(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行中の車両（２）の変動軸重値を単数の軸重検出器（３）により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸（40）毎の変動軸重値データ列とし、各車軸（40）の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両（２）の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数をもとに車体の変動成分の位相である共通位相を推定し、さらに、その周波数と共通位相を用いて各車軸（40）の変動成分の振幅と静止軸重値を推定することを特徴とする走行車両の軸重測定方法。
【請求項２】
走行中の車両（２）の変動軸重値を単数の軸重検出器（３）により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸（40）毎の変動軸重値データ列とし、各車軸（40）の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両（２）の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数をもとに車体の変動成分の位相である共通位相を推定し、さらに、その共通位相を演算して各車軸（40）の変動成分の振幅を推定し、その後、過大な振幅について振幅制限を行って、その後、各車軸（40）の変動成分の振幅を推定して、上記車両（２）の静止軸重値を推定することを特徴とする走行車両の軸重測定方法。
【請求項３】
走行中の車両（２）の変動軸重値を単数の軸重検出器（３）により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸（40）毎の変動軸重値データ列とし、各車軸（40）の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両（２）の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数を用いて各車軸（40）毎に変動成分の位相と振幅及び静止軸重値を推定することを特徴とする走行車両の軸重測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走行車両の軸重測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速道路等で使用される車両の軸重測定装置では、走行中の車両の各軸重を順次計測していた。走行中の車両は上下に振動しているため、各軸重を計測することは、静止時の軸重値に動的な変動量を加味した値を計測していることになる。従来の軸重測定装置は、静止時の軸重値を動的な変動量に対応して推定するような手段は有していなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、軸重測定装置の載荷板の長さは車両の走行方向に約７６０  ｍｍであり、荷重変換器（ロードセル）の間隔は６６０  〜６７０  ｍｍ程度のものがほとんどである。車両が料金所を通過する速度は２０ｋｍ／ｈ程度が限度であり、タイヤの接地幅を２５０  ｍｍと仮定すれば、タイヤが完全に載荷板に載っている時間（計測時間）は、０．０９秒程度となる。また、計測に影響を及ぼしている車両の路面に与える接地圧変動の周波数（変動成分の周波数）は、３Ｈｚ付近であることが経験上分かっている。従って、変動の波形を正弦波とすると、１周期の３分の１程度しか計測できないことになる。そして、従来の軸重測定装置では、一軸重だけの計測結果から軸重値を推定していたため、静止軸重値を推定するのは不可能であった。
【０００４】
そこで、本発明は、上述の問題を解決して、走行中の車両の静止荷重値を正確に推定できる走行車両の軸重測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために本発明に係る走行車両の軸重測定方法は、走行中の車両の変動軸重値を単数の軸重検出器により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸毎の変動軸重値データ列とし、各車軸の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数をもとに車体の変動成分の位相である共通位相を推定し、さらに、その周波数と共通位相を用いて各車軸の変動成分の振幅と目的である静止軸重値を推定する。
【０００６】
また、走行中の車両の変動軸重値を単数の軸重検出器により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸毎の変動軸重値データ列とし、各車軸の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数をもとに車体の変動成分の位相である共通位相を推定し、さらに、その共通位相を演算して各車軸の変動成分の振幅を推定し、その後、推定した結果過大な振幅について振幅制限を行って、その後、各車軸の変動成分の振幅を推定して、上記車両の静止軸重値を推定する。
【０００７】
また、走行中の車両の変動軸重値を単数の軸重検出器により所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測して各車軸毎の変動軸重値データ列とし、各車軸の変動成分を、持続的振動であると仮定して共通なパラメータを有する定係数差分方程式にて表現し、上記変動軸重値データ列について上記定係数差分方程式を当てはめて走行中の上記車両の変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数を用いて各車軸毎に変動成分の位相と振幅及び、目的である静止軸重値を推定する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態に基き本発明を詳説する。
【０００９】
図１に於て、１は軸重測定装置であり、この軸重測定装置１は、路面３０に埋設される軸重検出器３と、車両２を１台ずつ判別する車両検知器４と、その軸重検出器３と車両検知器４からの信号を演算処理する演算処理部５とプリンター１４と警告表示器１５と、から成る。軸重検出器３は、車両２の車輪２ａを受ける載荷板と車輪２ａから受ける荷重（軸重）を各車軸４０毎に検出する図示省略のロードセルを内有する。
【００１０】
演算処理部５は、軸重検出器３からの信号を受けるＡＤ変換器６と、そのＡＤ変換器６からの信号と車両検知器４からの信号を受けて車両２の車軸数を検出する車軸数検出手段７と、軸間の時間を検出する軸間時間検出手段８と、車軸数検出手段７，軸間時間検出手段８及びＡＤ変換器６からの信号を受けて各車軸４０毎の離散化した荷重信号を演算処理して各車軸４０毎の変動軸重値データ列とする荷重信号前処理手段９と、荷重信号前処理手段９にて算出された変動軸重値データ列を演算して軸重変動の周波数を推定する周波数推定手段１０と、周波数推定手段１０から送られる推定周波数と変動軸重値データ列を演算して、車体の共通位相を推定する共通位相推定手段１１と、共通位相推定手段１１から送られる推定共通位相と推定周波数を用いて変動軸重値データ列を演算して軸重変動の振幅と静止軸重値を推定する振幅・静止軸重値推定手段１２と、振幅・静止軸重値推定手段１２から送られる静止軸重値から（静止軸重値の合計等の算出方法により）静止荷重値を算出すると共にその値が許容重量値を越えたか否かの判定を行う後処理手段１３と、から成る。
【００１１】
また、演算処理部５の後処理手段１３に、軸重値や車両重量値等を印刷するプリンター１４と、静止荷重値が許容重量値を越えた場合に警告表示をする警告表示器１５と、許容重量値を越えた車両２の写真撮影を行う写真撮影器１６とを、電気的に接続する。なお、後処理手段１３と写真撮影器１６に電送処理手段１７を電気的に接続し、その電送処理手段１７に中央監視手段１８が通信回線等の接続線を介して接続してもよい。そのようにすれば、集中管理が可能となる。
【００１２】
ところで、軸重測定装置の載荷板の長さは車両２の走行方向に約７６０  ｍｍであり、荷重変換器（ロードセル）の間隔は６６０  〜６７０  ｍｍ程度のものがほとんどである。車両２が料金所を通過する速度は２０ｋｍ／ｈ程度が限度であり、タイヤの接地幅を２５０  ｍｍと仮定すれば、タイヤが完全に載荷板に載っている時間（計測時間）は、０．０９秒程度となる。また、計測に影響を及ぼしている車両２の路面３０に与える接地圧変動の周波数（変動成分の周波数）は、３Ｈｚ付近であることが経験上分かっている。従って、変動の波形を正弦波とすると、１周期の３分の１程度しか計測できないことになる。
【００１３】
本発明の走行車両の軸重測定方法は、このような１周期に満たない変動成分を有する変動軸重データ列から静止軸重値（静止時の重量値）を正確に推定する方法である。即ち、各車軸の軸重値の変動量は剛体である車体の振動影響を受けている事を考えて、一載荷板で僅かな時間で計測している各軸重の変化を一車両分捕らえ、計測している一車両分の路面に与えている接地圧の波形（周波数、位相、振幅）を推定することにより、静止軸重値を推定するものである。
【００１４】
しかして、図１のブロック図と図２のフローチャート図を参照しつつこの走行車両の軸重測定方法を説明する。先ず、車両検知器４が車両２を検出して軸重検出器３により走行中の車両２の軸重値の測定を開始する。このとき、所定の微小サンプリング時間毎に多数回計測する。そして、荷重信号前処理手段９にて、車輪２ａが軸重検出器３の載荷板に完全に載っているときのデータのみを抽出して多数の離散化した軸重値データから成る変動軸重値データ列とする。また、車軸数もカウントしておく。必要があればフィルタリング・平滑化等を用いて信号雑音を除去しておく。
【００１５】
次に、周波数推定手段１０にて、変動成分の周波数を推定する。これを詳しく説明すると、荷重信号前処理手段９からの変動軸重値データ列の各データを、
ｙｍ  （ｋ）              ｍ＝１，２，…，Ｎ              ｋ  ＝０，１，２  …
とする。Ｎは軸数、ｍは軸番号、ｋは一軸毎のサンプリング数である。ｙｍ  （ｋ）  は変動成分ｆｍ  （ｋ）  、静止軸重値Ｓｍ  （静的成分）の和として次のように表すことができる。
ｙｍ  （ｋ）  ＝ｆｍ  （ｋ）  ＋Ｓｍ  
【００１６】
ここで、ｆｍ  （ｋ）  は持続的振動であると仮定し、ｆｍ  （ｋ）  を定係数差分方程式で表現し、その振動成分を推定する。第ｍ軸の軸重検出器出力の定係数ｎ次差分方程式は次の数式１のようになる。
【００１７】
【数１】
0003621816.tif 000002
【００１８】
静的成分Ｓｉ  ≠Ｓｊ  ，ｉ≠ｊであるので、差分により、その影響を除くと、次の数式２のようになる。
【００１９】
【数２】
0003621816.tif 000003
【００２０】
そして、次の数式３を満たすパラメータ｛ａ１，ａ２，…，  ａｎ  ｝を線形最小２乗法により当てはめる。
【００２１】
【数３】
0003621816.tif 000004
【００２２】
上記当てはめにより得られたパラメータ｛ａ１，ａ２，…，  ａｎ  ｝により、各軸の変動成分ｆｍ  （ｋ）  に共通な特徴である定係数線形差分方程式は、次の数式４のようになる。
【００２３】
【数４】
0003621816.tif 000005
【００２４】
さらに、
（１−ａ１  ・Ｚ−１−ａ２  ・Ｚ−２−…−ａｐ  ・Ｚ−ｎ）  ｙ（ｋ）  ＝０
となり、この差分方程式の特性方程式は、
１−ａ１  ・Ｚ−１−ａ２  ・Ｚ−２−…−ａｐ  ・Ｚ−ｎ＝０
となる。
【００２５】
上述の数式４の特性方程式の解をＰｉ  、ｉ  ＝１，２，…，ｎとすると、
（Ｚ−Ｐ１  ）（Ｚ−Ｐ２  ）…（Ｚ−Ｐｎ  ）＝０
となる。これらの解の中で、ｚ平面の上半面に位置する解は、
｛Ｐｉ  ｜Ｐｉ  ＝ａｉ  ＋ｊｂｉ  ，ｂｉ  ＞０，ｉ∈（１，２，…，ｎ）｝
となり、この解の位相を周波数成分とみなす。即ち、サンプリングの周期（微小サンプリング時間）をＴとすると、｛ωｉ  ＝∠Ｐｉ  ／Ｔ｝が、車体の振動成分の周波数であるとみなす。つまり、この｛ωｉ  ＝∠Ｐｉ  ／Ｔ｝の周波数を、上述の演算手法を用いて周波数推定手段１０にて演算・推定する。
【００２６】
なお、３本の車軸４０…を有する車両２の変動成分の周波数の推定手順を図３と図４のグラフ図にて簡単に説明すると、図３に示すように、車両前端の第１軸の変動軸重値データ列を示すグラフ線１９と、その次の第２軸に対応するグラフ線２０と、後端の第３軸に対応するグラフ線２１の夫々について、前記数式１に示した定係数差分方程式を当てはめて、図４に示すように差分・オフセット分をキャンセルし、周波数を推定する。なお、図４に於て、２２は第１軸の変動成分のグラフ線、２３は第２軸の変動成分のグラフ線、２４は第３軸の変動成分のグラフ線である。
【００２７】
次に、共通位相推定手段１１にて、共通位相を推定する。ここで、走行中の車両２の運動は、前述の変動軸重値データ列に含まれているため、共通の時間軸をとれば各振動成分ωｉ  の位相ψｉ  は各車軸４０で共通のはずである。先ず、変動軸重値データ列の平均値と差分を計算する。各車軸４０毎の振幅の大きさは、各軸重量に比例するので振幅の大きさを合わせる。つまり、差分データ列を変動軸重値データ列の平均値Ｓ′ｍ  で除す。厳密には、Ｓ′ｍ  ≠Ｓｍ  であるが、この時点ではＳｍ  は未知であるので、Ｓ′ｍ  ≒Ｓｍ  と考えて、振幅をほぼ同じ高さ（大きさ）にする。それを数式で表すと次の数式５のようになる。
【００２８】
【数５】
0003621816.tif 000006
【００２９】
上記数式５のｙ  ｍｄ  （ｋ）  の回帰式を次の数式６とする。
【００３０】
【数６】
0003621816.tif 000007
【００３１】
上記数式６に於て、Ｓｍｉｎ  ＝０となるように拘束式を加えることにより回帰式の当てはめ精度の向上を図る。即ち、
Ｖｍｉｎ  ＝Ｓｍｉｎ  
という条件を付加する。ただし、Ｖｍｉｎ  は十分小さい値であり、０としても差し支えない。そして、数式６の正規方程式を構成し、その正規方程式にて｛Ａｉ  ，Ｂｉ  ｝を導く。そして位相ψｉ  は、
ψｉ  ＝  ｔａｎ−１（Ｂｉ  ／Ａｉ  ）
となる。
【００３２】
以上がピッチングのないバウンシングのみの共通位相推定方法であるが、走行中の車両２にはピッチングが現れる。これを考慮するため、前記数式６における車両検知器４の出力の推定式をバウンシングの位相とピッチングの位相を考えて、数式６の代わりにピッチングを考慮した回帰式にて位相ψｉ  を推定する。その回帰式は次の数式７となる。
【００３３】
【数７】
0003621816.tif 000008
【００３４】
この数式７から正規方程式（記載省略）を構成し、その正規方程式にて｛Ａｉ  ，Ｂｉ  ｝と、次の数式８を導く。そしてピッチングを考慮した共通位相ψｉ  を推定する。即ち、この共通位相ψｉ  を、上述の計算方法に基づいて共通位相推定手段１１にて演算・推定する。
【００３５】
【数８】
0003621816.tif 000009
【００３６】
なお、３本の車軸４０…を有する車両２の変動成分の共通位相推定手順を図４と図５のグラフ図にて簡単に説明すると、図４に示すように変動軸重値データ列の差分・オフセット分をキャンセルし、次に、図５に示すように、静的成分（変動軸重値データ列の平均値）にて規制化して振幅の高さをほぼ同一にすることにより、共通位相（各軸に共通する位相）を推定する。なお、図５に於て、２５は第１軸に対応するグラフ線、２６は第２軸に対応するグラフ線、２７は第３軸に対応するグラフ線である。
【００３７】
次に、振幅・静止軸重値推定手段１２にて、各軸の変動成分の振幅を推定する。ここまでに、周波数と共通位相が推定されており、（ωｉ  ，ψｉ  ），ｉ  ＝１，２，…，ｐは既知であるから、次の数式９に示した式（１５）について線形最小２乗法で当てはめを行う。
【００３８】
【数９】
0003621816.tif 000010
【００３９】
具体的には上記数式９より正規方程式（記載省略）を構成し、その正規方程式にて振幅と各軸重の静的成分を推定する。つまり、周波数推定手段１０から送られる周波数と共通位相のデータを振幅・静止軸重値推定手段１２にて、数式９について線形最小２乗法を適用する。
【００４０】
なお、３本の車軸４０…を有する車両２の変動成分の共通位相推定手順を図６のグラフ図にて簡単に説明すると、破線にて示すグラフ線２８は周波数推定手段１０にて推定した周波数ωと共通位相推定手段１１にて推定した共通位相ψを有するサインカーブであり、その共通位相ψに合わせて、第１軸（グラフ線１９）、第２軸（グラフ線２０）と、第３軸（グラフ線２１）の夫々について振幅と軸重の静的成分を車軸毎に推定する。
【００４１】
その後、後処理手段１３にて、静止荷重値を算出する。つまり、静止軸重値Ｓｍ  が得られているので、静止荷重値Ｗは、次の数式１０のようになる。
【００４２】
【数１０】
0003621816.tif 000011
【００４３】
また、後処理手段１３は、軸重値または荷重値を後段の装置に出力する。
【００４４】
上述のように、この走行車両の軸重測定方法によれば、走行中の車両２の静止時の重量（静止荷重値）を高精度に推定することができる。従って、高速道路の料金所等における車重の超過の判定を精度よく行うことができる。また、軸重を検出するための載荷板やロードセル等の部品（軸重検出器３）として、従来から使用されていたものをそのまま利用できるという利点がある。
【００４５】
なお、図１〜図６にて説明した軸重測定方法では、軸重値を精度良く測定することができない場合がある。
【００４６】
これに対応するため、一旦、数式９で表される各車軸４０の変動成分の振幅を推定した後、過大な振幅について振幅制限を行って、その後、各車軸４０の変動成分の振幅を推定して、車両２の静止軸重値を推定する。
【００４７】
例えば、第３軸の振幅が過大であった場合、最大振幅をとるべき第２軸の振幅を基準として、静的成分の代用として、平均値法で得られた平均値Ｓ′ｍ  を使用して、制限式
Ａ３  ＝Ａ２  ・Ｓ′３  ／Ｓ′２
を正規方程式に追加して振幅の制限を行った後、再度振幅の推定を行って、静止軸重値を推定する。
【００４８】
また、ピッチングが顕著なときは、数式９の合成の前段階の形である次の数式１１において、
Ａ３  ＝Ａ２  ・Ｓ′３  ／Ｓ′２
Ｂ３  ＝Ｂ２  ・Ｓ′２  ／Ｓ′３
を正規方程式に追加し、同様の再推定を行えばよい。ただし、数式１１におけるＡｉ  はバウンシングの振幅，Ｂｉ  はピッチングの振幅である。
【００４９】
【数１１】
0003621816.tif 000012
【００５０】
また、予期せぬ車両の挙動により、振幅制限を行っても、静止軸重値が信頼できないことがあるため、静止軸重値の推定にあたって、変動軸重値データ列の平均値Ｓ′ｍ  をそのまま代用するのも安全策として好ましい。
【００５１】
具体的には、振幅の推定と共に得られる静止軸重値について
（静止軸重値−平均値）／平均値≧Ｒ
となった場合に、推定静止軸重値として平均値を採用すればよい。ここで、Ｒは定数であり、例えば、Ｒ＝０．２５とするのが好ましいが、それ以外の数値としても良い場合がある。
【００５２】
次に、本発明に係る走行車両の軸重測定方法の他の実施の形態について説明する。この場合、図７のフローチャート図に示すように、先ず、変動軸重値データ列を作成し、その後、変動成分の周波数を推定し、次に、その周波数を演算して各車軸４０毎に変動成分の位相と振幅及び静止軸重値を推定する。
【００５３】
この軸重測定方法に於て、変動軸重値データ列の作成と変動成分の周波数の推定は、図１〜図４にて説明した方法と同様の方法にて行う。しかして、各車軸４０毎の変動成分の位相と振幅の推定方法を説明すると、既に、変動成分がｐ個の周波数成分をもつことが分かっていると仮定し、軸重計の出力の推定値ｙ′ｍ  （ｋ）  をｐ個の正弦波で次の数式１２として表現する。
【００５４】
【数１２】
0003621816.tif 000013
【００５５】
これを最小２乗法を用いて、次の数式１３の値となるように、パラメータ｛Ａｉ  ，Ｂｉ  ，Ｓｍ  ｝，ｉ＝１，２，…，ｐを推定する。Ｓｍ  は第ｍ軸の静的成分（静止軸重値）である。即ち、当てはめにより各軸毎に変動成分の位相と振幅及び静止軸重値を同時に推定する。
【００５６】
【数１３】
0003621816.tif 000014
【００５７】
この測定方法によれば、走行車両のピッチングやバウンシングの関係を考慮する必要が無く、演算を簡素化できる。
【００５８】
なお、本発明によれば、車軸の本数が３本の場合以外にも、適用可能であり、２本，４本，５本は勿論のこと、６本以上の整数本であっても適用できる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は上述の構成により、次のような著大な効果を奏する。
【００６０】
請求項１記載の走行車両の軸重測定方法によれば、走行中の車両２の静止時の重量（静止荷重値）を高精度に推定することができる。従って、高速道路の料金所等に於て、車重の超過等の判定を精度よく行うことができる。また、軸重を検出するための載荷板やロードセル等の部品として、従来から使用されていたものをそのまま利用できるという利点がある。また、ピッチングやバウンシングの関係を考慮した静止荷重値を推定できる。
【００６１】
請求項２記載の走行車両の軸重測定方法によれば、走行中の車両２の静止荷重値を一層高精度に推定することができる。従って、車重の超過等の判定を一層精度よく行うことができる。
【００６２】
請求項３記載の走行車両の軸重測定方法によれば、走行中の車両２の静止時の重量（静止荷重値）を高精度に推定することができる。従って、高速道路の料金所等に於て、車重の超過等の判定を精度よく行うことができる。また、軸重を検出するための載荷板やロードセル等の部品として、従来から使用されていたものをそのまま利用できるという利点がある。また、ピッチングやバウンシングの関係を考慮する必要が無く、演算を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸重測定装置とそれに接続される機器を説明するブロック図である。
【図２】本発明の走行車両の軸重測定方法の実施の一形態のフローチャート図である。
【図３】３軸の車両の変動軸重値データ列を説明するグラフ図である。
【図４】周波数の推定方法を説明するグラフ図である。
【図５】共通位相の推定方法を説明するグラフ図である。
【図６】振幅の推定方法を説明するグラフ図である。
【図７】本発明の走行車両の軸重測定方法の他の実施の形態のフローチャート図である。
【符号の説明】
２  車両
４０    車軸
【図１】
0003621816.tif 000015
【図２】
0003621816.tif 000016
【図３】
0003621816.tif 000017
【図４】
0003621816.tif 000018
【図５】
0003621816.tif 000019
【図６】
0003621816.tif 000020
【図７】
0003621816.tif 000021