Analiza niestacjonarności systemów WIM 1

Transkrypt

1 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 Potr BUROS, AGH AKADEMIA GÓRICZO-HUTICZA, KATEDRA METROLOGII ELEKTROIKI Analza nestacjonarnośc systeów WIM 1 Ten utwór jest dostępny na lcencj Creatve Coons Uznane autorstwa - Użyce nekoercyjne 4.0 Mędzynarodowe. Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów. Streszczene W pracy opsano etodę wyznaczana wpływu czynnków zakłócających na paraetry systeu WIM. Rozważono zany teperatury otoczena oraz wlgotnośc jako główne przyczyny nestacjonarnośc systeu. Przedstawono scheat badań syulacyjnych oraz wynk pochodzące z systeu ważącego zanstalowanego na drodze nr 1 w ejscowośc Gardawce. Abstract The paper presents the dentfcaton ethod of factors affectng WIM systes accuracy. Ar teperature and hudy are consdered as an reasons of nonstatonarty. The dea of the nuercal syulaton has been shown as well as data analyss fro WIM ste at road nuber 1 n Gardawce. Słowa kluczowe: Dokładność systeów WIM, ważene pojazdów. Keywords: WIM syste accurancy, wegh n oton. Ttle: Analyss of the nonstatonary WIM systes. 1. Wstęp Praca dotyczy wyznaczena wpływu czynnków zakłócających na wynk poarowe uzyskwane z systeów ważących pojazdy saochodowe, które poruszają sę z prędkośca drogowy. Take systey poarowe są nazywane w skróce WIM od angelskojęzycznej nazwy Wegh In Moton. Podstawowy eleente systeów WIM są czujnk nacsku, ontowane w nawerzchn lub pod nawerzchną jezdn prostopadle do kerunku ruchu, w tak sposób, że poszczególne ose ważonego pojazdu przetaczają sę kolejno przez te czujnk. Wykorzystuje sę różne rodzaje czujnków nacsku, jednak do najpopularnejszych należy zalczyć: kwarcowe, pojenoścowe oraz pezoelektryczne. Czujnk kwarcowe ają najlepsze właścwośc z punktu wdzena oawanego zastosowana. Odpowedna konstrukcja ontaż czujnka w nawerzchn zapewnają bezpośredn kontakt opony pojazdu z przetwornke. Dzęk teu uzyskuje sę nalzację czułośc poprzecznej oraz wyelnowane dodatkowych eleentów pośrednczących w przenoszenu nacsku. Ponadto czujnk te charakteryzują sę ałą wrażlwoścą na wpływ teperatury, dobrą lnowoścą 1 Wykonano w raach projektu nr: 4T10C65 oraz nestety wysoką ceną co ograncza ch zastosowane. Czujnk pojenoścowe budowane są w postac platfor o szerokośc około 50 c równeż ontowanych w nawerzchn jezdn, a ch właścwośc są zblżone do czujnków kwarcowych. Wadą tego typu stanowsk ważących jest ała wytrzyałość echanczna. Trzecą grupę stanową taśowe czujnk pezoelektryczne ueszczane pod nawerzchną jezdn, która pośrednczy w przenoszenu nacsku na czujnk. Charakteryzują sę dużą wrażlwoścą na zany teperatury, reagują na sły poprzeczne, oraz ne przenoszą sł stałych w czase co znaczne utrudna kalbrację stanowska [1]. Wady te kopensuje jednak nska cena, co decyduje o ch szerok zastosowanu. W Katedrze Metrolog AGH zbudowano klka stanowsk WIM. Proble dentyfkacj czynnków ających wpływ na wynk ważena, perwszy raz pojawł sę podczas analzy danych poarowych pochodzących ze stanowska WIM z dwoa czujnka pezoelektryczny zanstalowanego w Wol Dębńskej. Stwerdzono ż wynk ważena slne zależą od czynnków atosferycznych takch jak teperatura wlgotność powetrza. Jednak ze względu na brak wystarczającej lośc danych oraz technczną degradację stanowska, przeprowadzene dokładnej analzy ne było ożlwe. Badana wznowono pod konec 005 roku po zakończenu budowy nowego stanowska ważącego w ejscowośc Gardawce, na drodze nr 1 poędzy Katowca a Ceszyne. Zgroadzone dane poarowe pochodzły z dwóch czujnków pezoelektrycznych jednego czujnka ndukcyjnego. Sygnały z czujnków były przetwarzane przez specjalne do tego celu zaprojektowany syste poarowy, który współpracował z koputere klasy PC. Dla każdego pojazdu rejestrowano godznę przejazdu, prędkość, nacsk poszczególnych os, ch lczbę oraz odległośc ędzy n, teperaturę asfaltu, wlgotność teperaturę powetrza w chwl przejazdu. Poarów dokonano w okrese od lstopada 005 do styczna 006 roku. Zgroadzone dane przynosły welu cennych nforacj na teat wybranych paraetrów ruchu drogowego, właścwośc saych pojazdów przejeżdżających przez stanowsko oraz właścwośc systeu WIM.. Analza danych poarowych Analzując uzyskane dane poarowe pod kąte stacjonarnośc systeu dokładnośc wynków ważena, należało posłużyć sę wzorce stanowący welkość odnesena. Pęcoosowe saochody cężarowe zawerające dwuosowy cągnk sodłowy oraz trójosową naczepę stanową charakterystyczną grupę pojazdów poruszających sę po naszych drogach. Wyróżna je

2 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 rozeszczene trzech os naczepy we wzajenych odległoścach równych 1310, co znaczne ułatwa ch detekcje, oraz ała losowa zenność nacsku perwszej os, której wartość średna jest równa [] oże służyć za welkość odnesena podczas oceny stacjonarnośc dokładnośc systeu. Pojazdy take będą dalej nazywane pojazda odnesena. gęstość prawdopodobeństwa [1/] 7,0x10-5 6,0x10-5 5,0x10-5 4,0x10-5 3,0x10-5,0x10-5 1,0x10-5 0,0 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 nacsk [] Rys. 1. Rozkład gęstośc prawdopodobeństwa nacsku perwszej os pojazdów pęcoosowych a rysunku 1 przedstawono ocenę rozkładu gęstośc prawdopodobeństwa, charakteryzującą zenność wynków ważena perwszej os pojazdów odnesena na wolno-przejazdowej wadze adnstracyjnej. Tabela 1 zawera paraetry statystyczne opsujące ten rozkład. Tabela 1. uer Wartość Względne odchylene os średna standardowe [] Analzując wynk ważena perwszej os pojazdów odnesena pochodzące z badanego systeu WIM, stwerdzono zany wyżej wyenonej wartośc średnej oraz odchylena standardowego w kolejnych okresach 4 godznnych. a rysunku przedstawono tę zenność dla danych pochodzących z lstopada 005 roku. a przestrzen 0 dn zaobserwowano neal 10% zanę wartośc średnej oraz 15% zanę odchylena standardowego wynków ważena. Przyczyną tego zjawska ne oże być stopnowa zana nacsku perwszej os pojazdów odnesena, ze względu na brak logcznego uzasadnena takej sytuacj. Obserwowana nestacjonarność oże być wywołana zaną własnośc saych czujnków, nawerzchn, w której są one zaontowane lub paraetrów charakteryzujących syste poarowy. W systeach z czujnka pezoelektryczny przenoszene sygnału poarowego przez nawerzchnę jezdn powoduje, że wynk ważena są bardzo wrażlwe na zany jej paraetrów []. Asfalt jest lepszcze, którego właścwośc fzyko-echanczne są funkcją teperatury czasu obcążena. Wraz ze zaną tych welkośc zena sę przede wszystk konsystencja asfaltu charakteryzowana przez lepkość sprężystość [3]. Zależne od rodzaju, teperatury obcążena, asfalt oże znajdować sę w stane: lepk, lepkosprężysty sprężysty przy czy najstotnejszy dla właścwośc eksploatacyjnych jest stan lepkosprężysty. b) a) względny średn wynk ważena I os [-] względne odchylene standardowe nacsku I os [-] 1,01 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 1,00 0,98 0,96 0,94 0,9 0,90 0,88 0,86 0, dzeń 0, dzeń Rys.. Zenność paraetrów statystycznych w czase. W Polsce zakres teperatur eksploatacyjnych określono od około 40 C do 70 C (najwyższa teperatura jaką oże osągnąć nawerzchna przy teperaturze powetrza 40 C). Tak znaczna zana teperatur w cyklu roczny, a w nejszy zakrese w cyklu dobowy, powoduje stotne zany konsystencj asfaltu, co a newątplwy wpływ na wynk ważena. Zjawsko to obrazuje charakterystyka z rysunku 3, ukazująca wpływ zany teperatury asfaltu na wynk ważena perwszej os pojazdów odnesena w okrese od lstopada 005 do styczna 006. Wynk ważena perwszej os pojazdów odnesena zenł sę aż o 40% przy zane teperatury asfaltu o zaledwe 30 C. względny średn wynk ważena I os[-] 1,40 1,35 1,30 1,5 1,0 1,15 1,10 1,05 1,00 0, teperatura asfaltu [st. C] Rys. 3. Zana wynków ważena w funkcj teperatury asfaltu.

3 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 Pozostałe czynnk ogące wpływać nekorzystne na jakość ważena są zwązane z analogowy układe kondycjonowana sygnału z czujnków nacsku. Poo zastosowana wysokej jakośc eleentów elektroncznych, ne ożna wykluczyć pewnej wrażlwośc na wahana teperatury zewnętrznej, która oże eć wpływ na punkt pracy członów wzacnających. Ze względu na specyfkę budowy, ne ożna równeż ponąć nekorzystnego wpływu wlgotnośc na zanę rezystancj wejścowej układu. a podstawe powyższych przesłanek postawono hpotezę, ż stneją czynnk zewnętrzne take jak teperatura asfaltu, teperatura aparatury poarowej oraz wlgotność powetrza, które ogą eć wpływ na otrzyywane wynk ważena. Przeprowadzone badana dotyczyły wyznaczena odelu wpływu powyższych czynnków. Analza danych poarowych wskazuje na stotną nestacjonarność systeu WIM. Marą tej nestacjonarnośc oże być zakres zan współczynnka kalbracj C, zdefnowanego jako: 1 Ws Wd (1) C Ws - skalbrowany wynk ważena tj. asa całkowta pojazdu lub nacsk statyczny wybranej os, Wd - ne kalbrowany wynk ważena tj. wynk przetwarzana sygnału nacsku z czujnków systeu WIM. W ty rozuenu C należy nterpretować jako współczynnk lczbowy, przez który trzeba ponożyć uzyskane z układu poarowego dane, aby otrzyać ocenę statycznego nacsku os pojazdu na podłoże lub asę całkowtą wyrażoną w klograach. Z wyenonych wcześnej powodów wartość współczynnka C ne jest stała zależy od właścwośc systeu ważącego w chwl poaru. Paraetr ten jest zate arą wpływu czynnków zewnętrznych na właścwośc systeu ważącego odgrywa stotną rolę w autokalbracj systeów WIM [4]. Cągła estyacja współczynnka kalbracj uożlwa śledzene stanu systeu ważącego analzę wpływu czynnków zewnętrznych na ten stan. Do estyacj wykorzystano teracyjny zodyfkowany algoryt LS, wchodzący w skład procedury autokalbracj. estyata współczynnka kalbracj [-] teperatura [st. C], wlgotność [%],5,4,3,,1,0 1, Te Rys. 4. Estyata współczynnka C odpowadająca jej zenność rejestrowanych teperatur oraz wlgotnośc. Wg Ta a rysunku 4 przedstawono wynk estyacj współczynnka C oraz zarejestrowane przebeg teperatury asfaltu - Ta, wlgotnośc - Wg teperatury aparatury poarowej - Te, systeu WIM zanstalowanego w ejscowośc Gardawce. Poary przeprowadzono w lstopadze 005 roku. Marą podobeństwa zan współczynnka kalbracj obserwowanych przebegów welkośc wpływowych jest współczynnk korelacj ędzy ty welkośca (). Współczynnk ten przyjuje wartośc z przedzału [-1; 1], przy czy wartość 1 oznacza pełną korelację, a 0 jej całkowty brak. x x y y x x y y x, y - skorelowane sygnały, x, y - wartośc średne x, y. Uzyskane wartośc współczynnka () zestawono w tabel: Tabela. Współczynnk korelacj. Ĉ Ta Te Wg Ĉ Ta Te Wg Ĉ - estyata współczynnka kalbracj. Znacząca korelacja poędzy współczynnke kalbracj a teperaturą asfaltu wskazuje na stotny wpływ tej welkośc na wynk ważena. Równeż teperatura aparatury poarowej wlgotność wykazują pewną korelacje z estyatą Ĉ. Ujene wartośc zawarte w tabel sugerują odwrotne proporcjonalną zależność ędzy badany przebega, a korelacja poędzy teperaturą asfaltu a teperaturą aparatury wynos , co wskazuje na neal pełną zależność tych welkośc. Ze względu na slną korelacje poędzy wszystk badany przebega, jednoznaczne wyznaczene wpływu poszczególnych czynnków na właścwośc systeu poarowego, a w konsekwencj na wynk ważena, ne było ożlwe. Określene tego wpływu wyagało zaprojektowana przeprowadzena bardzej złożonego eksperyentu. Perwszy kroke do osągnęca tego celu było zbudowane odel czynnków wpływowych oraz przeprowadzene badań syulacyjnych. ()

4 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 3. Badana syulacyjne Cele badań syulacyjnych była weryfkacja zaproponowanej etody dentyfkacj wpływu czynnków zewnętrznych na paraetry systeu WIM. Podstawą przeprowadzonych badań był zbór 5 tyś. lczb, otrzyanych za poocą generatora lczb pseudolosowych oraz odele zennośc teperatury asfaltu, aparatury poarowej oraz wlgotnośc powetrza. Zbór lczb pseudolosowych syulował rzeczywste wartośc welkośc erzonej (tj. nacsk perwszej os), o rozkładze noralny paraetrach statystycznych zaczerpnętych z tabel 1 dla perwszej os pojazdów odnesena, które po przejścu przez odel systeu WIM, stanowły podstawę dalszych badań syulacyjnych. Model systeu usał uwzględnać jego nestacjonarność, co osągnęto poprzez uzależnene wartośc współczynnka kalbracj od Ta, Te Wg, a także wpływ nnych, dobrze znanych czynnków zakłócających neodłączne zwązanych z procese ważena pojazdów w ruchu. Jedna z głównych przyczyn nedokładnośc systeów WIM wynka stąd, ż ważene polega na estyacj statycznego nacsku os na podłoże (lub asy całkowtej) na podstawe dynacznych oddzaływań saochód droga. a tak rozuany poar ają wpływ nne, nezależne od warunków atosferycznych czynnk, które należy uznać za zakłócające [5]. Można je podzelć na cztery główne grupy tj.: zależne od konstrukcj pojazdu, zależne od jakośc nawerzchn, zależne od środowska od paraetrów systeu. W przeprowadzonych badanach syulacyjnych odel nestacjonarnośc uzupełnono o czynnk zwązany z ponowy wahana pojazdu przejeżdżającego przez stanowsko ważące. Decydującą przyczyną powstawana tych wahań jest zła jakość nawerzchn oraz gwałtowne poduchy watru. Ocena sę, ż czynnk ten jest źródłe błędów poaru sęgających nawet 40 procent, przy zastosowanu jednego czujnka nacsku w systee. Stąd badana syulacyjne przeprowadzono w oparcu o następujący odel odnesena reprezentujący analzowany syste WIM: Wd _ nest * nacsk C(Ta, Te, Wg) * nacsk _ wahań * nacsk z *dev* nacsk _nest odel nestacjonarnośc systeu, _wahań odel ponowych wahań pojazdu, nacsk nacsk wywerany przez wybraną oś pojazdu na podłoże podczas przejazdu przez stanowsko WIM, C zadana wartość współczynnka kalbracj systeu WIM, będąca funkcją: Ta teperatury asfaltu, Te teperatury elektronk (aparatury po.), Wg wlgotnośc powetrza. z składowa losowa o rozkładze równoerny z przedzału , dev paraetr określający względną (odnesoną do nacsku) zenność nacsku os w wynku ponowych wahań pojazdu. (3) Perwszy wyraz (3) jest odele wpływu Ta, Te Wg na wynk ważena, drug uwzględna błędy zwązane z ponowy wahana pojazdu. Przyjęto ż wpływ czynnków atosferycznych na wynk a charakter addytywny, a ty say odel nestacjonarnośc C przyjęto w postac (4). C(Ta, Te, Wg) C 1(Ta) C(Te) C3(Wg) (4) Do celów badań syulacyjnych określono następujące postace zennośc C 1, C C 3 : w1(t0 Ta ) C1(Ta) k1 10 (5a) C (Te) k Te (5b) k 3 C3 (Wg) (5c) Wg k 1, k, k 3 współczynnk wzocnena, w 1 współczynnk nachylena krzywej, T 0 teperatura odnesena. Postać zennośc C C 3 przyjęto w sposób arbtralny, sugerując sę jedyne wynke analzy korelacyjnej. atoast odel C 1 to znana w lteraturze [6] zależność określająca wpływ teperatury nawerzchn asfaltowej na jej sztywność (konsystencję), a pośredno na wynk ważena. Współczynnk w 1 jest zależny od rodzaju oraz składu asfaltu przyjuje wartośc ujene. Oznacza to że wraz ze wzroste teperatury sztywność nawerzchn aleje. a podstawe (5a) ożna oblczyć o le zenła sę sztywność asfaltu jeżel jego teperatura zenła sę od T 0 do Ta. Wykorzystując zależnośc (3), (4) (5) oraz odele zennośc Ta, Te Wg (rys. 5), wyznaczono odpowedź Wd odelu odnesena o znanych paraetrach, a następne na tej podstawe z wykorzystane zodyfkowanego algorytu LS, wyznaczono ocenę zennośc współczynnka kalbracj (4) ukazaną na rysunku 6-a. teperatura [st. C], wlgotność [%] Wg Ta -0 Rys. 5. Modele zennośc czynnków atosferycznych Te

5 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 Do tak skonstruowanego odelu odnesena należało następne dopasować w procese dentyfkacj odel wyznaczany (6): Wd C (Ta,Te,Wg)* nacsk (6) Zaproponowana etoda dentyfkacj wykorzystuje do pobudzena odelu wyznaczanego przebeg Ta, Te Wg z odelu odnesena oraz znajoość rozkładu nacsku I os pojazdów odnesena. Wynke jest estyata współczynnka kalbracj Ĉ odelu wyznaczanego. Otrzyane estyaty, z odelu odnesena oraz zenność C odelu wyznaczanego (rys. 6-b), posłużyły następne do sforułowana kryteru będącego arą dopasowana odelu wyznaczanego: Q C (7) Ĉ C współczynnk kalbracj założony w odelu odnesena, Ĉ estytata współczynnka kalbracj odelu wyznaczanego. Testowany algoryt dentyfkacj zbegał sę do założonych w odelu odnesena wartośc współczynnków charakteryzujących zenność (5a - 5c), co śwadczy o znalezenu globalnego nu kryteru (7). estyata współczynnka kalbracj [-] (a) (b) Rys. 6. Zadana zenność C odelu odnesena (a), oraz estyata Ĉ odelu wyznaczanego (b). Współczynnk korelacj oblczony dla współczynnka kalbracj odelu odnesena oraz estyaty pochodzącej z odelu wyznaczanego jest bardzo wysok wynos Badana syulacyjne potwerdzły ożlwość jakoścowej loścowej dentyfkacj czynnków ających wpływ na wynk ważena. 4. Model systeu WIM Powyższą etodę dentyfkacj wykorzystano w celu wyznaczena odelu systeu WIM zanstalowanego w ejscowośc Gardawce. a podstawe rejestracj teperatury asfaltu, aparatury poarowej, wlgotnośc powetrza oraz wykorzystując estyatę współczynnka kalbracj przeprowadzono eksperyent dentyfkacj. Sprawdzono różne postace odel nestacjonarnośc, od najprostszych tak jak w badanach syulacyjnych, do bardzej złożonych uwzględnających zany welu paraetrów systeu. ezależne od kształtu odelu (6), eksperyent prowadzł do wynku uwzględnającego jedyne wpływ teperatury asfaltu. Model, który najlepej opsuje ten wpływ a postać: C (Ta, Te, Wg) w1(t0 Ta) C1(Ta) k1 10 (8) k 1 =3.870 współczynnk wzocnena, w 1 = współczynnk nachylena krzywej, T 0 =45 teperatura odnesena. a uwagę zasługuje fakt braku w (8) czynnków zwązanych z teperaturą aparatury poarowej oraz wlgotnoścą, co wskazuje na znkoy wpływ tych welkośc na syste poarowy, a ty say na wynk ważena. a rysunku (7) przedstawono estyatę współczynnka kalbracj systeu WIM oraz estytatę współczynnka kalbracj odelu wyznaczanego w procese dentyfkacj: a) b) estyata C [-] estyata C odelu,6,4,,0 1,8,6,4,,0 1,8 Rys. 7. Estyata zennośc współczynnka kalbracj systeu (a), oraz odelu (b) dla systeu WIM z Gardawc.

6 Poary Autoatyka Kontrola nr 10bs/06 Współczynnk korelacj oblczony wg () dla powyższych przebegów wynos 0.660, co wskazuje na dobre dopasowane odelu. Zależność (8) ożna wykorzystać do kopensacj wpływu teperatury asfaltu na otrzyywane wynk ważena. W połączenu z procedurą autokalbracj oże stanowć skuteczne narzędze do znacznego zwększena dokładnośc ważena. 5. Podsuowane Przedstawone wynk badań są stotny kroke na drodze do dokładnego poznana właścwośc systeów ważących z zastosowane czujnków pezoelektrycznych. W wynku przeprowadzonych syulacj wyłonono warygodną etodę dentyfkacj paraetrów systeu WIM. a tej podstawe określono loścowy wpływ czynnków atosferycznych na wynk ważena. W sposób epryczny potwerdzono hpotezę o wrażlwośc systeu WIM na zany teperatury asfaltu. Jednocześne stwerdzono pojalny wpływ teperatury otoczena oraz wlgotnośc powetrza na właścwośc aparatury poarowej. 6. LITERATURA [1] J. Gajda, R. Sroka, M. Stencel, A. Wajda, T. Żegleń, Systey ważena pojazdów saochodowych w ruchu, Drogownctwo, 3/001, str [] Fnal Report of Project COST 33 on Wegh-n-Moton of Road Vehcles, Ver. 3.0, [3] I. Gaweł, M. Kalabńska, J. Płat, Asfalty Drogowe, Wydaw. Kounkacj Łącznośc, Warszawa, 001 [4] P. Burnos, J. Gajda, Autokalbracja Systeów Ważena Pojazdów Saochodowych w Ruchu, Materały XV Sypozju Modelowane Syulacja Systeów Poarowych, Krynca, wrzeseń 005, str [5] Scheuter F.; Evaluaton of Factors Affectng WIM Systes Accuracy, Pre-procedngs of -th European Conference of Wegh n Moton of Road Vehcles, Lsbon, 1998r. [6] E. Lukanen, R.Stubstad, R. Brggs, Teperature Predctons and Adjustent Factors for Asphalt Paveent, Fnal Report of LTPP, Federal Hghway Adnstraton 06/000. Artykuł recenzowany