1 引言

傳統靜態稱重作為檢測公路車輛超載的方法，存在效率低、占地麵積大、移動不方便等缺點[1]，車輛行駛稱重技術（weigh inmotion，簡稱 WIM[2]）作為一種智能稱重技術得到了廣泛研究和迅速的發展。歐美發達國家幾十年前就開始了對車輛動態稱重技術的研究，稱重技術現已成熟並形成了相關的技術規範，我國在這方麵的研究起步較晚，但隨著動態稱重技術的發展，我國也會製定相關 WIM 技術標準和精度劃分標準。集成化應變式稱重係統是動態稱重係統的核心部分，其中偏載精度、動態響應特性直接決定整個動態稱重係統的工作性能與測量精度。因此如何提高稱重精度就成為當前動態稱重技術發展的關鍵。

2 高精度集成化稱重儀的結構設計

2.1 車輛動態稱重的影響因素及主要防範方法

被測的車輛以一定的速度 v 通過稱重板的時候。存在以下幾種影響稱重精度的運動：

（1）繞 X 軸的側傾，引起軸上的重量在同一輪軸上由一側車輪向另一側車輪上轉移或者在同一轉向架上重量從一邊向另一邊轉移。如果兩邊同時稱重，重量在兩個輪子間的分布不會影響到整個稱重的分布。

（2）繞 Y 軸的俯仰運動，俯仰表示重量從前軸轉移到後軸反之亦然。通常認為軸重法是將汽車先分軸測量，然後相加得到總重。然而這樣可能會引入相當大的誤差，這主要取決於車速和俯仰頻率之間的相互作用。例如，在前軸稱重瞬間，車的前端下俯，測量讀數較實際重量偏大；若某瞬間後軸在秤台上，車的後端恰好下俯，則測量讀數同樣偏大，因此簡單將兩個測量值相加的做法嚴格來說是不恰當的。

（3）繞 Z 軸的橫擺運動，橫擺表示水平麵內的運動產生的力，針對這個力可以選擇對水平力不敏感的稱重傳感係統，可在機械設計中保障這一點。假如水平力約束器保持水平，則作用在約束器上的力將不會產生垂直分力影響稱重係統。

（4）起伏表示沿 Z 軸的移動，即車輛的振動，也將影響重量讀數，因為它象俯仰那樣產生垂直的力，俯仰可以使車的前端或者後端重量讀數增大或者減少，Z 方向同時在兩端產生垂直力，因此這種效應也影響稱重的精度。很顯然這樣的運動直接影響重量讀數，因為它是垂直方向的作用力，是作用於稱重係統的作用力。

2.2 集成化稱重板的結構設計

首先規定板的方向，由於這裏設計的為一矩形板。板的長度方向是指與車速方向相平行的方向，寬度方向則是與車速方向垂直的方向。

一般而言，要求稱重板具有良好的彈性特性和穩定性，在長時間使用中溫度變化時候都應保證穩定的特性。在稱重板寬度設計時候經常考慮載重汽車最不利的情況即雙連軸並且雙輪胎情況，因此設計稱重板的寬度時候按照尺寸很大的雙輪胎斷麵寬度來考慮，根據實際載重車輪胎尺寸表 1 和如圖 3 所示雙連軸並且雙輪胎情況可以計算出雙輪胎寬度（包括兩輪胎之間距離）範圍為：843 mm≤Lmax雙輪寬≤1013 mm，取值為 1000mm。因此設計尺寸不宜過小，以適合稱量大尺寸輪胎的重型載重車；稱重板的長度通常是越長越好，這樣可以保證一定的測量精度，由於目前的技術發展，參考同樣功能的軸重測量係統，板子的長度設計值可以減少到 600 mm 以下，取值為 500mm。

一般在 500 mm≤L長度≤600 mm。綜合以上因素考慮稱重台板是用 25 mm 厚 35CrMnSiA 熱軋鋼板通過切削加工出一塊兩個寬度外緣形成凸起區、中間為厚度為 13mm 凹陷區的大型35CrMnSiA 合金板，這時 35CrMnSiA 合金板就成為一塊兩個寬度帶承力支承的板橋結構。這裏所設計的集成化稱重儀是由超靜定梁組成的集成化稱重傳感器，因此剪支梁在受載情況下可以找到其純剪切區域，然後就可以在純剪切區域內沿著 45°或 135°方向粘貼電阻應變片。

傳統的方法是根據材料力學計算可以確定中性層的位置，但是計算過於繁瑣，根據有限元分析可以非常簡便的確定中性層的位置及其周圍接近純剪切的區域（貼片的位置），中性層位置為應變符號相反兩區域之間的過渡區域，因此選擇了中性層及其中性層附近區域單元作為貼片單元，由主應力分析可知道，1 為受壓應變片，2 為受拉應變片。

稱重板貼片區域示意圖在稱重板的開槽區域采用集中貼片。可以知道貼片 1、3、5、7 為受壓片，貼片 2、4、6、8 為受拉片，將圖 6 中平分稱重板長度中心軸線對稱的槽的應變片按相同性質兩應變片串聯作為差動全橋的一個橋臂，拉壓橋臂組成差動全橋電路。

3 稱重質量計算方法

對於重量測量方案，采用積分平均法計算各輪載重量。通過采樣得到了輪胎動載荷信號。

采用積分平均方法。認為車輛通過秤台時作用力分為靜態分量和由各種諧波成分組成的動態分量兩部分，將各應變區的輸出總和，取一小段 L1，沿其長度 Seg（波峰的計算寬度，用觸發門檻確定了其寬度）積分，圖中陰影麵積除以長度 L1便得到接近於輪重的靜態分量。假設各應變區的電橋輸出電壓初值分別為 u10，u20，…，un0，載荷作用過後，各應變區的電橋輸出為 u1，u2，…，un。

式中：S—各差動全橋電路調節到一致的靈敏度，其物理意義為各應變區的輸出單位電壓需要施加的載荷；n—差動全橋電路的數量，u 的值反映了載荷的大小。此方案的計算結果有很高的精度。

4 計算模型與算法

動態稱重精度不僅與稱重係統本身的結構有關，還受其他各種因素的影響：如車輛載重、車輛通過速度、板簧結構和車輛振動等，通過改善稱重係統硬件設施，可減小稱重誤差；在相同的硬件條件下，一種成功的算方法能在很大程度上提高動態稱重精度[4]。

提出了結合 BP 神經網絡的算法：主計算模型的計算值G軍對WIM 係統計算輸出值 G 的貢獻起到主導作用，而 BP 神經網絡修正模型的輸出值△G 將對計算輸出值 G 起到修正作用，以提高係統的測量精度，計算模型如圖 11 所示。

因此，數學模型可表示為：G=G+△G，G=f_k（U）  （2），（3）

△G=f_ANN (U,v,P₀,τ,C, T)           （4）

式中：f_k—各路的電壓輸出 U 與主計算值G軍之間的函數；f_ANN—經過訓練得到的 BP 神經網絡函數；U，v，τ，C—上邊采用積分平均法計算出來的集成化稱重板的電壓取值，車速、輪胎參數、係統剛度。

在訓練時，將 U，v，τ，C 作為網絡的輸入，G₀-G（G₀為通過地磅測得的靜態稱重值）作為網絡的輸出（訓練目標值）。利用從試驗中得到的有效數據對網絡進行訓練與驗證後，即可用於預測計算。

5 實驗結果分析

根據試驗，對模型的算法進行了驗證，表 2 中數據為在船山礦石場做實驗所得，測量時將動態稱重係統置於汽車到達地磅之前的一段距離內（約 10m），車輪靜態質量由地磅標定（誤差為±20%kg），測得車輛左前（後）輪的質量與靜態質量對比，如表 2 所示。從表 2 可以看出，車速在 5km/h 以內，由稱重儀測得的輪重精度較高，控製在 3%以內。目前我國尚無相關的動態稱重的法規和標準，本稱重儀滿足美國材料與試驗協會（ASTM）IV 類 WIM 係統的要求，可用於交通數據采集、汽車總質量檢查[6]。

6 結論

建立了高精度積分平均新方法求解稱重質量並且結合 BP 神經網絡的計算模型及算法，通過對硬件與軟件的改善，稱重精度達到了 ASTMIV 類的要求。所設計的 WIM 稱重係統精度高、稱重台麵低、質量輕、便於攜帶，可用於交通數據采集、汽車過載檢測。

參考文獻

［1］James G.The oregon DOT slow-speed weigh-in-motion（SWIM）project

［R］.TheOregonDepartmentofTransportation，1998.

［2］BerganaAT，NormLindgrenb，CurtisBerthelot.Preservinghighwayinfras tructure using weigh-in-motion （WIM）［R］.Transportation Research News，1998：2-8.

［3］樊麗輝.車輛動態稱重技術［J］.中南汽車運輸，1998（2），30（5）：5-7.

［4］魏魯原，伍斌，崔霞.動態稱重係統的設計［J］.自動化儀表，2002，23（8）：34-37.

［5］Jacob B.Assessment for the accuracy and classification of weigh -in -motion systems: Part 1 statistical and background. Heavy vehicle systems［J］.A series of the international journal of vehicle design，2000，7（2/3）:136-152.

［6］Luo Yan，Cheng Zhibing，Su Qingzu，Research on Weigh -In -Motion System Using High-pressure Oil Pipe［J］.the 2004 SAE World Congress，PaperNo.:04AE-19，2004.

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