基于粗糙集的分体错位式动态汽车称重系统研究

王文逾

(山西省自动化研究所,太原 030012)

目前,我国高速公路业正处在产业的扩张期,公路的维护保养至关重要。我国每年因超载产生的额外道路维修保养费用就高达几百亿元,因称重系统精度达不到标准导致超载车辆流失的路桥通行费、养路费更是无法计算[1]。

国内绝大多数正在使用的动态称重系统都是基于路面的动态称重系统,这种系统把传感器安装在路面上或嵌入到路表面用于测量车辆以一定速度经过传感器时的轴载,主要分为弯板式称重系统、单传感称重系统和压电传感器称重系统[2]。弯板式动态汽车称重系统不适用于广场入口,应变片形变恢复时间短,造成称重数值偏差大或经常被压的几组应变片劳损过度,雨雪天气使应变片易受潮影响弯板的形变,使用成本高[3]。单传感称台式在30 km/h以上速度计量精度误差较大,因为称台较大,可变因素多,而且不宜安装在坡度≥2%的位置;安装时基坑开挖深,养护期长;车辆跳秤,S型过秤,造成称量精度下降。

因此研制一种维护方便、遏制跳秤、克服车辆S型过秤、提高整体称量精度的是当前亟待解决的技术问题[4]。本文开发了基于粗糙集的分体错位式动态汽车称重系统能很大程度上遏制跳秤,根本上克服车辆S型过秤,提高整体称量精度,有利于超载限行的检测,为高速公路养护和管理节约大量资金。

1 高速公路计重收费系统

计重收费系统是由一组安装好的承载器和电子装置组成的独立于现有收费系统之外的专门提供车辆信息的机电系统,通过数据处理器与收费计算机进行数据交换。系统由承载器(含传感器)、车辆分离器、检测线圈、轮轴识别器、室外控制机柜等组成[2]。系统示意图如图1所示。

图1 系统示意图

计重系统设备结构如图2所示。当车辆行使经过承载器后,称重传感器将所承受的压力信号按一定比例转换成电压信号后发送到数据处理器,数据处理器对模拟信号采样,并对采样结果做数字滤波处理,计算后得到轴重量发送到缓冲区;车辆驶离承载器后,继续前行碾压轮轴检测器,轮轴检测器通过判断被压传感器个数确定轮胎宽度,通过轮胎宽度得出轮胎个数信息;数据处理器通过检测车轴距离确定轴组个数;车辆分离器提供分离车辆信号,所有信息传输给车道收费计算机,收费计算机按照计重收费标准计算车辆的计重收费金额,并进行收费和车辆放行[5]。

车辆整车重量检测的实现：车辆通过承载器的每一轴重量都暂存在数据处理器中,车辆完全驶离承载器后,车辆分离器送来收尾信号,数据处理器将各轴重量相加得出整车重量[5]。

图2 工作原理图

车辆轴重检测的实现：车辆的轴重是通过承载器的称重传感器直接测得,但是要根据秤台上4路传感器信号的差异判别车辆的行使方向和速度,用存储于下位机中的有关参数进行修正,得出最接近真值的数据,当车辆在承载器台面上停顿时则需等该轴完全驶下承载器时再对数据进行处理和传输。

2 粗糙集理论

“知识”在粗糙集理论中被定义为根据对象自身的特征属性对对象进行分类的能力。任何一个物种(或对象)都能由“知识”来进行描述,根据这些知识可以对它们进行分类。对象用其自身特有的属性集合来表示,分类则用来产生概念[6]。论域可以按照不同对象自身的特有属性分成不同的类,具有相同特征属性的知识构成基本集,其元素就具有不可分辨性,基本集是构成知识的模块,使知识具有粒状结构与层次性。

定义：U为全体对象的集合称为论域,称论域U上的子集为U上的概念,约定φ也是一个概念,概念的族集称为U上的知识;U上知识(分类)的族集构成关于U的知识库,也就是说,知识库是分类方法的集合。知识库也被称作近似空间[7]。

近似空间对应U的一个划分,所以近似空间形成关于论域U的知识。

2.1 等价关系与粗糙集

粗糙集从模式分类的观点来描述知识,通过不可分辨的等价关系,将知识空间划分为不同的模式等价类,从而将知识空间表示为粒状结构。

令子集X⊆U,R是对论域U进行划分的一个等价关系,定义：划分

式中：i≠j,i,j=1,2,…,n.

2.2 决策表与值约简

粗糙集进行数据分析时有些条件属性是多余的,去除这些属性不会影响原来的分类效果。通常会进行属性约简、规则提取、值约简、决策规则的极小化等一系列处理类似于属性约简(针对全体论域),对某一对象来说,并非所有的属性都是必要的,因此有值约简问题,有的文献称之为规则约简。对于信息系统K=(U,R),如R是等价关系族,另有P⊆R,Q⊆P,定义对象xi的值约简r i：

式中：∀P⊆R,Q⊆P。xi是与关系P相关对象xi的属性值。如某属性是不可约去的,则称该属性对xi是必要的;否则,是不必要的。

3 基于粗糙集的分体错位式动态汽车称重系统

3.1 分体错位式称台

分体错位式就是将传统的一块称台板设计成大小为原板二分之一的两块称台板,传感器由4路变为8路,并将两个称台前后错位放置安装,安装后的效果图如图3所示。

图3 分体错位安装效果图

本系统称台尺寸为1 750 mm×700 mm采用分体式结构错位安装,吸取了弯板和称台式的优点,既能满足0～20 km/h的高精度特性,也能满足20～60 km/h的输出灵敏度特性,能很大程度上遏制跳秤,并且满足计量部门的鉴定规程要求。称台使用特殊的合金材料,解决了非周期性交变应力产生的疲劳损伤问题,从而大大提高使用寿命。使用寿命：大于3 000万轴次,平均无故障时间大于30 000 h。

称重台安装方式与弯板相同,开挖150 mm,用环氧树脂灌注成型快,两天即可过车,固定在地面上,减小了车速快对秤体本身冲击造成的形变误差,大大的提高了称量精度。称台分体结构,采用8路传感器分成4组,仪表进行分组计算,通过对数据采集器中的称量算法进行改进,增加了对车辆过秤时作弊行驶的自动判断和补偿精准度,没有偏载现象,从根本上克服了车辆跳秤、扭秤,提高了整体称量精度。

3.2 基于粗糙集的称重算法

在过程控制领域,粗糙集理论被应用于控制算法中的优点是简单迅速、实现容易,不需要进行模糊化和去模糊化。粗糙集理论用于动态汽车称重系统能够有效地对车辆过秤时作弊行驶的信号进行动态约简处理和精准度补偿,具体算法流程图见图4。

基于粗糙集的动态称重算法对车辆过秤时作弊行驶的进行动态约简处理和精准度补偿,可以有效消除偏载现象,提高了整体称量精度,达到精度指标如下：静态称重精度Ⅲ级;动态称重精度动态2级;无横向一致性误差;符合中华人民共和国国家计量检定规程JJG-907-2006;单轴额定载额30 t;最大过载能力150%;称重传感器防护等级IP68。

4 结论

图4 算法流程图

本系统吸取了弯板式称台的优点,称台采用分体式结构错位安装,采用8路传感器分成4组,仪表进行分组计算,能很大程度上遏制跳秤,完全避免了横向一致性误差。提出了一种基于粗糙集的动态称重算法,对车辆过秤时作弊行驶的特征数据进行动态约简处理和精准度补偿,可以有效消除偏载现象,提高了整体称量精度。称重检测的速度范围扩大,能够有效缓解因称重造成的交通阻塞,能够适应大容量的交通荷载的称量。本系统不仅有利于治理车辆超载,同时对于公路的设计、建造、运营、管理、养护等方面具有重要的意义。

[1] 神英龙,尹征琦.动态称重技术在治理超限超载中的应用[J].交通科技,2006,1：73-75.

[2] 张文斌.公路车辆动态荷载测量及车型分类技术的研究[D].哈尔滨工业大学.2009.

[3] 樊旺日.提高动态汽车衡称重精度的算法设计与实现[J].自动化技术与应用,2010,7：47-50.

[4] 李维来,潘建军,朱莉.光纤光栅汽车衡动态模型参数估计称重算法[J].武汉理工大学学报2008,2：140-142.

[5] 凌杰,龙水根.优化算法在汽车动态称重系统中的应用[J].西安公路交通大学学报,2001,21(3)：77-79.

[6] 张瑜,熊红云.基于粗糙集的动态称重系统知识维护[J].计算机工程与科学,2008,10：150-152.

[7] 王国胤,姚一豫,于洪.粗糙集理论与应用研究综述[J].计算机学报,2009,32(7)：1229-1246.

[8] 张奕敏,胡荣强,李涛.多传感器数据融合技术在车辆动态称重中的应用[J].仪表技术,2009,2：60-62.