Autokalibracja systemów WIM, a korekta temperaturowa wyników ważenia Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 53 nr 9bis pp , 2007.

Transkrypt

1 Autokalbracja systemów WIM, a korekta temperaturowa wyków ważea Pomary Automatyka Kotrola, vol. 5 r 9bs pp , 7. Potr Buros (buros@agh.edu.pl) AGH Uversty of Scece ad Techology, Departmet of Measuremet ad Electrocs, Polad ISSN: 44 DOI: Keywords: ważee pojazdów samochodowych, systemy WIM, autokalbracja, korekta temperaturowa Cte as: IEEE: P. Buros, Autokalbracja systemów WIM, a korekta temperaturowa wyków ważea, Pomary, Autom. Kotrola, vol. 59, o. 9bs, pp , 7. Harvard: Buros, P., 7. Autokalbracja systemów WIM, a korekta temperaturowa wyków ważea. Pomary, Automatyka, Kotrola, 59(9bs), pp Lcece BY NC: Ths work s lcesed uder the Creatve Commos Attrbuto NoCommercal 4. Iteratoal Lcese. To vew a copy of lcese BY NC, vst:

2 Potr BURNOS AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA, KATEDRA METROLOGII Autokalbracja systemów WIM, a korekta temperaturowa wyków ważea Mgr ż. Potr BURNOS Absolwet Wydzału Elektryczego Akadem Górczo Hutczej. Studa a keruku Elektrotechka, specjalość Automatyka Metrologa, ukończył w 5 roku. Jest zatrudoy a staowsku asysteta w Katedrze Metrolog AGH. Zateresowaa aukowe dotyczą statystyczych metod aalzy daych, detyfkacj obektów oraz pomarów parametrów ruchu drogowego. e-mal: buros@agh.edu.pl Streszczee W pracy omówoo dwe metody kompesacj wpływu czyków atmosferyczych a dokładość ważea pojazdów z wykorzystaem systemów WIM: autokalbrację oraz korektę temperaturową wyków ważea. Rozważoo wpływ parametrów ruchu drogowego, właścwośc staowska oraz jakość wstępej kalbracj systemu WIM a dokładość obydwu metod. Przedstawoo schemat badań symulacyjych oraz wyk pochodzące z systemu ważącego zastalowaego a drodze r w mejscowośc Gardawce. Słowa kluczowe: ważee pojazdów samochodowych, systemy WIM, autokalbracja, korekta temperaturowa Auto-calbrato ad temperature correcto of WIM systems Abstract The paper deals wth the problem of compesato factors affectg the WIM system accuracy. Based o the smulato results, two methods of compesato have bee preseted ad compared: auto-calbrato ad temperature correcto. The fluece of traffc parameters, system parameters ad pre-calbrato accuracy has bee vestgated. Data aalyss from WIM ste at road umber Gardawce also has bee show. Keywords: weghg of the vehcles, WIM systems, autocalbrato, temperature correcto. Wstęp Ważee pojazdów z wykorzystaem szybko przejazdowych systemów ważących zdobywa coraz wększa popularość. Systemy take, potocze azywae WIM od agelskojęzyczej azwy Weght I Moto, posadają ewątplwe zalety a tle woloprzejazdowych oraz statyczych staowsk ważących, gdyż umożlwają: - wykryce pojazdu przecążoego bez zatrzymaa, a co za tym dze ograczee strat fasowych zwązaych z postojem pojazdu, - zaagażowae mejszych akładów peężych ludzkch do kotrol, - eprzerwae dzałae systemu. Ważee pojazdu odbywa sę bez śwadomego udzału użytkowka drog. Czujk acsku są motowae bezpośredo w jezd prostopadle do keruku ruchu w tak sposób, że ose ważoego pojazdu przetaczają sę przez te czujk. Systemy WIM mogą pracować w oparcu o róże rodzaje przetworków acsku p.: kwarcowe, pojemoścowe lub pezoelektrycze, jedak ze względu a kokurecyją ceę, powszeche zastosowae zajdują jedye te ostate. Wykoae w postac taśm o długośc około 4 metrów, czujk pezoelektrycze motuje sę pod awerzchą jezd, która pośredczy w przeoszeu acsku a czujk. Jest to źródłem główej przyczyy ograczoej dokładośc uzyskwaych wyków ważea, gdyż asfalt jest lepszczem, którego właścwośc fzykomechacze są fukcją temperatury czasu obcążea. Wraz ze zmaą tych welkośc zmea sę przede wszystkm kosystecja materału btumczego charakteryzowaa przez lepkość sprężystość []. Zależe od rodzaju, temperatury czasu obcążea, asfalt może zajdować sę w stae: lepkm, lepkosprężystym sprężystym co ma ewątplwy wpływ a sygał pomarowy docerający do czujka acsku. Do ych przyczy estacjoarośc systemów WIM ależy zalczyć zmay czułośc wzdłuż czujka acsku oraz efekt starzea użytych kompoetów. Wpływ tych ekorzystych zjawsk a otrzymywae wyk moża ograczyć poprzez zastosowae jedej z dwóch metod kompesacj estacjoarośc systemów ważących: autokalbracj lub korekty temperaturowej wyków ważea.. Autokalbracja Celem kalbracj systemu WIM jest eksperymetale wyzaczee współczyka kalbracj C, rozumaego jako lczby, przez którą ależy pomożyć uzyskae z układu pomarowego dae, aby otrzymać oceę acsku statyczego os pojazdu a podłoże lub masę całkowtą wyrażoą w klogramach zgode z zależoścą (). WS W d () C WS - skalbroway wyk ważea tj. masa całkowta pojazdu lub acsk statyczy wybraej os, Wd - e kalbroway wyk ważea tj. wyk przetwarzaa sygału acsku z czujków systemu WIM. Kalbrację systemów WIM moża przeprowadzć a klka sposobów: za pomocą statyczych lub dyamczych zadajków sły, z wykorzystaem pojazdu oprzyrządowaego posadającego zdolość cągłego pomaru acsku kół a podłoże, lub z użycem pojazdu wstępe zważoego. Są to metody czasochłoe, stosukowo kosztowe, a populara metoda pojazdu wstępe zważoego wymaga użyca klku samochodów cężarowych welokrote przejeżdżających przez staowsko ważące. Staow to duże przedsęwzęce logstycze oraz często wymaga wyłączea z ruchu fragmetu drog. Autokalbracja systemów WIM jest pozbawoa powyższych wad, a co stote pozwala a kompesację zma parametrów systemu WIM bez względu a ch przyczyę (zmay temperatury, efekt starzea, tp.). Idea metody polega a cągłej estymacj współczyka C oraz modyfkowau wyków ważea zgode z aktuale wyzaczoą estymatą wg zależośc (). Podstawą estymacj współczyka kalbracj są wyk pomaru acsku perwszej os zestawów składających sę z dwuosowego cągka sodłowego oraz trzyosowej aczepy, które dalej będą zwae pojazdam odesea. Nacsk te

3 charakteryzują sę wartoścą średą w = 6677 N oraz losową zmeoścą opsaą przez względe odchylee stadardowe a pozome zaledwe 7.%. Mała losowa zmeość uzasada wybór acsku I os tych pojazdów jako welkośc odesea wykorzystywaej do estymacj współczyka kalbracj. Pojazdy odesea borące udzał w tym procese są zwykłym użytkowkam dróg, a kalbracja odbywa sę podczas omalej pracy systemu co jest ewątplwą zaletą metody. W przypadku gdy występuje tylko jede rodzaj pojazdów odesea, przejeżdżających przez staowsko WIM w eregularych odstępach czasu, a estymacja współczyka kalbracj mus być realzowaa w sposób cągły, do oblczeń ależy użyć zmodyfkowaego, teracyjego algorytmu LS z wykładczym zapomaem [] postac: C ˆ Cˆ K Wd b w P w w Cˆ K P w b () P P K w P t q f t T Ĉ estymata współczyka kalbracj, umer teracj odpowadający umerow kolejego pojazdu odesea, który przejechał przez kalbrowae staowsko, wartość współczyka zapomaa wyzaczoa w -tej teracj, początkowa wartość współczyka zapomaa, t czas, jak upłyął od przejazdu poprzedego pojazdu odesea, f fukcja wag. t T,q stałe współczyk o wartoścach doberaych dośwadczale, q. Wprowadzoa modyfkacja polega a uzależeu beżącej wartośc współczyka zapomaa od czasu jak upłyął od przejazdu poprzedego pojazdu odesea t, a tym samym od czasu wyzaczea poprzedej estymaty C ˆ. Adaptacyjy charakter algorytmu, pozwala ograczyć błędy estymacj zwązae ze źle dobraą, stałą wartoścą jak w przypadku algorytmu klasyczego. Zapropooway algorytm zwększa warygodość estymacj lecz e zapewa regularośc wyzaczaa estymaty współczyka C. Aalza daych pomarowych wskazuje, że w cągu da przez staowsko ważące przejeżdża około pojazdów odesea, co ozacza że kalbracja mogłaby być przeprowadzaa średo co 5 mut. Należy jedak pamętać, że atężee pojazdów odesea zmea sę w zależośc od pory da, a awet pory roku co wywołuje przerwy w kalbracj dochodzące do klku godz. Jest to wadą propoowaego rozwązaa szczególe w systemach stote estacjoarych.. Korekta temperaturowa wyków ważea Podstawowym warukem zastosowaa korekty temperaturowej wyków ważea jest wstępa kalbracja staowska, p.: metodą pojazdu wstępe zważoego w wyku czego otrzymujemy stałą wartość współczyka kalbracj C. Wraz ze zmaą temperatury asfaltu sta systemu pomarowego będze ulegał zmae, a dokładość wyków ważea pogorszy sę. Kompesacja tego zjawska wymaga zajomośc modelu zma właścwośc asfaltu w skutek zma temperatury. Na rysuku przedstawoo dośwadczale wyzaczoą charakterystykę ukazującą omawae zjawsko. Charakterystyka opsuje weloczujkowe staowsko WIM z czujkam pezoelektryczym zastalowae a drodze r w mejscowośc Gardawce. względy śred wyk ważea I os [-],4,,,,,9,8, temperatura asfaltu [st. C] Rys.. Zmaa wyków ważea w fukcj temperatury asfaltu dla staowska WIM w Gardawcach. wyk pomarów, model (). Fg.. Weghg result vs. asphalt temperature for Gardawce WIM ste. measuremet result, model (). Model, który dopasowao do otrzymaych daych ma postać : w ( T Ta ) CT ( Ta ) k () T a temperatura asfaltu [C], k,86 współczyk wzmocea, w,577 współczyk achylea krzywej, T temperatura odesea wyrażoa w [ o C]. Model () to zaa w lteraturze [] zależość określająca wpływ temperatury awerzch asfaltowej a jej sztywość (kosystecję), czyl pośredo a wyk ważea. Współczyk w jest zależy od rodzaju oraz składu asfaltu przyjmuje wartośc ujeme. Ozacza to że wraz ze wzrostem temperatury sztywość awerzch maleje, a acsk wyweray a czujk rośe. Kompesacja temperaturowa polega a oblczau wartośc współczyka CT oraz modyfkowau wyków ważea zgode z zależoścą (4). WST W (4) d C CT C stały współczyk kalbracj wyzaczoy p. metodą pojazdu wstępe zważoego, W ST skalbroway wyk ważea uwzględający korektę temperaturową, tj. masa całkowta pojazdu lub acsk statyczy wybraej os. Dzęk cągłemu pomarow temperatury asfaltu, beżącej korekce podlegają wszystke wyk ważea co jest ewątplwą zaletą metody. Należy jedak pamętać że korekta weluje jedye wpływ zma temperatury asfaltu a wyk ważea, a dokładość metody w dużej merze zależy od jakośc wyzaczoej charakterystyk temperaturowej. Na dokładość ostateczego wyku będze meć róweż wpływ dokładość wstępej kalbracj staowska. 4. Badaa symulacyje Celem przeprowadzoych badań symulacyjych była ocea właścwośc zapropoowaych metod kompesacj estacjoarośc systemów WIM. Za pomocą geeratora lczb pseudolosowych wygeerowao zbór 5 tysęcy lczb o rozkładze ormalym parametrach statystyczych

4 charakteryzujących rozkład acsków I os pojazdów odesea, które symulowały rzeczywste wartośc welkośc merzoej. Po trasmsj przez model systemu WIM otrzymao symulowae wyk ważea, które staowły podstawę dalszych badań symulacyjych. Model systemu musał uwzględać jego estacjoarość powodowaą zmaą parametrów atmosferyczych co uzyskao poprzez uzależee wartośc współczyka kalbracj od temperatury asfaltu. Złożoość procesu pomaru acsku wymaga róweż, aby model uwzględał czyk zakłócające zależe od kostrukcj samochodu jakośc awerzch, tj. poowe wahaa pojazdu, wywołujące dyamcze zmay acsku os a podłoże. Powoduje to że chwlowa wartość acsku daej os poruszającego sę pojazdu może sę różc od wartośc wyzaczoej w warukach statyczych awet o 4% dla jedego czujka w systeme. Stąd badaa symulacyje przeprowadzoo w oparcu o astępujący model systemu ważącego [4]: W d m _ est * acsk m _ wahań * acsk (5) C( Ta)* acsk z * dev * acsk m_est model estacjoarośc systemu, m_wahań model poowych wahań pojazdu, acsk acsk wyweray przez wybraą oś pojazdu a podłoże podczas przejazdu przez staowsko WIM, C (Ta) zadaa wartość współczyka kalbracj systemu WIM, będąca fukcją Ta temperatury asfaltu, z składowa losowa o rozkładze rówomerym z przedzału.5.5, dev parametr określający względą (odesoą do acsku) zmeość acsku os w wyku poowych wahań pojazdu. Perwszy wyraz (5) jest modelem wpływu Ta a wyk ważea ma postać (), drug uwzględa błędy zwązae z poowym wahaam pojazdu. Wykorzystując zależośc () (5) oraz model zmeośc temperatury asfaltu (rysuek ), wyzaczoo odpowedz Wd modelu systemu WIM o zaych parametrach. Otrzymae dae staowły podstawę do testów zapropoowaych algorytmów korekcj. temperatura asfaltu [st. C] współ. kalbracj [-] ,,75,5,5, 4 5 czas [h] 4 5 czas [h] Rys.. Model zmeośc temperatury asfaltu oraz zadaa wartość współczyka kalbracj Fg.. Model of temperature ad calbrato coeffcet Za kryterum jakośc algorytmów korekcj przyjęto względy błąd skuteczy wyków ważea (6). N Ws acsk (6) N acsk Ws skorygoway wyk ważea w -tym ważeu, N lczba wykoaych pomarów, acsk rzeczywsty acsk w -tym ważeu. Rozważoo wpływ parametrów ruchu drogowego, właścwośc staowska oraz jakość wstępej kalbracj systemu WIM a dokładość obydwu algorytmów korekcj. W procese autokalbracj przebadao dwa rodzaje teracyjych algorytmów LS: z modyfkacja ( var ) oraz bez modyfkacj ( cost. 99 ). Dla korekty temperaturowej wartość współczyka C przyjęto za zaą wprowadzoo jako parametr symulacj. Podejśce take pozwolło a ezależe badae właścwośc samej korekty oraz wpływu dokładośc wyzaczea C a uzyskwae wyk. względy błąd skuteczy,,8,6,4, - autokal. lambda=.99 - autokal. lambda=var,,,5,,5, odległość mędzy pojazdam odesea [h] Rys.. Wpływ odległośc czasowych t a względy błąd skuteczy Fg.. Relatve effectve error vs. dstace tme betwee referece cars Powyższa charakterystyka ukazuje wpływ odległośc czasowych pomędzy pojazdam odesea a wyk ważea dla różych algorytmów korekcj. Efektywość autokalbracj maleje wraz ze wzrostem odległośc t, lecz modyfkacja algorytmu LS przyosła wyraźą poprawę dokładośc ważea. Częstotlwość występowaa pojazdów odesea e wpływa atomast a dokładość wyków korygowaych temperaturowo co wyka wprost z przedstawoej de metody, która okazała sę dokładejsza ż metoda autokalbracj. Należy jedak pamętać że rozpatrzoo wydealzoway przypadek, w którym zaa jest wstępa wartość C. W praktyce posługujemy sę estymatą tego współczyka wyzaczoą metodą pojazdu wstępe zważoego co zmejsza dokładość metody. Zjawsko to ukazuje rysuek 4. względy błąd skuteczy,5,4,,, - autokal. lambda=.99 - autokal. lambda=var, względy błąd wyzaczea C [%] Rys. 4. Wpływ jakośc wstępej kalbracj a względy błąd skuteczy Fg. 4. Relatve effectve error vs. relatve error of C estmato Błąd względy wyzaczea współczyka C a pozome 5% powoduje że dokładość korekty temperaturowej maleje do pozomu dokładośc metody autokalbracj. Błąd 5 procetowy wyzaczea C zmejsza aż dwukrote dokładość korekty względem autokalbracj. Wskazuje to a dużą wrażlwość metody a jakość wstępej kalbracj systemu WIM. Poeważ przeprowadzoe badaa [5] wskazują, ż w zależośc od lczby pojazdów kalbrujących ch mas oraz lczby przejazdów przez staowsko ważące uzyskwaa dokładość kalbracj metodą pojazdu wstępe zważoego zawera sę w gracach od klku do klkuastu procet to praktyczą dokładość korekty ależy szacować w tych samych gracach. Jako ostat czyk mający wpływ a dokładość uzyskwaych wyków rozpatrzoo jakość awerzch

5 charakteryzowaą przez względą (odesoą do acsku) zmeość acsku os w wyku poowych wahań pojazdu dev. względy błąd skuteczy,4,,,8,6,4, - autokal. lambda=.99 - autokal. lambda=var,,,,4,6,8, względa zmeość acsku - dev Rys. 5. Wpływ względej zmeośc acsku a względy błąd skuteczy Fg. 4. Relatve effectve error vs. relatve chage of dyamc axle load Z przedstawoej charakterystyk wyka że dla deale płaskej awerzch (brak poowych wahań pojazdów), estacjoarość systemu powodowaa zmaą temperatury asfaltu jest emal w peł welowaa przez korektę temperaturową. W takch samych warukach autokalbrowae wyk ważea charakteryzują sę klkuprocetową wartoścą błędu, co wyka z ezerowej losowej zmeośc wzorca użytego do estymacj współczyka C. Pogorszee jakośc awerzch objawające sę wzrostem poowych wahań pojazdu, w podoby sposób wpływa a wyk uzyskae obydwema metodam. Wbrew obawom losowa zmeość wzorca autokalbracj e jest parametrem krytyczym, co wskazuje a przydatość metody a drogach o gorszej jakośc. 5. Badaa dośwadczale Dae pomarowe uzyskao z 6 czujkowego systemu MS- WIM zastalowaego a drodze r w mejscowośc Gardawce. System zbudowao w oparcu o czujk pezoelektrycze, osem dukcyjych czujków pętlowych oraz dwa czujk temperatury asfaltu zamotowae a początku końcu staowska. Umożlwło to uwzględee gradetu temperatury wzdłuż systemu. Układy kodycjoowaa sygałów oraz przetwarzaa akwzycj daych zastalowao w szafe pomarowej a poboczu jezd. Do weryfkacj zapropoowaych metod korekty estacjoarośc systemów WIM, użyto daych pochodzących z kalbracj staowska metodą pojazdu wstępe zważoego. Ważea statyczego użytych pojazdów dokoao a przeośych wagach admstracyjych (klasa 4) stosowaych przez Ispekcję Trasportu Drogowego. Ze względu a ekompletość otrzymaych daych weryfkacj algorytmów korekcj dokoao w oparcu o wyk ważea dwóch różych wstępe zważoych pojazdów cężarowych. Dae przezaczoe do korekty temperaturowej pochodzły z ważea pojazdu podzeloo je a dwe grupy. Na podstawe wyków zawartych w grupe perwszej wyzaczoo wartość współczyka kalbracj C. Wobec grupy drugej zamplemetowao algorytm korekty a wykach ważea. Pojazd przejeżdżał przez staowsko z różym prędkoścam (od km/h do 8 km/h) celem elmacj wpływu tej welkośc a wyk. Korygowao pomar masy całkowtej pojazdu ze względu a brak dostępu do pomaru acsków poszczególych os. Wyk zestawoo w tabel : Tabela. Wyk ważea pojazdu tj. masa całkowta. Table. Car - weghtg results vehcle mass. Lp. Wyk ważea statyczego [kg] Wd [-] WST [kg] [-] 86,74 5,5 54, 785,7.. 4,6 87, ,4 665,78 Średa 445, 69,48 Względy błąd skuteczy wyzaczea W ST zdefoway jako (6) wyósł =.64, przy czym za acsk przyjęto wyk ważea statyczego. Algorytm autokalbracj testowao w aalogczy sposób dla wyków ważea pojazdu wstępe zważoego, dla którego acsk statyczy I os był zay. Wyk dla 4 przejazdów zestawoo w tabel r : Tabela. Wyk ważea pojazdu tj. acsk I os. Table. Car - weghtg results frst axle. Lp. Wyk ważea statyczego [kg] Wd [-] WS [kg] [-] 6 44,5 687, ,9 687, , ,57 65, Średa 6 496,6 67,65 Względy błąd skuteczy wyzaczea W S wyósł =.5, czyl węcej ż dla korekty temperaturowej jedak wystarczająco mało aby wyk uzać za co ajmej zadawalający. Należy pamętać ż otrzymaych wyków e moża porówywać wprost ze względu a roże pojazdy użyte w obydwu metodach. 6. Podsumowae W pracy przedstawoo wyk badań symulacyjych oraz eksperymetalych dwóch algorytmów korekty wyków ważea. Do zalet metody autokalbracj ależy zalczyć jej uwersalość, gdyż może być stosowaa emal w każdym systeme ważącym awet a drogach o złej jakośc. Zastępuje ucążlwy kosztowy proces klasyczej, okresowej kalbracj staowska. Korekta temperaturowa wymaga dostosowaa sytemu do cągłego pomaru temperatury asfaltu, mus być poprzedzoa kalbracją oraz wymaga zajomośc charakterystyk temperaturowej staowska. Ostat waruek jest szczególe trudy do spełea w owych systemach WIM, gdyż wyzaczee charakterystyk temperaturowej daego systemu wymaga długookresowej rejestracj daych pomarowych (co ajmej przez klka mesęcy). Metoda umożlwa jedak korektę każdego wyku ważea co pozwala osągąć dużą dokładość w całej populacj ważoych pojazdów. Jak wyka z zaprezetowaych badań osągae dokładośc ważea są w przypadku obydwu metod bardzo wysoke. Poeważ wyk ważea tego samego pojazdu przy zmae temperatury o C (dzeń - oc) może sę różć do %, uzasadoa wydaje sę koeczość stosowaa jedej z opracowaych przez autora metod celem zwększea dokładośc uzyskwaych wyków. Otwartą kwestą pozostaje bezpośrede porówae metod w oparcu o wyk ważea wszystkch os jedego pojazdu wstępe zważoego. 7. Lteratura [] I. Gaweł, M. Kalabńska, J. Płat, Asfalty Drogowe, Wydaw. Komukacj Łączośc, Warszawa, [] P. Buros, J. Gajda, Autokalbracja Systemów Ważea Pojazdów Samochodowych w Ruchu, Materały XV Sympozjum Modelowae Symulacja Systemów Pomarowych, Kryca, wrzeseń 5, str. -. [] E. Lukae, R.Stubstad, R. Brggs, Temperature Predctos ad Adjustmet Factors for Asphalt Pavemet, Fal Report of LTPP, Federal Hghway Admstrato 6/. [4] P. Buros, Aalza estacjoarośc systemów WIM, PAK bs/6, Materały XVI Sympozjum Modelowae Symulacja Systemów Pomarowych, Kryca, wrzeseń 6, str [5] J. Gajda, R. Sroka, Aalza dokładośc systemów WIM kalbrowaych metodą pojazdu wstępe zważoego, Materały XV Sympozjum Modelowae Symulacja Systemów Pomarowych, Kryca, wrzeseń 5, str. -. Artykuł recezoway