車載稱重系統(tǒng)研究綜述

付宏勛，張 宇，趙 強，剛憲約，喬歡波

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引 言

改革開放以來，我國交通運輸業(yè)飛速發(fā)展，與交通運輸水平一流國家之間的差距日益縮小，甚至在部分領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了超越，截至2016年底，我國的高速公路里程穩(wěn)居世界首位。運輸產(chǎn)業(yè)作為我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的重要組成部分，將成為本世紀(jì)經(jīng)濟發(fā)展的重要推力。但隨著物流行業(yè)的發(fā)展、貨運車輛在物流行業(yè)的廣泛運用，各種問題也逐漸暴露出來。

首先，車輛超載問題嚴(yán)重。車輛運輸貨物時，部分駕駛員為了實現(xiàn)利益最大化，經(jīng)常超載運輸貨物[1]。車輛超載嚴(yán)重破壞道路、橋梁、地下管道等基礎(chǔ)設(shè)施[2-3]，威脅道路安全，浪費公共資源。其次，載貨車輛稱重不便捷。用地磅測量車載貨物重量時，需要先空載到地磅上稱重，然后裝載貨物再次稱重，這增加了車輛不必要的行駛里程，并且受地磅位置限制，車輛稱重不方便。最后，車輛管理效率低。交管部門管理載貨車輛通常需要在路口設(shè)置檢查站，這種檢查方式不僅檢查效率低，而且還干擾車輛正常通行，堵塞交通[4]。物流公司的載貨車輛多，車輛的型號不同、承載量不同、行駛線路不同，這就導(dǎo)致管理者無法對每一輛貨車進(jìn)行有效監(jiān)管。

為了減少上述問題帶來的影響，國內(nèi)外圍繞車輛稱重技術(shù)開展了一定的研究工作。目前常見的稱重系統(tǒng)有靜態(tài)稱重系統(tǒng)、動態(tài)稱重系統(tǒng)和便攜式稱重儀。靜態(tài)稱重系統(tǒng)精度高，但稱重過程耗時長、效率低；動態(tài)稱重系統(tǒng)雖然能夠測量行駛中車輛的載重[5]，但稱重設(shè)備與車輛是分離的，無法實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的實時監(jiān)控，并且對無法鋪設(shè)地下稱重設(shè)備的偏遠(yuǎn)地區(qū)難以進(jìn)行超載管制[6]；目前廣泛使用的便攜式稱重儀，雖然解決了稱重地點固定的問題，但每次都需要根據(jù)車輪的間距擺放稱重設(shè)備，浪費時間。因此，為彌補以上幾種稱重系統(tǒng)的不足，一種新型的稱重系統(tǒng)——車載稱重系統(tǒng)（on-board weighing，OBW）被提出。

本文簡要概述了車載稱重系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作流程、發(fā)展歷史和功能拓展，具體闡述了車載稱重系統(tǒng)在測量方法、降噪算法和稱重算法方面的不同實現(xiàn)方式，并對比分析了不同實現(xiàn)方式各自的優(yōu)缺點及適用場景。最后歸納了車載稱重系統(tǒng)存在的不足，并給出了相應(yīng)的解決方案。

1 車載稱重系統(tǒng)簡述

與靜態(tài)稱重系統(tǒng)、動態(tài)稱重系統(tǒng)和便攜式稱重儀不同，車載稱重系統(tǒng)直接安裝在車輛上，是一種測量車輛裝載量的全自動稱重儀器，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、煤礦、港口、垃圾運輸?shù)冗\輸稱重行業(yè)使用廣泛。稱重系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、功能裝置和電源裝置四部分組成，如圖1所示，主要用于實現(xiàn)獲取車載貨物重量和車輛超載報警提醒功能。圖1所示的車載稱重系統(tǒng)工作流程為：數(shù)據(jù)采集裝置用于采集車架的應(yīng)變模擬信號，將應(yīng)變模擬信號轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)字信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)處理裝置經(jīng)計算處理后得出車載重量值，然后數(shù)據(jù)處理裝置控制功能裝置實現(xiàn)相應(yīng)的功能，電源裝置為整個稱重系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。因為設(shè)備直接安裝到車輛上，車載稱重系統(tǒng)做到了從源頭管理車輛，并且車輛不受位置限制可隨時稱重，提高了相關(guān)部門和車輛管理者的管理效率[7]。

圖1 車載稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作流程圖

針對車載稱重系統(tǒng)，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。Carlson[8]提出了基于稱重傳感器的車載稱重系統(tǒng)，該專利最早提出車載稱重系統(tǒng)這一概念，為車輛稱重技術(shù)提供了新的發(fā)展思路。Jerry[9]發(fā)明了一種稱重傳感器，該傳感器高度低于傳統(tǒng)的稱重傳感器，能有效降低裝有車載稱重系統(tǒng)的車輛的重心，提高了行駛安全性，該發(fā)明推動了車載稱重系統(tǒng)的發(fā)展。Kheiralla[10]等研究設(shè)計了安裝于輪式裝載機上的車載稱重系統(tǒng)，該研究將車載稱重系統(tǒng)從載貨車輛推廣到工程機械上，大大拓寬了車載稱重系統(tǒng)的應(yīng)用場景。目前國外研制的車載稱重系統(tǒng)在稱重精度、可靠性和使用壽命等方面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，系統(tǒng)可保證一年的稱重精度并且正常工作的平均時間超2 000 h[11]。因此在2014年，歐洲提議將車載稱重系統(tǒng)作為車輛超載處罰依據(jù)之一，列入道路交通管理法律之中。

隨著稱重技術(shù)的發(fā)展，車載稱重系統(tǒng)可以拓展除稱重以外的其他功能。車載稱重系統(tǒng)可以包括車載稱重端、遠(yuǎn)程監(jiān)控端、移動端和無線通信網(wǎng)絡(luò)等部分，如圖2所示。系統(tǒng)集車載稱重技術(shù)、GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云儲存技術(shù)于一體，不僅可以實時獲取車輛載重，還可以對車輛位置、行駛速度和行駛路線進(jìn)行實時監(jiān)控[12-13]。該系統(tǒng)的提出，實現(xiàn)了車載稱重端、遠(yuǎn)程控制端、移動端和儲存平臺在數(shù)據(jù)方面的交互與共享。

圖2 車載稱重系統(tǒng)構(gòu)成原理

2 車載稱重系統(tǒng)測量方法研究

車載稱重系統(tǒng)可選擇的測量方法有多種，測量方法的異同體現(xiàn)在使用傳感器的種類、傳感器的安裝位置和采集數(shù)據(jù)的類型上。根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與重量的對應(yīng)關(guān)系，車載稱重系統(tǒng)的測量方法可分為直接測量法、間接測量法和質(zhì)量追蹤法。

2.1 直接測量法

由傳感器或傳感器組直接承受貨物載荷，進(jìn)而實現(xiàn)稱重的方法稱為直接測量法。張從力[14]等研究了一種應(yīng)用壓力傳感器的車載稱重系統(tǒng)，將壓力傳感器組安裝在車廂和底盤之間，通過對單個傳感器測得的載重求和，實現(xiàn)測量貨物的總體載重，其壓力傳感器的安裝位置如圖3所示。使用這種方法的車載稱重系統(tǒng)測量精度比較高、在技術(shù)方面容易實現(xiàn)，但對直接承受載荷的傳感器有較高的強度要求，并且安裝傳感器需要對車輛的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改變。

圖3 壓力傳感器安裝位置示意圖

2.2 間接測量法

車輛受載時，貨物的重力經(jīng)車廂傳遞到車輛上的各個受力部件，因此可以在車輛受力部件上安裝傳感器，采集受力部件上隨載荷變化而變化的數(shù)據(jù)，通過建立采集數(shù)據(jù)與載荷的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)稱重，這種測量方法稱為間接測量法。常見的間接測量法設(shè)計方案如表1所示[15-17]。

表1 間接測量法設(shè)計方案

闞鵬飛[18]提出，車輛承載后懸架會發(fā)生變形，通過使用位移傳感器測量車架與車橋間的相對距離來測量車輛載荷；李翔[19]等提出了基于胎壓監(jiān)測的車載稱重系統(tǒng)，在使用胎壓傳感器實時測量車輛胎壓的基礎(chǔ)上，將胎壓變化轉(zhuǎn)換為車輛載荷信息，進(jìn)而實現(xiàn)車輛超載檢測；陳廣華[20]等設(shè)計的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)，通過在車輛板簧表面安裝粘貼式應(yīng)變傳感器，采集每個板簧受載后產(chǎn)生的應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變與載重的對應(yīng)關(guān)系求得單個板簧的載重，然后求和實現(xiàn)測量車輛總載荷。其中位移傳感器、胎壓傳感器和應(yīng)變傳感器的安裝位置示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器安裝位置示意圖

理論上貨物的重量經(jīng)車廂傳遞到車輛上的各個受力部件，通過建立采集數(shù)據(jù)與載荷的映射關(guān)系可以求得車輛載荷，但實際上車輛裝配時各部件之間存在裝配公差和內(nèi)應(yīng)力，在系統(tǒng)標(biāo)定時需要進(jìn)行大量實驗以消除裝配公差和內(nèi)應(yīng)力對稱重精度的影響，因此間接測量法在精度和標(biāo)定便捷性方面不如直接測量法。但目前大部分車載稱重系統(tǒng)都采用間接測量法，因為該方法不需要改變車輛原有的承載結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)安裝方便，相比直接測量法安全性高。

2.3 質(zhì)量追蹤法

城市垃圾收集車可以通過舉升裝置單獨稱量每桶垃圾的重量，然后自動累加計算垃圾總重，實現(xiàn)測量車載總重量，這種測量方法稱為質(zhì)量追蹤法[21-22]。對于帶有舉升裝置的特種車輛，不需要考慮車輛整體的承載情況，只需要在舉升裝置上安裝稱重裝置，測量每次舉升時貨物的重量即可，因此采用這種測量方法的車載稱重系統(tǒng)使用的傳感器數(shù)量少。

以上三種測量方法均可以求得車載質(zhì)量，設(shè)計車載稱重系統(tǒng)時要根據(jù)具體需求來選擇合適的測量方法。綜上所述，每種測量方法的優(yōu)缺點和適用范圍如表2所示。

表2 常用測量方法

3 車載稱重系統(tǒng)降噪算法研究

車輛行駛過程中，由于車輛加減速、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、路面不平整等因素的影響，會使傳感器采集的信號中混入一些噪聲信號，這些噪聲信號嚴(yán)重干擾計算結(jié)果的精度，因此需要對傳感器采集的信號進(jìn)行降噪處理，去除其中的噪聲信號。其中常用的降噪算法主要有以下幾種：小波閾值降噪、算數(shù)平均濾波、防脈沖干擾平均濾波、滑動平均濾波和中值濾波。

3.1 小波閾值降噪

小波閾值降噪法認(rèn)為有效信息中混入的噪聲信號為高斯白噪聲，且噪聲信號在小波域?qū)?yīng)的系數(shù)滿足高斯分布特性[23]，即如果在小波域噪聲系數(shù)對應(yīng)的方差為α，那么絕大部分噪聲系數(shù)都位于[–3α，3α]區(qū)間內(nèi)。因此，只要將位于區(qū)間 [–3α，3α]內(nèi)的系數(shù)全部置零，就能在稍微損傷有效信號的前提下去除絕大部分的噪聲信號，小波閾值去噪過程如圖5所示[24]。

圖5 小波閾值去噪過程

郝曉嫻[25]使用Matlab軟件對車載稱重信號進(jìn)行了小波閾值處理，處理前后的AD采樣值對比圖如圖6所示，從圖中可以看出，經(jīng)過小波閾值去噪算法處理的信號與含噪信號相比，變得光滑平緩。

圖6 小波閾值去噪對比圖

小波閾值降噪算法因其適用范圍廣、計算速度快，在多種小波降噪算法中的使用頻率最高。但在車載傳感器采集信號不連續(xù)的位置，去噪后會產(chǎn)生偽吉布斯現(xiàn)象，并且稱重信號的去噪效果受閾值影響，選擇閾值的方法有多種，需要根據(jù)具體情況選擇合適的閾值。

3.2 算數(shù)平均濾波

3.3 防脈沖干擾平均濾波

防脈沖干擾平均濾波算法首先將車載傳感器采樣的稱重信號{Yi}|（i=1,2 , ···,N，其中N＞3）按采樣值大小進(jìn)行排序，即然后刪除其中的最大、最小值，剩余稱重信號的算數(shù)平均數(shù)即為濾波后的有效稱重信號[27]，如下式所示：

N——采樣次數(shù)；

——濾波后的稱重信號。

該方法可以有效的去除稱重信號中的突變信號，并且計算方便、速度快、存儲量小，但每獲得一個有效的稱重信號必須連續(xù)采樣N次，因此該降噪算法不適用于對載重量的獲取有較快速度要求的車載稱重系統(tǒng)。

3.4 滑動平均濾波

滑動平均濾波法將N個車載稱重數(shù)據(jù)看作一個隊列，隊列中每采集一個新的稱重數(shù)據(jù)，就刪除其中最早采集的稱重數(shù)據(jù)，維持隊列中數(shù)據(jù)的個數(shù)不變，然后取這N個稱重數(shù)據(jù)的平均值，作為當(dāng)前的有效稱重數(shù)據(jù)[28-29]。這種降噪算法抑制周期性干擾效果好，但不靈敏，抑制脈沖干擾效果差，所以適用于高頻振蕩系統(tǒng)，對于經(jīng)常在有嚴(yán)重脈沖干擾的地方工作的承載稱重系統(tǒng)，不適合用該降噪算法。

3.5 中值濾波

中值濾波算法的降噪原理是：將稱重數(shù)據(jù)看成一個序列，先計算以某一稱重數(shù)據(jù)為中心點的鄰域的中位數(shù)，然后替換相應(yīng)位置的原稱重數(shù)據(jù)，對稱重序列中的每個數(shù)據(jù)都進(jìn)行此操作，即完成了對稱重數(shù)據(jù)的降噪處理[30]。中值濾波算法是一種非線性濾波技術(shù)，利用該降噪算法可以對稱重數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，能有效濾除偶然的數(shù)據(jù)波動，但對快速變化的數(shù)據(jù)濾波效果差。

以上五種降噪算法有各自的優(yōu)勢和適用范圍，需要針對噪聲的類型和系統(tǒng)的工作環(huán)境選擇合適的降噪算法，也可以將幾種降噪算法結(jié)合使用，或者根據(jù)幾種降噪算法的優(yōu)點，設(shè)計新的降噪算法，以達(dá)到最佳的降噪效果。綜上所述，各種降噪算法的特點對比和使用范圍如表3所示。

表3 常用降噪算法

4 車載稱重系統(tǒng)稱重算法研究

傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)降噪處理后需要帶入稱重算法，才可以得到精確的稱重結(jié)果，如何計算處理降噪后的稱重信號，是車載稱重系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前應(yīng)用比較廣泛的稱重算法主要有支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘法。

4.1 支持向量機

支持向量機（support vector machine, SVM）是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的學(xué)習(xí)方法。該方法的基本原理是尋找一個分類線，該分類線不僅能夠?qū)⑺璧臄?shù)據(jù)從整體樣本中分開，而且分開的間隔是最大的，即該分類線為最優(yōu)分類線[31]，如圖7中的L所示。對于不能使用線性分隔的樣本，需要將輸入量通過非線性變換映射到高維空間，然后在高維空間進(jìn)行劃分求解[32]。

圖7 最優(yōu)分類線示意圖

林穎[33]等通過對車架的三維模型進(jìn)行有限元仿真，分析了應(yīng)變和載荷之間的關(guān)系，然后使用Matlab軟件實現(xiàn)了基于SVM的稱重算法設(shè)計，最后用總體樣本交叉驗證的方法證明，設(shè)計的算法適用于多種不同的工況。

支持向量機使用小樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，從稱重數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本到重量預(yù)測樣本的實現(xiàn)效率高，使常見的分類和回歸問題得以簡化，因此區(qū)別于從歸納到演繹的傳統(tǒng)統(tǒng)計過程。但是由于支持向量機本身計算過程的限制，使得該算法不適用于稱重數(shù)據(jù)數(shù)量大的訓(xùn)練樣本。

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，按誤差逆向傳播進(jìn)行算法訓(xùn)練，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[34]，網(wǎng)絡(luò)模型如圖8所示。該算法的工作原理是：為了獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)模型，需要使用對稱重結(jié)果影響較大的各種因素的學(xué)習(xí)樣本來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后將稱重信號和影響稱重的其他信號作為輸入層帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到的輸出層即較為真實的稱重結(jié)果[35-36]。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖

秦偉[37]等使用該算法建立了載重計算模型，利用在輕型貨車上進(jìn)行加載實驗得到的數(shù)據(jù)，在Matlab軟件中對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練、檢驗和預(yù)測。最后模型預(yù)測誤差在5%以內(nèi)，符合精度要求。郝曉嫻[38]將車輛速度、加速度和經(jīng)降噪處理的稱重信號作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本，建立了車載動態(tài)稱重算法，最終模型計算載荷誤差在2%以內(nèi)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合求解內(nèi)部機制復(fù)雜的問題，網(wǎng)絡(luò)的三層結(jié)構(gòu)能夠做到以任意精度逼近任何非線性函數(shù)，有較強的非線性擬合能力，但網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練嚴(yán)重依賴稱重數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)樣本，需要從影響稱重結(jié)果的眾多數(shù)據(jù)中挑選出典型的稱重數(shù)據(jù)組成訓(xùn)練樣本。

4.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一種三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，都需要通過數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練才能得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型。相比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出映射功能較強，有唯一最佳逼近的特性，且分類能力好、學(xué)習(xí)過程收斂速度快[39-40]。

李惠敏[41]設(shè)計了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車載稱重系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)的輸入層為車輛速度、加速度、傾角和經(jīng)預(yù)處理的動態(tài)稱重信號，輸出層為車載重量值。最后用該算法處理實車的試驗數(shù)據(jù)，證明該算法可行。

4.4 最小二乘法

記錄車輛在承受不同標(biāo)準(zhǔn)重量時傳感器的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后用最小二乘法進(jìn)行擬合，可以得到車載重量與傳感器A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的載重經(jīng)驗公式，從而達(dá)到標(biāo)定的效果[42-43]。利用該方法可以較為簡單、準(zhǔn)確地求得車載重量。

雖然每種稱重算法的實現(xiàn)原理不同，但都可以處理降噪之后的稱重信號。綜上所述，每種稱重算法的優(yōu)缺點及適用范圍如表4所示。

表4 常用稱重算法

5 結(jié)束語

車載稱重系統(tǒng)在車輛稱重方面發(fā)揮著重要作用，并且隨著研究的深入，車載稱重系統(tǒng)實現(xiàn)測量車載重量的方式有多種。本文對車載稱重系統(tǒng)的研究背景和意義進(jìn)行了概述，簡要介紹了車載稱重系統(tǒng)的構(gòu)成、工作流程、系統(tǒng)發(fā)展和功能拓展，并重點闡述了車載稱重系統(tǒng)在測量方法、降噪算法和稱重算法方面的研究現(xiàn)狀。

雖然車載稱重系統(tǒng)逐漸趨于成熟，但在某些方面仍存在不足，為使車載稱重系統(tǒng)在車輛稱重方面更好地發(fā)揮作用，可以對車載稱重系統(tǒng)從以下幾個方面進(jìn)行完善：

1）處理好稱重精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系。車載稱重系統(tǒng)的稱重精度與傳感器的采集精度和測量方法、降噪算法、稱重算法有關(guān)，但選擇高精度的傳感器不利于控制系統(tǒng)成本，所以可以從測量方法、降噪算法、稱重算法方面入手，在保證稱重精度的前提下降低車載稱重系統(tǒng)制造成本。

2）完善車載稱重系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。為了方便用戶操作和防止系統(tǒng)遭人為破壞，可針對車載稱重系統(tǒng)開發(fā)專用的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)要有友好的用戶操作界面，并且具有實時自檢功能，如果檢測到稱重系統(tǒng)工作異常，能及時報警并反饋到監(jiān)控管理平臺。

3）運用大數(shù)據(jù)和云平臺技術(shù)。為了方便交管部門和相關(guān)管理人員監(jiān)管車輛的載重情況，可將所有車輛車載稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，利用大數(shù)據(jù)分析預(yù)測道路的交通狀況，從而可以及時處理車輛的突發(fā)情況。

4）增強車載稱重系統(tǒng)與車輛的一體性。車載稱重系統(tǒng)需要后期安裝到車輛上，期間要在車輛上安裝額外的供電線路、顯示屏等裝置，破壞了車輛的一體性，并且穩(wěn)定性不如車輛自帶的中控系統(tǒng)。為了提高車輛的一體性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，汽車制造商可將車載稱重系統(tǒng)與車輛的電氣設(shè)備進(jìn)行整合，生產(chǎn)自帶車載稱重系統(tǒng)的車輛。