王文逾

(山西省自動(dòng)化研究所,太原 030012)

目前,我國高速公路業(yè)正處在產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張期,公路的維護(hù)保養(yǎng)至關(guān)重要。我國每年因超載產(chǎn)生的額外道路維修保養(yǎng)費(fèi)用就高達(dá)幾百億元,因稱重系統(tǒng)精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致超載車輛流失的路橋通行費(fèi)、養(yǎng)路費(fèi)更是無法計(jì)算[1]。

國內(nèi)絕大多數(shù)正在使用的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)都是基于路面的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng),這種系統(tǒng)把傳感器安裝在路面上或嵌入到路表面用于測(cè)量車輛以一定速度經(jīng)過傳感器時(shí)的軸載,主要分為彎板式稱重系統(tǒng)、單傳感稱重系統(tǒng)和壓電傳感器稱重系統(tǒng)[2]。彎板式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)不適用于廣場(chǎng)入口,應(yīng)變片形變恢復(fù)時(shí)間短,造成稱重?cái)?shù)值偏差大或經(jīng)常被壓的幾組應(yīng)變片勞損過度,雨雪天氣使應(yīng)變片易受潮影響彎板的形變,使用成本高[3]。單傳感稱臺(tái)式在30 km/h以上速度計(jì)量精度誤差較大,因?yàn)榉Q臺(tái)較大,可變因素多,而且不宜安裝在坡度≥2%的位置;安裝時(shí)基坑開挖深,養(yǎng)護(hù)期長;車輛跳秤,S型過秤,造成稱量精度下降。

因此研制一種維護(hù)方便、遏制跳秤、克服車輛S型過秤、提高整體稱量精度的是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題[4]。本文開發(fā)了基于粗糙集的分體錯(cuò)位式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)能很大程度上遏制跳秤,根本上克服車輛S型過秤,提高整體稱量精度,有利于超載限行的檢測(cè),為高速公路養(yǎng)護(hù)和管理節(jié)約大量資金。

1 高速公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)

計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)是由一組安裝好的承載器和電子裝置組成的獨(dú)立于現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)之外的專門提供車輛信息的機(jī)電系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)處理器與收費(fèi)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)由承載器(含傳感器)、車輛分離器、檢測(cè)線圈、輪軸識(shí)別器、室外控制機(jī)柜等組成[2]。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

計(jì)重系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)車輛行使經(jīng)過承載器后,稱重傳感器將所承受的壓力信號(hào)按一定比例轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器,數(shù)據(jù)處理器對(duì)模擬信號(hào)采樣,并對(duì)采樣結(jié)果做數(shù)字濾波處理,計(jì)算后得到軸重量發(fā)送到緩沖區(qū);車輛駛離承載器后,繼續(xù)前行碾壓輪軸檢測(cè)器,輪軸檢測(cè)器通過判斷被壓傳感器個(gè)數(shù)確定輪胎寬度,通過輪胎寬度得出輪胎個(gè)數(shù)信息;數(shù)據(jù)處理器通過檢測(cè)車軸距離確定軸組個(gè)數(shù);車輛分離器提供分離車輛信號(hào),所有信息傳輸給車道收費(fèi)計(jì)算機(jī),收費(fèi)計(jì)算機(jī)按照計(jì)重收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算車輛的計(jì)重收費(fèi)金額,并進(jìn)行收費(fèi)和車輛放行[5]。

車輛整車重量檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：車輛通過承載器的每一軸重量都暫存在數(shù)據(jù)處理器中,車輛完全駛離承載器后,車輛分離器送來收尾信號(hào),數(shù)據(jù)處理器將各軸重量相加得出整車重量[5]。

圖2 工作原理圖

車輛軸重檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：車輛的軸重是通過承載器的稱重傳感器直接測(cè)得,但是要根據(jù)秤臺(tái)上4路傳感器信號(hào)的差異判別車輛的行使方向和速度,用存儲(chǔ)于下位機(jī)中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正,得出最接近真值的數(shù)據(jù),當(dāng)車輛在承載器臺(tái)面上停頓時(shí)則需等該軸完全駛下承載器時(shí)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。

2 粗糙集理論

“知識(shí)”在粗糙集理論中被定義為根據(jù)對(duì)象自身的特征屬性對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類的能力。任何一個(gè)物種(或?qū)ο?都能由“知識(shí)”來進(jìn)行描述,根據(jù)這些知識(shí)可以對(duì)它們進(jìn)行分類。對(duì)象用其自身特有的屬性集合來表示,分類則用來產(chǎn)生概念[6]。論域可以按照不同對(duì)象自身的特有屬性分成不同的類,具有相同特征屬性的知識(shí)構(gòu)成基本集,其元素就具有不可分辨性,基本集是構(gòu)成知識(shí)的模塊,使知識(shí)具有粒狀結(jié)構(gòu)與層次性。

定義：U為全體對(duì)象的集合稱為論域,稱論域U上的子集為U上的概念,約定φ也是一個(gè)概念,概念的族集稱為U上的知識(shí);U上知識(shí)(分類)的族集構(gòu)成關(guān)于U的知識(shí)庫,也就是說,知識(shí)庫是分類方法的集合。知識(shí)庫也被稱作近似空間[7]。

近似空間對(duì)應(yīng)U的一個(gè)劃分,所以近似空間形成關(guān)于論域U的知識(shí)。

2.1 等價(jià)關(guān)系與粗糙集

粗糙集從模式分類的觀點(diǎn)來描述知識(shí),通過不可分辨的等價(jià)關(guān)系,將知識(shí)空間劃分為不同的模式等價(jià)類,從而將知識(shí)空間表示為粒狀結(jié)構(gòu)。

令子集X?U,R是對(duì)論域U進(jìn)行劃分的一個(gè)等價(jià)關(guān)系,定義：劃分

式中：i≠j,i,j=1,2,…,n.

2.2 決策表與值約簡

粗糙集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)有些條件屬性是多余的,去除這些屬性不會(huì)影響原來的分類效果。通常會(huì)進(jìn)行屬性約簡、規(guī)則提取、值約簡、決策規(guī)則的極小化等一系列處理類似于屬性約簡(針對(duì)全體論域),對(duì)某一對(duì)象來說,并非所有的屬性都是必要的,因此有值約簡問題,有的文獻(xiàn)稱之為規(guī)則約簡。對(duì)于信息系統(tǒng)K=(U,R),如R是等價(jià)關(guān)系族,另有P?R,Q?P,定義對(duì)象xi的值約簡r i：

式中：?P?R,Q?P。xi是與關(guān)系P相關(guān)對(duì)象xi的屬性值。如某屬性是不可約去的,則稱該屬性對(duì)xi是必要的;否則,是不必要的。

3 基于粗糙集的分體錯(cuò)位式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)

3.1 分體錯(cuò)位式稱臺(tái)

分體錯(cuò)位式就是將傳統(tǒng)的一塊稱臺(tái)板設(shè)計(jì)成大小為原板二分之一的兩塊稱臺(tái)板,傳感器由4路變?yōu)?路,并將兩個(gè)稱臺(tái)前后錯(cuò)位放置安裝,安裝后的效果圖如圖3所示。

圖3 分體錯(cuò)位安裝效果圖

本系統(tǒng)稱臺(tái)尺寸為1 750 mm×700 mm采用分體式結(jié)構(gòu)錯(cuò)位安裝,吸取了彎板和稱臺(tái)式的優(yōu)點(diǎn),既能滿足0～20 km/h的高精度特性,也能滿足20～60 km/h的輸出靈敏度特性,能很大程度上遏制跳秤,并且滿足計(jì)量部門的鑒定規(guī)程要求。稱臺(tái)使用特殊的合金材料,解決了非周期性交變應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損傷問題,從而大大提高使用壽命。使用壽命：大于3 000萬軸次,平均無故障時(shí)間大于30 000 h。

稱重臺(tái)安裝方式與彎板相同,開挖150 mm,用環(huán)氧樹脂灌注成型快,兩天即可過車,固定在地面上,減小了車速快對(duì)秤體本身沖擊造成的形變誤差,大大的提高了稱量精度。稱臺(tái)分體結(jié)構(gòu),采用8路傳感器分成4組,儀表進(jìn)行分組計(jì)算,通過對(duì)數(shù)據(jù)采集器中的稱量算法進(jìn)行改進(jìn),增加了對(duì)車輛過秤時(shí)作弊行駛的自動(dòng)判斷和補(bǔ)償精準(zhǔn)度,沒有偏載現(xiàn)象,從根本上克服了車輛跳秤、扭秤,提高了整體稱量精度。

3.2 基于粗糙集的稱重算法

在過程控制領(lǐng)域,粗糙集理論被應(yīng)用于控制算法中的優(yōu)點(diǎn)是簡單迅速、實(shí)現(xiàn)容易,不需要進(jìn)行模糊化和去模糊化。粗糙集理論用于動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)能夠有效地對(duì)車輛過秤時(shí)作弊行駛的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)約簡處理和精準(zhǔn)度補(bǔ)償,具體算法流程圖見圖4。

基于粗糙集的動(dòng)態(tài)稱重算法對(duì)車輛過秤時(shí)作弊行駛的進(jìn)行動(dòng)態(tài)約簡處理和精準(zhǔn)度補(bǔ)償,可以有效消除偏載現(xiàn)象,提高了整體稱量精度,達(dá)到精度指標(biāo)如下：靜態(tài)稱重精度Ⅲ級(jí);動(dòng)態(tài)稱重精度動(dòng)態(tài)2級(jí);無橫向一致性誤差;符合中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG-907-2006;單軸額定載額30 t;最大過載能力150%;稱重傳感器防護(hù)等級(jí)IP68。

4 結(jié)論

圖4 算法流程圖

本系統(tǒng)吸取了彎板式稱臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),稱臺(tái)采用分體式結(jié)構(gòu)錯(cuò)位安裝,采用8路傳感器分成4組,儀表進(jìn)行分組計(jì)算,能很大程度上遏制跳秤,完全避免了橫向一致性誤差。提出了一種基于粗糙集的動(dòng)態(tài)稱重算法,對(duì)車輛過秤時(shí)作弊行駛的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)約簡處理和精準(zhǔn)度補(bǔ)償,可以有效消除偏載現(xiàn)象,提高了整體稱量精度。稱重檢測(cè)的速度范圍擴(kuò)大,能夠有效緩解因稱重造成的交通阻塞,能夠適應(yīng)大容量的交通荷載的稱量。本系統(tǒng)不僅有利于治理車輛超載,同時(shí)對(duì)于公路的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營、管理、養(yǎng)護(hù)等方面具有重要的意義。

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