數(shù)據(jù)融合技術在車輛軸型識別系統(tǒng)中的應用

摘要：為了設計高可靠性和穩(wěn)定性的軸型識別系統(tǒng)，為高速公路計重收費提供準確的收費依據(jù)和降低測輪器的維修成本，對高速公路計重收費的車輛軸型識別系統(tǒng)進行了研究。分析了車軸單／雙輪和各種常見車輛的軸型特點及識別原理，提出在稱重儀表中利用數(shù)據(jù)融合技術即把來自輪軸識別器、秤臺、軸重、光柵和專家系統(tǒng)經(jīng)驗等數(shù)據(jù)進行融合對車輛軸型進行綜合判斷，最終給出正確的軸型編碼。現(xiàn)場試驗表明該系統(tǒng)不僅在各部分正常工作時能保證99％以上的識別率，而且在測輪器損壞時也能保證97％以上的識別率。
關鍵詞：數(shù)據(jù)融合；軸型識別系統(tǒng)；專家系統(tǒng)；軸型

    動態(tài)汽車衡是高速公路計重收費中的主要裝置，軸型識別是對行駛車輛的各個軸的軸型進行識別編碼，包括車軸的單／雙輪及聯(lián)軸信息。軸型識別系統(tǒng)負責整個車輛的軸型編碼，主要為計重收費提供重要的收費依據(jù)，它包括輪軸識別器及儀表的綜合處理。輪軸識別器廣泛應用于公路計重收費、路政超限車輛檢測等領域。實際工程中使用的產(chǎn)品主要有兩種：一種是使用開關設備，長時間易使雨水、沙塵侵入，容易導致設備損壞；另一種是使用壓力傳感器。這兩種輪軸識別器雖然應用比較廣泛但都有著典型的共同缺點——安裝復雜繁瑣，故障率高，維護成本高。
    本文提出以這兩種設備檢測為參考在稱重儀表中利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術將來自輪軸識別器、承載器(秤臺)、光柵(車輛分離器)、各種車輛的軸型荷載特點的專家系統(tǒng)經(jīng)驗等數(shù)據(jù)進行融合來提高軸型識別的準確性、穩(wěn)定性，保證在輪軸識別器故障狀態(tài)下仍有較高的識別率。

1 系統(tǒng)組成部分
    車輛動態(tài)汽車衡主要由秤臺和稱重儀表構成，配接車輛分離器(光柵)、車輛輪軸檢測器如圖1所示，來完成車輛軸重、車輛整車重量、輪胎數(shù)、輪胎寬度、車輛軸組、車輛軸型、車輛速度、車輛加速度以及過車時間和超限超載檢測。

    軸型識別系統(tǒng)作為動態(tài)汽車衡的重要功能單元，由輪軸識別器、秤臺、稱重儀表、光柵組成，系統(tǒng)控制的核心是稱重儀表。稱重儀表將來自輪軸識別器、秤臺、光柵和專家系統(tǒng)經(jīng)驗等數(shù)據(jù)進行融合，得出過往車輛的軸型編碼信息。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

1．1 輪軸識別器
    輪軸識別器用來測得所過車軸的單／雙輪及有／無車壓軸情況，它由固定在公路秤臺附近一排檢測器件(壓力傳感器或開關設備，此處以壓力傳感器為例)和輪軸識別電路構成(如圖3所示)。根據(jù)車軸駛過時輪胎所壓傳感器的個數(shù)及情況來確定該軸車輪的單／雙輪胎(編碼為1／2)。

    輪軸識別器的電路結構主要由信號采集模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊組成(如圖3所示)，利用模擬開關CD4067可以按地址將多路傳感器信號分時接入處理器進行處理。選STC12C2052AD作為處理器，它具有8路8位高精度的高速A／D轉(zhuǎn)換器，速度可達100 kHz可節(jié)省硬件電路開銷。
1．2 秤臺
    秤臺一方面配合艷軸識別器進行聯(lián)軸的判斷，另一方面可以判斷軸的行駛勞向來保證軍輛的軸序號和其軸型的同步性。
    在車輛的軸型結構中，當某兩個軸之間的軸距在約1 300 mm時可認為這兩根軸構成一個聯(lián)軸，如圖1所示(從左到右第三、四軸構成二聯(lián)軸)。當車輛的聯(lián)軸經(jīng)過秤臺時，構成聯(lián)軸的兩根軸由于距離較短會同時將各自荷載分別施加到測輪器的傳感器和秤臺上。通過檢測這兩個信號的同步性可以判斷出軸型是否為聯(lián)軸。
1．3 光柵
    光柵也即車輛分離器，由發(fā)射器和接收器組成。當車輛通過時發(fā)——收光路被阻斷，車輛通過后光路恢復暢通并通過稱重儀表進行收尾處理。在軸型識別系統(tǒng)中它可用來作為將各個軸的編碼組合為車型編碼的命令信息，如車型為124的4軸車(圖1所示)通過時各軸型編碼分別顯示：1222；收尾后顯示各軸組編碼即車型編碼：124(按河北省車型編碼)。
1．4 專家系統(tǒng)
    一般專家系統(tǒng)由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋部分和知識獲取5個部分組成(如圖4所示)，知識庫是專家系統(tǒng)的一個重要組成部分，實際中每種車型具有固定的聯(lián)軸而且每種車輛第一軸必定單輪非聯(lián)軸，根據(jù)這些信息和實際中掛車軸載荷分布等規(guī)律中可進行知識獲取并作為專家知識庫。將測得的每個軸組信息作為數(shù)據(jù)庫，利用專家知識庫對當前獲得的數(shù)據(jù)進行推理給出解釋和車輛軸型編碼。

2 數(shù)據(jù)融合
2．1 數(shù)據(jù)融合的結構
    數(shù)據(jù)融合的結構有串聯(lián)、并聯(lián)和混合融合3種形式。在該系統(tǒng)中采用混合融合，即各傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)識別的過程實時地將各自數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅魅诤现行?稱重儀表)參與數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)具有4個數(shù)據(jù)源，在n個時刻的觀察值有4n個觀測值，其集合
   
    系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理模型如圖5(a)所示，圖中數(shù)據(jù)源1為單／雙輪；數(shù)據(jù)源2為測輪器有／無壓軸；數(shù)據(jù)源3為秤臺有／無壓軸：數(shù)據(jù)源4為專家系統(tǒng)經(jīng)驗。數(shù)據(jù)融合的軟件實現(xiàn)流程如圖5(b)所示。

2．2 數(shù)據(jù)融合方法
    在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合主要通過證據(jù)組合法來實現(xiàn)，證據(jù)組合法認為完成某項智能任務是依據(jù)有關環(huán)境某方面的信息做出幾種可能的決策，而多傳感器數(shù)據(jù)信息在一定程度上反映環(huán)境這方面的情況。因此，分析每一數(shù)據(jù)作為支持某種決策證據(jù)的支持程度，并將不同傳感器數(shù)據(jù)的支持程度進行組合，即證據(jù)組合，分析得出現(xiàn)有組合證據(jù)支持程度最大的決策作為信息融合的結果。軸型識別系統(tǒng)主要依靠邏輯結構和經(jīng)驗來進行識別，因此在具體實現(xiàn)時以像素級融合結果為主要證據(jù)，分析特征級融合中的固有聯(lián)軸證據(jù)并參考專家?guī)旖?jīng)驗進行證據(jù)組合，最后得出車輛的實際軸型編碼。
2．3 數(shù)據(jù)融合方法的軟件實現(xiàn)
    由于軸型識別是一個實時性和信息交融性比較強的過程，因此實際程序?qū)崿F(xiàn)時各個功能塊是相互交叉的。數(shù)據(jù)融合在稱重儀表中進行，通過獲取各個數(shù)據(jù)源利用C語言來編寫相應算法結構和實現(xiàn)過程，主要功能代碼如下：

   

3 實驗結果
    該系統(tǒng)在某計重收費站進行了測試，測試結果如表1所示。

4 結論
    科用稱重儀表配合測輪器構成的車輛軸型識別系統(tǒng)，不僅在各部分運行正常的情況下具有近100％的正確識別率，而且在測輪器壓力傳感器損壞的情況下也能保證97％以上的正確識別率，如表1所示。系統(tǒng)在測輪器損壞且車輛接近空載通過時系統(tǒng)主要依靠軸重量來二次糾錯，所以有3％以內(nèi)的錯誤識別率。但由于高速公路收費系統(tǒng)對空載的車輛收費有相應的規(guī)定，因此該誤識率并不影響系統(tǒng)的實際應用價值。
    該軸型識別系統(tǒng)在現(xiàn)場公路計重收費系統(tǒng)中可靠性高、運行良好。