Cała treść

Wieloczujnikowy System WIM

Jednym z narzędzi przeznaczonych do pomiaru masy i nacisków osi pojazdów oraz detekcji pojazdów przeciążonych są systemy ważenia pojazdów będących w ruchu, nazywane systemami WIM (Weigh in Motion). System WIM składa się z czujników nacisku umieszczonych w jednej, dwóch lub nawet kilku liniach (w takim przypadku mamy do czynienia z systemem wielo-czujnikowym [4, 5, 8]), prostopadle do kierunku ruchu ważonych pojazdów. Czujniki nacisku współpracują z układami kondycjonowania, systemem akwizycji danych pomiarowych oraz systemem komputerowym realizującym algorytm estymacji nacisków statycznych i masy całkowitej, gromadzącym archiwalne wyniki pomiarowe oraz nadzorującym transmisję tych wyników do systemu nadrzędnego.
Idea działania systemów WIM sprowadza się do pomiaru dynamicznych nacisków jakie koła jadącego pojazdu wywierają na nawierzchnię drogi oraz do estymacji na tej podstawie poszukiwanych nacisków statycznych, jak również masy całkowitej pojazdu.
Dokładność wyniku ważenia w systemie WIM determinują warunki w jakich się ono odbywa, a więc:

  • prędkość pojazdu,
  • stan i parametry mechaniczne jego zawieszenia,
  • jakość nawierzchni drogi, na której jest zamontowany system WIM [6, 15, 16],
  • właściwości zastosowanych czujników nacisku [7, 13],
  • procedura i częstotliwość przeprowadzania kalibracji systemu [1, 9, 10, 11, 14, 19],
  • algorytm estymacji nacisku statycznego i masy całkowitej [12, 17],
  • warunki klimatyczne.

Dążenie do poprawy dokładności systemów WIM doprowadziło w konsekwencji do opracowania systemów wieloczujnikowych (MS-WIM). W pracy przedstawiono system MS-WIM opracowany i skonstruowany w Katedrze Metrologii i Elektroniki Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie. Przedstawiono jego konstrukcję, wyniki oceny dokładności ważenia pojazdów samochodowych oraz wnioski wynikające z wieloletniej eksploatacji systemu.

1. PRZYCZYNY BŁĘDÓW WAŻENIA POJAZDÓW W SYSTEMACH WIM
Panuje dość powszechne przekonanie, że głównym źródłem błędów są pionowe wahania pojazdu, podczas jego przejazdu przez stanowisko WIM. Zjawisko to ilustruje rysunek 1. Przedstawia on składową dynamiczną nacisku pojedynczej osi pojazdu poruszającego się po dobrej drodze z prędkością 80km/h, odniesioną do nacisku statycznego tej osi. Z rysunku tego wynika, że względny błąd ważenia może, w najmniej korzystnym przypadku (system WIM wyposażony w pojedynczą linię czujników nacisku), wynieść nawet 40%.

Rys. 1 Względne zmiany chwilowego nacisku pojedynczej osi pojazdu przy prędkości jazdy wynoszącej 80 km/h

Pionowe wahania pojazdu są tym czynnikiem ograniczającym dokładność ważenia, który jest niezależny (lub zależy w niewielkim stopniu) od technologii wykonania czujników nacisku zastosowanych w systemie WIM. Pozostałe podstawowe przyczyny błędów ważenia są związane z rodzajem czujników nacisku użytych w konstrukcji rozważanego systemu WIM. W omawianym systemie MS-WIM użyto polimerowych czujników piezoelektrycznych Roadtrax BL firmy Measurement Specialties Inc. (MSI), które zostały zamontowane w asfaltowej nawierzchni [18]. Dlatego dodatkowymi przyczynami błędów ważenia są zmiany czułości wzdłuż czujnika oraz wpływ temperatury na właściwości czujnika, jak również na właściwości asfaltowej nawierzchni.
Zgodnie z informacją zawartą w materiałach producenta (MSI) zmiany czułości wzdłuż czujnika piezoelektrycznego zwierają się w przedziale +/- 7.5%. Oznacza to, że wyniki ważenia tego samego pojazdu, który wielokrotnie i po różnych ścieżkach przejechał przez stanowisko pomiarowe mogą się różnić w takich właśnie granicach. Na rysunku 2 (krzywa 1) przedstawiono przykładową charakterystykę ilustrującą zależność błędu przykładowego czujnika piezoelektrycznego w funkcji jego długości.

Rys. 2 Błędy przykładowego piezoelektrycznego czujnika nacisku (1) oraz wartość średnia tych błędów w systemie wieloczujnikowym wyposażonym w 16 takich czujników (2)

Ponieważ czujniki piezoelektryczne są montowane pod powierzchnią jezdni, to w konsekwencji nawierzchnia ta bierze udział w przenoszeniu siły nacisku pomiędzy kołem i czujnikiem. W przypadku nawierzchni asfaltowej jej sztywność zależy w istotny sposób od temperatury. Tym samym zmiany temperatury asfaltu są silnie skorelowane ze zmianami czułości czujnika piezoelektrycznego. Na rysunku 3 przedstawiono eksperymentalnie wyznaczoną charakterystykę temperaturową rzeczywistego systemu WIM wyposażonego w polimerowe, piezoelektryczne czujniki nacisku. Z tej charakterystyki można np. odczytać, że zmiana temperatury w przedziale +10oC – +30oC spowoduje błąd ważenia pojazdu o wartości około 30%, więc jest to wpływ istotny.

Rys. 3 Zmiana wyniku ważenia w funkcji temperatury asfaltu

W zakresie temperatur od -10 do +30 °C dane pomiarowe dobrze opisuje model (1), którego współczynniki wyznaczono metodą strojonego modelu [2, 3].

Skutki przynajmniej dwóch z przedstawionych powyżej przyczyn powstawania błędów w systemach WIM tj. pionowe wahania pojazdu oraz niejednorodność czujników nacisku mogą zostać znacznie ograniczone, gdy system zostanie wyposażony w większą liczbę czujników nacisku. Prowadzi to do powstania wieloczujnikowego systemu MS-WIM.
2. WIELOCZUJNIKOWE SYSTEMY WIM
Zbudowany w Katedrze Metrologii i Elektroniki system MS-WIM został wyposażony w 16 polimerowych, piezoelektrycznych czujników nacisku firmy MSI, 8 detektorów pętlowych oraz dwa czujniki temperatury, jak to przedstawiono na rysunku 4.
Czujniki nacisku są rozłożone równomiernie wzdłuż stanowiska pomiarowego, we wzajemnych odległościach równych 1m. Każda para czujników nacisku jest otoczona pętlą indukcyjną, tworząc w ten sposób dwuczujnikowy podsystem WIM. Każdy taki podsystem współpracuje z własnym układem kondycjonowania sygnałów, przetwornikiem analogowo – cyfrowym oraz systemem procesorowym sterującym zbieraniem sygnałów pomiarowych, ich wstępnym przetwarzaniem oraz transmisją do systemu nadrzędnego. Zbudowany system MS-WIM zawiera 8 takich podsystemów. Dodatkowo system jest wyposażony w zegar synchronizujący próbkowanie sygnałów w każdym z podsystemów i umożliwiający dużą precyzję pomiaru interwałów czasu.
Dane z każdego podsystemu, zawierające dwa wyniki ważenia (pochodzące z dwóch czujników nacisku) każdej osi pojazdu, chwile czasowe, w których uzyskano te wyniki, prędkość, z jaką pojazd przejechał przez dany podsystem, liczbę osi, odległości pomiędzy osiami oraz długość pojazdu są przesyłane przez interfejs RS232 do systemu nadrzędnego. System nadrzędny kolejkuje wyniki odebrane z poszczególnych podsystemów i tworzy zbiory zawierające po 16 rekordów danych, przy czym każdy zbiór odpowiada pojedynczej osi ważonego pojazdu. Następnie wykonywany jest wybrany algorytm estymacji nacisków statycznych oraz masy całkowitej pojazdu.
Zastosowanie większej (niż 2) liczby czujników nacisku daje dwie podstawowe korzyści. Po pierwsze możliwe jest bardziej efektywne uśrednianie wyników ważenia każdej osi, gdyż jest ono realizowane, jak w tym przypadku w zbiorze 16 wyników, pochodzących z pojedynczych czujników.

Rys. 4 Struktura wieloczujnikowego systemu WIM

W efekcie znacznie lepiej jest tłumiony zakłócający efekt wywołany pionowymi wahaniami ważonego pojazdu. Ponadto dysponowanie większą liczbą wyników ważenia każdej osi pozwala zastosować bardziej efektywne algorytmy estymacji nacisku statycznego i masy całkowitej (np. algorytm największej wiarygodności, nieliniowy algorytm najmniejszych kwadratów) [1, 11].
Po drugie przejazd ważonego pojazdu przez kolejne czujniki nacisku powoduje uśrednienie efektu spowodowanego ich niejednorodnością (jest to uśrednianie w zbiorze czujników). Taką uśrednioną charakterystykę przedstawiono na rysunku 2 (krzywa 2). Zawarta jest ona w granicach błędu wynoszących około +/- 2%. Zastosowanie 16 czujników nacisku pozwoliło więc na ponad 3-krotne zmniejszenie błędu ważenia spowodowanego niejednorodnością czujników nacisku.
Zwiększenie liczby czujników nacisku w systemie MS-WIM nie ma natomiast wpływu na poziom błędów ważenia wywołanych zmianami temperatury asfaltu. Ograniczenie tego wpływu jest możliwe na drodze odpowiedniej korekty wprowadzanej w oparciu o aktualne wyniki pomiaru temperatury oraz o wyznaczony eksperymentalnie model (1) [3].
3. OCENA DOKŁADNOŚCI SYSTEMU MS-WIM
Ocenę dokładności opisanego systemu MS-WIM przeprowadzono metodą pojazdów wstępnie zważonych, które wielokrotnie i z różnymi prędkościami przejeżdżały przez badane stanowisko pomiarowe. Dla każdego wyniku pomiaru wyliczony został błąd względny opisany zależnością (2)

Za miarę dokładności systemu MS-WIM przyjęto kryterium postaci (3) nazywane kryterium niezawodności [11].

Dwie charakterystyki przedstawione na tym rysunku odpowiadają dwóm różnym algorytmom zastosowanym do wyznaczania oceny masy całkowitej ważonego pojazdu. Zastosowano mianowicie tradycyjny algorytm uśredniania w zbiorze 16 wyników ważenia (Mean) oraz algorytm największej wiarygodności (ML).

Rys. 5 Kryterium niezawodności systemu MS-WIM dla dwóch różnych algorytmów estymacji masy całkowitej pojazdu tj. dla tradycyjnego uśredniania (Mean) oraz dla algorytmu największej wiarygodności (ML)

Z charakterystyk przedstawionych na rysunku 5 można wyciągnąć podstawowy wniosek: maksymalny błąd wyznaczenia masy całkowitej pojazdu w testowanym systemie MS-WIM nie przekracza 4%, natomiast prawdopodobieństwo przekroczenia wartości 2% wynosi tylko 0.4 (dla algorytmu ML). Uzyskane właściwości dokładnościowe systemu MS-WIM odpowiadają zakresowi prędkości ważonych pojazdów mieszczącemu się w granicach od 40km/h do 80km/h.
4. DŁUGOTERMINOWA EKSPLOATACJA CZUJNIKÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH
Eksploatację zbudowanego systemu MS-WIM rozpoczęto w 2006 roku. Po, bez mała, 6 latach ciągłej pracy systemu można sformułować wniosek dotyczący przede wszystkim trwałości zamontowanych czujników nacisku. Stan poszczególnych czujników badano poprzez pomiar ich parametrów zastępczych tj. pojemności oraz współczynnika stratności i porównywanie wyznaczonych wartości z wartościami określonymi przez producenta jako granice dopuszczalnego przedziału zmienności. Trzeba jednak podkreślić, że nawet gdy parametry czujnika mieszczą się w dopuszczalnym przedziale, to następujące w czasie zmiany tych parametrów wpływają bezpośrednio na czułość czujnika nacisku, a pośrednio na błędy ważenia pojazdów

Rys. 6 Zmienność parametrów polimerowego czujnika nacisku w funkcji czasu: a) pojemność, b) współczynnik stratności, 1 – czujnik działający poprawnie, 2 – czujnik uszkodzony.

Wyniki uzyskane dla przykładowych czujników przedstawiono na rysunku 6. Przez pierwsze 55 miesięcy ich parametry, pomimo pewnych zmian, mieściły się w dopuszczalnych przedziałach zmienności. Jednak po tym okresie nastąpiło wyraźne przyspieszenie zmian zachodzących w jednym czujniku i w konsekwencji wymagał on wymiany. Równocześnie należy podkreślić, że pokazane na rysunku zmiany parametrów czujnika, jakkolwiek dopuszczalne, to jednak powodują zmiany czułości czujnika. Utrzymanie wysokiej dokładności systemu wyposażonego w tego typu czujniki wymaga więc jego okresowej kalibracji. Obowiązuje przy tym zasada: im wyższa jest wymagana dokładność systemu WIM, tym częściej powinna być przeprowadzana jego kalibracja.
5. PODSUMOWANIE
Przedstawiony system jest jedynym w Polsce, a prawdopodobnie również w Europie działającym wieloczujnikowym systemem ważenia pojazdów samochodowych w ruchu. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom pozwala on na ocenę masy całkowitej pojazdu samochodowego z błędem nie przekraczającym wartości 4%, przy prędkości pojazdu do 80km/h. Wieloletnia eksploatacja systemu WIM wyposażonego w polimerowe piezoelektryczne czujniki nacisku pokazała, że osiągają one trwałość do 4 lat. W czasie eksploatacji wymagana jest jednak okresowa kalibracja całego systemu pomiarowego.

Literatura

[1] Burnos, P., et al., 2007. Accurate weighing of moving vehicles. Metrology and Measurement Systems. vol. 14 no. 4, pp. 507–516.
[2] Burnos P., 2008. Auto-calibration and temperature correction of WIM systems. HVParis2008 – ICWIM5 : proceedings of the International conference on Heavy Vehicles : 5th International Conference on Weigh-in-Motion of Heavy Vehicles. eds. Bernard Jacob [et al.]; Wiley, pp. 437–446.
[3] Burnos P., 2009. Autokalibracja systemów ważących pojazdy samochodowe w ruchu oraz analiza i korekta wpływu temperatury na wynik ważenia. Rozprawa doktorska na Wydziale EAIiE, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
[4] Cebon, D., 1990. Design of multiple-sensor weigh-in-motion systems. Journal of Automobile Engineering, Proc. I. Mech. E., 204, pp. 133 – 144.
[5] Cebon, D., Winkler CB., 1991. Multiple-Sensor WIM: Theory and experiments, Transportation Research Record, TRB, 1311, pp. 70 -78.
[6] Cebon, D., 1999. Handbook of Vehicle-Road Interaction. Swets&Zeitlinger B.V., Lisse, the Netherlands.
[7] Cole, D.J., Cebon, D., 1992. Performance and application of a capacitive strip tire force sensor. 6th International Conference on Road Traffic Monitoring and Control. IEE, London, pp. 123-127.
[8] Dolcemascolo V., Jacob B., 1998. Multiple sensor Weigh-In-Motion: Optimal Design and Experimental Study. Pre-proceedings of 2nd European Conference of Weigh in Motion of Road Vehicles, pp.129-138, Lisbon.
[9] Gajda J., 2004. Statistical calibration of WIM systems. Scientific Series of Rzeszów Politechnic, Electrotechnic, nr 27, (in Polish).
[10] Gajda J., Burnos P., 2005. Self-calibration of the weigh-in-motion systems. Proceedings of XV Symposium Modelling and Simulation of Measurement Systems, (in Polish).
[11] Gajda, J., et al., 2007. Accuracy analysis of WIM systems calibrated using pre-weighed vehicles method. Metrology and Measurement Systems. vol. 14 no. 4, pp. 517–527.
[12] Gonzales, A., Papagiannakis A.T., O’Brien E., 1999 . Evaluation of an Artificial Neural Network Technique Applied to Multiple Sensor Weigh-n-Motion Systems. University College Dublin, Ireland.
[13] Hoose N., Kunz J., 1998. Implementation and tests of quartz crystal sensor WIM system. Proceedings of 2nd European Conference „Weigh in Motion of Road Vehicle”, Lisbon, pp. 461-466.
[14] Huhtala, M., 1999. Factors Affecting Calibration Effectiveness. Proceedings of the Final Symposium of the Project WAVE, Paris.
[15] Jacob B., (ed.), 1999. Weigh-in Motion of Road Vehicle. Final Report of COST 323 action, Ver. 3.0.
[16] Jacob B., (ed.) 2001. Weigh-In-Motion of Axles and Vehicles for Europe (WAVE). General Report of 4th Programme Transport, Laboratoire Central des Pontes et Chaussees.
[17] Mangeas, M., Glaser S., Dolcemascolo V., 2000. Neural networks estimation of truck static weights by fusing weight-in-motion data. Proceedings of Eurofusion.
[18] Roadtrax BL Traffic Sensors. 2001. Measurement Specialties Inc, Sensor Products Division.
[19] Stanczyk, D., 1999. New Calibration Procedure by Axle Rank. Proceedings of the Final Symposium of the
Project WAVE, Paris.

O autorze:

dr hab. inż. Ryszard Sroka – prof. n. Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Stopnie naukowe uzyskał na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Od 2009 roku pełni funkcję zastępcy Kierownika Katedry Metrologii. Jest autorem około 100 publikacji. Obszar zainteresowań to pomiary: wielkości nieelektrycznych, kąta fazowego i parametrów ruchu drogowego. Jest członkiem International Society WIM oraz ITS Polska.