WIM系統(tǒng)工作性能自診斷方法研究

陳偉健，李波，張立志

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210004； 2.江蘇省道橋管養(yǎng)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)于公路運(yùn)輸需求持續(xù)增加。根據(jù)交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司發(fā)布的數(shù)據(jù)，2013—2017年間，中國(guó)公路貨運(yùn)量累計(jì)增長(zhǎng)約19.6%，橋梁結(jié)構(gòu)服役面臨的環(huán)境更趨嚴(yán)峻。另一方面，超載車輛是公路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施工作狀態(tài)持續(xù)惡化的主要原因之一，因?yàn)槌d車輛運(yùn)輸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損毀的事故屢見不鮮。2018年5月，交通運(yùn)輸部與公安部聯(lián)合召開規(guī)范治超執(zhí)法深入推進(jìn)聯(lián)合執(zhí)法常態(tài)化制度化電視電話會(huì)議，總結(jié)規(guī)范公路治超執(zhí)法工作情況。持續(xù)推進(jìn)公路運(yùn)輸車輛運(yùn)營(yíng)規(guī)范化，進(jìn)一步保障交通基礎(chǔ)設(shè)施良性運(yùn)轉(zhuǎn)已成為社會(huì)需要共同面對(duì)的重大問題。

當(dāng)前普通干線公路車輛超載治理主要依靠分布式超載超限檢測(cè)站進(jìn)行，車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)作為車輛超載與否的主要檢測(cè)工具，其稱重?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確度對(duì)于治超判別至關(guān)重要。

1 WIM系統(tǒng)稱重精度影響因素

車輛動(dòng)態(tài)稱重簡(jiǎn)稱為WIM，它是一種對(duì)正常行駛狀態(tài)車輛各個(gè)軸重、軸間距、車速等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的一項(xiàng)技術(shù)。與常規(guī)靜態(tài)稱重不同，WIM系統(tǒng)稱重不需要車輛停車上秤，不影響車輛正常通行，目前廣泛應(yīng)用于車輛超限超載檢測(cè)、橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[2-4]針對(duì)WIM系統(tǒng)信號(hào)處理進(jìn)行了研究以獲取更好的單車稱重結(jié)果：Gustavo Garcia Otto對(duì)WIM系統(tǒng)稱重傳感器響應(yīng)模型進(jìn)行了研究，WIM數(shù)據(jù)利用相關(guān)研究也已經(jīng)取得廣泛發(fā)展。

由于車輛在正常行駛過程中會(huì)因?yàn)槁访娌黄秸④圀w自身抖動(dòng)等因素導(dǎo)致車輛產(chǎn)生動(dòng)態(tài)荷載，車輛在通過WIM系統(tǒng)時(shí)也會(huì)與之形成動(dòng)力耦合效應(yīng)，因此WIM系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)精度與靜態(tài)稱重相比存在差別。文獻(xiàn)[8]研究表明：車輛行駛過程產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷分為3類：車輛本身因素引起的動(dòng)態(tài)載荷、路面不平整度引起的動(dòng)態(tài)載荷以及車輛-地面耦合產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。

影響WIM稱重精度的因素主要包括：

(1) 車輛自身振動(dòng)。主要指車輛在行駛過程中發(fā)生的車身抖動(dòng)，加減速等不平穩(wěn)的行車狀態(tài)會(huì)加劇這一影響。

(2) 路面不平整度。路面不平整度相當(dāng)于在車輛通過WIM系統(tǒng)時(shí)輸入新的動(dòng)力激勵(lì)。

(3) 行車速度。行車速度影響車輛通過WIM系統(tǒng)的時(shí)間，在WIM系統(tǒng)工作時(shí)激勵(lì)荷載頻率變化。

(4) 稱重平臺(tái)寬度。當(dāng)汽車處于高速行駛狀態(tài)時(shí)，車輛停留在稱重平臺(tái)的時(shí)間減短，數(shù)據(jù)采集時(shí)間較少。

(5) WIM系統(tǒng)。當(dāng)前常用的WIM系統(tǒng)按照稱重傳感器的不同主要分為壓電石英、壓電薄膜及彎板3大類別。壓電石英與壓電薄膜稱重系統(tǒng)工作原理相同，即行駛車輛通過路面埋設(shè)的傳感器時(shí)傳感器受壓產(chǎn)生電位差，通過對(duì)電位差進(jìn)行前期標(biāo)定及捕捉后根據(jù)電位差大小計(jì)算傳感器受壓重量。彎板稱重系統(tǒng)通過在道路路面開挖并固定安裝底部帶有應(yīng)變類傳感器的彎板，當(dāng)車輛駛過稱重彎板時(shí)傳感器捕捉應(yīng)變類信號(hào)，進(jìn)而判定通過重量。一般而言，WIM系統(tǒng)稱重精度以壓電石英、壓電薄膜、彎板排序逐漸降低。在道路駕駛條件良好、駕駛?cè)苏ｑ{駛及系統(tǒng)運(yùn)行正常維護(hù)等條件下，這3類WIM系統(tǒng)稱重精度可達(dá)5%～20%。

(6) 其他因素。主要包括WIM系統(tǒng)后端信號(hào)采集分析功能、數(shù)據(jù)分析處理能力以及現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置方案優(yōu)化調(diào)整等因素。

WIM系統(tǒng)是一個(gè)與服役環(huán)境高度耦合的電子元件系統(tǒng)，上述稱重精度影響因素可在選取WIM系統(tǒng)最優(yōu)布設(shè)位置基礎(chǔ)上通過調(diào)整WIM系統(tǒng)軟件參數(shù)設(shè)置進(jìn)行有效補(bǔ)償，以提高WIM系統(tǒng)實(shí)際工作性。

2 WIM系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)自診斷

2.1 WIM系統(tǒng)校準(zhǔn)

以江蘇省車輛超載超限檢測(cè)地方規(guī)程(JSG L3-2013)為例，為保證一定工作效率，WIM系統(tǒng)稱重誤差按照稱重傳感器的不同規(guī)定有不同的檢測(cè)精度要求。為保證工作性能持續(xù)滿足要求，增加超載車輛識(shí)別效率，江蘇省地方規(guī)程規(guī)定WIM系統(tǒng)必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

WIM系統(tǒng)校準(zhǔn)工作主要通過已知靜態(tài)重量的砝碼車完成。砝碼車通過WIM系統(tǒng)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)值后與靜態(tài)重量對(duì)比，以對(duì)系統(tǒng)工作性能進(jìn)行診斷，并通過參數(shù)維護(hù)確保WIM系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)滿足精度要求。WIM系統(tǒng)校驗(yàn)校準(zhǔn)工作流程主要包括：

(1) 對(duì)系統(tǒng)零部件及工作性能進(jìn)行檢查。

(2) 獲取校準(zhǔn)砝碼車的靜態(tài)重量。

(3) 獲取砝碼車通行速度及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)值。

(4) 如果動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)值與砝碼車靜態(tài)重量存在偏差，則進(jìn)行WIM系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)直至系統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)值滿足精度要求。

2.2 數(shù)據(jù)自診斷的必要性

對(duì)WIM系統(tǒng)進(jìn)行定期校準(zhǔn)，以保證系統(tǒng)調(diào)試后一定時(shí)間內(nèi)稱重?cái)?shù)據(jù)精度能滿足要求。對(duì)于相鄰兩次系統(tǒng)校準(zhǔn)之間的時(shí)間區(qū)段內(nèi)系統(tǒng)工作性能是否能持續(xù)滿足測(cè)試精度要求沒有直接外部證據(jù)支撐。如果系統(tǒng)校準(zhǔn)出現(xiàn)工作性能明顯偏差異常的情況時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)是否可用存在更大疑慮。

針對(duì)WIM系統(tǒng)進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)是解決這一問題的有效途徑之一。但每天安排砝碼車進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)不僅經(jīng)濟(jì)成本大，而且對(duì)WIM系統(tǒng)所在線路上車輛的正常通行也存在較大影響。通過獲取合適的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)分析方法進(jìn)行系統(tǒng)工作性能實(shí)時(shí)診斷以確保系統(tǒng)持續(xù)滿足使用要求具有工程必要性。該文擬通過研究WIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征獲取系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)使用過程中的有效“靜態(tài)重量參考等效值”，對(duì)系統(tǒng)工作性能進(jìn)行評(píng)判，并根據(jù)評(píng)判結(jié)果調(diào)整WIM系統(tǒng)軟件參數(shù)提高稱重精度。

2.3 稱重校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取

通過對(duì)WIM系統(tǒng)設(shè)備調(diào)研、動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)處理分析及車輛幾何輪廓廣泛調(diào)研，得出以下結(jié)論：

(1) 六軸車首軸均重具有良好的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性。

(2) 其他軸數(shù)車輛出廠制造式樣較多，且車輛裝載重量對(duì)單一軸重均具有較大影響，車重及軸載變異范圍較大，不適宜作為稱重系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定性評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1為JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》給出的六軸車標(biāo)準(zhǔn)車型外輪廓。常見的六軸車由牽引車與半掛車組成，牽引車與半掛車通過連接鉸形成整體。連接鉸提供牽引力，釋放了連接位置的結(jié)構(gòu)抗彎剛度并可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 典型六軸車外輪廓(單位：cm)

針對(duì)牽引車受力特征進(jìn)行拆解，圖2為對(duì)應(yīng)牽引車重量相關(guān)參數(shù)示意圖。圖2中各個(gè)相關(guān)參數(shù)含義如表1所示，其中廠家裝備質(zhì)量與車輛型號(hào)相關(guān)，在后期車輛運(yùn)營(yíng)過程中為常量，該文計(jì)算分析不再重點(diǎn)關(guān)注。

某承包商通過招投標(biāo)方式承包了某高校教學(xué)樓工程，工程結(jié)構(gòu)類型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土肋梁式筏板，建筑規(guī)模為地上9層，地下1層，建筑高度37.8 m，總建筑面積13 830 m2，合同工期為2012年2月25日至2012年11月15日，合同價(jià)為2 462.7萬元。

圖2 牽引車受力分解

表1 計(jì)算參數(shù)

進(jìn)行以下計(jì)算假定：① 牽引車橋架沿車輛長(zhǎng)度方向剛度不變；② 計(jì)算模式1假定牽引車軸1～3提供強(qiáng)大的豎向支撐，計(jì)算圖示簡(jiǎn)化為剛性邊界支撐連續(xù)梁[圖3(a)]；③ 計(jì)算模式2假定牽引車軸1、軸2、軸3提供豎向彈性變形支撐，牽引車橋架抗彎剛度無窮大，計(jì)算圖示簡(jiǎn)化為彈性支撐剛性梁[圖3(b)]。

(1) 計(jì)算模式1

當(dāng)半掛車通過連接鉸傳遞的豎向荷載F有所不同時(shí)牽引車首軸豎向反力F1計(jì)算式為：

(1)

根據(jù)牽引車調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果，近似取a=2.4b，實(shí)際牽引車與半掛車連接鉸位置總處于第2軸與第3軸之間。

① 當(dāng)c=b或者0時(shí)，F(xiàn)1=0；

② 當(dāng)c=0.423b時(shí)，F(xiàn)1取最值-0.024F。

(2) 計(jì)算模式2

該模式下F1對(duì)應(yīng)計(jì)算式為：

(2)

① 當(dāng)c≥0.586b時(shí)，F(xiàn)1=0；

② 當(dāng)c=0時(shí)，F(xiàn)1=0.186F。

如圖4所示，根據(jù)牽引車統(tǒng)計(jì)平均調(diào)研結(jié)果，牽引車連接鉸與第2軸之間距離c近似取為0.25b，則式(1)、(2)計(jì)算結(jié)果為：計(jì)算模式1：F1=-0.02F；計(jì)算模式2：F1=0.10F。

實(shí)際牽引車受力情況介于計(jì)算模式1、2之間，F(xiàn)1變化量值在(-0.02F，0.1F)范圍以內(nèi)。在實(shí)際交通荷載情況下，由于車輛本身幾何構(gòu)造因素引起的，半掛車載重量對(duì)牽引車首軸重量影響較小。

考慮車輛行車速度、行車振動(dòng)、WIM系統(tǒng)測(cè)試誤差等偶然因素作用及車輛型號(hào)構(gòu)造差異的影響，六軸車首軸樣本數(shù)值分布范圍相對(duì)較廣，但統(tǒng)計(jì)均值收斂于某一穩(wěn)定數(shù)值。

圖4 牽引車代表品牌外觀

2.4 WIM系統(tǒng)工作性能實(shí)時(shí)診斷的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)WIM系統(tǒng)所在線路六軸車通行密度選取特定時(shí)長(zhǎng)或者特定數(shù)量作為周期滾動(dòng)計(jì)算六軸車首軸樣本均值，以對(duì)應(yīng)均值變化趨勢(shì)及相對(duì)變化幅度為依據(jù)判別系統(tǒng)工作性能是否穩(wěn)定，通過具體數(shù)值大小判別系統(tǒng)工作性能是否明顯異常。

3 計(jì)算示例

選取江蘇省某3處超限檢測(cè)站2014年10月六軸車原始稱重?cái)?shù)據(jù)。超限檢測(cè)站稱重系統(tǒng)包括WIM系統(tǒng)及靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)。WIM系統(tǒng)主要用于超載車輛預(yù)檢，3處站點(diǎn)均采用單車道3排石英稱重傳感稱重系統(tǒng)。靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)主要針對(duì)疑似超載車輛進(jìn)行靜態(tài)重量復(fù)核并以此結(jié)果為超載測(cè)量處罰依據(jù)。該文驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自于3處站點(diǎn)WIM系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)。驗(yàn)證數(shù)據(jù)選取遵循以下原則：

(1) 考慮到牽引車不同型號(hào)可能存在重量差別，選取同一車牌對(duì)應(yīng)稱重信息作為一組獨(dú)立數(shù)據(jù)分析。

(2) 為排除WIM系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性可能異常帶來的影響，驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔盡量靠近。

表2為獲取的同車牌六軸車車輛數(shù)據(jù)信息，每一輛車獲取的稱重?cái)?shù)據(jù)不少于3個(gè)。表中“車重比值”為該車所有整車WIM數(shù)據(jù)最大值與最小值的比值，“首軸重比值”為該車所有首軸WIM數(shù)據(jù)最大值與最小值的比值，“首軸變化量/車重變化量”為該車所有首軸WIM數(shù)據(jù)變化幅值與所有整車WIM數(shù)據(jù)變化幅值的比值。

表2 某3處超限檢測(cè)站車重?cái)?shù)據(jù)

由表2可以得出：

(1) 六軸車首軸重量增幅遠(yuǎn)小于整車車重增幅。

(2) 六軸車首軸重量增量遠(yuǎn)小于整車車重增量。

(3) 六軸車首軸重對(duì)整車裝載總質(zhì)量不敏感，其統(tǒng)計(jì)均值可作為WIM系統(tǒng)工作性能自診斷的依據(jù)。

以首軸重?cái)?shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行分析(圖5)，樣本數(shù)量為3 700個(gè)。由圖5可知：六軸車首軸重主要分布區(qū)間為[3.5 t,5.5 t]，且對(duì)應(yīng)數(shù)值具有明顯的分布單峰特征。

對(duì)站點(diǎn)所有首軸重樣本采用Gamma分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Pareto分布、Beta分布、指數(shù)分布、威布爾分布、極值I型分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)及假設(shè)檢驗(yàn)，極值I型分布擬合效果最好，對(duì)應(yīng)樣本均值與分布參數(shù)估計(jì)數(shù)值具有對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖6)。

圖5 六軸車首軸重散點(diǎn)圖

圖6 六軸車首軸重區(qū)間概率分布擬合

以站點(diǎn)2014年10月所有3 700輛六軸車首軸重量為樣本，計(jì)算其均值作為參考計(jì)算站點(diǎn)WIM系統(tǒng)工作性能。按照過車時(shí)間先后順序滾動(dòng)計(jì)算最近連續(xù)300輛六軸車首軸重量均值，如圖7所示。以對(duì)應(yīng)計(jì)算時(shí)刻300輛六軸車首軸重量計(jì)算均值與全部3 700輛六軸車首軸重量均重計(jì)算相對(duì)偏差數(shù)值。圖7顯示：站點(diǎn)六軸車首軸重均值連續(xù)處于平穩(wěn)狀態(tài)，連續(xù)300輛六軸車首軸均重滾動(dòng)計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏差數(shù)值均≤±6%，站點(diǎn)WIM系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

圖7 六軸車首軸重滾動(dòng)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論與展望

(1) 通過六軸車構(gòu)造形式推算了牽引車在連接鉸傳遞壓力作用不同裝載情況下首軸重量變化情況，并以江蘇省某3處超載超限檢測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明：六軸車首軸重具有良好的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，其統(tǒng)計(jì)均值可用于WIM系統(tǒng)工作性能評(píng)價(jià)。

(2) 以江蘇某站點(diǎn)六軸車首軸重作為樣本，通過概率分布擬合計(jì)算分析，對(duì)應(yīng)樣本極值Ⅰ型分布擬合效果良好，對(duì)應(yīng)樣本統(tǒng)計(jì)均值收斂于穩(wěn)定數(shù)值。

(3) 以江蘇某站點(diǎn)六軸車首軸重樣本計(jì)算為例，采用以六軸車首軸重均值作為校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行WIM系統(tǒng)工作性能自診斷的具體方法，結(jié)果表明該文診斷方法效果良好。