基于雙秤臺(tái)電子汽車衡的車輛動(dòng)態(tài)稱重算法研究

針對(duì)雙秤臺(tái)電子汽車衡的車輛動(dòng)態(tài)稱重進(jìn)行了算法研究，提出了先使用小波變換對(duì)稱重信號(hào)濾波預(yù)處理，使用專家系統(tǒng)識(shí)別車輛軸型，用車軸的速度計(jì)算加速度，zui后依據(jù)雙秤臺(tái)傳感器稱重信號(hào)速度信加速度信號(hào)以及車輛軸型組建BP網(wǎng)絡(luò)模型，利用BP網(wǎng)絡(luò)算法良好的自我學(xué)習(xí)能力，對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到了一定的動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量精度，取得了較好的效果.

一、引言

雙秤臺(tái)電子汽車衡由于其稱量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)，汽車通過(guò)秤臺(tái)時(shí)，其作用在秤臺(tái)上的力除了真實(shí)軸重外，還有很多因素產(chǎn)生的干擾，如車速、車輛自身諧振、路面不平、輪胎驅(qū)動(dòng)加速等。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究分析發(fā)現(xiàn)，軸重信號(hào)的噪聲有高頻部分和低頻部分，利用小波變換算法消除高頻干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪預(yù)處理，針對(duì)低頻噪聲干擾，利用BP網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行濾波，理論上講，對(duì)于同一種的車型利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)，只要采集足夠多足夠全的稱重?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)樣本訓(xùn)練總是可以找到一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型計(jì)算出車輛的重量。

針對(duì)實(shí)際情況中都是不同軸型的車輛過(guò)秤，本文提出引進(jìn)可以識(shí)別軸型的專家系統(tǒng)，對(duì)于不同軸型的車種使用改進(jìn)后的BP網(wǎng)絡(luò)模型濾波，zui終車輛的重量更加接近真實(shí)值。

二、小波變化濾波預(yù)處理

1.雙秤臺(tái)電子汽車衡

如圖1所示，雙秤臺(tái)動(dòng)態(tài)電子汽車衡有2個(gè)秤臺(tái)、8只稱重傳感器，2只傳感器并聯(lián)為一組可采集4路車輛軸重信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行濾波預(yù)處理。

2.濾波預(yù)處理

小波變換對(duì)于非平穩(wěn)的小區(qū)域噪聲信號(hào)具有很好的濾波作用，同時(shí)動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中的噪聲頻段分布明確，因此，信號(hào)中的尖峰和突變能得到很好的處理，從而實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)信號(hào)的消噪。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，軸重信號(hào)可分5層高頻濾波，軸重信號(hào)小波分解樹示意圖見圖2。

如圖 2所示，第1，2，3，4，5層噪聲的高頻部分(CD1,CD2,CD3,CD4,CD5)包含了路面不平發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等因素產(chǎn)生的噪聲，可以使用小波變換濾掉以上噪聲干擾.

第5層低頻部分(  CA5)主要包括輪軸通過(guò)秤臺(tái)時(shí)稱重傳感器的線性變化(即真實(shí)軸重信號(hào))，速度、驅(qū)動(dòng)力加速對(duì)軸重信號(hào)的干擾以及車輛的自身諧振噪聲，小波變換無(wú)法很好濾掉，處理時(shí)保留.

完成上述濾波過(guò)程后，將小波分解后的各層信息進(jìn)行小波重構(gòu)，重構(gòu)信號(hào)即為去掉高頻噪聲后的軸重信號(hào).

三、軸型識(shí)別系統(tǒng)

1.傳感器輸入

如圖1 所示，秤臺(tái)一和秤臺(tái)二可判斷系統(tǒng)是否有軸以及是否聯(lián)軸，輪軸識(shí)別器可判斷每軸的輪胎數(shù)是單胎還是雙胎，zui后車輛分離器可判斷是否整車通過(guò)，系統(tǒng)軟件的工作流程見圖3.

經(jīng)過(guò)傳感器輸入信號(hào)和儀表程序分析，可得出車輛的基本軸型，之后經(jīng)過(guò)軸型識(shí)別的專家系統(tǒng)的分析，可得出車輛車型軸型編碼。

2.專家系統(tǒng)

如圖 4所示，一般專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)解釋部分和知識(shí)獲取5

個(gè)部分組成。知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)際中每種車型具有固定的聯(lián)軸，而且每種車輛*軸必定單輪非聯(lián)軸。根據(jù)這些信息和程序分析判斷結(jié)果可進(jìn)行知識(shí)獲取并作為專家知識(shí)庫(kù)，將測(cè)得的每個(gè)軸組信息作為數(shù)據(jù)庫(kù)，利用專家知識(shí)庫(kù)對(duì)當(dāng)前獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理并給出解釋和車輛軸型編碼。

四、BP網(wǎng)絡(luò)模型

1.BP網(wǎng)絡(luò)及其學(xué)習(xí)規(guī)則

BP網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生歸功于BP算法的獲得，BP算法屬于∮算法，是一種監(jiān)督式的學(xué)習(xí)算法，BP網(wǎng)絡(luò)工作原理概況來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)不斷調(diào)整層與層之間的各個(gè)權(quán)值，使得誤差函數(shù)zui小， 如圖 5所示的三層網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行BP算法推導(dǎo)。

（1）信息的正向傳遞

（2）利用梯度下降法求權(quán)值變化與誤差的反向傳播

2.BP網(wǎng)絡(luò)模型

選取由輸入層、隱含層、輸出層的三層BP網(wǎng)絡(luò)。

（1）輸入層的選取

對(duì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，其輸入量的選取將直接決定該網(wǎng)絡(luò)zui終處理數(shù)據(jù)的能力，在選取BP網(wǎng)絡(luò)輸入時(shí)，總體原則是輸入量要盡可能地從不同方面反映所處理數(shù)據(jù)的特征。

從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，車輛靜態(tài)軸重不僅和秤臺(tái)動(dòng)態(tài)稱量值緊密相關(guān)，而且跟車軸速度以及加速度有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，多軸重車司機(jī)經(jīng)常利用速度變化作弊稱重，例如:跳磅(前軸急加速)、拖磅(后軸急減速)過(guò)秤等。假設(shè)車軸勻加速，通過(guò)測(cè)量車軸在 2個(gè)秤臺(tái)的速度，可以計(jì)算車軸的加速度。計(jì)算公式如下：

其中a是車軸加速度;U1是車軸在第1個(gè)秤臺(tái)的速度;U2是車軸在第2個(gè)秤臺(tái)的速度;S是兩秤臺(tái)的中心距離.

此外，軸型不同的車輛在車輛自身諧振也有不同規(guī)律，對(duì)稱重結(jié)果的影響也不同

使用專家系統(tǒng)識(shí)別車輛軸型后將車型編碼輸入網(wǎng)絡(luò)，適用于各種車型，可提高網(wǎng)絡(luò)的精度。

綜上所述，以車軸在秤臺(tái)一的重量速度，車軸在秤臺(tái)二的重量速度和車軸在秤臺(tái)的加速度以及車輛軸型作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為6.

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定

雙秤臺(tái)電子汽車衡動(dòng)態(tài)稱重的目的就是測(cè)量車輛的各個(gè)軸重，軸重累加得到車輛靜態(tài)車重，所以，網(wǎng)絡(luò)的輸出就是車輛的靜態(tài)軸重。

通過(guò)實(shí)際仿真計(jì)算可得到，隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)確定為15個(gè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和輸入層、隱層、輸出層節(jié)點(diǎn)的確定，訓(xùn)練誤差為0.001%，zui終可確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為6*15*1.

五、實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)樣本選擇

實(shí)驗(yàn)車輛選取一輛115型四軸車和一輛159型六軸車。兩種車輛分別以5,10,15,20KM/H左右勻速通過(guò)雙秤臺(tái)電子汽車衡，以5,10km/h左右加速通過(guò)雙秤臺(tái)電子汽車衡，以15,20km/h左右減速通過(guò)雙秤臺(tái)電子汽車衡，每種車輛共采集樣本數(shù)據(jù)100組，共采集200組數(shù)據(jù)。

其中，每種車輛隨機(jī)抽取90組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余10組作為測(cè)試樣本。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將180組樣本數(shù)據(jù)的秤臺(tái)一軸重、秤臺(tái)二軸重、秤臺(tái)一速度、秤臺(tái)二速度、加速度、車型作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出為靜態(tài)軸重，將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)剩余20組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.

從表1可以看出，兩種車輛的單軸zui大誤差為1.74%，整體總重zui大誤差為0.68%，已達(dá)到GB/T21296-2007《動(dòng)態(tài)公路車輛自動(dòng)衡器》規(guī)定的整車總重量的準(zhǔn)確度：2級(jí)和單軸載荷的準(zhǔn)確度：D級(jí)，顯然，基于BP網(wǎng)絡(luò)的雙秤臺(tái)動(dòng)態(tài)電子汽車衡對(duì)于兩種不同軸型的車輛稱重已取得較好的效果。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)雙秤臺(tái)動(dòng)態(tài)電子汽車衡并根據(jù)稱重信號(hào)分析情況，采用小波變換對(duì)信號(hào)預(yù)處理去除高頻噪聲。之后將信號(hào)輸入BP網(wǎng)絡(luò)，并在BP網(wǎng)絡(luò)模型中加入軸型識(shí)別系統(tǒng)和加速度作為輸入節(jié)點(diǎn)，利用BP網(wǎng)絡(luò)良好的自我學(xué)習(xí)能力，對(duì)兩種不同車輛過(guò)磅數(shù)據(jù)訓(xùn)練，將訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明：該方法能保證處理結(jié)果達(dá)到動(dòng)態(tài)稱重相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的較高精度，而且對(duì)不同車型車輛具有普遍的適應(yīng)性。

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