基于动态称重公路车辆实时监控系统的设计与实现

获取实时可靠的交通信息是发展智能交通系统(ITS) 的基础。 本文报道了一种结合动态称重(WIM)技术，在车辆正常行驶中，测量车辆的轴载荷和其它交通数据的自动化系统，详细介绍了该系统的组成、工作原理、关键技术及软件设计。 测试结果表明，系统所获取的交通信息全面、可靠，方便实现对公路车辆的实时监控和动态管理。

0.引言

智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称 ITS) 是通过对信息、通信、控制、传感器和系统集成等先进技术的综合运用，来实现出行者、运载工具和交通设施之间的有效协调，其对于缓解城市交通拥堵、提升交通的运营和管理水平、增强交通运输的社会服务能力， 都具有十分重要的促进作用。 智能交通已成为当前国际道路交通和运输科技发展的前沿技术，也是 21 世纪我国交通运输发展的重要方向。

文献中对 ITS 有这样一段描述:“ 不论是静态或实时的交通数据或是数据地图，信息是 ITS 技术的核心。 许多 ITS 工具是以信息的收集、处理、集成和提供为基础的。 ITS 产生的数据可以通过网络提供当前状态的实时信息或为旅行规划服务的在线信息，使得公路管理部门和机构、道路运营商、公共交通和商业运输提供商以及个体出行者制定出有更好的信息支撑的、更安全的、更协调和更聪明的决策或更灵活的运输网络应用。” 可见，如何获取实时可靠的交通信息一直是 ITS 研究的核心内容，对 ITS 的发展更是有着举足轻重的作用。

公路车辆动态称重( Ｈighway Vehicle Weight-in-Motion，简称 WIM) 是一项在车辆运动状态下获取车辆轴载荷及总载荷的先进技术，其作为 ITS的一个重要组成部分，已经引起了国内外的普遍重视，并且得到了初步应用。

综合以上情况，我们设计了一种基于 WIM 的公路车辆实时监控系统。 该系统可在不影响现有车辆通行效率的前提下，自动检测各种车速条件下所有通过车辆的信息参数，并建立有效的数据管理、汇总及分析平台，从而实现对公路车辆的实时监测与动态管理。

1 系统组成及工作原理

1． 1 系统组成

基于 WIM 的公路车辆实时监控系统主要由地面传感装置、数据采集处理中心、数据远程传输装置、终端管理中心及系统软件等组成，其中地面传感装置包括石英压电传感器、车辆轮数传感器、环形线圈三部分，具体如图 1 所示。

1． 2 工作原理

于监测点所在的路段敷设地面传感装置，并在现场为其建立数据采集处理中心。 当车辆正常行驶通过地面传感装置时，石英压电传感器负责拾取所有车轮对路面的冲击载荷等信息，进行机－ 电能量转换；车辆轮数传感器仅拾取单侧车轮与传感器横向接触宽度的信息， 同样也进行机－ 电能量转换；车辆通过环形线圈会引起线圈回路电感量的变化，依此来分离连续通过的相邻车辆，为被测车辆建立一个独立完整的信息。

针对以上传感器和环形线圈所输出的三种信号，数据采集处理中心首先通过信号处理器或专门的设计电路，分别将其转化为模拟电量，接着利用数据采集卡对已处理信号进行实时、连续采集，然后经过数据采集软件一套复杂的处理流程，最终给出被测车辆包括轴载荷、车速、车长等在内的诸多信息参数。

由数据采集处理中心生成的车辆基本信息，将通过有线或无线传输装置实时传送至终端管理中心，其中系统管理软件将对接收到的车辆信息作进一步整合，并建立高效、可靠的数据管理与服务平台。 用户通过系统管理软件来实现对整个系统的全面管理。

1． 3 检测数据

本系统检测数据全面，配合车牌识别装置，可获得轴载荷、总载荷、轴型、轴间距、总轴距、轴数、车型、车长、车牌号、通过速度、通过加速度、通过时间、通过车道、违例( 超重、超速) 等 1４ 项车辆信息参数，其中绝大多数来源于石英压电传感器的信号。

2 关键技术的实现

本系统的设计立足于 WIM 技术，而系统动态称重功能的实现则主要依赖于核心硬件传感器的开发以及动态称重轴载计算方法的研究。

2． 1 石英压电传感器

2． 1． 1 压电材料的选择

本传感器选用石英晶体片作为压电材料，该材料具备固有频率高、动态特性好等特点，因此利用石英压电材料制作的传感器在动态测量方面具有其它材料所不能比拟的优良性能。

2． 1． 2 结构设计

本传感器的传力板和承力板均为整体结构，并为刚性金属构件；它们之间置有均匀分布的压电元件和传力片；压电元件和传力片外侧设有绝缘套和屏蔽定位环，绝缘密封层将其余空间填满；预紧螺栓将传力板、承力板以及置于它们之间的压力感应单元联结， 它既是传力板和承力板的结构连接部件，又构成了压力感应单元的预紧装置；定位环将传力板和承力板准确定位并防止水平方向位移。

本传感器上表面、 下底面宽度分别为 50mm、100mm，单根长度有 750mm 和 900mm 两种规格，可避免因传感器长度过长所产生的加工难度及精度等问题。 实际安装时可将多根传感器按横向、紧密排列方式进行组合，来覆盖整个车道宽度，以做到对正常通过车辆无漏检。

2． 2 车辆轮数传感器

车辆轮数传感器可分辨出通过车轮所属车轴为双轮轴还是四轮轴，这为轴类型的详细判别提供了有力手段。 若无该传感器的检测，轴类型的分类仅能停留在根据轴距分为单轴、双连轴、三连轴的粗略水平上。

本传感器的工作原理仍然为压电效应，但采用其它压电材料，在动态测量方面则同样具有优良的

性能。 其结构设计与石英压电传感器相似，单根长度为 1200mm。 一根传感器可以满足一个车道的检

测，对正常通过车辆无漏检。 在设计上与其它同功能的传感装置相比，本传感器表面采用无触点式设计，安装后与路面齐平，不会给在公路上正常行驶的车辆造成任何安全隐患。

2． 3 轴载计算方法

动态称重时，车轮通过称重装置的时间很短并且有很多的干扰因素，如车速、车辆自身谐振、路面激励等[3] 。 因此，如何准确测出真实轴重就成为动态称重系统的技术难点和关键。 目前车辆动态称重数据处理方法主要有以下几种:滤波法、积分法、经验模态分解( EMD) 方法和模型参数估计等。其中积分法精度相对较高，但需大量的数据才能保证精度，这也是提高车辆通过速度时，测量精度就无法保证的原因所在 。

本系统所设计的石英压电传感器固有频率≥ 50kＨz，动态响应快，即使车辆以极高的速度通过，传感器仍能充分拾取车轮对路面的冲击载荷等信息。 由冲击力转化的电荷量进入专门的信号处理器经过变换、适调、低高通滤波、放大等处理后，输出的模拟电信号已抑制、 消除了绝大部分外部干扰。 选用的采集卡具有 12 位 A / D 转换器，对单个车道的信号采样频率通常为 50kＨz 甚至更高，输出信号进入采集卡后转化为高精度的数字信号，并为后续的轴载计算提供大量数据。

通过大量的试验、数据回归及反复验证，本系统形成了一套优良的动态称重轴载计算方法。 该方法首先对采集数据进行积分， 然后代入经验公式，再对计算结果进行速度等修正，从而得到车辆的准确轴载。 经试验证明，该方法在动态称重轴载计算方面具有较高的精度，且简便易行。

3 系统软件设计

3． 1 设计总述

系统软件的开发工具为 Visual C + + 6． 0，软件后台采用 Microsoft Access 2000 数据库，操作系统采用 Windows 2000。 软件由两部分组成:数据采集和系统管理。 整个软件采用 C / S( Client / Server) 架构

设计，客户端是数据采集软件，服务器是系统管理软件，两者之间的通信采用 SOCKET 通信协议。 服

务器统一控制管理多个客户端，而一个客户端可以负责某个现场一个或多个车道的车辆检测。 软件系统的具体结构与流程见图 2。

软件采用 C / S 结构，分为两个程序进行单独设计，主要是为了提高数据的采集与处理能力，同时也满足了远程监控管理的需要。

3． 2 数据采集软件

3． 2． 1 设计要求数据采集软件位于现场的数据采集处理中心，负责原始数据的采集、车辆基本信息的生成及发送等。 考虑车辆通过地面传感装置的情况复杂、车流量大、监测点无人看守等因素，从设计上要求数据采集软件必须能正确、高效地处理数据并能保证长期稳定可靠地运行，而这也是保证整个系统所获取

的数据真实可信、运行稳定可靠的前提和基础。3． 2． 2 详细设计

如图 2 客户端中，数据采集模块连续从采集卡中读取数据至内存；数据处理模块对读取到内存的数据进行处理，辨别并提取代表石英压电传感器车轮信号的有效数据；计算车辆轮数模块负责判断通过车辆轮数传感器的单侧车轮是单轮胎还是双轮胎；每当一辆车完全通过地面传感装置后，车辆分离模块立即向数据处理模块和计算车辆轮数模块发送一信号量，两模块收到该信号量后，首先将之前的各自数据合并，再打包发送给整合车辆信息模块；整合车辆信息模块对接收到的数据包进行一系列复杂运算，最终得到被检测车辆的轴载荷、速度、

通过时间等基本信息；网络通信模块将生成的车辆基本信息通过有线或无线网络以 SOCKET 通信方

式实时发送给服务器。 另外，参数配置模块主要实现系统参数的设定与修改；车辆数据监控模块负责车辆信息的界面显示、 系统日志文件的生成及保存，以方便需要时了解客户端的运行状况。

客户端数据采集软件的核心是数据采集、数据处理及整合车辆信息三个模块，这部分采用多线程技术编程，大大提高了软件的执行效率。

另外，本系统选用的数据采集卡具有 32 个模拟输入通道，最高 800kＨz 的采用频率，因此通过单个

采集卡采集多个车道的信号在硬件方面是完全具备条件的。 数据采集软件配合采集卡，通过合理设计，实现了一个客户端控制一个或多个车道的车辆

检测，在提高系统集成度的同时大大降低了系统成本。

3． 3 系统管理软件

3． 3． 1 设计要求

系统管理软件是本系统提供给最终用户的人机接口，系统用户通过它来管理整个系统。 因此软

件在设计上要求界面友好、操作方便、简单易学。3． 3． 2 详细设计

本软件在风格上不采用传统的 MFC 程序样式，去掉传统的菜单选项、工具栏、状态栏以及视图主框架的边框显示。 采用的是单文档多视图结构，但视图切换的方式同样并没有采用 MFC 框架设定的切分窗口或者菜单选项等方法，而是自行设计了消

息响应函数来进行不同视图之间的切换。 将控制视图切换的功能模块放入 CMainFrame 类中，便于整

体的控制。 利用 Doc-View 结构决定的文档与视图的关系，即视图中显示文档数据的部分随着文档数据的改变而改变，将多个视图———实时车辆监控页面、车辆信息查询页面、交通流量统计页面以及系统参数配置页面等通过指针关联到同一个文档，从

而实现了数据共享以及相应视图的显示，节省了存储空间[5] 。

如图 2 服务器中，网络通信模块主要负责接收来自客户端的车辆基本信息，向客户端发送相关控制指令等；实时车辆监控模块除进一步整合车辆基本信息，形成该车辆如总载荷、车型等详细参数外，还负责刷新界面显示车辆信息， 往数据库保存数据，实时或定时向上级主管部门指定服务器传送数据，对超载、超速等违法车辆进行筛选并预警等；车辆信息查询模块通过访问数据库进行各种统计条件下车辆信息的详细查询，并显示查询结果；交通流量统计模块通过访问数据库，对各种条件下的交通流量分布进行统计；查询或统计结果可以图形或报表形式打印输出。 另外，参数配置模块主要实现系统参数的设定与修改，该模块具有用户登录、密

码权限管理等安全功能。

数据库连接采用 DAO 方式，利用 SQＬ 语句实现查询，并对数据库进行了加密，使数据库不能被

随意打开或修改数据，保证了检测数据的客观公正性。 为满足系统大容量存储需求，车辆信息按月划分保存在不同的数据库文件中。

４ 系统性能测试

本系统已在交通部公路交通试验场国家 ITS 中心示范道路上进行了安装和应用。 长期测试结果表明，系统性能良好，运行稳定可靠，在不同季节及各种恶劣天气下，系统功能及所获得的各项车辆信息参数均满足系统设计时的预期目标。 系统的主要技术参数指标如表 1 所示。

5 结论

本文提出的基于 WIM 的公路车辆实时监控系统，可在车辆正常行驶过程中，瞬间完成其各项交通数据的检测。 本系统所获得的交通信息全面、可靠，而且具有足够的精度。 因此，系统的广泛应用，将为公路交通的现代化管理和利用公路交通信息服务社会公众提供有力的技术支持，同时对公路的

规划、设计、施工、运营、养护、执法和投资具有重要意义。