第一章  緒論 

1.1 課題研究背景 
道路交通網(wǎng)的建設(shè)對一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，公路運(yùn)輸作為我國內(nèi)陸地區(qū)的主要運(yùn)輸方式，極大地促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這其中高速公路的加速建設(shè)起到了非常重要的作用。根據(jù)交通運(yùn)輸部最新數(shù)據(jù)顯示，截止到 2014 年底，全國公路總公里數(shù)達(dá)到 446.39 萬公里，，其中高速公路公里數(shù)達(dá)到 11.19 萬公里。在上世紀(jì) 80 年代末，我國才開始高速公路的發(fā)展建設(shè)，相比西方發(fā)達(dá)國家晚了近 30 年。經(jīng)過近 10 年的起步階段后，從 1998 年開始進(jìn)入快速發(fā)展階段[1]。目前，我國高速公路里程已躍居世界第一位，這不僅促進(jìn)了我國公路快速客貨運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，也對國民經(jīng)濟(jì)的增長起到了巨大的推動(dòng)作用。 高速公路飛速建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，也帶來了一系列相關(guān)問題，如高速公路上的車輛超限超載問題。在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，運(yùn)輸業(yè)主不顧危險(xiǎn)，進(jìn)行超限超載運(yùn)輸，給個(gè)人和社會帶來巨大安全隱患。車輛超限超載造成的危害有[2]： （1）超限超載車輛對公路基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p壞。由于超限超載車輛的載荷超過了道路或橋梁的設(shè)計(jì)載荷，導(dǎo)致路面損壞、橋梁斷裂，大大縮短了道路和橋梁的使用年限，嚴(yán)重威脅到人身生命財(cái)產(chǎn)安全。（2）超限超載車輛因載重增大而導(dǎo)致車輛慣性變大，剎車距離變長，危險(xiǎn)性增大。如果車輛嚴(yán)重超載，會因車輛輪胎負(fù)荷過重、變形過大而引發(fā)爆胎，從而導(dǎo)致車輛突然偏駛、車輛側(cè)翻等事故。（3）駕駛超限超載車輛的司機(jī)往往會存在精神壓力，當(dāng)遇到緊急情況出現(xiàn)時(shí)，容易出現(xiàn)操作失誤，從而影響行車安全，甚至釀成慘烈的交通事故。（4）由于超限超載車輛無法以正常速度行駛，占用車道的時(shí)間變長，影響其他車輛通行，容易造成交通堵塞。 
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1.2  車輛寬高檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種實(shí)用的電子產(chǎn)品相繼投入市場，相關(guān)電子產(chǎn)品和技術(shù)的合理配合使用廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測量控制系統(tǒng)中。目前，寬高測量應(yīng)用的主要技術(shù)有：圖像處理技術(shù)、雷達(dá)測量技術(shù)、紅外線測量技術(shù)和激光測量技術(shù)。 運(yùn)用圖像處理技術(shù)測量車輛寬高，其原理是：使用線陣 CCD 攝像機(jī)捕捉到車輛的圖像，將圖像由光信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送給上位機(jī)[5]，上位機(jī)將車輛從圖像中分離出來，然后再提取出已分離出來的車輛的高度和寬度。這種方法圖像處理過程比較復(fù)雜，攝像機(jī)的安裝位置必須精確，受環(huán)境影響較大，在大霧及亮度較差的環(huán)境下，對測量結(jié)果有很大的影響。 運(yùn)用雷達(dá)技術(shù)測量車輛的寬高，將一個(gè)高度測量雷達(dá)安裝在車道龍門架橫桿上，將兩個(gè)寬度測量雷達(dá)分別安裝在車道龍門架左右立桿上。其基本測量原理為：當(dāng)車輛通過測量區(qū)域時(shí)，高度測量雷達(dá)測量出其與車輛的距離，此距離與高度測量雷達(dá)和路面距離差值的絕對值即為車輛的高度；兩寬度測量雷達(dá)分別測量出其與車輛對應(yīng)側(cè)的距離，此兩距離之和與兩寬度測量雷達(dá)距離差值的絕對值即為車輛的寬度。雖然此方法測距原理簡單，但是雷達(dá)方向性差，發(fā)散角大，相鄰車道車輛和路邊物體容易對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。 運(yùn)用紅外線技術(shù)測量車輛寬高，使用紅外線傳感器制作成一對光幕，一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，在車道左右方向和上下方向分別安裝一對光幕，發(fā)射器和接收器應(yīng)正對安裝放置，否則會影響測量精度。其工作原理是：發(fā)射器發(fā)射紅外線，接收器接收紅外線，從而在兩者之間形成一道光幕[6]。當(dāng)有車輛通過時(shí)，會對光幕形成遮擋，從而導(dǎo)致部分接收器接收不到紅外線，紅外線傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號送給處理器進(jìn)行處理，得出車輛的寬度和高度。但是此方法適合測量形狀規(guī)則的車輛，對于形狀不規(guī)則的車輛則測量精度較低。 以上三種技術(shù)應(yīng)用在車輛寬高檢測領(lǐng)域中缺點(diǎn)明顯，不能精確地測量出車輛的尺寸，之后，人們利用激光測量技術(shù)測量車輛寬高，測量精度有了很大提高，激光測量技術(shù)也逐漸成為測量領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。 
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第二章   新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)概述 

2.1 新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)簡介
新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)[10]是一種可自動(dòng)測量貨車的寬度和高度的系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要應(yīng)用在高速公路超限超載檢測站，與不停車超載檢測系統(tǒng)配合使用，實(shí)現(xiàn)對載貨車輛的超限超載檢測。該系統(tǒng)以激光傳感器作為前端車輛寬高數(shù)據(jù)采集工具，以寬高檢測儀表作為后端數(shù)據(jù)處理工具，超限超載系統(tǒng)上位機(jī)作為數(shù)據(jù)顯示工具，三者之間數(shù)據(jù)通訊采用 TCP/IP 協(xié)議，軟件體系結(jié)構(gòu)采用 C/S 體系結(jié)構(gòu)。新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)分為：新型單激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)和新型雙激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)。 激光傳感器是在二維極坐標(biāo)內(nèi)使用激光束掃描物體的邊緣，一旦有激光束射到一個(gè)物體，它的距離和方向就能被確定。激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)中使用的激光傳感器的最大掃描范圍為 270°，角度旋轉(zhuǎn)步長為 0.25/0.5°，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為 25/50Hz，掃描范圍可達(dá) 20 米，外殼的防護(hù)等級為 IP67。 
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2.2 新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)工作流程

新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)一般與不停車超載檢測系統(tǒng)配合使用，兩系統(tǒng)共用一臺上位機(jī)，即超限超載檢測系統(tǒng)上位機(jī)。 新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)的工作過程為：寬高檢測儀表向激光傳感器發(fā)送連續(xù)測量指令，傳感器接收到連續(xù)測量指令后會處于連續(xù)掃描狀態(tài)，并將掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給儀表，儀表根據(jù)接收到的傳感器的掃描數(shù)據(jù)來判斷是否有車輛經(jīng)過，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，儀表會將處理后的車輛寬高數(shù)據(jù)發(fā)送給超限超載檢測系統(tǒng)上位機(jī)，上位機(jī)最后判斷車輛的寬度或高度是否超過了國家規(guī)定范圍，如果其中一項(xiàng)超過了國家規(guī)定范圍，則會觸發(fā)聲光警器，超限超載檢測人員會對車輛進(jìn)行攔截并做出相應(yīng)處罰。新型激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)的工作過程用流程圖表示如圖 2-1 所示。在新型單激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)中，激光傳感器應(yīng)安裝在車道中心位置正上方龍門架上[11]，此位置不一定是龍門架的中心位置，并且傳感器的 90 度掃描線應(yīng)與路面保持垂直，如圖 2-3 所示。 

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第三章  K-means 聚類算法理論 ...... 15 
3.1 數(shù)據(jù)挖掘概述 ...... 15 
3.1.1  數(shù)據(jù)挖掘 ....... 16 
3.1.2  數(shù)據(jù)挖掘過程及任務(wù) ..... 16 
3.2 聚類分析 .......... 18
3.3  數(shù)據(jù)預(yù)處理 ........ 22
3.4 K-means 聚類算法 ........... 23 
3.5  本章小結(jié) .......... 26 
第四章  寬高檢測儀表的硬件設(shè)計(jì) ........... 27 
4.1  設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu) .... 27 
4.2  電路模塊的設(shè)計(jì) .... 28
4.3  本章小結(jié) .......... 32
第五章  寬高檢測儀表的軟件設(shè)計(jì) ........... 33 
5.1 嵌入式 Win CE 系統(tǒng)簡介 ..... 33 
5.1.1 Win CE 操作系統(tǒng) ........ 33 
5.1.2 Win CE 操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 ........ 33 
5.1.3Win CE 系統(tǒng)在寬高檢測儀表中的應(yīng)用優(yōu)勢 ........... 33 
5.2 儀表主要功能模塊編程實(shí)現(xiàn) .......... 34 
5.2.1  儀表應(yīng)用程序初始化 .... 34 
5.2.2  配置文件參數(shù)的讀寫 .... 37 
5.2.3  新型單激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)測量線程 ...... 39 
5.2.4  新型雙激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)測量線程 ...... 41 
5.3 儀表參數(shù)配置工具 .......... 43 
5.4  動(dòng)態(tài)鏈接庫的設(shè)計(jì) .......... 49 
5.5 本章小結(jié) .......... 50 

第五章 寬高檢測儀表的軟件設(shè)計(jì)

5.1 嵌入式 Win CE 系統(tǒng)簡介 
隨著世界科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[36]。目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-II、嵌入式 Linux、Win CE、Vx Works 等[37]，以及應(yīng)用在智能手機(jī)和平板電腦的 Android、i OS 等。其中，Win CE 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)人員只需根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適模塊，從而達(dá)到減小系統(tǒng)體積的目的。Win CE系統(tǒng)已經(jīng)被很多公司開發(fā)和使用，迅速成為主流的嵌入式操作系統(tǒng)之一[38]。Win CE 是美國微軟公司開發(fā)的一種嵌入式操作系統(tǒng)，它是一款開放的、模塊化、易裁剪、可定制、可升級、移植方便、實(shí)時(shí)搶占式多任務(wù)的 32 bit 嵌入式操作系統(tǒng)[39]。它支持 X86、ARM、MIPS、Surper H 等多種硬件平臺，具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[40]。 Win CE 操作系統(tǒng)經(jīng)過定制后，才可以運(yùn)行在嵌入式硬件平臺上[41]。Win CE 系統(tǒng)的定制開發(fā)環(huán)境為 Platform Builder，技術(shù)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)需要定制專屬 Win CE 系統(tǒng)。 Win CE 應(yīng)用程序開發(fā)工具有 Embedded Visual C++和 Microsoft Visual Studio 等。本寬高檢測儀表的應(yīng)用程序開發(fā)是在 Microsoft Visual Studio 2008 環(huán)境下使用 MFC 進(jìn)行模塊化編程，編寫程序時(shí)使用工控主板提供的 SDK(Software  Development  Kit，軟件開發(fā)包)實(shí)現(xiàn)對外部輸入信號的采集。在應(yīng)用程序中通過建立線程將儀表的每個(gè)工作流程分離開，防止各工作流程相互影響，使儀表能夠正常運(yùn)作。 
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總結(jié) 

現(xiàn)如今，隨著國家加大對道路和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的保護(hù)力度，對車輛的檢測也不僅局限在重量方面，將車輛的寬度和高度檢測也納入對車輛的超限超載檢測中，有效的避免了超寬超高車輛帶來的安全隱患，促進(jìn)了社會和諧穩(wěn)定的發(fā)展。 車輛寬高檢測系統(tǒng)雖然在國內(nèi)起步比較晚，但發(fā)展速度很快，已成為車輛超限超載檢測不可缺少的一部分�，F(xiàn)如今，激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)已基本取代人工測量和其他自動(dòng)測量系統(tǒng)，成為各超限超載檢測站的標(biāo)準(zhǔn)配置。本文中提出的寬高檢測儀表作為激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)的核心部分，不僅提高了激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)的測量精度，而且可以有效消除司機(jī)的顧慮，在對車輛進(jìn)行寬高檢測時(shí)起到了非常重要的作用。本文所做的主要工作包括以下 4 個(gè)方面： 
1．對寬高檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和當(dāng)前激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)存在的問題做了簡要介紹，對新型單激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)和新型雙激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳感器安裝位置和車輛寬高計(jì)算方法做了詳細(xì)說明。 
2．學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和聚類分析中的 K-means 聚類算法，包括數(shù)據(jù)挖掘過程及任務(wù)、聚類分析和 K-means 聚類算法的原理、流程、優(yōu)點(diǎn)、Matlab 實(shí)現(xiàn)等。 
3．針對現(xiàn)有激光傳感器車輛寬高檢測系統(tǒng)存在的測量精度低、成本高和系統(tǒng)內(nèi)聚性不強(qiáng)等問題，提出了寬高檢測儀表的硬件設(shè)計(jì)方案，并對各硬件模塊進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)。 
4．根據(jù)對寬高檢測儀表的功能要求，將嵌入式 Win CE 系統(tǒng)應(yīng)用到車輛寬高檢測領(lǐng)域，降低了儀表應(yīng)用軟件的開發(fā)門檻，增強(qiáng)了程序的可移植性，減少了應(yīng)用程序的開發(fā)成本。對儀表主控程序中主要功能模塊的編程實(shí)現(xiàn)、儀表參數(shù)配置工具的使用和主要參數(shù)的作用做了詳細(xì)說明。為方便儀表與不同廠家超限超載系統(tǒng)上位機(jī)融合使用設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)鏈接庫。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：106492