橋梁限載自動監控系統的製作方法

2023-05-29 21:00:56 2

專利名稱：橋梁限載自動監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種自動控制技術領域的監控系統，具體是一種為了保障橋梁安全而設置的一種橋梁限載自動監控系統。

背景技術：
車輛超載問題已經引起公眾越來越多的關注，在經濟利益的驅使下眾多載貨卡車嚴重超載的現象處處可見，最為嚴重者，其最大超載高達114％以上，據不完全統計，平均超載在60％以上。眾所周知，車輛超載不僅對車輛自身存在很大的安全隱患，而且極易釀成惡性交通事故，更為嚴重的是，會嚴重損壞沿途的路面與橋涵結構。理論分析可知，對於混凝土橋梁結構而言，超載的危害是巨大的，會造成過大的撓度從而使得混凝土開裂，引起鋼筋鏽蝕；橋面混凝土破損、伸縮裝置損壞；引起橋臺填土沉降、橋頭跳車；結構疲勞損傷等病害，嚴重危害橋梁的耐久性。嚴重超載還會導致橋梁結構破壞、倒塌，造成生命、財產的重大損失。治理超載是一個亟待解決的問題，需要很多部門的合作。除了對公路橋梁設置限載標誌，是對治理超載問題有著重要的現實意義外，尚需依靠先進的技術手段從根本上來解決公路橋梁的安全問題以避免橋梁倒塌等悲劇的發生，並能夠最大限度地保障經濟的可持續增長。
經對現有技術文獻的檢索發現，中國專利名稱為「液壓式全自動道路、橋梁限載裝置」，申請(專利)號200420091925.3，該專利介紹一種液壓式全自動道路、橋梁限載裝置，其特徵是，超載感應油缸組相對於地面呈矩陣排列，各感應油缸以油管互聯聯通，並以油壓管迴路聯通阻車器的頂升油缸，超載感應油缸組內設置超載感應油缸壓杆的限位器，超載感應油缸組內的超載感應油缸壓杆上端設置超載感應壓板，各超載感應壓板組成相互獨立格柵式排列。該裝置用壓強區分大小車輛的超載與否，安裝在主要道路或橋梁的左右兩側地基各一組，並且設置逆行攔車器。
上述「液壓式全自動道路、橋梁限載裝置」可以在一定程度上解決通過橋梁超載車輛的鑑別與阻止通行問題，但是，其最大缺點在於1、「超載感應油缸組相對於地面呈矩陣排列」，此類純機械結構，形式極為複雜，無疑對現場安裝、使用和維護均極為不便；2、無法根據橋梁實際承載力的變化適時調整「超載感應」標準；3、所述「超載感應」實際上僅能感應軸載，而無法真正感應車輛總重；4、所述「逆行攔車器」，當車輛被「超載感應」鑑別超載時，只要將車輛後退離開「超載感應」後，「逆行攔車器」就自行被「打開」，違規車輛可以輕易逆向繞行。


發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中存在的不足和缺陷，提供一種橋梁限載自動監控系統，使其能夠在無人參與的情況下實現橋梁通行限載的全自動與智能化監控技術功能。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述橋梁限載自動監控系統包括汽車動態稱重裝置、兩個CCD攝像頭、數據採集模塊、信號處理器、GPRS模塊、GPRS通信主體、終端控制驅動器、終端電傳動機構、車輛通行阻攔器、終端語音播放器、終端顯示屏。汽車動態稱重裝置在受到汽車重壓的作用下將壓力信號傳感、轉換為電氣模擬信號輸出，其輸出埠與數據採集模塊的模擬信號輸入埠連接，CCD攝像頭用於採集圖像，其輸出埠經視頻電纜連接至數據採集模塊的圖像信號輸入埠，數據採集模塊的輸出插槽與信號處理器的輸入插槽連接，信號處理器的RS232接口與GPRS模塊的RS232接口相連接，信號處理器的控制輸出埠與終端控制驅動器的輸入埠連接，終端控制驅動器的輸出埠與終端電傳動機構的驅動信號輸入埠連接，終端電傳動機構的輸出力臂與車輛通行阻攔器的力臂連接；信號處理器的數字語音輸出接口與終端語音播放器的輸入接口連接，信號處理器的顯示輸出接口與終端顯示屏輸入接口連接，GPRS模塊的射頻輸出無線發射埠與GPRS通信主體射頻接收天線對接，GPRS通信主體射頻發射天線與GPRS模塊的射頻輸入無線接收埠對接，GPRS通信主體射頻接收與發射天線是同一個裝置，能夠同時接收和發射不同頻段的數字調製信號。
所述汽車動態稱重裝置專門用於傳感汽車車輪對地面的壓力(簡稱汽車輪壓)，傳感所檢測到的輪壓電氣模擬信號被輸出至數據採集模塊的模擬信號輸入埠；第一CCD攝像頭用於對汽車側向車輪及輪軸間距圖像的採集，第二CCD攝像頭用於監視超載車輛疏導讓行情況，兩個CCD攝像頭將採集到的圖像輸出至數據採集模塊的圖像信號輸入埠，數據採集模塊通過與信號處理器的輸出/輸入插槽將採集到的輪壓數位訊號與數字圖像信號並行輸送至信號處理器，信號處理器經運行圖像識別與數值計算模塊後準確獲取當前汽車的軸載與總重兩項重要評定參數，因此可以判定當前車輛是否超出橋梁限載標準。當汽車未出現超載時，汽車正常通行不受任何影響；當汽車超載時，立即由信號處理器的控制輸出埠向終端控制驅動器輸出控制指令，終端控制驅動器將接收到的數字控制信號轉換成模擬驅動信號，經功率放大後輸出至電傳動機構作為其電驅動功率信號啟動終端電傳動機構，在終端電傳動機構的機械力矩作用下，開啟車輛通行阻攔器以阻止超載汽車通行；同時，信號處理器向終端語音播放器輸出數字語音信號，由終端語音播放器向當前車輛告知超載狀況，並禁止其通過前方橋梁；同時，信號處理器向終端顯示屏輸出文字顯示信息，由終端顯示屏向當前車輛警示超載數據信息，並監視超載車輛讓行情況以便確定是否向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令。信號處理器將監控信息經RS232接口輸入GPRS模塊向GPRS通信系統傳送，使GPRS通信系統實時掌握橋梁限載監控的基本數據資料；GPRS通信系統根據橋梁實際承載能力的評定與測試結果實時將修正過的橋梁限載標準發送到監控終端GPRS模塊的射頻輸入無線接收埠，再經RS232接口進入信號處理器，因此實現GPRS通信系統對所有監控終端的遠程監控。
所述汽車動態稱重裝置，包括耐壓力球形橡膠氣囊、壓力傳感器、信號傳輸電纜、氣門嘴、壓力支撐體、載壓鋼板，每個耐壓力球形橡膠氣囊上下各膠接一個具有相等截面積的壓力支撐體，稱為上壓力支撐體和下壓力支撐體，上壓力支撐體和下壓力支撐體又分別與載壓鋼板焊接緊固，稱為上載壓鋼板和下載壓鋼板，上載壓鋼板和下載壓鋼板之間具有兩個物理外形與參數完全相同的耐壓力球形橡膠氣囊及其上壓力支撐體和下壓力支撐體，每個耐壓力球形橡膠氣囊的上截面封裝一個壓力傳感器和一個氣門嘴。當車輛碾壓上載壓鋼板時，將自身的重力通過上載壓鋼板和上壓力支撐體傳遞到兩個耐壓力球形橡膠氣囊，耐壓力球形橡膠氣囊感受到的壓力在密閉的容腔內及時傳遞到壓力傳感器，壓力傳感器將感應到的輪壓電氣模擬信號通過信號傳輸電纜輸出至數據採集模塊的輸入埠以供後續信號處理。其中，耐壓力球形橡膠氣囊是一種具有上下平行截面的封閉充氣橡膠球體，球體外半徑為250mm，上下平行截面的圓平面半徑為248mm，球體壁厚為10mm，所採用橡膠材料的耐壓極限值達到

密封氣體預置壓力為0.1MPa，最大允許承受壓力為1MPa；壓力傳感器，其壓力感應量程為0～1.5MPa，傳感信號通過信號傳輸電纜輸出。信號傳輸電纜通過上壓力支撐體中的線槽引伸到外圍直至後續系統的信號處理輸入埠，電纜為雙芯屏蔽線。汽車動態稱重裝置中的氣門嘴，用以調節和標定耐壓力球形橡膠氣囊中的氣體壓力。當耐壓力球形橡膠氣囊中的壓力低於預置壓力0.1MPa時，通過氣門嘴向內補氣使其達到預置壓力0.1MPa；否則，通過氣門嘴向外放氣使其達到預置壓力0.1Mpa。上壓力支撐體與下壓力支撐體為圓柱形結構，其橫截面與耐壓力球形橡膠氣囊的上下平行截面的圓平面等面積，並分別緊密膠接而粘合，上壓力支撐體和下壓力支撐體又分別與上載壓鋼板和下載壓鋼板焊接緊固，因此，耐壓力球形橡膠氣囊與上壓力支撐體、下壓力支撐體、上載壓鋼板及下載壓鋼板上下相互之間組成一體化結構。在上壓力支撐體中軸的平行方向上正對著壓力傳感器和氣門嘴具有兩個開放式圓柱槽，正對著壓力傳感器的圓柱槽側向與上載壓鋼板的水平圓柱槽相通用以引伸信號傳輸電纜與後續系統的信號處理輸入埠相連接。上壓力支撐體中的兩個開放式圓柱槽到達上載壓鋼板上的地面埠具有封口絲堵以防在運行中有灰塵和雜物落入，打開封口絲堵即可方便檢修和調試工作。
當汽車通過橋梁監控入口時，耐壓力球形橡膠氣囊將感受到的壓力在密封的容腔內及時傳遞到壓力傳感器，經過傳感器的信號轉換，壓力傳感器的輸出埠具有一個與壓力成線性關係的輪壓電氣模擬信號輸出，兩個壓力傳感器的輪壓電氣模擬信號通過兩個信號傳輸電纜並行輸出至數據採集模塊的兩個輸入埠。
對汽車的動態稱重過程，無需對車輛的行駛速度及其姿態進行限制。無論同軸的兩個(組)車輪同步碾壓或不同步碾壓，均可利用兩個耐壓力球形橡膠氣囊分別測得被測車輪著力點i的壓力值並通過數學模型準確計算車輪軸載，進而利用每個軸載，再由車輛總重數學模型準確求取車輛總重。
所述CCD攝像頭，即電荷耦合圖像採集攝像頭，它是一種在低照度下能對物體圖像傳感並輸出標準視頻模擬信號的圖像採集裝置，其中，第一CCD攝像頭採集汽車側向車輪及輪軸間距圖像，第二CCD攝像頭採集車輛疏導讓行情況圖像。
所述數據採集模塊，是一種用於壓力模擬信號與圖像信號採集和預處理的前置信號處理模塊，包括第一模擬信號輸入埠、第二模擬信號輸入埠、第一圖像信號輸入埠、第二圖像信號輸入埠、A/D轉換器、圖像預處理器與輸出插槽五部分組成。其中，兩個模擬信號輸入埠分別用以接收汽車動態稱重裝置中兩個壓力傳感器經兩個信號傳輸電纜輸出的汽車輪壓電氣模擬信號；模擬信號輸入接口的輸出端接至A/D轉換器的輸入端，A/D轉換器負責將模擬信號轉換成數位訊號並經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端；圖像信號輸入埠用以接受來自CCD攝像頭輸出的圖像信號，其中，第一圖像信號輸入埠接收第一CCD攝像頭採集圖像，第二圖像信號輸入埠接收第二CCD攝像頭採集圖像；圖像輸入埠的輸出端連接至圖像預處理器的輸入端；圖像預處理器對被採集圖像信號進行解碼和模數轉換，圖像預處理器的輸出信號經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端。
所述信號處理器包括圖像處理模塊、數值計算模塊和控制模塊。所述圖像處理模塊，對汽車側向圖像進行輪廓線提取，從第一CCD攝像頭採集的圖像中識別車輛輪軸數、車輪直徑及輪軸象素坐標，從第二CCD攝像頭採集的圖像中識別超載車輛讓行情況。所述數值計算模塊，將汽車動態稱重裝置傳送的、並經過數據採集模塊數位化的兩個汽車輪壓信號進行相加獲得軸壓力(簡稱軸壓)ui的值，由於汽車動態稱重裝置中的上壓力支撐體與耐高壓球形橡膠氣囊之間的接觸面積固定，根據重力與壓力(壓強)之間的關係，只需將被測壓力乘上作用面積即可獲得被測輪壓所對應的重力，因此利用軸載公式

計算能夠獲得汽車軸載，其中，i＝1，2，3...，i為被測輪軸編號，Pi1、Pi2分別為第一個耐高壓球形橡膠氣囊與第二個耐高壓球形橡膠氣囊所承受第i號輪軸兩個車輪/車輪組的壓力，S為上壓力支撐體與耐高壓球形橡膠氣囊之間的接觸面積，Gi1＝Pi1S，Gi2＝Pi2S，Gi1、Gi2分別為第i號輪軸的兩個車輪/車輪組分別對第一個耐高壓球形橡膠氣囊與第二個耐高壓球形橡膠氣囊所施加的重力，ui1、ui2為兩個壓力傳感器輸出的輪壓電氣模擬信號，K＝i1/ui1＝Pi2/ui2為輪壓與壓力傳感器輸出的輪壓電氣模擬信號之間的比例係數，ui1、ui2經過數據採集模塊的預處理和信號處理器的數值計算後，首先獲得第i號輪軸對汽車動態稱重裝置施壓結果所產生的軸壓信號ui＝ui1+ui2的值，即，軸壓等於兩個壓力傳感器所感應輪壓信號的相加，將軸壓ui、接觸面積S與比例係數K代入上述軸載公式最終求取軸載；由輪軸象素坐標計算輪軸間距，再根據軸載、輪軸數及其間距來計算車輛總重，記錄車輛超載信息；在信號處理器中建立橋梁實際承載能力標準，並接收路網監控中心通過GPRS通信系統傳送的橋梁實際承載能力標準修正值以實時更新橋梁限載監控標準；將被測車輛總重和軸載與橋梁最大允許車輛總重和最大允許軸載分別進行比較，記錄當天車輛正常通行數、被查出超載車輛數、累計車輛正常通行數和超載車輛數。所述控制模塊，將超載信息轉換為控制指令向終端控制驅動器發送，控制指令包括禁止超載車輛通行指令和車輛通行阻攔器復位指令，所述復位指令即引橋入口恢復車輛正常通行狀態下的監控指令；向終端語音播放器輸出數字語音信號，向終端顯示屏輸出顯示信息；經GPRS模塊向GPRS通信系統及其移動巡檢交互監控信息；當識別結果確認超載車輛已從疏導車道讓行後，向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令，否則，由終端語音播放器和終端顯示屏向超載車輛持續發出警示信息，並請求移動巡檢協助。
所述GPRS模塊，包括單片機、GPRS晶片、SIM卡、外部接口和擴展數據存儲器。其中，單片機支持TCP/IP協議，用於控制GPRS晶片的信息接收和發送，並通過標準RS232串口和外部控制器(比如本發明的信號處理器)進行數據通信，同時用軟體實現中斷，以完成數據轉發；GPRS是通用無線分組業務的縮寫，是介於第二代和第三代之間的一種通信技術。GPRS採用與數字通無線通信網絡GSM相同的頻段、頻帶寬度、突髮結構、無線調製標準、調頻規則以及相同的TD-MA幀結構，因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時，GSM系統的絕大部分部件都不需要作硬體改動，只需要作軟體升級，有了GPRS，用戶的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到「永遠在線」，此外，GPRS是以營運商傳輸的數據量而不是連接時間為基準來計費，從而令每個用戶的服務成本更低；SIM卡叫做「用戶識別卡」，它實際上是一張內含大規模集成電路的智慧卡片，用來登記用戶的重要數據和信息，擁有SIM卡即表明自身擁有GSM通信的合法身份，SIM卡最重要的一項功能是進行鑑權和加密。當用戶移動到新的區域撥打或接聽電話時，交換機都要對用戶進行鑑權，以確定是否為合法用戶。這時，SIM卡和交換機同時利用鑑權算法，對鑑權密鑰和8位隨機數字進行計算，計算結果相同的，SIM卡被承認，否則SIM卡被拒絕，用戶無法進行呼叫。SIM卡還可利用加密算法，對話音進行加密，防止竊聽。
所述GPRS通信主體，包括發射/接收天線、GPRS服務支持節點、GPRS骨幹網、網關支持節點、網際網路、路網監控中心伺服器，在原有數字通無線通信網絡GSM基礎上引入兩個新的網絡節點GPRS服務支持節點和網關支持節點，GPRS服務支持節點和單片機處在同一等級水平，並跟蹤單片機的存儲單元實現安全功能和接入控制，並通過幀中繼連接到基站系統，網關支持節點支持與外部分組交換網的互通，並經由GPRS骨幹網和GPRS服務支持節點連通。GPRS終端通過接口從客戶系統(比如，本發明的信號處理器)取得數據，處理後的GPRS分組數據發送到GSM基站，分組數據經GPRS服務支持節點封裝後，通過GPRS骨幹網與網關支持接點進行通信，網關支持節點對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。若分組數據是發送到另一個GPRS終端，則一般將數據由GPRS骨幹網發送到GPRS服務支持節點，再經發射/接收天線發送到GPRS終端，GPRS通信主體與各GPRS終端構成完整的GPRS通信系統。
所述GPRS通信主體中的路網監控中心伺服器，其系統硬體不低於常用標準配置(如PIV1.8G PC-610L/PCA-6006V/PIV2.8G/CPU/256DDR/80GBHDD/50XCDDROM/KB+MOUSE/USB)，包括對橋梁限載標準的確定與修正、超載車輛的數據統計與分析、特殊情況(包括戰備、消防、橋梁維修等)下的遙控指令發送三個工作模塊。其中，第一工作模塊，根據橋梁實際承載能力評定法(包括基於實橋調查的經驗方法、荷載試驗法、設計理論法)所獲得的數據來確定橋梁限載標準值，並通過GPRS通信系統發送至橋梁監控終端的信號處理器，以便信號處理器對橋梁限載標準進行設置或者修正更新；第二工作模塊，接收各個監控終端所發生的車輛動態信息進行橋梁道路交通數據統計與分析，以便管理與決策層提升橋梁設計水平和路橋監控技術水平，所接收的動態信息中包括終端數字圖像信號；第三工作模塊，一旦特殊情況發生，路網監控中心伺服器能夠直接向監控終端信號處理器下達遙控指令，實行橋梁交通的強制性控制。
所述終端控制驅動器，接收信號處理器輸出的控制指令，終端控制驅動器將接收到的數字控制信號轉換成模擬信號，經功率放大後輸出至電傳動機構作為其電驅動功率信號。
所述終端電傳動機構，將輸入的電氣功率信號轉換成為機械力矩，啟動車輛通行阻攔器阻止超載車輛通行，或者，車輛通行阻攔器復位，恢復車輛正常通行狀態下的監控。
所述車輛通行阻攔器，是一種橫杆式機械轉動機構，受禁止超載車輛通行指令控制，車輛通行阻攔器在終端電傳動機構力臂的推動下，平穩轉動下落，橫置於車道中間；受車輛通行阻攔器復位指令控制，車輛通行阻攔器在終端電傳動機構力臂的拉動下，平穩轉動升起，豎置於車道旁。
所述終端語音播放器，包括數字輸入接口、D/A轉換器、音頻放大電路和揚聲器，數字輸入接口接收信號處理器的數字語音輸出信號，其出口再連至D/A轉換器的輸入端，D/A轉換器的輸出端連至音頻放大器的輸入端，音頻放大器的輸出端連至揚聲器的輸入端。信號處理器根據數據處理結果將數字語音信號送至終端語音播放器的數字輸入接口，終端語音播放器收到數字語音信號後，經D/A轉換器將其轉換成模擬語音信號，再經音頻放大電路的功率放大，最終輸出至揚聲器播放完整語義。
所述終端顯示屏，在正常通行狀態下，顯示屏顯示橋梁限載標準，當信號處理器判定當前車輛超載被限制通行時，向終端顯示屏的輸入接口輸入文字顯示信號，即在終端顯示屏上增加當前車輛超載數據信息。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果對車輛軸載與總重的動態檢測與計算結果相對誤差小於2％，在允許誤差2％的前提下，對超載車輛的檢測與鑑別正確率達到100％，最終證實本發明具有橋梁限載監控的智能化與自動化以及監控點獨立監控與路網監控中心遙控相結合的顯著功能，因此從真正意義上提高橋梁通行的安全性，並最大限度地減輕了橋梁監管人員的勞動強度，同時，路網監控中心能夠通過GPRS通信系統從各個監控終端獲取當天車輛正常通行數、被查出超載車輛數、累計車輛正常通行數和超載車輛數等重要的動態基本數據，為進一步改善橋梁設計和路網規劃等技術和管理決策提供重要依據。



圖1為本發明系統結構示意圖 圖1示出，汽車動態稱重裝置1、第一CCD攝像頭2、第二CCD攝像頭3、數據採集模塊4、信號處理器5、GPRS模塊6、GPRS通信主體7、終端控制驅動器8、終端電傳動機構9、車輛通行阻攔器10、終端語音播放器11、終端顯示屏12、橋梁監控終端35、GPRS移動巡檢36。
圖2為本發明汽車動態稱重裝置結構正視圖 圖3為本發明汽車動態稱重裝置結構俯視剖面圖 圖2與圖3示出，第一耐壓力球形橡膠氣囊13、第二耐壓力球形橡膠氣囊14、第一壓力傳感器15、第二壓力傳感器16、第一信號傳輸電纜17、第二信號傳輸電纜18、氣門嘴19、上壓力支撐體20、下壓力支撐體21、上載壓鋼板22、下載壓鋼板23。
圖4為本發明GPRS模塊內部結構圖 圖4示出，GPRS晶片24、SIM卡25、單片機26、擴展數據存儲器27、RS232接口28、信號處理器5。
圖5為本發明GPRS通信主體結構圖 圖5示出，發射/接收天線29、GPRS服務支持節點30、GPRS骨幹網31、網關支持節點32、網際網路33、路網監控中心伺服器34。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括汽車動態稱重裝置1、第一CCD攝像頭2、第二CCD攝像頭3、數據採集模塊4、信號處理器5、GPRS模塊6、GPRS通信主體7、終端控制驅動器8、終端電傳動機構9、車輛通行阻攔器10、終端語音播放器11、終端顯示屏12。由埋設於引橋入口路面上的汽車動態稱重裝置1隨著汽車的行進傳感出汽車輪壓電氣模擬信號，並將其實時地輸送至數據採集模塊4的模擬信號輸入埠，第一CCD攝像頭2採集的汽車側向圖像由其輸出埠經視頻電纜連接至數據採集模塊4的第一圖像信號輸入埠，第二CCD攝像頭3採集的超載汽車疏導讓行情況圖像由其輸出埠經視頻電纜連接至數據採集模塊4的第二圖像信號輸入埠，數據採集模塊4將數位化後的每個汽車輪壓電氣模擬信號與預處理後的圖像信號經過其輸出插槽輸入至信號處理器5的輸入端，信號處理器5的控制輸出埠與終端控制驅動器8的輸入埠連接，終端控制驅動器8的輸出埠與終端電傳動機構9連接，終端電傳動機構9的輸出力臂與車輛通行阻攔器10的力臂連接，信號處理器5的數字語音輸出接口與終端語音播放器11的數字輸入接口連接，信號處理器5的顯示輸出接口與終端顯示屏12輸入接口連接，信號處理器5的標準串行RS232接口與GPRS模塊6的RS232接口28相連接。
本發明工作機理分為三個子系統，具體是由第一CCD攝像頭2、第二CCD攝像頭3、數據採集模塊4、信號處理器5組成圖像識別第一子系統；由汽車動態稱重裝置1、數據採集模塊4、信號處理器5組成數值計算第二子系統；由信號處理器5、GPRS模塊6、GPRS通信主體7、終端控制驅動器8、終端電傳動機構9、車輛通行阻攔器10、終端語音播放器11、終端顯示屏12組成控制第三子系統。第一子系統，承擔著對汽車側向圖像輪廓線提取、車輛輪軸數、車輪直徑與輪軸象素坐標識別，以及對超載車輛讓行情況的識別；第二子系統，根據汽車動態稱重裝置1輸出信號求取被測汽車每個軸載，再跟據車輛輪軸數、車輪直徑與輪軸象素坐標，運用車輛總重方程計算被測車輛總重，並依據限載橋梁的規定通行標準判定當前載重車輛是否超載；第三子系統，當車輛超出限載標準時，信號處理器5輸出控制指令至終端控制驅動器8，經終端控制驅動器8放大後的功率信號驅動終端電傳動機構9帶動車輛通行阻攔器10的力臂關閉車輛通道，同時，信號處理器4向終端語音播放器11與終端顯示屏10輸入相應數位訊號實現對當前車輛超載信息的語音和文字警示，並監視超載車輛讓行情況以便確定是否向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令，還通過GPRS模塊6向GPRS通信系統及其GPRS移動巡檢36傳送當前超載車輛動態信息，便於整個路網的管理與監控。
所述汽車動態稱重裝置1，如圖2與圖3所示，包括第一耐壓力球形橡膠氣囊13、第二耐壓力球形橡膠氣囊14、第一壓力傳感器15、第二壓力傳感器16、第一信號傳輸電纜17、第二信號傳輸電纜18、氣門嘴19、上壓力支撐體20、下壓力支撐體21、上載壓鋼板22、下載壓鋼板23。第一耐壓力球形橡膠氣囊13、第二耐壓力球形橡膠氣囊14上下各膠接一個具有相等截面積的壓力支撐體，稱為上壓力支撐體20和下壓力支撐體21，上壓力支撐體20和下壓力支撐體21又分別與上載壓鋼板22、下載壓鋼板23焊接緊固，第一耐壓力球形橡膠氣囊13、第二耐壓力球形橡膠氣囊14的上截面各封裝第一壓力傳感器15和第二壓力傳感器16及其氣門嘴19，第一壓力傳感器15通過第一信號傳輸電纜17連接到數據採集模塊的第一模擬信號輸入埠，第二壓力傳感器16通過第二信號傳輸電纜18連接到數據採集模塊的第二模擬信號輸入埠。由於上壓力支撐體與耐壓力球形橡膠氣囊之間的接觸面積固定，因此壓力傳感器輸出的汽車輪壓電氣模擬信號乘上受力面積與係數後即可直接獲得被測車輪的重力，進而根據軸載公式計算出當前車輪軸載。對汽車的動態稱重過程，無需對車輛的行駛速度及其姿態提出任何要求，根據軸載、軸距和輪軸數，再利用整車重量數學模型能夠準確獲得車輛總重。
所述第一CCD攝像頭2與第二CCD攝像頭3配置了電子自動調節光圈光學鏡頭，因此保證了在不同環境照度下，CCD輸出的圖像均具有優良的亮度與解析度。
所述數據採集模塊3，包括第一模擬信號輸入埠、第二模擬信號輸入埠、第一圖像信號輸入埠、第二圖像信號輸入埠、A/D轉換器、圖像預處理器與輸出插槽，其中，兩個模擬信號輸入埠分別用以接收汽車動態稱重裝置中兩個壓力傳感器經兩個信號傳輸電纜輸出的汽車輪壓電氣模擬信號，模擬信號輸入接口的輸出端接至A/D轉換器的輸入端，A/D轉換器負責將模擬信號轉換成數位訊號並經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端，圖像信號輸入埠用以接受來自CCD攝像頭輸出的圖像信號，第一圖像信號輸入埠接收第一CCD攝像頭採集圖像，第二圖像信號輸入埠接收第二CCD攝像頭採集圖像，圖像輸入埠的輸出端連接至圖像預處理器的輸入端，圖像預處理器對被採集圖像信號進行解碼和模數轉換，圖像預處理器的輸出信號經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端。
所述信號處理器5，包括圖像處理模塊、數值計算模塊和控制模塊。所述圖像處理模塊，對汽車側向圖像進行輪廓線提取，從第一CCD攝像頭2採集的圖像中識別車輛輪軸數、車輪直徑及輪軸象素坐標，從第二CCD攝像頭3採集的圖像中識別超載車輛讓行情況。所述數值計算模塊，將汽車動態稱重裝置1傳送的並經過數據採集模塊4數位化的兩個汽車輪壓信號進行相加獲得ui的數位化值，然後根據軸載公式計算出當前車輪軸載，由輪軸象素坐標計算輪軸間距，再根據軸載、輪軸數及其間距來計算車輛總重，記錄車輛超載信息；在信號處理器5中建立橋梁實際承載能力標準，並接收路網監控中心通過GPRS通信系統傳送的橋梁實際承載能力標準修正值以實時更新橋梁限載監控標準，將被測車輛總重和軸載與橋梁最大允許車輛總重和最大允許軸載分別進行比較，記錄當天車輛正常通行數、被查出超載車輛數、累計車輛正常通行數和超載車輛數。所述控制模塊，將超載信息轉換為控制指令向終端控制驅動器8發送，控制指令包括禁止超載車輛通行指令和車輛通行阻攔器復位指令，所述復位指令即引橋入口恢復車輛正常通行狀態下的監控指令；向終端語音播放器11輸出數字語音信號，向終端顯示屏12輸出顯示信息，經GPRS模塊向GPRS通信系統及其移動巡檢交互監控信息，當識別結果確認超載車輛已從疏導車道讓行後，向終端控制驅動器8發送車輛通行阻攔器復位指令，否則，由終端語音播放器11和終端顯示屏12向超載車輛持續發出警示信息，並請求移動巡檢協助。
所述GPRS模塊6，如圖4所示，包括GPRS晶片24、SIM卡25、單片機26、擴展數據存儲器27、RS232接口28，單片機26採用MSC1210，主要用於控制GPRS晶片24的信息接收和發送，並通過標準RS232串口28和信號處理器5進行數據通信，同時用軟體實現中斷，以完成數據轉發。
所述GPRS通信主體7，如圖5所示，包括發射/接收天線29、GPRS服務支持節點30、GPRS骨幹網31、網關支持節點32、網際網路33、路網監控中心伺服器34，在原有數字通無線通信網絡GSM基礎上引入兩個新的網絡節點GPRS服務支持節點30和網關支持節點32，GPRS服務支持節點30和單片機26處在同一等級水平，並跟蹤單片機26的存儲單元實現安全功能和接入控制，並通過幀中繼連接到基站系統，網關支持節點32支持與外部分組交換網的互通，並經由GPRS骨幹網31和GPRS服務支持節點30連通。GPRS終端通過接口從信號處理器5取得數據，處理後的GPRS分組數據發送到GSM基站，分組數據經GPRS服務支持節點30封裝後，通過GPRS骨幹網31與網關支持接點32進行通信，網關支持節點33對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。若分組數據是發送到另一個GPRS終端，則一般將數據由GPRS骨幹網31發送到GPRS服務支持節點30，再經發射/接收天線29發送到GPRS終端，GPRS通信主體7與各GPRS終端構成完整的GPRS系統。
所述路網監控中心伺服器34，包括被監控橋梁限載標準的確定與修正、超載車輛數據統計與分析、特殊情況(包括戰備、消防、橋梁維修等)下的遙控指令發送三大模塊。第一模塊，根據橋梁實際承載能力確定橋梁限載標準值，並通過GPRS通信系統發送至監控終端的信號處理器，對橋梁限載標準進行修正、更新；第二模塊，通過接收各個監控終端所發生的超載車輛數據動態信息，供管理決策層進行數據統計與分析，以便提升橋梁設計水平和路橋監控技術水平，所接收的動態信息中包括終端數字圖像信號；第三模塊，一旦特殊情況發生，路網監控中心伺服器34直接向監控終端信號處理器下達遙控指令，強制關閉橋梁。
所述終端控制驅動器8，當信號處理器5判定當前車輛超載時，即向將終端控制驅動器8的輸入埠輸出數字控制指令，終端控制驅動器8將數字控制指令轉換成模擬信號並經功率放大後，驅動終端電傳動機構9，進而帶動車輛通行阻攔器10阻止車輛通行，當信號處理器確認超載車輛已從疏導車道讓行後，終端控制驅動器準確接收到信號處理器輸出的車輛通行阻攔器復位指令。
所述終端語音播放器11，包括數字輸入接口、D/A轉換器、音頻放大電路和揚聲器，數字輸入接口接收信號處理器5的輸出數位訊號，其出口連至D/A轉換器的輸入端，D/A轉換器的輸出端連至音頻放大器的輸入端，音頻放大器的輸出端連至揚聲器的輸入端。終端語音播放器11與終端顯示屏12均在信號處理器5在向終端控制驅動器8發出控制指令的同時，接收到相應的數位訊號，此時，前者即向當前車輛用清晰的語音提示「當前車輛已經超過前方橋梁允許通行載重量××％，請通過疏導車道為其它車輛讓行！」後者則在屏幕上明示前方橋梁允許通行軸載與總重以及當前車輛的實際軸載與總重等數據信息。
當車輛進入橋梁引橋入口時 (1)由埋設於入口路面上的汽車動態稱重裝置隨著汽車的行進將逐一傳感出汽車輪壓電氣模擬信號，並實時地將其輸送至數據採集模塊的模擬信號輸入埠； (2)第一CCD攝像頭採集汽車側向圖像，第二CCD攝像頭採集車輛疏導讓行情況圖像，並將圖像模擬信號分別經視頻電纜線輸出至數據採集模塊的第一、第二圖像信號輸入埠； (3)數據採集模塊將每個汽車輪壓電氣模擬信號轉換為數位訊號，對被採集圖像信號進行解碼和模數轉換，隨後將上述預處理後的數位訊號經過輸出插槽並行輸入至信號處理器的輸入端； (4)信號處理器運行圖像處理、數值計算和控制輸出三大工作模塊，完成對汽車側向圖像輪廓線提取，車輛輪軸數識別，輪軸間距計算，汽車軸載與車輛總重計算，最後對當前載重汽車是否允許通行作出判定，並確定是否輸出控制指令； (5)當被測汽車超載時，立即由信號處理器的控制輸出埠向終端控制驅動器輸出控制指令，終端控制驅動器將接收到的數字控制信號轉換成模擬信號，經功率放大後驅動終端電傳動機構，在終端電傳動機構的機械力矩作用下，開啟車輛通行阻攔器阻止超載汽車通過，並向終端語音播放器和終端顯示屏輸出信號，通過語音和文字顯示以告知當前超載車輛，同時，監視超載車輛是否從疏導車道讓行，否則，由終端語音播放器和終端顯示屏向超載車輛持續發出警示信息，並請求引動巡檢員協助，當確認超載車輛已從疏導車道讓行後，信號處理器向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令； (6)與此同時，信號處理器經GPRS模塊，再由GPRS通信系統向路網監控中心伺服器和GPRS移動巡檢36進行監控信息交互。
在本發明技術的自動監控下，能夠在引橋入口處準確檢出車輛實際軸載和總重，凡是軸載超過120kN或者總重超出300kN的車輛，系統對其明確告知超載信息、禁止其通行前方橋梁，並引導其進入疏導車道，同時通過GPRS通信系統將超載車輛信息送達路網監控中心和GPRS移動巡檢36，整個監控過程的鑑別正確率達到100％，因此有效保障了橋梁的通行安全和道路暢通。
權利要求
1.一種橋梁限載自動監控系統，其特徵在於，包括汽車動態稱重裝置、兩個CCD攝像頭、數據採集模塊、信號處理器、GPRS模塊、GPRS通信主體、終端控制驅動器、終端電傳動機構、車輛通行阻攔器、終端語音播放器、終端顯示屏，其中所述汽車動態稱重裝置用於傳感汽車車輪對地面的壓力，傳感所檢測到的輪壓電氣模擬信號被輸出至數據採集模塊的模擬信號輸入埠，第一CCD攝像頭用於對汽車側向車輪及輪軸間距圖像的採集，第二CCD攝像頭用於監視超載車輛疏導讓行情況，兩個CCD攝像頭將採集到的圖像輸出至數據採集模塊的圖像信號輸入埠，數據採集模塊通過與信號處理器的輸出/輸入插槽將採集到的壓力數位訊號與數字圖像信號並行輸送至信號處理器，信號處理器經運行圖像識別與數值計算模塊後準確獲取當前汽車的軸載與總重兩項重要評定參數，並據此判定當前車輛是否超出橋梁限載標準，當汽車未出現超載時，汽車正常通行不受任何影響，當汽車超載時，立即由信號處理器的控制輸出埠向終端控制驅動器輸出控制指令，終端控制驅動器將接收到的數字控制信號轉換成模擬驅動信號，經功率放大後輸出至電傳動機構作為其電驅動功率信號啟動終端電傳動機構，在終端電傳動機構的機械力矩作用下，開啟車輛通行阻攔器以阻止超載汽車通過，同時，信號處理器向終端語音播放器輸出數字語音信號，由終端語音播放器向當前車輛語音告示超載狀況，禁止其通過前方橋梁，信號處理器向終端顯示屏輸出文字顯示信號，由終端顯示屏向當前車輛警示超載數據信息，並監視超載車輛讓行情況以便確定是否向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令，信號處理器將監控信息經RS232接口輸入GPRS模塊向GPRS通信系統傳送，使得GPRS通信系統實時掌握橋梁限載監控的基本數據資料，GPRS通信系統根據橋梁實際承載能力的評定與測試結果實時將修正過的橋梁限載標準發送到監控終端的GPRS模塊，再經RS232接口進入信號處理器，實現GPRS通信系統對所有監控終端的遠程監控。
2.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述汽車動態稱重裝置，包括第一耐壓力球形橡膠氣囊、第二耐壓力球形橡膠氣囊、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第一信號傳輸電纜、第二信號傳輸電纜、氣門嘴、上壓力支撐體、下壓力支撐體、上載壓鋼板、下載壓鋼板，第一耐壓力球形橡膠氣囊、第二耐壓力球形橡膠氣囊上下各膠接一個具有相等截面積的壓力支撐體，稱為上壓力支撐體和下壓力支撐體，上壓力支撐體和下壓力支撐體又分別與上載壓鋼板、下載壓鋼板焊接緊固，第一耐壓力球形橡膠氣囊、第二耐壓力球形橡膠氣囊的上截面各封裝第一壓力傳感器和第二壓力傳感器及其氣門嘴，第一壓力傳感器通過第一信號傳輸電纜連接到數據採集模塊的第一模擬信號輸入埠，第二壓力傳感器通過第二信號傳輸電纜連接到數據採集模塊的第二模擬信號輸入埠。
3.根據權利要求2所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述汽車動態稱重裝置中的耐壓力球形橡膠氣囊感受汽車通過橋梁監控入口時的壓力，並將感受到的壓力在密封的容腔內及時傳遞到壓力傳感器，經過傳感器的信號轉換，壓力傳感器的輸出埠具有一個與壓力成線性關係的輪壓電氣模擬信號輸出，兩個壓力傳感器的輪壓電氣模擬信號通過兩個信號傳輸電纜並行輸出至數據採集模塊的兩個輸入埠，汽車動態稱重裝置中的上壓力支撐體與耐壓力球形橡膠氣囊之間的接觸面積固定，根據重力與壓力之間的關係，將壓力乘上作用面積即獲得被測車輪的重力。
4.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述信號處理器，包括圖像處理模塊、數值計算模塊和控制模塊，其中
所述圖像處理模塊，對汽車側向圖像進行輪廓線提取，從第一CCD攝像頭採集的圖像中識別車輛輪軸數、車輪直徑及輪軸象素坐標，從第二CCD攝像頭採集的圖像中識別超載車輛讓行情況；
所述數值計算模塊，將汽車動態稱重裝置傳送的、經過數據採集模塊數位化的兩個汽車輪壓信號進行相加獲得ui的數位化值，然後根據軸載公式
計算出當前車輪軸載，由輪軸象素坐標計算輪軸間距，再根據軸載、輪軸數及其間距來計算車輛總重，記錄車輛超載信息，在信號處理器中建立橋梁實際承載能力標準，並接收路網監控中心通過GPRS通信系統傳送的橋梁實際承載能力標準修正值以實時更新橋梁限載監控標準，將被測車輛總重和軸載與橋梁最大允許車輛總重和最大允許軸載分別進行比較，記錄當天車輛正常通行數、被查出超載車輛數、累計車輛正常通行數和超載車輛數；
所述控制模塊，將超載信息轉換為控制指令向終端控制驅動器發送，控制指令包括禁止超載車輛通行指令和車輛通行阻攔器復位指令，所述復位指令即引橋入口恢復車輛正常通行狀態下的監控指令；控制模塊向終端語音播放器輸出數字語音信號、向終端顯示屏輸出顯示信息，經GPRS模塊向GPRS通信系統及其移動巡檢交互監控信息，當識別結果確認超載車輛已從疏導車道讓行後，向終端控制驅動器發送車輛通行阻攔器復位指令，否則，由終端語音播放器和終端顯示屏向超載車輛持續發出警示信息，並請求移動巡檢協助。
5.根據權利要求1或4所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述終端語音播放器，包括輸入接口、D/A轉換器、音頻放大電路和揚聲器，輸入接口接收信號處理器的輸出數位訊號，其出口連至D/A轉換器的輸入端，D/A轉換器的輸出端連至音頻放大器的輸入端，音頻放大器的輸出端連至揚聲器的輸入端，終端語音播放器收到數字語音信號後，經D/A轉換器將其轉換成模擬語音信號，再經音頻放大電路的功率放大，最終輸出至揚聲器播放完整語義，當被測汽車載重量超限時，受禁止超載車輛通行指令控制，終端語音播放器向當前車輛用清晰的語音提示。
6.根據權利要求1或3所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述終端顯示屏，在正常通行狀態下，顯示橋梁限載標準，當信號處理器判定當前車輛超載被限制通行時，向終端顯示屏的輸入接口輸入文字顯示信號，即在終端顯示屏上增加當前車輛超載數據信息。
7.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述數據採集模塊，包括第一模擬信號輸入埠、第二模擬信號輸入埠、第一圖像信號輸入埠、第二圖像信號輸入埠、A/D轉換器、圖像預處理器與輸出插槽五部分組成，其中，兩個模擬信號輸入埠分別用以接收汽車動態稱重裝置中兩個壓力傳感器經兩個信號傳輸電纜輸出的汽車輪壓電氣模擬信號，模擬信號輸入接口的輸出端接至A/D轉換器的輸入端，A/D轉換器負責將模擬信號轉換成數位訊號並經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端；圖像信號輸入埠用以接受來自CCD攝像頭輸出的圖像信號，其中，第一圖像信號輸入埠接收第一CCD攝像頭採集圖像，第二圖像信號輸入埠接收第二CCD攝像頭採集圖像，圖像輸入埠的輸出端連接至圖像預處理器的輸入端，圖像預處理器對被採集圖像信號進行解碼和模數轉換，圖像預處理器的輸出信號經輸出插槽輸入至信號處理器的輸入端。
8.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述GPRS通信主體，包括發射/接收天線、GPRS服務支持節點、GPRS骨幹網、網關支持節點、網際網路、路網監控中心伺服器，在原有數字通無線通信網絡GSM基礎上引入兩個新的網絡節點GPRS服務支持節點和網關支持節點，GPRS服務支持節點和單片機處在同一等級水平，並跟蹤單片機的存儲單元實現安全功能和接入控制，並通過幀中繼連接到基站系統，網關支持節點支持與外部分組交換網的互通，並經由GPRS骨幹網和GPRS服務支持節點連通，GPRS終端通過接口從本發明的信號處理器取得數據，處理後的GPRS分組數據發送到GSM基站，分組數據經GPRS服務支持節點封裝後，通過GPRS骨幹網與網關支持接點進行通信，網關支持節點對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，若分組數據是發送到另一個GPRS終端，則一般將數據由GPRS骨幹網發送到GPRS服務支持節點，再經發射/接收天線發送到GPRS終端，GPRS通信主體與各GPRS終端構成完整的GPRS系統。
9.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述路網監控中心伺服器，包括被監控橋梁限載標準的確定與修正、超載車輛數據統計與分析以及包括戰備、消防、橋梁維修情況下的遙控指令發送三大模塊，其中
所述被監控橋梁限載標準的確定與修正模塊根據橋梁實際承載能力評定法所獲得的數據來確定被監控橋梁限載標準值，並通過GPRS通信系統發送至橋梁監控終端35的信號處理器，對橋梁限載標準進行設置或者修正更新，橋梁實際承載能力評定法包括基於實橋調查的經驗方法、荷載試驗法、設計理論法；
所述超載車輛數據統計與分析模塊接收各個監控終端所發生的超載車輛數據動態信息，供管理決策層進行數據統計與分析，以便提升橋梁設計水平和路橋監控技術水平，所接收的動態信息中包括終端數字圖像信號；
所述遙控指令發送模塊，一旦戰備、消防、橋梁維修特殊情況發生，GPRS通信系統能夠直接向監控終端信號處理器下達遙控指令，實行橋梁交通的強制性控制。
10.根據權利要求1所述的橋梁限載自動監控系統，其特徵是，所述終端控制驅動器將數字控制指令轉換成模擬信號並經功率放大後，驅動終端電傳動機構，進而帶動車輛通行阻攔器阻止車輛通行，當信號處理器確認超載車輛已從疏導車道讓行後，終端控制驅動器準確接收到信號處理器輸出的車輛通行阻攔器復位指令；
所述終端電傳動機構將輸入的電氣功率信號轉換成為機械力矩，啟動車輛通行阻攔器阻止超載車輛通行，或者，車輛通行阻攔器復位，恢復車輛正常通行狀態下的監控；
所述車輛通行阻攔器是一種橫杆式機械轉動機構，受禁止超載車輛通行指令控制，車輛通行阻攔器在終端電傳動機構力臂的推動下，平穩轉動下落，橫置於車道中間；受車輛通行阻攔器復位指令控制，車輛通行阻攔器在終端電傳動機構力臂的拉動下，平穩轉動升起，豎置於車道旁。
全文摘要
一種橋梁限載自動監控系統，包括汽車動態稱重裝置、兩個CCD攝像頭、數據採集模塊、信號處理器、GPRS模塊、GPRS通信主體、終端控制驅動器、終端電傳動機構、車輛通行阻攔器、終端語音播放器、終端顯示屏，汽車動態稱重裝置將輸出壓力電氣信號與CCD攝像頭採集的圖像視頻信號輸出至數據採集模塊，再交由信號處理器處理與判定，信號處理器根據汽車側向圖像進行車輪軸距計算與車輛輪軸數識別，再根據汽車動態稱重裝置獲取的汽車軸載，運用車輛總重方程求取當前車輛總重，因此能夠通過標準來判定當前車輛是否可以通過前方橋梁，最後發送控制指令、通過後續執行機構和GPRS通信系統對橋梁通行實現安全監控技術的智能化與自動化。
文檔編號G05B19/048GK101145045SQ200710047398
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月25日 優先權日2007年10月25日
發明者張秀彬, 漣 朱, 蘇一理 申請人:上海電機成套聯合有限公司