CN101145044A - 桥梁限载自动监控方法 - Google Patents

Abstract

一种自动控制技术领域的桥梁限载自动监控方法，汽车动态称重装置传感汽车轮压与CCD摄像头采集图像，经数据采集模块预处理后输至信号处理器，信号处理器对车辆侧向图像轮廓线的提取、识别与测量，获取车辆的轮轴数及其轮轴间距，进而求得每个轴载与车辆总重，通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行，当汽车超载时，由信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，开启车辆通行阻拦器阻止超载汽车通过，同时，信号处理器向终端语音播放器与终端显示屏输入数字信号向当前车辆明示超载数据信息，并监视超载车辆疏导让行状况，动态信息通过GPRS通信***向路网监控中心及其移动巡检进行交互，整个过程实现智能化与自动化。

Description

桥梁限载自动监控方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动控制技术领域的监控方法，具体是一种为了保障桥梁安全而设置的桥梁限载自动监控方法。

背景技术

车辆超载问题已经引起公众越来越多的关注，在经济利益的驱使下众多载货卡车严重超载的现象处处可见，最为严重者，其最大超载高达114％以上，据不完全统计，平均超载在60％以上。众所周知，车辆超载不仅对车辆自身存在很大的安全隐患，而且极易酿成恶***通事故，更为严重的是，会严重损坏沿途的路面与桥涵结构。理论分析可知，对于混凝土桥梁结构而言，超载的危害是巨大的，会造成过大的挠度从而使得混凝土开裂，引起钢筋锈蚀；桥面混凝土破损、伸缩装置损坏；引起桥台填土沉降、桥头跳车；结构疲劳损伤等病害，严重危害桥梁的耐久性。严重超载还会导致桥梁结构破坏、倒塌，造成生命、财产的重大损失。

治理超载是一个亟待解决的问题，需要很多部门的合作。除了对公路桥梁设置限载标志，是对治理超载问题有着重要的现实意义外，尚需依靠先进的技术手段从根本上来解决公路桥梁的安全问题以避免桥梁倒塌等悲剧的发生，并能够最大限度地保障经济的可持续增长。

经对现有技术文献的检索发现，沈平等的“关于既有公路混凝土桥梁限载问题的探讨”(《西部探矿工程》2006年第1期)结合桥梁实际通过车辆情况和桥梁结构实际状况，从结构承载力的角度出发，讨论了确定限载指标时设计荷载与实际荷载关系、结构状况对限载指标的影响以及限载方式等问题，并提出采用折减系数法确定既有桥梁限载指标的方法：在对桥梁状况进行实地调查、正确分类的基础上，根据跨径大小，确定限载值，以t(吨)为单位，每桥设置司机能够看懂、交警易于操作的标志牌，并采用“逐桥限载”、“按路段限载”和“按全路线或区域限载”的人工管理方法来实现桥梁的安全监控。该方法仍然停留在设置“标志牌”和人工管理的水平上，货车司机往往在经济利益的驱使下将“标志牌”视而不见是经常发生的事情，显然缺乏管理的有效性，并且需要的人工参与，增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种桥梁限载自动监控方法，使其能够在无人参与的情况下实现桥梁通行限载的全自动与智能化监控技术功能，降低劳动成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)当汽车进入桥梁引桥监控入口时，采用汽车动态称重装置传感出汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2，i为当前被测轮轴编号。

(2)汽车动态称重装置将汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2并行输出至数据采集模块的模拟信号输入端口。

(3)第一CCD摄像头采集汽车侧向车轮及轮轴间距图像，第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像，由CCD摄像头采集到的图像信号分别经视频电缆线输出至数据采集模块的第一、第二图像信号输入端口。

(4)数据采集模块将每个汽车轮压电气模拟信号转换为数字信号，对CCD采集图像信号进行解码和模数转换，随后将上述预处理后的数字信号经过输出插槽并行输入至信号处理器的输入端。

(5)信号处理器利用信号u_i1和u_i2根据轴载公式计算汽车轴载。

(6)信号处理器中的图像处理模块对第一CCD摄像头采集的汽车侧向车轮及轮轴间距图像进行处理，通过车辆外形与车轮轮廓线的识别确认当前车辆轮轴数，通过与车轮轮廓线相交的最长水平线段确认轮轴轴心的位置及其象素坐标，再根据象素坐标与物理空间世界坐标系之间的映射关系求取当前轮轴轴心的空间坐标，进而运用两点之间的直线线段计算公式求取相邻两个轴心间距，即轮轴间距。

所述信号处理器中的图像处理模块对第一CCD摄像头采集的汽车侧向车轮及轮轴间距图像进行处理，具体为：

①对汽车侧向图像进行轮廓线提取，选择在灰度曲线的谷点，以保证二值边界清晰可辨，前景区域和背景区域正确分割；

②识别车辆轮轴数，根据车身及其车轮轮廓线通过圆形模板及其相似度指标由图像识别算法识别出当前汽车所拥有的轮轴数N；

⑧计算车轮直径与轮轴间距，由车轮轮廓线寻找出与其相交的最长水平线段即为该车轮的直径，求取直径是计算轮轴轴心的中间过程，直径的中点即为该车轮的轮轴轴心，并确认其象素位置坐标(u，v)，u与v分别表示轮轴轴心所处图像中的行与列数；根据事先标定所确定的象素位置坐标系与三维空间世界坐标系的映射关系求取对应于象素位置坐标(u，v)的三维空间坐标值，再利用两点距离公式求取任意两个轴心之间的距离。

(7)信号处理器中的数值计算模块根据步骤(5)得到的汽车轴载和步骤(6)获取的车辆轮轴数及其轮轴间距计算汽车总重，通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行。

所述信号处理器中的数值计算模块根据步骤(5)和(6)利用力矩平衡方程计算汽车总重。

所述通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行，具体为：将获取的汽车轴载

和车辆总重G与桥梁通行标准进行比较，当G>G_max或

就认定当前车辆不得通过前方桥梁，其中，G_max为最大允许汽车总重，

为最大允许汽车轴载，此时即由信号处理器的输出端口输出控制指令信号。

(8)信号处理器根据判定结果输出控制指令

当汽车超载时，由信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，启动终端电传动机构，在终端电传动机构机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器阻止超载汽车通过，同时，信号处理器向终端语音播放器与终端显示屏输入数字信号向当前车辆明示超载数据信息，并通过第二CCD摄像头监视超载车辆疏导让行状况，动态信息能够通过GPRS通信***向路网监控中心及其移动巡检员进行交互。

本发明具有以下有益效果：对车辆轴载与总重的动态检测与计算结果相对误差小于2％，在允许误差2％的前提下，对超载车辆的检测与鉴别正确率达到100％，最终证实本发明具有桥梁限载监控的智能化与自动化以及监控点独立监控与路网监控中心遥控相结合的显著功能，因此从真正意义上提高桥梁通行的安全性，并最大限度地减轻了桥梁监管人员的劳动强度，同时，路网监控中心能够通过GPRS通信***从各个监控终端获取当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数等重要的动态基本数据，为进一步改善桥梁设计和路网规划等技术和管理决策提供重要依据，进而大幅度提升交通安全运行监管效益，并且大幅度降低了路网安全监控的劳动成本。

附图说明

图1为本发明实施例采用的基础硬件***构成示意图

图2为本发明实施例流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例采用的硬件基础，包括：汽车动态称重装置、两个CCD摄像头、数据采集模块、信号处理器、GPRS模块、GPRS通信主体、终端控制驱动器、终端电传动机构、车辆通行阻拦器、终端语音播放器、终端显示屏。汽车动态称重装置在受到汽车重压的作用下将压力信号传感转换为电气模拟信号输出，其输出端口与数据采集模块的模拟信号输入端口连接，CCD摄像头用于采集图像，其输出端口经视频电缆连接至数据采集模块的图像信号输入端口，数据采集模块的输出插槽与信号处理器的输入插槽连接，信号处理器的RS232接口与GPRS模块的RS232接口相连接，信号处理器的控制输出端口与终端控制驱动器的输入端口连接，终端控制驱动器的输出端口与终端电传动机构的驱动信号输入端口连接，终端电传动机构的输出力臂与车辆通行阻拦器的力臂连接；信号处理器的数字语音输出接口与终端语音播放器的输入接口连接，信号处理器的显示输出接口与终端显示屏输入接口连接，GPRS模块的射频输出无线发射端口与GPRS通信主体射频接收天线对接，GPRS通信主体射频发射天线与GPRS模块的射频输入无线接收端口对接，GPRS通信主体射频接收与发射天线是同一个装置，能够同时接收和发射不同频段的数字调制信号。

所述汽车动态称重装置专门用于传感汽车车轮对地面的压力(简称汽车轮压)，传感所检测到的轮压电气模拟信号被输出至数据采集模块的模拟信号输入端口；第一CCD摄像头用于对汽车侧向车轮及轮轴间距图像的采集，第二CCD摄像头用于监视超载车辆疏导让行情况，两个CCD摄像头将采集到的图像输出至数据采集模块的图像信号输入端口，数据采集模块通过与信号处理器的输出/输入插槽将采集到的轮压数字信号与数字图像信号并行输送至信号处理器，信号处理器经运行图像识别与数值计算模块后准确获取当前汽车的轴载与总重两项重要评定参数，因此可以判定当前车辆是否超出桥梁限载标准。当汽车未出现超载时，汽车正常通行不受任何影响；当汽车超载时，立即由信号处理器的控制输出端口向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟驱动信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号启动终端电传动机构，在终端电传动机构的机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器以阻止超载汽车通行；同时，信号处理器向终端语音播放器输出数字语音信号，由终端语音播放器向当前车辆告知超载状况，并禁止其通过前方桥梁；同时，信号处理器向终端显示屏输出文字显示信息，由终端显示屏向当前车辆警示超载数据信息。信号处理器将监控信息经RS232接口输入GPRS模块向GPRS通信***传送，使GPRS通信***实时掌握桥梁限载监控的基本数据资料；GPRS通信***根据桥梁实际承载能力的评定与测试结果实时将修正过的桥梁限载标准发送到监控终端GPRS模块的射频输入无线接收端口，再经RS232接口进入信号处理器，因此实现GPRS通信***对所有监控终端的远程监控。

上述***工作机理分为三个子***，具体是：第一CCD摄像头、第二CCD摄像头、数据采集模块、信号处理器组成图像识别第一子***；汽车动态称重装置、数据采集模块、信号处理器组成数值计算第二子***；信号处理器、GPRS模块、GPRS通信主体、终端控制驱动器、终端电传动机构、车辆通行阻拦器、终端语音播放器、终端显示屏组成控制输出第三子***。第一子***承担着对汽车侧向图像轮廓线提取、车辆轮轴数、车轮直径与轮轴象素坐标识别，以及对超载车辆让行情况的识别；第二子***根据汽车动态称重装置求取被测汽车每个轴载，利用车辆轮轴数、车轮直径与轮轴象素坐标，运用车辆总重方程计算求取被测车辆总重，并依据限载桥梁的规定通行标准判定当前载重车辆是否超载；第三子***当车辆超出限载标准时，信号处理器输出控制指令给终端控制驱动器，经终端控制驱动器放大后的功率驱动信号驱动终端电传动机构带动车辆通行阻拦器的力臂关闭车辆通道，同时，信号处理器向终端语音播放器与终端显示屏输入相应数字信号实现对超载车辆超载信息的语音和文字警示，并监视超载车辆让行情况以便确定是否向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，还通过GPRS模块向GPRS通信***及其GPRS移动巡检员传送当前超载车辆动态信息，便于整个路网的管理与监控。

本实施例中，所述汽车动态称重装置采用现有技术，包括：耐压力球形橡胶气囊、压力传感器、信号传输电缆、气门嘴、压力支撑体、载压钢板，每个耐压力球形橡胶气囊上下各胶接一个具有相等截面积的压力支撑体，称为上压力支撑体和下压力支撑体，上压力支撑体和下压力支撑体又分别与载压钢板焊接紧固，称为上载压钢板和下载压钢板，上载压钢板和下载压钢板之间具有两个物理外形与参数完全相同的耐压力球形橡胶气囊及其上压力支撑体和下压力支撑体，每个耐压力球形橡胶气囊的上截面封装一个压力传感器和一个气门嘴。当车辆碾压上载压钢板时，将自身的重力通过上载压钢板和上压力支撑体传递到两个耐压力球形橡胶气囊，耐压力球形橡胶气囊感受到的压力在密闭的容腔内及时传递到压力传感器，压力传感器将感应到的轮压电气模拟信号通过信号传输电缆输出至数据采集模块的输入端口以供后续信号处理。当汽车通过桥梁监控入口时，耐压力球形橡胶气囊将感受到的压力在密封的容腔内及时传递到压力传感器，经过传感器的信号转换，压力传感器的输出端口具有一个与压力成线性关系的轮压电气模拟信号输出，两个压力传感器的轮压电气模拟信号通过两个信号传输电缆并行输出至数据采集模块的两个输入端口。

如图2所示，以下结合上述***以实际载重车辆为例：

某桥梁，桥面宽度：8.5m；结构型式：最大为跨径13m的钢筋混凝土与预应力混凝土简支空心板和T梁桥。

经过对该桥梁的综合评定，认定：轴载限制不宜超过120kN，总重限制不宜超过300kN。

(1)当汽车进入桥梁引桥监控入口时，汽车动态称重装置传感出汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2。

(2)汽车动态称重装置将汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2并行输出至数据采集模块的模拟信号输入端口。

(3)第一CCD摄像头采集汽车侧向车轮及轮轴间距图像，第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像，由CCD摄像头采集到的图像信号分别经视频电缆线输出至数据采集模块的第一、第二图像信号输入端口。

(4)数据采集模块将每个汽车轮压电气模拟信号转换为数字信号，对CCD采集图像信号进行解码和模数转换，随后将上述预处理后的数字信号经过输出插槽并行输入至信号处理器的输入端。

(5)信号处理器利用信号u_i1和u_i2根据轴载公式计算汽车轴载

由于汽车动态称重装置中的上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积固定，根据重力与压力(压强)之间的关系，只需将被测压力乘上作用面积即可获得被测轮压所对应的重力，因此利用轴载公式：

计算能够获得汽车轴载，其中，i＝1，2，3...，i为被测轮轴编号，P_i1、P_i2分别为第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所承受第i号轮轴两个车轮/车轮组的压力，S为上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积，G_i1＝P_i1S，G_i2＝P_i2S，G_i1、G_i2分别为第i号轮轴的两个车轮/车轮组分别对第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所施加的重力，u_i1、u_i2为两个压力传感器输出的轮压电气模拟信号，K＝P_i1/u_i1＝P_i2/u_i2为轮压与压力传感器输出的轮压电气模拟信号之间的比例系数，u_i1、u_i2经过数据采集模块的预处理和信号处理器的数值计算后，首先获得第i号轮轴对汽车动态称重装置施压结果所产生的轴压力(简称轴压)信号u_i＝u_i1+u_i2的值，即，轴压等于两个压力传感器所感应轮压信号的相加，将轴压u_i、接触面积S与比例系数K代入上述轴载公式最终求取轴载。

(6)信号处理器中的图像处理模块对第一CCD摄像头采集的汽车侧向车轮及轮轴间距图像进行处理与识别，获取车辆轮轴数和轮轴间距。

具体步骤：

①对汽车侧向图像进行轮廓线提取

建立阈值灰度级，为了能够分割图像的亮度值，将比阈值灰度级亮的像素和比阈值灰度级暗的像素分为黑和白两组。理想的阈值划分目标是：图像中的黑白成分基本相等、图像的边界清晰、主体基本可以分辨。在灰度级直方图上阈值表示为一条垂直的分隔线，分隔线左面的所有灰度级将变为黑色，而右面将变为白色。一方面，分隔线应该使左右的面积相等，以保证有相同的黑色和白色像素；另一方面，假设灰度级概率分布可以用两个高斯分布来逼近，其中一个代表主体前景，另一个代表不需要的背景物体，阈值应该选择在灰度曲线的谷点，以保证二值边界清晰可辨，前景区域和背景区域正确分割。

②识别车辆轮轴数

根据车身及其车轮轮廓线通过圆形模板及其相似度指标由图像识别算法识别出当前汽车所拥有的轮轴数N，如：N＝2表示两轴车辆，N＝4表示四轴挂车。

③计算车轮直径与轮轴间距

由车轮轮廓线寻找出与其相交的最长水平线段即为该车轮的直径，求取直径是计算轮轴轴心的中间过程，直径的中点即为该车轮的轮轴轴心，并确认其象素位置坐标(u，v)，u与v分别表示轮轴轴心所处图像中的行与列数；

根据事先标定所确定的象素位置坐标与三维空间坐标的映射关系

$\left[\begin{array}{c}p\\ 1\end{array}\right]=\frac{1}{Z\′}K\left[\begin{array}{cc}R& t\begin{array}{c}\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}P\\ 1\end{array}\right]$

其中，p＝[u，v]^T为物理成像平面象素位置坐标向量；

P＝[X，Y，Z]^T为三维空间点坐标向量；

Z′为世界坐标系中空间点映射到CCD摄像头内坐标系(X′，Y′，Z′)中Z′轴上的分量，其数值等于上述映射关系方程式右边计算结果所得到的三维列向量中的第三元素值；

$K=\left[\begin{array}{ccc}{f}_x& 0& c_x\\ 0& f_y& c_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 为三维点坐标从归一化成像平面到物理成像平面的等比例缩放矩阵，其缩放的比例(逻辑焦距)和实际焦距f有关，除此之外，由于uv平面上的单位为像素，而因此从距离单位m到逻辑单位(像素)的缩放比例还和CCD像素的尺寸大小有关，像素在横轴方向和纵轴方向的实际大小可能不一样，因此应该为横轴方向和纵轴方向分别设定一个逻辑焦距，称为fx和fv，单位为“像素/m”，这表示，虽然只有一个物理焦距，但是表现在图像上可能有2个不同的逻辑焦距；另外，图像以某个角落作为原点(一般是图像的左上角)，而不是光轴通过CCD的地方，因此像素坐标还需要加上一个平移量c_x和c_y,也以像素为单位，称为“逻辑光心”，安装恰当的CCD，其逻辑光心基本上在图像中心的附近；f_x，f_y，c_x和c_y这四个参数被称作摄像机的内参数，它和摄像机的CCD大小、安装位置以及镜头的焦距有关系，但是和摄像机的安装位置和角度没有关系，如果CCD尺寸、镜头、焦距、图像分辨率均不变的话，内参数不会变化，因此，可以在实验室精确标定内参数，而到现场利用标定好的内参数，再来标定外参数；

$R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]$ 为三维旋转矩阵；t＝[t₁，t₂，t₃]^T为平移向量；由R与t构成的矩阵 $\left[\begin{array}{cc}R& t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& t_2\\ r_{21}& r_{32}& r_{33}& t_3\end{array}\right]$ 称为摄像头的外参数矩阵；

因此，在获得每个轮轴轴心位置坐标后，即能够通过上述映射关系中求得每个轮轴轴心的三维空间坐标，进而能够方便地利用空间两点坐标求取距离的计算公式

$D_{i,j}=\sqrt{{(X_i-X_j)}^2+{(Y_i-Y_j)}^2+{(Z_i-Z_j)}^2}$

求取任意两个轴心之间的距离，脚标i、j表示轮轴编号相应轴心点坐标的标号，i＝1，2，3，...N，j＝1，2，3，...N，D_i，j为第j号轮轴到第i号轮轴的距离，如：D_1，2表示2号轮轴到1号轮轴的距离，D_1，N表示后轮轴到前轮轴的距离；由于一般车辆的轮轴轴心处于同一安装平面，因此求取车轮轴心之间的距离公式还能够简化为两点横坐标的距离，即

$D_{i,j}=\sqrt{{(X_i-X_j)}^2}$

(7)信号处理器中的数值计算模块根据步骤(5)得到的汽车轴载和步骤(6)获取的车辆轮轴数及其轮轴间距计算汽车总重，通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行。

具体步骤：

①将已经获取的轴载及其轴距(即轮轴间距)代入整车总重方程

计算车辆总重，其中，G为车辆总重，N表示汽车的轮轴数，D_1.G表示整车重力对前轮轴的力臂，GD_1，G为整车重力对前轮轴的重力矩，D_1，N为前后轮轴间距，G(D_1，N-D_1，G)为整车重力对后轮轴的重力矩，D_1，i+1、D_1，i分别为第i+1号轮轴与第i号轮轴对前轮轴的力臂，

为第i+1号轮轴对前轮轴的重力矩，

为第i号轮轴对后轮轴的重力矩，其中力臂的计算方法

$D_{I,i}=\underset{k=1}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{k,k+1}$

比如： $D_{\mathrm{1,3}}=\underset{k=1}{\overset{k=3}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{k,k+1}=D_{\mathrm{1,2}}+D_{\mathrm{2,3}};$

α为检测点地面倾斜角度，考虑一般情况下，检测点所处道路地面均较为平整，因此α≈0，则cosα＝1，总重方程简化为

②将上述步骤获取的汽车轴载

和车辆总重G与桥梁通行标准进行比较，当G＞G_max或

就认定当前车辆不得通过前方桥梁，其中，G_max为最大允许汽车总重，

为最大允许汽车轴载，此时即由信号处理器的输出端口输出控制指令等信号。

(8)信号处理器根据判定结果确定输出控制指令，并与路网监控中心及移动巡检员进行动态信息交互。

当汽车超载时，由信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，启动终端电传动机构，在终端电传动机构机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器阻止超载汽车通过，同时，信号处理器向终端语音播放器与终端显示屏输入数字信号向当前车辆明示超载数据信息，并能通过第二CCD摄像头监视超载车辆疏导让行状况，动态信息能够通过GPRS通信***与路网监控中心及其移动巡检员进行交互。具体步骤如下：

当信号处理器判定当前车辆超载时，

①信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟驱动信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号，终端电传动机构将输入的电气功率信号转换成为机械转矩，带动车辆通行阻拦器，阻止超载车辆通行；

②信号处理器向终端语音播放器输出数字语音信号，终端语音播放器收到数字语音信号后，经D/A转换器将其转换成模拟语音信号，再经音频放大电路的功率放大，最终输出至扬声器播放提示语以疏导超载车辆让行；

③信号处理器向终端显示屏输出显示信息，由终端显示屏向当前超载车辆明示超载数据信息；

④信号处理器经RS232串口向GPRS模块输入车辆超载信息，通过GPRS通信***向路网监控中心和GPRS移动巡检员传输信息；

⑤信号处理器利用第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像监视超载车辆让行情况，该过程依据疏导车道车辆通形状态图像模板对车辆疏导状态进行识别，信号处理器一旦确认超载车辆已从疏导车道让行后，信号处理器即向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，否则，由终端语音播放器和终端显示屏向超载车辆持续发出警示信息，并请求引动巡检员协助，整个过程实现数字化和自动化；

⑥桥梁实际承载能力标准及时通过GPRS通信***送达监控终端的信号处理器进行设置或更新。

实施例证实，本发明具有以下有益效果：对车辆轴载与总重的动态检测与计算结果相对误差小于2％，允许误差2％范围内，在本发明技术的自动监控下，凡是轴载超过120kN或者总重超出300kN的车辆，均能够在引桥入口处准确检出并对其明确告知超载信息、禁止其通行前方桥梁，并引导其进入疏导车道，对超载车辆鉴别正确率达到100％，具有桥梁限载监控智能化和自动化、监控点独立监控与路网监控中心遥控相结合的技术功能，因此从真正意义上提高桥梁通行的安全性，并最大限度地减轻了桥梁监管人员的劳动强度，同时，路网监控中心能够通过GPRS通信***从各个监控终端获取当天车辆正常通行数、被查出超载车辆数、累计车辆正常通行数和超载车辆数等重要的动态基本数据，为进一步改善桥梁设计和路网规划等技术和管理决策提供重要依据，进而大幅度提升交通安全运行监管效益，并且大幅度降低了路网安全监控的劳动成本。

Claims (6)

1.一种桥梁限载自动监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当汽车进入桥梁引桥监控入口时，采用汽车动态称重装置传感出汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2，i为当前被测轮轴编号；

(2)汽车动态称重装置将汽车轮压电气模拟信号u_i1和u_i2并行输出至数据采集模块的模拟信号输入端口；

(3)第一CCD摄像头采集汽车侧向车轮及轮轴间距图像，第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像，由CCD摄像头采集到的图像信号分别经视频电缆线输出至数据采集模块的第一、第二图像信号输入端口；

(4)数据采集模块将每个汽车轮压电气模拟信号转换为数字信号，对CCD采集图像信号进行解码和模数转换，随后将上述预处理后的数字信号经过输出插槽并行输入至信号处理器的输入端；

(5)信号处理器利用信号u_i1和u_i2根据轴载公式计算汽车轴载；

(6)信号处理器中的图像处理模块对第一CCD摄像头采集的汽车侧向车轮及轮轴间距图像进行处理，通过车辆外形与车轮轮廓线的识别确认当前车辆轮轴数，通过与车轮轮廓线相交的最长水平线段确认轮轴轴心的位置及其象素坐标，在根据象素坐标与物理空间世界坐标系之间的映射关系求取当前轮轴轴心的空间坐标，进而运用两点之间的直线线段计算公式求取相邻两个轴心间距，即轮轴间距；

(7)信号处理器中的数值计算模块根据步骤(5)得到的汽车轴载和步骤(6)获取的车辆轮轴数及其轮轴间距计算汽车总重，通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行；

(8)信号处理器根据判定结果确定输出控制指令，当汽车超载时，由信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，启动终端电传动机构，在终端电传动机构机械力矩作用下，开启车辆通行阻拦器阻止超载汽车通过，同时，信号处理器向终端语音播放器与终端显示屏输入数字信号向当前车辆明示超载数据信息，并能通过第二CCD摄像头监视超载车辆疏导让行状况，动态信息能够通过GPRS通信***向路网监控中心及其移动巡检员进行交互。

2.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控方法，其特征是，步骤(5)中，所述信号处理器利用信号u_i1和u_i2根据轴载公式计算汽车轴载，具体为：基于汽车动态称重装置中的上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积固定，根据重力与压力之间的关系，将被测压力乘上作用面积即获得被测轮压所对应的重力，利用轴载公式

计算能够获得汽车轴载，其中，i＝1，2，3...，i为被测轮轴编号，P_i1、P_i2分别为第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所承受第i号轮轴两个车轮/车轮组的压力，S为上压力支撑体与耐高压球形橡胶气囊之间的接触面积，G_i1＝P_i1S，G_i2＝P_i2S，G_i1、G_i2分别为第i号轮轴的两个车轮/车轮组分别对第一个耐高压球形橡胶气囊与第二个耐高压球形橡胶气囊所施加的重力，u_i1、u_i2为两个压力传感器输出的轮压电气模拟信号，K＝P_i1/u_i1＝P_i2/u_i2为轮压与压力传感器输出的轮压电气模拟信号之间的比例系数，u_i1、u_i2经过数据采集模块的预处理和信号处理器的数值计算后，首先获得第i号轮轴对汽车动态称重装置施压结果所产生的轴压力信号u_i＝u_i1+u_i2的值，即，轴压等于两个压力传感器所感应轮压信号的相加，将轴压u_i、接触面积S与比例系数K代入上述轴载公式最终求取轴载。

3.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控方法，其特征是，步骤(6)中，所述信号处理器中的图像处理模块对第一CCD摄像头采集的汽车侧向车轮及轮轴间距图像进行处理，具体为：

①对汽车侧向图像进行轮廓线提取，选择在灰度曲线的谷点，以保证二值边界清晰可辨，前景区域和背景区域正确分割；

②识别车辆轮轴数，根据车身及其车轮轮廓线通过圆形模板及其相似度指标由图像识别算法识别出当前汽车所拥有的轮轴数N；

③计算车轮直径与轮轴间距，由车轮轮廓线寻找出与其相交的最长水平线段即为该车轮的直径，求取直径是计算轮轴轴心的中间过程，直径的中点即为该车轮的轮轴轴心，并确认其象素位置坐标(u，v)，u与v分别表示轮轴轴心所处图像中的行与列数；根据事先标定所确定的象素位置坐标系与三维空间世界坐标系的映射关系求取对应于象素位置坐标(u，v)的三维空间坐标值，再利用两点距离公式求取任意两个轴心之间的距离。

4.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控方法，其特征是，步骤(7)中，所述信号处理器中的数值计算模块根据步骤(5)和(6)利用力矩平衡方程计算汽车总重。

5.根据权利要求1或4所述的桥梁限载自动监控方法，其特征是，步骤(7)中，所述通过与桥梁通行允许标准值的比较，确定是否限制车辆通行，具体为：将获取的汽车轴载

和车辆总重G与桥梁通行标准进行比较，当G＞G_max或就认定当前车辆不得通过前方桥梁，其中，G_max为最大允许汽车总重，

为最大允许汽车轴载，此时即由信号处理器的输出端口输出控制指令信号。

6.根据权利要求1所述的桥梁限载自动监控方法，其特征是，步骤(8)中，所述信号处理器根据判定结果确定输出控制指令，具体为：

当信号处理器判定当前车辆超载时，

①信号处理器向终端控制驱动器输出控制指令，终端控制驱动器将接收到的数字控制信号转换成模拟驱动信号，经功率放大后输出至电传动机构作为其电驱动功率信号，终端电传动机构将输入的电气功率信号转换成为机械转矩，带动车辆通行阻拦器，阻止超载车辆通行；

②信号处理器向终端语音播放器输出数字语音信号，终端语音播放器收到数字语音信号后，经D/A转换器将其转换成模拟语音信号，再经音频放大电路的功率放大，最终输出至扬声器播放提示语以疏导超载车辆让行；

③信号处理器向终端显示屏输出显示信息，由终端显示屏向当前超载车辆明示超载数据信息；

④信号处理器经RS232串口向GPRS模块输入车辆超载信息，通过GPRS通信***向路网监控中心和GPRS移动巡检员传输信息；

⑤信号处理器利用第二CCD摄像头采集车辆疏导让行情况图像监视超载车辆让行情况，该过程依据疏导车道车辆通形状态图像模板对车辆疏导状态进行识别，信号处理器一旦确认超载车辆已从疏导车道让行后，信号处理器即向终端控制驱动器发送车辆通行阻拦器复位指令，否则，由终端语音播放器和终端显示屏向超载车辆持续发出警示信息，并请求引动巡检员协助，整个过程实现数字化和自动化；

⑥桥梁实际承载能力标准及时通过GPRS通信***送达监控终端的信号处理器进行设置或更新。