基于粗糙集的分體錯位式動態(tài)汽車稱重系統研究

王文逾

(山西省自動化研究所,太原 030012)

目前,我國高速公路業(yè)正處在產業(yè)的擴張期,公路的維護保養(yǎng)至關重要。我國每年因超載產生的額外道路維修保養(yǎng)費用就高達幾百億元,因稱重系統精度達不到標準導致超載車輛流失的路橋通行費、養(yǎng)路費更是無法計算[1]。

國內絕大多數正在使用的動態(tài)稱重系統都是基于路面的動態(tài)稱重系統,這種系統把傳感器安裝在路面上或嵌入到路表面用于測量車輛以一定速度經過傳感器時的軸載,主要分為彎板式稱重系統、單傳感稱重系統和壓電傳感器稱重系統[2]。彎板式動態(tài)汽車稱重系統不適用于廣場入口,應變片形變恢復時間短,造成稱重數值偏差大或經常被壓的幾組應變片勞損過度,雨雪天氣使應變片易受潮影響彎板的形變,使用成本高[3]。單傳感稱臺式在30 km/h以上速度計量精度誤差較大,因為稱臺較大,可變因素多,而且不宜安裝在坡度≥2%的位置;安裝時基坑開挖深,養(yǎng)護期長;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前亟待解決的技術問題[4]。本文開發(fā)了基于粗糙集的分體錯位式動態(tài)汽車稱重系統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,為高速公路養(yǎng)護和管理節(jié)約大量資金。

1 高速公路計重收費系統

計重收費系統是由一組安裝好的承載器和電子裝置組成的獨立于現有收費系統之外的專門提供車輛信息的機電系統,通過數據處理器與收費計算機進行數據交換。系統由承載器(含傳感器)、車輛分離器、檢測線圈、輪軸識別器、室外控制機柜等組成[2]。系統示意圖如圖1所示。

圖1 系統示意圖

計重系統設備結構如圖2所示。當車輛行使經過承載器后,稱重傳感器將所承受的壓力信號按一定比例轉換成電壓信號后發(fā)送到數據處理器,數據處理器對模擬信號采樣,并對采樣結果做數字濾波處理,計算后得到軸重量發(fā)送到緩沖區(qū);車輛駛離承載器后,繼續(xù)前行碾壓輪軸檢測器,輪軸檢測器通過判斷被壓傳感器個數確定輪胎寬度,通過輪胎寬度得出輪胎個數信息;數據處理器通過檢測車軸距離確定軸組個數;車輛分離器提供分離車輛信號,所有信息傳輸給車道收費計算機,收費計算機按照計重收費標準計算車輛的計重收費金額,并進行收費和車輛放行[5]。

車輛整車重量檢測的實現：車輛通過承載器的每一軸重量都暫存在數據處理器中,車輛完全駛離承載器后,車輛分離器送來收尾信號,數據處理器將各軸重量相加得出整車重量[5]。

圖2 工作原理圖

車輛軸重檢測的實現：車輛的軸重是通過承載器的稱重傳感器直接測得,但是要根據秤臺上4路傳感器信號的差異判別車輛的行使方向和速度,用存儲于下位機中的有關參數進行修正,得出最接近真值的數據,當車輛在承載器臺面上停頓時則需等該軸完全駛下承載器時再對數據進行處理和傳輸。

2 粗糙集理論

“知識”在粗糙集理論中被定義為根據對象自身的特征屬性對對象進行分類的能力。任何一個物種(或對象)都能由“知識”來進行描述,根據這些知識可以對它們進行分類。對象用其自身特有的屬性集合來表示,分類則用來產生概念[6]。論域可以按照不同對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構成基本集,其元素就具有不可分辨性,基本集是構成知識的模塊,使知識具有粒狀結構與層次性。

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

近似空間對應U的一個劃分,所以近似空間形成關于論域U的知識。

2.1 等價關系與粗糙集

粗糙集從模式分類的觀點來描述知識,通過不可分辨的等價關系,將知識空間劃分為不同的模式等價類,從而將知識空間表示為粒狀結構。

令子集X?U,R是對論域U進行劃分的一個等價關系,定義：劃分

式中：i≠j,i,j=1,2,…,n.

2.2 決策表與值約簡

粗糙集進行數據分析時有些條件屬性是多余的,去除這些屬性不會影響原來的分類效果。通常會進行屬性約簡、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(針對全體論域),對某一對象來說,并非所有的屬性都是必要的,因此有值約簡問題,有的文獻稱之為規(guī)則約簡。對于信息系統K=(U,R),如R是等價關系族,另有P?R,Q?P,定義對象xi的值約簡r i：

式中：?P?R,Q?P。xi是與關系P相關對象xi的屬性值。如某屬性是不可約去的,則稱該屬性對xi是必要的;否則,是不必要的。

3 基于粗糙集的分體錯位式動態(tài)汽車稱重系統

3.1 分體錯位式稱臺

分體錯位式就是將傳統的一塊稱臺板設計成大小為原板二分之一的兩塊稱臺板,傳感器由4路變?yōu)?路,并將兩個稱臺前后錯位放置安裝,安裝后的效果圖如圖3所示。

圖3 分體錯位安裝效果圖

本系統稱臺尺寸為1 750 mm×700 mm采用分體式結構錯位安裝,吸取了彎板和稱臺式的優(yōu)點,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,并且滿足計量部門的鑒定規(guī)程要求。稱臺使用特殊的合金材料,解決了非周期性交變應力產生的疲勞損傷問題,從而大大提高使用壽命。使用壽命：大于3 000萬軸次,平均無故障時間大于30 000 h。

稱重臺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。稱臺分體結構,采用8路傳感器分成4組,儀表進行分組計算,通過對數據采集器中的稱量算法進行改進,增加了對車輛過秤時作弊行駛的自動判斷和補償精準度,沒有偏載現象,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

在過程控制領域,粗糙集理論被應用于控制算法中的優(yōu)點是簡單迅速、實現容易,不需要進行模糊化和去模糊化。粗糙集理論用于動態(tài)汽車稱重系統能夠有效地對車輛過秤時作弊行駛的信號進行動態(tài)約簡處理和精準度補償,具體算法流程圖見圖4。

基于粗糙集的動態(tài)稱重算法對車輛過秤時作弊行駛的進行動態(tài)約簡處理和精準度補償,可以有效消除偏載現象,提高了整體稱量精度,達到精度指標如下：靜態(tài)稱重精度Ⅲ級;動態(tài)稱重精度動態(tài)2級;無橫向一致性誤差;符合中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG-907-2006;單軸額定載額30 t;最大過載能力150%;稱重傳感器防護等級IP68。

4 結論

圖4 算法流程圖

本系統吸取了彎板式稱臺的優(yōu)點,稱臺采用分體式結構錯位安裝,采用8路傳感器分成4組,儀表進行分組計算,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態(tài)稱重算法,對車輛過秤時作弊行駛的特征數據進行動態(tài)約簡處理和精準度補償,可以有效消除偏載現象,提高了整體稱量精度。稱重檢測的速度范圍擴大,能夠有效緩解因稱重造成的交通阻塞,能夠適應大容量的交通荷載的稱量。本系統不僅有利于治理車輛超載,同時對于公路的設計、建造、運營、管理、養(yǎng)護等方面具有重要的意義。

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