基于EEMD算法的动态超限预检系统研究

发布时间：2016-07-21 21:58

第一章 绪论

1.1 课题研究背景
交通运输是经济快速发展和社会高速发展的基础，对于改善人民生活，促进社会文明有着举足轻重的作用，因此国家大力发展交通运输业。我国公路网已覆盖全国 90%的地区[1]，而且全国 97%的乡镇村修通了公路。在国民经济企业稳健带领下，公路运输形势十分可观，累计全国旅客运输量约为 328 亿人次，累计实现乘客周转量约为 27778 亿人公里[2]，公路累计实现货物周转量 61139 亿吨公里。因此，公路运输在全国客运与货运的运输方式中占据了很大的比例。但是，伴随着交通量和重型车辆的急剧增加，产生了严重的问题，一是超载，二是超速。这不仅严重影响了公路运输事业的快速发展，而且给人民生命财产带来了巨大损失。近年来，各级相关部门扎实开展治理超载超限工作，虽取得了一定的成效，但超限的行为仍屡禁不止，已成为制约交通运输业发展的“顽疾”[4]。据调查统计，“十二五”期间，山西省每年 70%的交通事故由超限超载的现象引发[5]，50%的死伤事故与超限超载有密切关系。据报道，由超限超载问题导致的交通事故，不胜枚举，让人触目惊心。超限超载的车辆剧烈冲击桥梁，极易造成桥梁坍塌。发生过坍塌的桥梁有哈尔滨阳明滩大桥、北京怀柔白河大桥、吉林省道 302 锦江大桥、广东阳山县青莲公路桥、杭州余杭伍杭镇运河桥等。在最近五年的时间内，由于超限超载问题导致的交通事故[6]，，场面十分悲惨。不仅有人员的伤亡，造成了生命财产的损失，而且货物的洒落严重影响了周围交通的正常运行。桥体的坍塌，加大了维修的成本，延长了工程周期。如果车辆装载的是石灰沙子之类的建筑用材，会堵塞水流的流通，对灌溉农田的人们造成了困扰。
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1.2 研究现状与发展历程
针对如何治理车辆超载超限问题，国外在上世纪 50 年代已经开始进行了大量的探讨与研究。超限超载是许多国家存在的问题，根据交通运输情况和治超技术发展，许多国家的政府均拟定了有本国特色的治超方案。有关交通运输方面的专家曾形象的描述超限超载这一状况为“掠夺性命的武器，道路设施的天敌[14]”。美国强化行政措施，颁布多部治超法律，推广先进技术，如固定超限检测站、流动超限检测站、动态称重检测站等[15]，综合行政、司法、经济等手段，全方位加大治超管理力度[16]。德国具有极其严格的处罚制度，但凡一年内有三次超限超载的记录，吊销驾驶证，列入黑名单[17]。德国西门子公司将通讯技术与电子控制技术两者结合，在车辆上安装追踪装置，达到实时监测的目的，在车辆运输管理中取得了良好的成效[18]。日本体制方面，实施“一超三罚”的惩罚手段，即惩罚货主、惩罚运输公司、惩罚司机[19]，在技术方面，采用动静态称重互补的方式进行检测，并硬性规定，大型货车必须安装“货物自动测重仪”[20]。南非是首个把电子秤应用在超限治超管理中的国家，非常看重自动称重系统的研发。尤其是在低速称重领域，其成果显著，治超管理部门依据车辆信息系统，对于过往的车辆进行执法处理，这方面的技术对南非的治超管理产生了良好的影响，超载率一直低于 10%[21]。综上所述，超限超载的现象渗透在南美洲、欧洲、亚洲、非洲等各个地方，其治超技术也随之得到发展与提高。虽然有些国家提出了无人值守动态预检系统的构思，但是，在国外完整又系统的动态预检方案技术还未成熟。
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第二章 动态预检系统介绍

2.1 系统概述
结合国内外预检系统的发展情况，本文提出了一套基于多个站点，一个中心监控平台的石英晶体式动态预检系统方案。该方案实现智能化的管理，不仅把治超数据在站点实现可视化，而且在中心监控平台也可以查询与治理，这使得想逃离治超办制裁的不法分子的伎俩无效。该系统具有完备的功能，实行半自动化治超模式，实现数字化监控管理，使得经过的车辆不用停车或减速就可以进行预检分流。对于经过站点的车辆实行 24小时监控，将车牌抓拍的图片与视频监控录像存储在站点录像机里，把称重数据、车辆信息通过 VPN 专网上传至终端，并对称重数据和车流量进行统计与分析。对于超载的车辆，中心监控平台给指定的执法人员发送邮件和彩信，执法人员根据发送的信息追踪车辆。未超限的车辆避开了传统检测环节，提高了治超办管理效率。通过 EEMD 算法在上位机上处理数据，使得动态称重误差缩减到 2%以内，避免了司机与超限站执法人员的冲突，为治超站提供了可信的执法依据。
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2.2 系统方案设计
本系统设计思想是“一个中心平台监控，多个站点检测”，在某一区域设置一个超限检测站，监控多条道路和多座桥梁的车辆运输情况。该系统只需在道路上进行较小的施工，不必占用较多公路旁的用地来建设超限站。从生态环保角度，节约了大量的土地资源。对于正常车辆让其继续行驶，超载车辆交由治超办执法人员进行跟踪与处理。本系统设计思路为：正常行驶的车辆，经过石英晶体式称重系统，线圈感应触发车牌器进行抓拍，在补光灯和闪光灯的配合下，记录车辆车牌信息。石英晶体称重信号与车牌信息（车牌号与抓拍图片）上传至控制系统。通过控制系统的上位机得到车辆重量、轴数、轴型、速度等物理量，其中在 AD 转换之后的数字量通过 EEMD 算法进行数据处理。数字量的信息通过专网传送至中心监控平台，把超限的车辆交由执法人员去处理。对于预检站点实行全程监控，把监控的录像存储在控制系统的硬盘录像机，以备随时调用查看。
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第三章 系统硬件设计.... 15
3.1 石英晶体式称重系统....15
3.1.1 工作原理.......16
3.1.2 系统构成.......17
3.1.3 系统优势.......26
3.2 车牌识别系统.......27
3.3 控制系统.....29
3.4 本章小结.....30
第四章 EEMD 算法分析与研究.......31
4.1 几种典型滤波算法分析..........31
4.2 EEMD 算法........... 34
4.3 EEMD 算法仿真与验证.......... 38
4.3.1 MATLAB 平台简介.........38
4.3.2 MATLAB 仿真....... 38
4.4 本章小结.....42
第五章 基于 C#的预检上位机软件设计.............43
5.1 C#语言简介...........43
5.2 软件总体设计.......44
5.3 车辆信息获取.......46

第五章 基于 C#的预检上位机软件设计

5.1 C#语言简介

随着科技的进步，计算机技术和网络技术快速发展，上位机软件得到广泛应用，上位机编程语言逐渐被广大科技工作者学习和使用。目前，上位机软件编程语言包括：VB语言、Pascal 语言、VC 语言、C++语言和 C#语言等，其中，C#语言语法简单、运用灵活、兼容性好，可缩短上位机软件的开发时间。如今，C#语言已被广大程序员运用，迅速成为上位机软件编程的主流语言之一。C#语言的编程工具为 Microsoft Visual Studio，并需要安装.net framework 作为运行环境。本动态预检系统上位机软件编写工具为 Microsoft Visual Studio 2010，环境为.netframework 3.5。建立好编程环境后进行模块化编程，实现对动态预检系统中所有功能模块采集的数据进行整合和处理。为有效解决我国普通二级公路上车辆的超载问题，实现对车辆的无人值守检测，将动态预检系统中各功能模块采集到的数据进行完美的融合，需要设计一套完善的预检系统上位机解决方案。

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总结

石英晶体式称重系统作为超限超载治理的称重模块，改善了传统超限检测的一些缺点：检测效率低，易有漏检的车辆；对过往的车辆有速度限制；对路面破坏性大、施工周期长，环境适应性差；稳定性与可靠性差；动态响应慢；动态称重精度低等等。结合当前我国超限超载的状况，本文从系统布局、硬件设计、算法研究、上位机软件设计等几个方面进行设计与研究。本文的主要工作有：
一、简要概述了动态超限预检系统，分别在总体设计思路、工作原理以及工作流程等方面进行阐述，重点讲述了超限预检系统的基本布局与工作流程。
二、从石英晶体式称重系统、车牌识别系统和控制系统三个方面对动态预检系统进行了硬件设计。
三、选取了 EEMD 算法进行滤波，介绍了该算法的去噪原理与流程，最后通过MALABLE 仿真来验证本算法的有效性。
四、提出了基于 C#的动态超限预检上位机总体软件的设计方案，根据方案设计了软件总体的结构和工作流程。设计了站点软件和中心监控平台软件，并分别介绍了两软件的功能和主要界面显示区域。
五、先分析了传统秤台式称重信号与石英晶体式称重信号特点，然后进行了系统测试，分别从称量测试、车牌识别测试和功能测试三个方面进行了描述。经过现场测试，称量测试系统的整体误差控制在 2%以内，与未使用滤波算法的误差相比减少了 4%，车牌识别率达 98%，识别超载车辆的检测率达 97%，超限提示正确率达 99.1%。
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参考文献(略)

本文编号：74568