第一章 緒論

1.1 課題研究背景
交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和社會高速發(fā)展的基礎(chǔ)，對于改善人民生活，促進(jìn)社會文明有著舉足輕重的作用，因此國家大力發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)。我國公路網(wǎng)已覆蓋全國 90%的地區(qū)[1]，而且全國 97%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)村修通了公路。在國民經(jīng)濟(jì)企業(yè)穩(wěn)健帶領(lǐng)下，公路運(yùn)輸形勢十分可觀，累計全國旅客運(yùn)輸量約為 328 億人次，累計實(shí)現(xiàn)乘客周轉(zhuǎn)量約為 27778 億人公里[2]，公路累計實(shí)現(xiàn)貨物周轉(zhuǎn)量 61139 億噸公里。因此，公路運(yùn)輸在全國客運(yùn)與貨運(yùn)的運(yùn)輸方式中占據(jù)了很大的比例。但是，伴隨著交通量和重型車輛的急劇增加，產(chǎn)生了嚴(yán)重的問題，一是超載，二是超速。這不僅嚴(yán)重影響了公路運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，而且給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。近年來，各級相關(guān)部門扎實(shí)開展治理超載超限工作，雖取得了一定的成效，但超限的行為仍屢禁不止，已成為制約交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的“頑疾”[4]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，“十二五”期間，山西省每年 70%的交通事故由超限超載的現(xiàn)象引發(fā)[5]，50%的死傷事故與超限超載有密切關(guān)系。據(jù)報道，由超限超載問題導(dǎo)致的交通事故，不勝枚舉，讓人觸目驚心。超限超載的車輛劇烈沖擊橋梁，極易造成橋梁坍塌。發(fā)生過坍塌的橋梁有哈爾濱陽明灘大橋、北京懷柔白河大橋、吉林省道 302 錦江大橋、廣東陽山縣青蓮公路橋、杭州余杭伍杭鎮(zhèn)運(yùn)河橋等。在最近五年的時間內(nèi)，由于超限超載問題導(dǎo)致的交通事故[6]，，場面十分悲慘。不僅有人員的傷亡，造成了生命財產(chǎn)的損失，而且貨物的灑落嚴(yán)重影響了周圍交通的正常運(yùn)行。橋體的坍塌，加大了維修的成本，延長了工程周期。如果車輛裝載的是石灰沙子之類的建筑用材，會堵塞水流的流通，對灌溉農(nóng)田的人們造成了困擾。
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1.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程
針對如何治理車輛超載超限問題，國外在上世紀(jì) 50 年代已經(jīng)開始進(jìn)行了大量的探討與研究。超限超載是許多國家存在的問題，根據(jù)交通運(yùn)輸情況和治超技術(shù)發(fā)展，許多國家的政府均擬定了有本國特色的治超方案。有關(guān)交通運(yùn)輸方面的專家曾形象的描述超限超載這一狀況為“掠奪性命的武器，道路設(shè)施的天敵[14]”。美國強(qiáng)化行政措施，頒布多部治超法律，推廣先進(jìn)技術(shù)，如固定超限檢測站、流動超限檢測站、動態(tài)稱重檢測站等[15]，綜合行政、司法、經(jīng)濟(jì)等手段，全方位加大治超管理力度[16]。德國具有極其嚴(yán)格的處罰制度，但凡一年內(nèi)有三次超限超載的記錄，吊銷駕駛證，列入黑名單[17]。德國西門子公司將通訊技術(shù)與電子控制技術(shù)兩者結(jié)合，在車輛上安裝追蹤裝置，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測的目的，在車輛運(yùn)輸管理中取得了良好的成效[18]。日本體制方面，實(shí)施“一超三罰”的懲罰手段，即懲罰貨主、懲罰運(yùn)輸公司、懲罰司機(jī)[19]，在技術(shù)方面，采用動靜態(tài)稱重互補(bǔ)的方式進(jìn)行檢測，并硬性規(guī)定，大型貨車必須安裝“貨物自動測重儀”[20]。南非是首個把電子秤應(yīng)用在超限治超管理中的國家，非常看重自動稱重系統(tǒng)的研發(fā)。尤其是在低速稱重領(lǐng)域，其成果顯著，治超管理部門依據(jù)車輛信息系統(tǒng)，對于過往的車輛進(jìn)行執(zhí)法處理，這方面的技術(shù)對南非的治超管理產(chǎn)生了良好的影響，超載率一直低于 10%[21]。綜上所述，超限超載的現(xiàn)象滲透在南美洲、歐洲、亞洲、非洲等各個地方，其治超技術(shù)也隨之得到發(fā)展與提高。雖然有些國家提出了無人值守動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)的構(gòu)思，但是，在國外完整又系統(tǒng)的動態(tài)預(yù)檢方案技術(shù)還未成熟。
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第二章 動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述
結(jié)合國內(nèi)外預(yù)檢系統(tǒng)的發(fā)展情況，本文提出了一套基于多個站點(diǎn)，一個中心監(jiān)控平臺的石英晶體式動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)方案。該方案實(shí)現(xiàn)智能化的管理，不僅把治超數(shù)據(jù)在站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可視化，而且在中心監(jiān)控平臺也可以查詢與治理，這使得想逃離治超辦制裁的不法分子的伎倆無效。該系統(tǒng)具有完備的功能，實(shí)行半自動化治超模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控管理，使得經(jīng)過的車輛不用停車或減速就可以進(jìn)行預(yù)檢分流。對于經(jīng)過站點(diǎn)的車輛實(shí)行 24小時監(jiān)控，將車牌抓拍的圖片與視頻監(jiān)控錄像存儲在站點(diǎn)錄像機(jī)里，把稱重數(shù)據(jù)、車輛信息通過 VPN 專網(wǎng)上傳至終端，并對稱重數(shù)據(jù)和車流量進(jìn)行統(tǒng)計與分析。對于超載的車輛，中心監(jiān)控平臺給指定的執(zhí)法人員發(fā)送郵件和彩信，執(zhí)法人員根據(jù)發(fā)送的信息追蹤車輛。未超限的車輛避開了傳統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)，提高了治超辦管理效率。通過 EEMD 算法在上位機(jī)上處理數(shù)據(jù)，使得動態(tài)稱重誤差縮減到 2%以內(nèi)，避免了司機(jī)與超限站執(zhí)法人員的沖突，為治超站提供了可信的執(zhí)法依據(jù)。
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2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計思想是“一個中心平臺監(jiān)控，多個站點(diǎn)檢測”，在某一區(qū)域設(shè)置一個超限檢測站，監(jiān)控多條道路和多座橋梁的車輛運(yùn)輸情況。該系統(tǒng)只需在道路上進(jìn)行較小的施工，不必占用較多公路旁的用地來建設(shè)超限站。從生態(tài)環(huán)保角度，節(jié)約了大量的土地資源。對于正常車輛讓其繼續(xù)行駛，超載車輛交由治超辦執(zhí)法人員進(jìn)行跟蹤與處理。本系統(tǒng)設(shè)計思路為：正常行駛的車輛，經(jīng)過石英晶體式稱重系統(tǒng)，線圈感應(yīng)觸發(fā)車牌器進(jìn)行抓拍，在補(bǔ)光燈和閃光燈的配合下，記錄車輛車牌信息。石英晶體稱重信號與車牌信息（車牌號與抓拍圖片）上傳至控制系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)的上位機(jī)得到車輛重量、軸數(shù)、軸型、速度等物理量，其中在 AD 轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量通過 EEMD 算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)字量的信息通過專網(wǎng)傳送至中心監(jiān)控平臺，把超限的車輛交由執(zhí)法人員去處理。對于預(yù)檢站點(diǎn)實(shí)行全程監(jiān)控，把監(jiān)控的錄像存儲在控制系統(tǒng)的硬盤錄像機(jī)，以備隨時調(diào)用查看。
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第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計.... 15
3.1 石英晶體式稱重系統(tǒng)....15
3.1.1 工作原理.......16
3.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成.......17
3.1.3 系統(tǒng)優(yōu)勢.......26
3.2 車牌識別系統(tǒng).......27
3.3 控制系統(tǒng).....29
3.4 本章小結(jié).....30
第四章 EEMD 算法分析與研究.......31
4.1 幾種典型濾波算法分析..........31
4.2 EEMD 算法........... 34
4.3 EEMD 算法仿真與驗(yàn)證.......... 38
4.3.1 MATLAB 平臺簡介.........38
4.3.2 MATLAB 仿真....... 38
4.4 本章小結(jié).....42
第五章 基于 C#的預(yù)檢上位機(jī)軟件設(shè)計.............43
5.1 C#語言簡介...........43
5.2 軟件總體設(shè)計.......44
5.3 車輛信息獲取.......46

第五章 基于 C#的預(yù)檢上位機(jī)軟件設(shè)計

5.1 C#語言簡介

隨著科技的進(jìn)步，計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，上位機(jī)軟件得到廣泛應(yīng)用，上位機(jī)編程語言逐漸被廣大科技工作者學(xué)習(xí)和使用。目前，上位機(jī)軟件編程語言包括：VB語言、Pascal 語言、VC 語言、C++語言和 C#語言等，其中，C#語言語法簡單、運(yùn)用靈活、兼容性好，可縮短上位機(jī)軟件的開發(fā)時間。如今，C#語言已被廣大程序員運(yùn)用，迅速成為上位機(jī)軟件編程的主流語言之一。C#語言的編程工具為 Microsoft Visual Studio，并需要安裝.net framework 作為運(yùn)行環(huán)境。本動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)上位機(jī)軟件編寫工具為 Microsoft Visual Studio 2010，環(huán)境為.netframework 3.5。建立好編程環(huán)境后進(jìn)行模塊化編程，實(shí)現(xiàn)對動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)中所有功能模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理。為有效解決我國普通二級公路上車輛的超載問題，實(shí)現(xiàn)對車輛的無人值守檢測，將動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)中各功能模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完美的融合，需要設(shè)計一套完善的預(yù)檢系統(tǒng)上位機(jī)解決方案。

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總結(jié)

石英晶體式稱重系統(tǒng)作為超限超載治理的稱重模塊，改善了傳統(tǒng)超限檢測的一些缺點(diǎn)：檢測效率低，易有漏檢的車輛；對過往的車輛有速度限制；對路面破壞性大、施工周期長，環(huán)境適應(yīng)性差；穩(wěn)定性與可靠性差；動態(tài)響應(yīng)慢；動態(tài)稱重精度低等等。結(jié)合當(dāng)前我國超限超載的狀況，本文從系統(tǒng)布局、硬件設(shè)計、算法研究、上位機(jī)軟件設(shè)計等幾個方面進(jìn)行設(shè)計與研究。本文的主要工作有：
一、簡要概述了動態(tài)超限預(yù)檢系統(tǒng)，分別在總體設(shè)計思路、工作原理以及工作流程等方面進(jìn)行闡述，重點(diǎn)講述了超限預(yù)檢系統(tǒng)的基本布局與工作流程。
二、從石英晶體式稱重系統(tǒng)、車牌識別系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個方面對動態(tài)預(yù)檢系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計。
三、選取了 EEMD 算法進(jìn)行濾波，介紹了該算法的去噪原理與流程，最后通過MALABLE 仿真來驗(yàn)證本算法的有效性。
四、提出了基于 C#的動態(tài)超限預(yù)檢上位機(jī)總體軟件的設(shè)計方案，根據(jù)方案設(shè)計了軟件總體的結(jié)構(gòu)和工作流程。設(shè)計了站點(diǎn)軟件和中心監(jiān)控平臺軟件，并分別介紹了兩軟件的功能和主要界面顯示區(qū)域。
五、先分析了傳統(tǒng)秤臺式稱重信號與石英晶體式稱重信號特點(diǎn)，然后進(jìn)行了系統(tǒng)測試，分別從稱量測試、車牌識別測試和功能測試三個方面進(jìn)行了描述。經(jīng)過現(xiàn)場測試，稱量測試系統(tǒng)的整體誤差控制在 2%以內(nèi)，與未使用濾波算法的誤差相比減少了 4%，車牌識別率達(dá) 98%，識別超載車輛的檢測率達(dá) 97%，超限提示正確率達(dá) 99.1%。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：74568