道路轴载谱检测系统的自动标定方法与流程

本发明涉及道路工程勘察设计领域，具体地说是一种道路轴载谱检测系统的自动标定方法。

背景技术：

近年来，车辆超限超载运输越来越严重，该问题不仅损毁公路的基础设施，而且危害国民的生命财产，严重地影响我国的公路交通安全，准确获取道路轴载谱对于公路设计、施工及管理部门都有重要的意义。现有轴载谱检测系统的标定需要定期进行，标定工作需要在道路上采用标准重量的车辆进行，存在安全性以及便利性的问题；另外，由于系统中的传感器受环境温度、湿度、道路结构层的模量及安装方式等影响，其输出特性会频繁变化，导致检测结果出现偏差，无法保证系统的精度。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种利用道路正常行驶车辆的实时检测，实现实时跟踪检测系统状态的变化，采用实时修正的方式持续、自动的实现系统参数的调整，有效的提高系统的测试精度和降低系统标定工作量的道路轴载谱检测系统自动标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：道路轴载谱检测系统的自动标定方法首先需要能够准确测试车辆每一轴的轴重数据及车辆的车轴数，根据车轴数实现车辆类型的辨识；进而利用特定车型第一轴的轴重数据基本相同的特点，当检测过程中发现有此类车型时，则通过测量的轴重数据对检测结果进行标定，通过这种方式实现检测系统的实时自动标定。

本发明实施例提供一种道路轴载谱检测系统的自动标定方法，其特征在于，实时检测道路正常行驶的车辆；实时跟踪所述系统状态的变化，并进行实时修正，从而持续、自动地调整所述系统参数；该方法包括：使用相邻布置的两个压电传感器，通过实时监测压电传感器信号变化并与预设阈值比较，确定所述系统采集轴重数据的时间；根据所述采集轴重数据的时间，获得车辆的车速和车辆的轴重数据；根据所述车速和所述轴重数据确定车辆的车型；其中，所述轴重数据根据所述系统测量到的第一轴的轴重数据的变化而实时调整。

本发明实施例中提供的所述的道路轴载谱检测系统的自动标定方法，其所述根据所述采集轴重数据的时间，获得车辆的车速和车辆的轴重数据的步骤进一步包括，根据所述系统内部定时器得到所述车辆的第一轴经过所述相邻布置的两个压电传感器的时间间隔，获得车辆的车速，在高速状态下采集所述车辆的所述轴重数据；将所述车速、所述轴重的数值与调整系数相乘，得到当前轴重测量值，并且将两个传感器的平均值作为当前行驶车辆每个车轴的轴重数据，具体公式为：

其中，为调整系数，其随第一轴的轴重数据的值变化而变化，使得所述系统实现自动标定；为车速；为轴重数据首次高于限值的时刻，为轴重数据首次低于限值的时刻。

本发明实施例中提供的所述的道路轴载谱检测系统的自动标定方法，其根据所述车速和所述轴重数据确定车辆的车型的步骤进一步包括，根据地感线圈和压电传感器的信号，获得所述车辆的车轴的数量和各轴间的轴距，实现所述车型的判断。

本发明实施例中提供的任一所述的道路轴载谱检测系统的自动标定方法，其中，将所有车辆中10类车中1127车型第一轴的轴重数据提取出来，对当前的测量结果与之前100次测量结果的平均值相比较，如果超出±10%，则认为当次测量结果无效。

本发明实施例中提供的任一所述的道路轴载谱检测系统的自动标定方法，其中，所述系统获得10类车中1127车型第一轴的测量值，再根据其第一轴的轴重数据，通过加权修正的方式得到最新的调整系数，当传感器状态发生改变时，通过所述系统测量的第一轴数据会发生改变，此时，调整系数会随之调整，实现系统的自动标定。

附图说明

图1本发明采用的10类车中1127型载重货车车轴标准；

图2本发明系统的硬件功能模块图；

图3（a）和（b）本发明传感器布置方式及数据采集方法示意图。

具体实施方式

本发明实施例的方法包括以下步骤：

（1）车辆轴重数据的获取：

道路上正常行驶的车辆，每个车轴都会压过相邻布置的两个压电传感器，将两个传感器的测量值求平均作为每个车轴的轴重数据。每个传感器测量值的确定方法如下：当车辆未经过压电传感器时，传感器输出信号小，此时系统处于慢速采集阶段，且每次采集结束后均通过滑动滤波算法对采集的信号进行处理，将处理后的结果与预定限值进行比较，如果低于限值则仍处于慢速采集阶段；当车轮压过传感器时，传感器的输出值增加，当系统判断连续3个点都高于限值，且3个点呈依次增加的趋势，则进入高速采集阶段，每次采样结束后，同样进行滑动滤波处理，并将滤波处理后的信号进行累加，此外，将当前测量值同预定限值进行比较，当连续3个点都低于限值，且3个点呈依次减小的趋势，系统则认为车轮已经驶过，重新回到慢速采集阶段，当前车轴的采集过程结束。在上述采集过程的同时，通过系统内部定时器得到车辆第一轴经过相邻两个压电传感器的时间间隔，据此得到汽车的车速信息，将车速信息乘以高速采集阶段各采样点的和用于表征车辆的轴重数据，表达式如下所示：

其中，为调整系数，本专利提出的自动标定方法可以对其进行自动调整实现系统的自动标定；为车速；为轴重数据首次高于限值的时刻，为轴重数据首次低于限值的时刻。

（2）车型的确定方法：

本专利提出的自动标定算法是利用特定车型第一轴的轴重基本固定实现的，目前采用的是道路运输中常见的10类车中1127型载重货车（据《公路沥青路面设计规范》（jtgd50-2017）附录a）的第一轴的重量（4.5吨）作为基准重量，利用该轴轴重作为基准轴重实现系统的自动标定。本专利提出的方法中车型的准确区分极为重要，国内各种车型的车轴数及轴距都是明确的，车型区分根据这两个参数来实现。通过地感线圈结合压电传感器的信号可以实现车轴数的判断；通过系统的另一路定时器计算车辆各轴距的间隔时间，如果车辆行驶时速度没有突变，轴距间隔时间与车辆的轴距呈明确的对应关系，因此根据时间可以实现车辆车轴数量及车轴距离的计算，从而实现车型的判断。

（3）测试结果的质量控制：

系统会存储最近100辆10类车中1127车型第一轴的轴重数据，每辆1127车型数据测试完成后，会将当前测量的第一轴轴重数据同之前100次测量结果的平均值进行比较，如果当前测量结果在平均值的±10%范围以内，则认为当次测量结果有效，将当次测量结果与之前99次共计100次的测量结果进行平均得到最新的平均值，为下一次1127车型到来时的比较提供基准；如果超出范围，则认为当次测量结果无效。

（4）调整系数的滚动修正：

通过系统得到的1127车型第一轴对应的测量值，再根据1127车型第一轴的轴重数据可以计算得到最新的调整系数，假定之前的调整系数为，则通过加权修正的方式得到最新的调整系数，加权修正函数如下式所示。由式可知，之前的调整系数的权重大，最新得到的调整系数的权重小。每当1127车型到来后，如果测试的第一轴轴重数据满足质量控制的要求，则通过下式对调整系数进行滚动修正。当传感器状态发生改变时，通过本系统测量的第一轴数据会发生改变，此时，调整系数会随之调整，实现系统的自动标定。

本发明的道路轴载谱检测系统的自动标定方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果：（1）该系统可以检测道路正常行驶的车辆的车速、车轴数量、车轴轴重数据、轴距及车型分类等信息；并且采用地感线圈模块，避免车辆相距过近带来的车轴数量误判问题，提高了检测精度；（2）本发明提出通过10类车中1127车型第一轴的轴重数据作为基准轴重实现系统的自动标定，系统使用过程中无需定期使用特定车辆对系统进行标定，使用方便；同时能够消除压电传感器等系统传感部件受到环境温度、湿度、道路结构层模量及安装方式等影响带来的输出特性改变的问题，系统采用滚动修正的方式持续、自动的实现调整系数的改变，使得检测结果能够跟随传感器状态的变化，保证系统检测的精度。

进一步地，参照说明书附图以具体实施例对本发明的道路轴载谱检测系统的自动标定方法作以下详细的说明。

图1为本发明提及的10类车中1127型载重货车的车轴标准，此类车型在道路运输中得到了大量的应用，且该类车型的第一轴无论在满载和空载时，轴重都在4.5吨左右，利用该轴作为基准轴重，对系统进行自动标定。标定过程需要通过系统中单片机的定时器确定相邻车轴的时间间隔，以该车型前三轴的轴距作如下估算：当车速为80km/h时，一、二两轴的时间间隔为85.05ms，二、三两轴的时间间隔为108.72ms；当车速为100km/h时，则一、二两轴的时间间隔为68.04ms，二、三两轴的时间间隔为86.98ms，单片机定时器的计时精度能够分辨上述时间，同理分析，对于其他车轴而言，单片机的计时精度均能满足要求，利用轴间时间可以有效估算轴间距离，进而实现车型的判断。

图2为本发明提出系统的硬件功能模块图，系统采用的传感器包括地感线圈及压电式轴重传感器，整个系统包括4部分：地感线圈及其处理电路、压电式轴重传感器及处理电路、数据采集电路及sd卡存储电路。地感线圈处理电路将车辆到来信号转化为开关量信号，当有车辆经过地感线圈时输出低电平信号，反之输出高电平信号。压电式轴重传感器处理电路则将传感器输出的电容信号进行高通滤波及放大处理。上述处理后的信号送入数据采集电路，在采集电路中通过开关量信号处理电路得到车辆位置信息；处理后的压电式轴重传感器数据送入16位8通道高速模数转换芯片ad7606-8进行数据采集，ad7606-8与单片机之间采用并行总线方式进行连接，有效提高了数据的传输速度。数据采集电路得到的数据通过通讯电路传送至sd卡存储电路，该电路将接收的车速、车轴数量、车轴轴重数据、轴距及车型分类等信息存入sd卡中；另外，通过实时时钟电路获取当前的时间，将时间一同存入sd卡中，方便后期的分析处理。为了便于指示当前装置的工作状态及实时显示测试结果，通过装置指示电路及显示电路对上述信息进行显示。

图3（a）为压电式轴重传感器及地感线圈在一个车道中的布置方式，由图可见，两个压电传感器前后布置，中间安装地感线圈，两个压电传感器的距离固定，通过同一车轴经过前后2个压电式轴重传感器的间隔可以用于计算车速。系统上电后，初始化结束即进入采集模式，如果当前无车辆到来，则处于慢速采集阶段，以节约资源并延长系统寿命。在慢速采集阶段，每次采集结束后通过数字滤波方法对采集的信号进行处理，去除干扰信号的影响，进而将处理后的信号与限值进行比较，如果连续3个点都高于限值，且3个点呈依次增加的趋势，则认为车轴开始接触传感器，此后进入高速采集阶段。每次采集完毕同样对数据进行数字滤波，滤波后的数据进行累加，同时将采集的数据同限值进行比较，当连续3个点都低于限值，且3个点呈依次减小的趋势，则认为车轮已经驶过，重新回到慢速采集阶段，当前车轴的采集过程结束，上述过程如图3（b）所示。

系统采用的单片机有2组定时器模块，这两个模块分别用于计算车速和轴距，从而获得当前车辆的车辆类型，具体实现方法如下：当系统判断第一个车轴到达压电式轴重传感器1时，同时令定时器模块1开始计时，当判断第一个车轴到达压电式轴重传感器2时，则停止计时，根据计时间隔及两个压电式轴重传感器的距离得到当前车速。当第一个车轴到达压电式轴重传感器1时，同时将定时器模块2打开，此后每个车轴到达压电式轴重传感器1时，到达时间都会进行存储，直到最后一个车轴驶离压电式轴重传感器1，通过计算相邻车轴的时间间隔的比例关系可以得到当前车型。

在所有车型中提取10类车中1127型载重货车的第一轴的轴重数据，每辆1127车型数据测试完成后，会将当前测量的第一轴轴重数据同之前100次测量结果的平均值进行比较，如果当前测量结果在平均值的±10%范围以内，则认为当次测量结果有效，将当次测量结果与之前99次共计100次的测量结果进行平均得到最新的平均值，为下一次1127车型到来时的比较提供基准；如果超出范围，则认为当次测量结果无效，不予处理。

通过系统得到的1127车型第一轴对应的测量值，再根据1127车型第一轴的轴重数据可以计算得到最新的调整系数，假定之前的调整系数为，则通过加权修正的方式得到最新的调整系数，加权修正函数如下式所示。由式可知，之前的调整系数的权重大，最新得到的调整系数的权重小。每当1127车型到来后，如果测试的第一轴轴重数据满足质量控制的要求，则通过下式对调整系数进行滚动修正。当传感器状态发生改变时，通过本系统测量的第一轴数据会发生改变，此时，调整系数会随之调整，实现系统的自动标定。

本领域的普通技术人员可以理解，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，对其替换或变形都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当以所述权利要求书的保护范围为准。