數(shù)據(jù)融合技術(shù)在車輛軸型識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為了設(shè)計(jì)高可靠性和穩(wěn)定性的軸型識(shí)別系統(tǒng)，為高速公路計(jì)重收費(fèi)提供準(zhǔn)確的收費(fèi)依據(jù)和降低測(cè)輪器的維修成本，對(duì)高速公路計(jì)重收費(fèi)的車輛軸型識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了研究。分析了車軸單／雙輪和各種常見(jiàn)車輛的軸型特點(diǎn)及識(shí)別原理，提出在稱重儀表中利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)即把來(lái)自輪軸識(shí)別器、秤臺(tái)、軸重、光柵和專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合對(duì)車輛軸型進(jìn)行綜合判斷，最終給出正確的軸型編碼?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該系統(tǒng)不僅在各部分正常工作時(shí)能保證99％以上的識(shí)別率，而且在測(cè)輪器損壞時(shí)也能保證97％以上的識(shí)別率。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合；軸型識(shí)別系統(tǒng)；專家系統(tǒng)；軸型

    動(dòng)態(tài)汽車衡是高速公路計(jì)重收費(fèi)中的主要裝置，軸型識(shí)別是對(duì)行駛車輛的各個(gè)軸的軸型進(jìn)行識(shí)別編碼，包括車軸的單／雙輪及聯(lián)軸信息。軸型識(shí)別系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)車輛的軸型編碼，主要為計(jì)重收費(fèi)提供重要的收費(fèi)依據(jù)，它包括輪軸識(shí)別器及儀表的綜合處理。輪軸識(shí)別器廣泛應(yīng)用于公路計(jì)重收費(fèi)、路政超限車輛檢測(cè)等領(lǐng)域。實(shí)際工程中使用的產(chǎn)品主要有兩種：一種是使用開(kāi)關(guān)設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間易使雨水、沙塵侵入，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞；另一種是使用壓力傳感器。這兩種輪軸識(shí)別器雖然應(yīng)用比較廣泛但都有著典型的共同缺點(diǎn)——安裝復(fù)雜繁瑣，故障率高，維護(hù)成本高。
    本文提出以這兩種設(shè)備檢測(cè)為參考在稱重儀表中利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將來(lái)自輪軸識(shí)別器、承載器(秤臺(tái))、光柵(車輛分離器)、各種車輛的軸型荷載特點(diǎn)的專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)提高軸型識(shí)別的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，保證在輪軸識(shí)別器故障狀態(tài)下仍有較高的識(shí)別率。

1 系統(tǒng)組成部分
    車輛動(dòng)態(tài)汽車衡主要由秤臺(tái)和稱重儀表構(gòu)成，配接車輛分離器(光柵)、車輛輪軸檢測(cè)器如圖1所示，來(lái)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(guò)車時(shí)間和超限超載檢測(cè)。

    軸型識(shí)別系統(tǒng)作為動(dòng)態(tài)汽車衡的重要功能單元，由輪軸識(shí)別器、秤臺(tái)、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(lái)自輪軸識(shí)別器、秤臺(tái)、光柵和專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得出過(guò)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(shí)別器
    輪軸識(shí)別器用來(lái)測(cè)得所過(guò)車軸的單／雙輪及有／無(wú)車壓軸情況，它由固定在公路秤臺(tái)附近一排檢測(cè)器件(壓力傳感器或開(kāi)關(guān)設(shè)備，此處以壓力傳感器為例)和輪軸識(shí)別電路構(gòu)成(如圖3所示)。根據(jù)車軸駛過(guò)時(shí)輪胎所壓傳感器的個(gè)數(shù)及情況來(lái)確定該軸車輪的單／雙輪胎(編碼為1／2)。

    輪軸識(shí)別器的電路結(jié)構(gòu)主要由信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸出模塊組成(如圖3所示)，利用模擬開(kāi)關(guān)CD4067可以按地址將多路傳感器信號(hào)分時(shí)接入處理器進(jìn)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(dá)100 kHz可節(jié)省硬件電路開(kāi)銷。
1．2 秤臺(tái)
    秤臺(tái)一方面配合艷軸識(shí)別器進(jìn)行聯(lián)軸的判斷，另一方面可以判斷軸的行駛勞向來(lái)保證軍輛的軸序號(hào)和其軸型的同步性。
    在車輛的軸型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)某兩個(gè)軸之間的軸距在約1 300 mm時(shí)可認(rèn)為這兩根軸構(gòu)成一個(gè)聯(lián)軸，如圖1所示(從左到右第三、四軸構(gòu)成二聯(lián)軸)。當(dāng)車輛的聯(lián)軸經(jīng)過(guò)秤臺(tái)時(shí)，構(gòu)成聯(lián)軸的兩根軸由于距離較短會(huì)同時(shí)將各自荷載分別施加到測(cè)輪器的傳感器和秤臺(tái)上。通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)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(dāng)車輛通過(guò)時(shí)發(fā)——收光路被阻斷，車輛通過(guò)后光路恢復(fù)暢通并通過(guò)稱重儀表進(jìn)行收尾處理。在軸型識(shí)別系統(tǒng)中它可用來(lái)作為將各個(gè)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(guò)時(shí)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(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(如圖4所示)，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)軸而且每種車輛第一軸必定單輪非聯(lián)軸，根據(jù)這些信息和實(shí)際中掛車軸載荷分布等規(guī)律中可進(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(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)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(shí)別的過(guò)程實(shí)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)源，在n個(gè)時(shí)刻的觀察值有4n個(gè)觀測(cè)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(cè)輪器有／無(wú)壓軸；數(shù)據(jù)源3為秤臺(tái)有／無(wú)壓軸：數(shù)據(jù)源4為專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)。數(shù)據(jù)融合的軟件實(shí)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(guò)證據(jù)組合法來(lái)實(shí)現(xiàn)，證據(jù)組合法認(rèn)為完成某項(xiàng)智能任務(wù)是依據(jù)有關(guān)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(jìn)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(jié)果。軸型識(shí)別系統(tǒng)主要依靠邏輯結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行識(shí)別，因此在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)以像素級(jí)融合結(jié)果為主要證據(jù)，分析特征級(jí)融合中的固有聯(lián)軸證據(jù)并參考專家?guī)旖?jīng)驗(yàn)進(jìn)行證據(jù)組合，最后得出車輛的實(shí)際軸型編碼。
2．3 數(shù)據(jù)融合方法的軟件實(shí)現(xiàn)
    由于軸型識(shí)別是一個(gè)實(shí)時(shí)性和信息交融性比較強(qiáng)的過(guò)程，因此實(shí)際程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)各個(gè)功能塊是相互交叉的。數(shù)據(jù)融合在稱重儀表中進(jìn)行，通過(guò)獲取各個(gè)數(shù)據(jù)源利用C語(yǔ)言來(lái)編寫相應(yīng)算法結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，主要功能代碼如下：

   

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    該系統(tǒng)在某計(jì)重收費(fèi)站進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論
    科用稱重儀表配合測(cè)輪器構(gòu)成的車輛軸型識(shí)別系統(tǒng)，不僅在各部分運(yùn)行正常的情況下具有近100％的正確識(shí)別率，而且在測(cè)輪器壓力傳感器損壞的情況下也能保證97％以上的正確識(shí)別率，如表1所示。系統(tǒng)在測(cè)輪器損壞且車輛接近空載通過(guò)時(shí)系統(tǒng)主要依靠軸重量來(lái)二次糾錯(cuò)，所以有3％以內(nèi)的錯(cuò)誤識(shí)別率。但由于高速公路收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)空載的車輛收費(fèi)有相應(yīng)的規(guī)定，因此該誤識(shí)率并不影響系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
    該軸型識(shí)別系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)中可靠性高、運(yùn)行良好。