一模拟信号输入端口，第二压力传感器通过第二信号传输电缆连接到数据采集模块的第二模拟信号输入端口。
3.根据权利要求2所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述汽车动态称重装置中的耐压力球形橡胶气囊感受汽车通过桥梁监控入口时的压力，并将感受到的压力在密封的容腔内及时传递到压力传感器，经过传感器的信号转换，压力传感器的输出端口具有一个与压力成线性关系的轮压电气模拟信号输出，两个压力传感器的轮压电气模拟信号通过两个信号传输电缆并行输出至数据采集模块的两个输入端口，汽车动态称重装置中的上压力支撑体与耐压力球形橡胶气囊之间的接触面积固定，根据重力与压力之间的关系，将压力乘上作用面积即获得被测车轮的重力。
4.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述信号处理器，包括图像处理模块、数值计算模块和控制模块，其中
所述图像处理模块，对汽车侧向图像进行轮廓线提取，从第一CCD摄像头采集的图像中识别车辆轮轴数、车轮直径及轮轴象素坐标，从第二CCD摄像头采集的图像中识别超载车辆让行情况；
所述数值计算模块，将汽车动态称重装置传送的、经过数据采集模块数字化的两个汽车轮压信号进行相加获得ui的数字化值，然后根据轴载公式
计算出当前车轮轴载，由轮轴象素坐标计算轮轴间距，再根据轴载、轮轴数及其间距来计算车辆总重，记录车辆超载信息，在信号处理器中建立桥梁实际承载能力标准，并接收路网监控中心通过GPRS通信系统传送的桥梁实际承载能力标准修正值以实时更新桥梁限载监控标准，将被测车辆总重和轴载与桥梁最大允许车辆总重和最大允许轴载分别进行比较，记录当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数；
所述控制模块，将超载信息转换为控制指令向终端控制驱动器发送，控制指令包括禁止超载车辆通行指令和车辆通行阻拦器复位指令，所述复位指令即引桥入口恢复车辆正常通行状态下的监控指令；控制模块向终端语音播放器输出数字语音信号、向终端显示屏输出显示信息，经GPRS模块向GPRS通信系统及其移动巡检交互监控信息，当识别结果确认超载车辆已从疏导车道让行后，向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，否则，由终端语音播放器和终端显示屏向超载车辆持续发出警示信息，并请求移动巡检协助。
5.根据权利要求1或4所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述终端语音播放器，包括输入接口、D/A转换器、音频放大电路和扬声器，输入接口接收信号处理器的输出数字信号，其出口连至D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端连至音频放大器的输入端，音频放大器的输出端连至扬声器的输入端，终端语音播放器收到数字语音信号后，经D/A转换器将其转换成模拟语音信号，再经音频放大电路的功率放大，最终输出至扬声器播放完整语义，当被测汽车载重量超限时，受禁止超载车辆通行指令控制，终端语音播放器向当前车辆用清晰的语音提示。
6.根据权利要求1或3所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述终端显示屏，在正常通行状态下，显示桥梁限载标准，当信号处理器判定当前车辆超载被限制通行时，向终端显示屏的输入接口输入文字显示信号，即在终端显示屏上增加当前车辆超载数据信息。
7.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述数据采集模块，包括第一模拟信号输入端口、第二模拟信号输入端口、第一图像信号输入端口、第二图像信号输入端口、A/D转换器、图像预处理器与输出插槽五部分组成，其中，两个模拟信号输入端口分别用以接收汽车动态称重装置中两个压力传感器经两个信号传输电缆输出的汽车轮压电气模拟信号，模拟信号输入接口的输出端接至A/D转换器的输入端，A/D转换器负责将模拟信号转换成数字信号并经输出插槽输入至信号处理器的输入端；图像信号输入端口用以接受来自CCD摄像头输出的图像信号，其中，第一图像信号输入端口接收第一CCD摄像头采集图像，第二图像信号输入端口接收第二CCD摄像头采集图像，图像输入端口的输出端连接至图像预处理器的输入端，图像预处理器对被采集图像信号进行解码和模数转换，图像预处理器的输出信号经输出插槽输入至信号处理器的输入端。
8.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述GPRS通信主体，包括发射/接收天线、GPRS服务支持节点、GPRS骨干网、网关支持节点、因特网、路网监控中心服务器，在原有数字通无线通信网络GSM基础上引入两个新的网络节点GPRS服务支持节点和网关支持节点，GPRS服务支持节点和单片机处在同一等级水平，并跟踪单片机的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，网关支持节点支持与外部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网和GPRS服务支持节点连通，GPRS终端通过接口从本发明的信号处理器取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支持节点封装后，通过GPRS骨干网与网关支持接点进行通信，网关支持节点对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到GPRS服务支持节点，再经发射/接收天线发送到GPRS终端，GPRS通信主体与各GPRS终端构成完整的GPRS系统。
9.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述路网监控中心服务器，包括被监控桥梁限载标准的确定与修正、超载车辆数据统计与分析以及包括战备、消防、桥梁维修情况下的遥控指令发送三大模块，其中
所述被监控桥梁限载标准的确定与修正模块根据桥梁实际承载能力评定法所获得的数据来确定被监控桥梁限载标准值，并通过GPRS通信系统发送至桥梁监控终端35的信号处理器，对桥梁限载标准进行设置或者修正更新，桥梁实际承载能力评定法包括基于实桥调查的经验方法、荷载试验法、设计理论法；
所述超载车辆数据统计与分析模块接收各个监控终端所发生的超载车辆数据动态信息，供管理决策层进行数据统计与分析，以便提升桥梁设计水平和路桥监控技术水平，所接收的动态信息中包括终端数字图像信号；
所述遥控指令发送模块，一旦战备、消防、桥梁维修特殊情况发生，GPRS通信系统能够直接向监控终端信号处理器下达遥控指令，实行桥梁交通的强制性控制。
10.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控系统，其特征是，所述终端控制驱动器将数字控制指令转换成模拟信号并经功率放大后，驱动终端电传动机构，进而带动车辆通行阻拦器阻止车辆通行，当信号处理器确认超载车辆已从疏导车道让行后，终端控制驱动器准确接收到信号处理器输出的车辆通行阻拦器复位指令；
所述终端电传动机构将输入的电气功率信号转换成为机械力矩，启动车辆通行阻拦器阻止超载车辆通行，或者，车辆通行阻拦器复位，恢复车辆正常通行状态下的监控；
所述车辆通行阻拦器是一种横杆式机械转动机构，受禁止超载车辆通行指令控制，车辆通行阻拦器在终端电传动机构力臂的推动下，平稳转动下落，横置于车道中间；受车辆通行阻拦器复位指令控制，车辆通行阻拦器在终端电传动机构力臂的拉动下，平稳转动升起，竖置于车道旁。
全文摘要
一种桥梁限载自动监控系统，包括汽车动态称重装置、两个CCD摄像头、数据采集模块、信号处理器、GPRS模块、GPRS通信主体、终端控制驱动器、终端电传动机构、车辆通行阻拦器、终端语音播放器、终端显示屏，汽车动态称重装置将输出压力电气信号与CCD摄像头采集的图像视频信号输出至数据采集模块，再交由信号处理器处理与判定，信号处理器根据汽车侧向图像进行车轮轴距计算与车辆轮轴数识别，再根据汽车动态称重装置获取的汽车轴载，运用车辆总重方程求取当前车辆总重，因此能够通过标准来判定当前车辆是否可以通过前方桥梁，最后发送控制指令、通过后续执行机构和GPRS通信系统对桥梁通行实现安全监控技术的智能化与自动化。
文档编号G05B19/048GK101145045SQ200710047398
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月25日 优先权日2007年10月25日
发明者张秀彬, 涟 朱, 苏一理 申请人:上海电机成套联合有限公司