車輛超載檢測系統研究

ID:343458 · 發表于 2018-6-2 14:11

1 緒論

目前，為有效治理機動車嚴重違章超載、超限運輸現象，預防道路交通事故，維護良好的道路交通秩序，許多交通管理部門專門成立了“治超”機構，“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確性，查堵中的不正之風時有發生。鑒于這種情況，在超載車必經的道路下埋上檢測儀器，通過電腦自動識別是否超載就顯得尤為重要。

本設計是車輛超載與檢測系統研究，這項研究可以判斷機動車是否超載而求在車輛超載時能夠提供報警和顯示車輛超載的重量。本設計采用AT89C51單片機作為研究系統處理的核心，利用橋式稱重傳感器WPL110將車輛載重量等量轉換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓信號調理后送到A/D轉換芯片TLC0838轉換成數字信號并計算出載重量；所得的載重量將通過RS485接口電路送到上位機，上位機與設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警。

1.1選題背景　

隨著我國經濟和交通事業的發展全國公路總里程不斷增長路網條件不斷改善公路運輸獲得了快速發展公路貨運量己成為各種運輸方式貨運量之首貨物周轉量也逐年增加然而長期以來公路貨運卻出現了一種非法超限運輸的怪現象即超高超寬超長超重運輸據不完全統計超限運輸的比率占貨運車輛的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設施的使用壽命給國家造成巨大的經濟損失同時因超載超限運輸引發的交通事故也日益增多威脅著人民的生命安全嚴重影響了公路的正常運行。針對超載車輛，主要有以下幾個不良影響：

（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計年限是根據《公路工程技術標準》的規定來計算設計的，在我國公路路面的荷載為單軸雙輪荷載10噸來設計的，司機若按這個荷載承載貨物運輸，是不會對公路路面造成大的損害的，而且，不會增加公路管理局對公路路面的維護量。但若車輛作用于路面的實際荷載超過路面的設計荷載時，那么，公路的使用壽命將大大縮短。車輛超載會增加車輛對路面的損害，按照國際上通用的計算方法，汽車軸載質量對公路路面的破壞關系服從“十六次方法則”，即汽車軸載質量每增加一倍，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）嚴重的環境污染。車輛超載必然使發動機超負荷運轉，從而排出的濃煙和噪聲是正常情況下的幾倍，對自然和社會環境的危害是顯而易見的。

（3）嚴重影響公路交通安全。近年來我國發生的車輛連環相撞特大交通事故，許多均與車輛的超載有關。例如，京滬高速公路江蘇沂淮段在一年時間內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死傷80多人，經交通部門的專家分析，與車輛嚴重超載超限有直接關系。車輛嚴重超載時，使車輛的行駛穩定性、剎車性能、輪胎承荷能力、轉向可靠度等行駛狀況大大降低，一旦，出現問題行駛的車輛將無法駕馭，極易引發交通安全事故。

（4）降低公路的使用效率和影響交通。嚴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，形成移動瓶頸，影響鄰車司機的視野，造成車輛行駛緩慢，漫漫車龍前后綿延數十公里。例如，2003年9月110國道與八達嶺高速公路上大量的超載車輛導致八達嶺高速公路遭遇到歷史上最嚴重堵車，連續7天道路不暢，上千輛載重貨車蝸行。

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

（6）嚴重擾亂運輸市場秩序。隨著社會的發展和市場經濟的成熟發展，人民對物質的需求日益增多和提高，同時也加大了運輸市場運力的需求，所以，運輸公司或承運者為節省成本和提高效益，于是采用超載運輸來獲取高額的利潤和行業的競爭優勢，同時，看到利益的同行也都相繼模仿，竟相超載運輸，嚴重擾亂了運輸市場的秩序，加劇超載運輸現象。例如，2007年，由于國際油價的飆長，國內成品油價格也相繼提高，某些未進行超限超載試定的省份或地區，運輸公司或承運者惡意違反道路交通規定，使車輛嚴重超限超載上路運輸。

（7）對橋梁的安全構成重大威脅。如果車輛經常嚴重超載通過橋梁，即使設計標準較高的水泥混凝土橋梁也會產生橋梁撓度增大，水泥混凝土過早開裂，逐步引起鋼筋銹蝕，而在橋梁的薄弱環節，則會出現伸縮縫接口出現鋼材焊口開焊、橋頭填土下沉，甚至還可能由于我國公路超重運輸現象也十分普遍和嚴重，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。要遏制超限運輸，最大可能的減少超限運輸造成的危害，需要做很多方面的工作，實現對公路汽車的動態稱重，無疑是其中很重要的一環。超限超載工作治理需要大量的檢測設備，然而，目前在全國裝有檢測設備的高等級公路匝道或收費站卻不多，車輛是否超載主要由交警和路政憑經驗判斷，這樣由于缺乏科學性，給管理部門的嚴格執法帶來了很大困難。

在高速公路上交警若懷疑某車超載則讓其停車，到指定的檢測點進行靜態稱重，以確定其超載及超載量。其缺點是：

1)依靠目測和經驗來判斷，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，需要時間長。

傳統的稱重方法是采用基于電量學的汽車衡(地秤)，然而這種傳統的電量學汽車衡在耐久性指標上難以滿足實際工程需要，因為它具有成本高、精度低、功能簡單、穩定性重復性差、靈敏度低和零點漂移大以及維修復雜等缺陷，這樣就給計量工作帶來了的誤差，從而使國家稅費流失。因此，當前的汽車稱重傳感檢測技術還不能充分滿足工業和實際工程的需要，急需研制出響應快、抗干擾能力強、準確度高的新型稱重傳感器，這對交通部門有效地實施超限管理，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養護的成本、減少環境污染等方面有著顯著的社會效益和經濟效益。若能實現對汽車的動態稱重，則可以很好的解決這些問題。動態稱重是測量行駛中汽車重量的一種技術，利用動態稱重技術，增加對超載汽車的監控，配合處罰可以迫使車輛不敢超載，保護道路的同時還降低了交通事故的發生。動態稱重系統一般安裝在高速公路收費站前，當汽車駛過的時候，重量被記錄下來，顯示給高速公路的路政管理人員。動態稱重系統，提供了一種實時連續，對所有汽車無偏差測量的新技術。雖然各種動態稱重的原理不同，但是目前大部分動態稱重傳感器的缺點有精度低、壽命短、易受電磁十擾等。

本設計就是基于這種需求，設計一基于單片機的機車超載檢測系統，對過往機動車輛進行稱重，判斷是否超載，若超載顯示超載重量并進行報警。要判斷汽車是否超載首先要知道車輛所裝載的貨物質量，隨著傳感器技術和微處理器技術的發展，利用電子技術也可以測量出物體的質量進而實現對汽車超載的監控，而且精度可以做的很高。利用電子技術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化為電壓信號，然后通過放大電路將這個微弱的電壓信號按比例放大后送A/D轉換芯片轉換為數字信號，通過接口電路將這個數字信號傳送給計算機進行處理，計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警。

1.2國內外汽車動態稱重系統研究現狀

公路的快速發展對國民經濟的促進作用已為多年來持續發展的經濟所證明。但是在汽車運輸中，由于受經濟利益的驅動。載貨汽車超載現象普遍存在。超載行駛造成公路嚴重損壞，引發許多惡性交通事故。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輸也普遍存在超限超載現象。為了避免超限超載車輛引發的一系列危害，歐共體成員國和美國、加拿大等國在上世紀50年代就開始對汽車動態稱重系統(weigh—in—motion．簡稱WIM)進行研究并取得了相應的成果。1974年，美國首次在車輛載荷研究中使用WIM系統。1992年，由歐洲高速公路系統研究實驗室聯盟(FEHRI)發起。按照歐盟運輸委員會(ECTD)的程序框架制定了COST323計劃．該計劃主要內容就是研究對公路行駛車輛進行動態載

荷監控的相關問題，其中最重要的一項測試是在瑞士進行為期30個月的WIM系統實際應用測試。

遍存在的問題是：設備質量重，安裝困難，工作效率低，影響交通通行，甚至誘發交通事故，危及稽查人員的人身安全。特別是隨著高速不停車收費系統的發展。現有的靜態稱重系統和動態稱重系統很難滿足要求。

1990 年在美國舉行的“國際交通數據采集技術會議”上西德PAT的平板式傳感器性能較理想同時展示數種低成本的動態稱重系統它們主要基于壓電纜壓電膜和電容傳感技術在安裝理想的情況下能使統計平均誤差控制在15%左右

1994 年在中國舉行的“國際交通自動化技術會議”上德國展示了采用平板式傳感器的SAW100 動態稱重系統及其在自動收費站的應用在90 年代中期以后安放在橋板上面的WIM 系統在美國聯邦高速公路協會的同意下成為可能在美國在公路長期管理計劃LTPP 下已經搜集了大量的數據.

1997 年美國聯邦公路管理局出版“WIM 實踐手冊”用于愛荷華州州立大學運輸研究和教學使用

2002 年ASTM1318高速公路WIM 系統標準說明書第2 版發行.國內對超載車輛動態監測系統的研究正方興未艾現有的動態車輛系統主要是在靜態稱重基礎上改進形成的動態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和SCS 系列便攜式軸重秤北京高登衡器的ZCS 固定式公路運輸車輛超限檢測系統廣東天日科技有限公司的TCD104 車輛超限檢測儀等其缺點主要是要求通過的速度低從而導致交通的不暢通高速系統仍處于實驗研究階段因此，有必要運用法律、行政、經濟等手段對車輛超載的違法進行治理。尤其是運用技術手段對車輛超載行為進行“主動”治理。但是，截止目前為止。純技術手段的研究仍較少見。本文將從技術層面出發，從“源頭”對車輛超載的行為進行限制，最大限度扼制超載違法行為，凈化公路通行環境，提升公路安全通行效率和運輸車輛合法轉載率，減少道路交通事故。

目前，在我國廣泛使用著的車輛動態稱重系統，動態稱重裝置的秤體仍然是采用秤體平臺跨接在傳感器上，使稱重物的重量經過秤體結構再傳遞到傳感器上的簡支梁型的橋式結構。其有著價格優勢大、組裝靈活和易于維護等特點。并且，國內與其配套的精度較高的車輛動態稱重顯示控制器儀表，在16km/h以內的勻速過秤測試中，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，會產生非真實的車重值甚至會由于檢測速度不夠快而導致丟軸重的情況發生。所以，在過去幾十年的動態稱重技術研究中，在如何保持檢測精度的穩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國內外汽車動態稱重系統發展動向

盡管對車輛動態稱重系統的研究己經有了很大進展，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，是稱重系統的對象，車輛在秤臺上運動時，秤臺的受力情況的與車輛的運動情況有著密切的聯系，對它們的研究分析和對其之間的關系進行深入的研究有利于幫助提高系統的測量精度。

（2）注重模型和實踐檢驗。由上面所了解到的許多關于車輛動態稱重技術的研究方法，這些技術大多數仍停留在理論研究的層次，真正應用于實踐的并不多，而沒有能在真正的系統運行環境以及以實踐中檢驗。

（3）應用高性能微控制器。電子衡器儀表與微控制器的結合，是衡器發展的歷史飛躍。這是由于采用微控制器后，對動態稱重信號的實時分析成為可能，如機械阻抗分析、數字濾波、傅立葉分析等，這樣使電子衡器儀表的數據處理能力有很大的提高，使車輛動態稱重技術的國內發展展望。

A) 車輛動態稱重系統將融入ITS(Intellingent Transport Systems)，成為其組成部分，因此作為固定式的WIM系統或裝置，設計時要考慮這一背景，在數據處理、信號傳輸、上下位機的關系、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態稱重系統的廣泛使用，這是國內業界應當認真面對的問題。國內較為普遍地運用壓電陶瓷式、電阻應變片式等形式稱重傳感器，國外則較多地運用了壓電薄膜、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系統還能方便現場使用。

C) 目前國際上還沒有規范且權威的車輛動態稱重技術標準，僅有一個得到西方國家承認的國際參考標準ASTM E1318—94。這給我國研究和應用車輛動態稱重技術帶來了機遇和挑戰。機遇是在沒有國際權威規范標準的情形下，我國有了領先設立國際標準的機會。挑戰在于如何在國內深入研究和應用車輛動態稱重技術，至少先要建立相應的國家標準，并付諸實施。

D)低速WIM系統的造價和維護費用都要低于高速WIM系統。以我國目前的道路運輸水平，對應WIM系統的允許通過車速并不需要太高。用于計重收費的場合，固定式WIM系統一般安裝在收費口或匝道口，在與ITS系統相配的情形下，車速一般不會高于40km/h。用于執法臨檢的場合，便攜式WIM系統一般安裝于輔道或路側，車速一般不會高于5km/h。

1.5主要設計（研究）內容

本設計涉及一基于單片機設計的機車超載檢測系統，在高速公路收費口的路面上裝有固定連著傳感器的鋼板，當汽車經過時，車輛的重量就會被稱重傳感器測量出來，送到變送器處理后，再傳送到計算機，經過分析判斷，就會對超載車輛發出警報。

設計實現的主要功能：

（1）該系統有32個傳感器，每個收費路口用4個傳感器組成一個稱，可同時檢測8個收費口；

（2）計算機通過發送命令字控制相應的變送器進行校正、故障診斷、數據采集等工作；

（3）一臺計算機控制32個變送器工作，采用多點通訊形式；

（4）具備掉電參數保護功能，上電后參數恢復功能（部分數據清零）；

（5）能夠遵循RS-485通訊網絡協議，生成標準MODBUS通信數據包。

1.5系統主要技術指標

本系統所實現的主要技術指標如下:

（1）參數測量誤差范圍為不大于±1%；

（2）監控數量：32臺；