CN104713769A - 一种用于道路状态评估的主动激振检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，属于道路状态评估检测领域。为了解决现有道路状态检测方法准确性低、实时性差、成本高，且不能进行路基是否脱空检测的问题。它包括移动电动车、激振系统、信号采集系统、GPS系统和信号处理系统；移动电动车驶在待检测道路上，其他系统安装在车内；激振系统对电动车施加连续激振，将激振传递给待检测道路上；信号采集系统在激振作用下，采集车行驶中的动态响应信号、激振系统的传力信号；GPS系统记录车的行驶轨迹、行驶速度和位置信息；信号处理系统根据响应信号和传力信号对道路状态进行评估，结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，评估道路是否存在异常，判定路基是否存在脱空现象。它用于道路检测。

Description

一种用于道路状态评估的主动激振检测系统

技术领域

本发明属于道路状态评估检测领域。

背景技术

道路是国家最为重要的基础设施之一，是交通建设的主要内容，与人们的生活紧密相关。然而,道路在使用过程中不可避免的受到各种人为因素以及自然因素的不利影响。路基土含水率的变化、冻融循环、路面磨损以及路基下部或周边的施工等扰动，都会导致道路状态发生改变，安全性能的下降。路面大面积塌陷等事故国内外屡见不鲜，此类事故不仅造成了人身及财产损失，而且给社会带来了巨大的负面影响，引发了民众对道路安全隐患的进一步担忧。因此，定期对现有道路进行状态评估是十分必要的。

目前，现有的道路评估检测手段主要分为有损伤检测和无损伤检测两种。有损伤检测如钻芯法，其费用较高，耗时较长，人力需求多，且对道路路面造成局部损伤，因而大面积的钻芯取样是不现实的。基于各种弯沉仪的评估方法属于无损检测，但其存在检测速度慢，实时性差，准确性低等缺点。基于波的传播理论进行路面检测的雷达检测和超声波检测，其人为影响因素较多，介质特性对检测效果影响较大，不同介质波的衰减也各不相同，因此测量结果的误差较大。当路面下部介质性状变化较小或者刚出现变化趋势时，雷达检测和超声波检测较难发现介质性状的改变，因此，不适于道路脱空等危险情况的早期评估。而牵引车与拖车组成的道路检测系统，受室外环境影响较大，仅能在天气较好的情况下进行检测；而牵引机动车自身的振动必然会影响拖车及拖车与路面接触处的振动响应。因此，这种组合式的检测系统自身振动特性对评估结果的影响很难估计。此外，各种智能道路检测车在国内外市场上也有应用，最具代表性的是加拿大ARAN(Automatic Road Analyzer)多功能道路检测车，具有实现道路全景摄像、路网规划、路面行驶质量及路面抗滑评估等功能，一般在道路管理系统中应用较多。但其无法对路面结构内部的损伤情况进行检测，如路面结构或道路内部开裂程度、路基是否存在脱空等重要指标，而智能检测车昂贵的造价使其应用无法大面积推广。上述几种道路检测方法，都无法就路基是否脱空给出判别。

鉴于上述情况，急需研发一种准确性高、实时性好、操作方便快捷、成本低廉的道路状态评估的检测方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有道路状态检测方法准确性低、实时性差、成本高，且不能进行路基是否脱空检测的问题，本发明提供一种用于道路状态评估的主动激振检测系统。

本发明的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，

所述系统包括移动电动车、激振系统、信号采集系统、GPS系统和信号处理系统；

所述移动电动车，行驶在待检测的道路上，激振系统、信号采集系统、GPS系统和信号处理系统均安装在移动电动车内；

激振系统，用于对移动电动车施加连续激振，并将该激振作用传递给待检测的道路上；

信号采集系统，用于采集激振系统作用下，移动电动车行驶过程中的动态响应信号、激振系统的传力信号，并将信号发送给信号处理系统；

GPS系统，用于记录移动电动车的行驶轨迹、行驶速度和位置信息，并将记录的信息发送给信号处理系统；

信号处理系统，接收信号采集系统和GPS系统发送的信号，根据接收的响应信号和传力信号对道路状态进行评估，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，评估道路是否存在异常，判定路基是否存在脱空现象。

通过控制激振系统的激振频率和激振幅值，使移动电动车的车轮与路面始终保持接触状态。

通过控制激振系统的激振频率，使激振频率与道路局部模态频率一致，产生局部模态的共振；通过控制激振频率的幅值，使道路的位移满足正常使用要求限制，不产生道路损伤。

所述激振系统设置于移动电动车的底盘上，并位于底盘的中轴线上，激振系统的激振端与移动电动车的底盘连接。

所述信号采集系统包括信号获取装置和信号转换装置；

所述信号获取装置包括电动车的响应信号获取装置和激振系统的传力获取装置；

电动车的响应信号获取装置设置在移动电动车上，用于获取移动电动车在行驶过程中的动态响应信号；

激振系统的传力获取装置，设置于激振系统与移动电动车的连接部位，用于获取激振系统与移动电动车之间相互作用的传力的信号；

信号转换装置，将信号获取装置获取的信号转换成电信号后并发送给信号处理系统。

所述信号获取装置包括一个或多个电动车的响应信号获取装置，电动车的响应信号获取装置安装在移动电动车的底盘或车顶上；

当仅有一个电动车的响应信号获取装置时，设置在移动电动车底盘上；

当采用多个电动车的响应信号获取装置时，应以移动电动车车体竖向中轴线和水平中轴线为基准对称设置。

所述信号处理系统包括信号分析装置和分析结果输出装置；

信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置；

分析结果输出装置，用于输出道路状态评估的分析结果。

所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；对每段信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号；对标记存在异常的信号，采用基于频域信息的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。

所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；分别建立分段后的各路段模型，采用基于时域信息的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。

所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；对每段信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号；对存在异常的信号段进行时域分析，建立路段模型，采用基于时域信息和频域信息相结合的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。

本发明的有益效果在于，

1、基于道路状态评估的主动激振检测系统有其完备的理论基础。电动车在道路上行驶一遍，即可获得车体自身的位置、速度和加速度信号，基于信号处理系统的时域、频域、小波域或三者任意组合的识别方法，便可获得路面粗糙程度、损伤状况以及脱空情况。依据本发明的道路评估检测系统，随时可以了解路面及路基部分的异常情况，给后期道路的维修与保养提供技术支持。

2、本发明所提供的道路状态评估的主动激振检测系统，适应性强，无需特定的检测条件，不受天气影响，灵敏度高，实时性好，方便快捷且成本低廉。

3、本发明所提供的道路状态评估的主动激振检测系统，在对道路进行粗糙度评估时，无需预先知道道路的结构计算模型及其初始条件。

4、本发明所提供的道路状态评估的主动激振检测系统，在对道路状态进行评估时，待检测道路无需进行任何封闭管制，不影响正常交通运行。

5、本发明所提供的道路状态评估主动激振检测系统，在对路面损伤及路基脱空评估时，可以采用频域、频域或时域与频域相结合的方法。在线评估方法无需预先获取待检道路及路基的结构设计信息，通过对采集系统获取的电动车动态响应信号进行时域-频域变换即可对道路的破损、脱空进行判别并确定其具体位置。

6、本发明所提供的道路状态评估的主动激振检测系统，构造简单，使用方便，检测速度快，少许人员配合即可操作实施，便于大面积推广使用。

附图说明

图1为检测系统的立面示意图。

图2为检测系统平面示意图。

具体实施方式

结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，所述系统包括移动电动车1、激振系统2、信号采集系统3、GPS系统4和信号处理系统5；所述移动电动车1，行驶在待检测的道路上，激振系统2、信号采集系统3、GPS系统4和信号处理系统5均安装在移动电动车1内；激振系统2，用于对移动电动车1施加连续激振作用，并将该激振作用传递给待检测的道路上；信号采集系统3，用于采集在激振系统2作用下，移动电动车1行驶过程中的动态响应信号和激振系统2与移动电动车1相互作用力信号，并将信号发送给信号处理系统5；GPS系统4，用于记录移动电动车1的行驶轨迹、行驶速度和位置信息，并将记录的信息发送给信号处理系统5；信号处理系统5，接收信号采集系统3以及GPS系统4所拾取的响应信号，根据接收的响应信号对道路状态进行评估，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息确定道路状态异常的具体位置。

本实施方式中，移动电动车1在路面以一定的速度行驶，为减小误差，移动电动车1在行驶过程中，尽量保持匀速行驶。采用移动电动车1作为检测系统的驱动和承载设备。移动电动车1能实现无极变速，避免了机动车自身振动对道路振动的影响，也避免了由于机动车自身振动因素对采集数据的噪声污染，大幅度提高了检测精度。

当移动电动车1在待检测道路上行驶时，通过控制激振系统2的激振频率和激振幅值，使移动电动车1的车轮与路面始终保持接触状态。通过控制激振系统2的激振频率和幅值，在不引起损伤或正常使用功能的情况下对道路局部模态进行共振激振。设置在电动车上的激振系统2的激振端与移动电动车1底盘相连，激振系统2产生的连续激振力作用于移动电动车1的车身上，该激振力通过电动车传递给待检测道路。所述激振系统2设置于移动电动车1的底盘上，并位于底盘的中轴线上。

激振系统2可以安装在电动车底盘的任意位置，为了尽量提高检测的准确度，本实施方式中，激振系统2设置于电动车底盘的刚度中心位置。为避免与电动车共振对检测结果的影响，激振系统2的振动频率应远离电动车的固有频率，同时，激振频率应尽量接近道路局部模态振动的自振频率。以上激振方法可通过激振器与路面局部模态振动的共振作用，放大路面的动态响应，从而提高检测精度。由于道路局部模态振动频率远高于电动车自振频率，以上激振方法有助于本发明使用时电动车发生共振。

本实施方式中的信号采集系统3包括信号获取装置和信号转换装置；

所述信号获取装置包括电动车响应的信号获取装置和激振系统2与电动车1之间作用力的传力获取装置；电动车响应的信号获取装置设置在移动电动车1上，用于获取移动电动车1在行驶过程中的动态响应信号；激振系统2与电动车1之间相互作用的传力获取装置，设置于激振系统2与移动电动车1的连接部位，用于获取激振系统2与移动电动车1之间相互作用力的响应信号；

信号获取装置可以采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器以及四种传感器的组合来实现。位移传感器、速度传感器和加速度传感器可单独或组合使用作为电动车响应信号获取装置，各传感器位置和数量可以灵活调整。当信号获取装置仅包括一个电动车响应信号获取装置时，电动车响应信号获取装置可安装于电动车底盘或车顶；当同时采用多个电动车响应信号获取装置时，信号获取装置应以车体竖向中轴线和水平中轴线为基准对称安装。而激振系统与电动车连接处的传力获取装置选用一个力传感器。通过本实施方式调整或改进而得到的其他实施方案，均属于本发明应该受到保护的范围。例如，传感器实现采用以下方式：选择一个加速度传感器和一个力传感器作为信号获取装置，将加速度传感器安装在移动电动车1底盘或车顶上，力传感器安装于激振装置与移动电动车1连接处。

信号转换装置，用于将信号获取装置获取的信号转换成电信号后并发送给信号处理系统5。信号转换装置一端与信号采集装置相连，另一端与信号处理系统5相连。连接方式可以通过有线连接或无线连接来实现。信号转换装置可以是各种数字信号放大、采集装置。

本实施方式中，信号转换装置为电荷放大器与多通道数据采集仪，信号获取装置与电荷放大器相连，电荷放大器与信号采集仪连接，信号采集仪可通过有线或无线的连接方式与安装有信号处理系统5的计算机相连。

本实施方式中的信号处理系统5包括信号分析装置和分析结果输出装置；

信号分析装置，根据接收的响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面破损程度以及判断路面以下是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路异常的具体位置。分析结果输出装置，用于输出道路状态评估的分析结果。

信号处理系统5采用软件系统实现，所述软件系统的软件后台可进行损伤识别、脱空判断和路面粗糙度的计算功能。信号处理方法可选用各种通用的频域、时域以及频域时域相结合的结构参数识别算法实现道路状态的在线或离线评估。本实施方式中，信号处理系统5中的后台软件系统对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统对每段数据进行定位，信号分析装置在具体分析时有以下三种实施例：

实施例1：信号处理系统5中的后台软件系统对每段已定位的信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号。对标记异常的信号，采用基于频域信息的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路基损伤程度和路基脱空的具体位置。

实施例2：分别建立各路段模型，采用基于时域信息的识别方法判别道路是否存在异常，在信号处理系统5中对比计算模型和测量模型响应差别，定量计算路面的粗糙度、路基损伤程度和路基脱空的具体位置。

实施例3：

在信号处理系统5中对每段已定位的信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号。对存在异常的信号段进行时域分析，建立路段模型，采用基于时域信息的识别方法判别道路是否存在异常，在信号处理系统5中对比计算模型和测量模型响应差别，并定量计算路面的粗糙度、路基损伤程度和路基脱空的具体位置。

本实施方式提供的道路状态评估的主动激振检测系统，灵敏度高，精确性好。通过路面的粗糙程度来评估路面的损伤程度，可以获得路面的破损情况并对破损位置进行定位，同时对路基的损伤脱空情况进行判别并判定脱空的具体位置。

本实施方式的检测系统在检测实施时不影响路面正常交通运行，检测系统的全部构件均设置于电动车内部，不受外界天气情况的影响，适应性更强。

本发明所提供的道路状态评估的主动激振检测系统，属于非破损性道路检测系统。本发明结合大量的试验及数值仿真分析结果，提出了本发明道路状态评估的主动激振检测系统的实施方案。为路面损伤检测、路面粗糙度识别以及路面以下部分脱空判别等道路状态评估提供技术支持。

Claims (10)

1.一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述系统包括移动电动车(1)、激振系统(2)、信号采集系统(3)、GPS系统(4)和信号处理系统(5)；

所述移动电动车(1)，行驶在待检测的道路上，激振系统(2)、信号采集系统(3)、GPS系统(4)和信号处理系统(5)均安装在移动电动车(1)内；

激振系统(2)，用于对移动电动车(1)施加连续激振，并将该激振作用传递给待检测的道路上；

信号采集系统(3)，用于采集激振系统(2)作用下，移动电动车(1)行驶过程中的动态响应信号、激振系统(2)的传力信号，并将信号发送给信号处理系统(5)；

GPS系统(4)，用于记录移动电动车(1)的行驶轨迹、行驶速度和位置信息，并将记录的信息发送给信号处理系统(5)；

信号处理系统(5)，接收信号采集系统(3)和GPS系统(4)发送的信号，根据接收的响应信号和传力信号对道路状态进行评估，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，评估道路是否存在异常，判定路基是否存在脱空现象。

2.根据权利要求1所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，通过控制激振系统(2)的激振频率和激振幅值，使移动电动车(1)的车轮与路面始终保持接触状态。

3.根据权利要求1所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，通过控制激振系统(2)的激振频率，使激振频率与道路局部模态频率一致，产生局部模态的共振；通过控制激振频率的幅值，使道路的位移满足正常使用要求限制，不产生道路损伤。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述激振系统(2)设置于移动电动车(1)的底盘上，并位于底盘的中轴线上，激振系统(2)的激振端与移动电动车(1)的底盘连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号采集系统(3)包括信号获取装置和信号转换装置；

所述信号获取装置包括电动车的响应信号获取装置和激振系统(2)的传力获取装置；

电动车的响应信号获取装置设置在移动电动车(1)上，用于获取移动电动车(1)在行驶过程中的动态响应信号；

激振系统(2)的传力获取装置，设置于激振系统(2)与移动电动车(1)的连接部位，用于获取激振系统(2)与移动电动车(1)之间相互作用的传力的信号；

信号转换装置，将信号获取装置获取的信号转换成电信号后并发送给信号处理系统(5)。

6.根据权利要求5所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号获取装置包括一个或多个电动车的响应信号获取装置，电动车的响应信号获取装置安装在移动电动车(1)的底盘或车顶上；

当仅有一个电动车的响应信号获取装置时，设置在移动电动车(1)底盘上；

当采用多个电动车的响应信号获取装置时，应以移动电动车(1)车体竖向中轴线和水平中轴线为基准对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号处理系统(5)包括信号分析装置和分析结果输出装置；

信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置；

分析结果输出装置，用于输出道路状态评估的分析结果。

8.根据权利要求7所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；对每段信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号；对标记存在异常的信号，采用基于频域信息的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。

9.根据权利要求7所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；对每段信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号；对标记存在异常的信号，采用基于时域信息的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。

10.根据权利要求7所述的一种用于道路状态评估的主动激振检测系统，其特征在于，所述信号分析装置，根据接收的信号，对比响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估路面粗糙度、路面损伤程度以及路基是否存在脱空，并结合行驶轨迹、行驶速度和位置信息，确定道路状态异常的具体位置的过程包括：

对接收的信号进行分段处理，通过GPS系统记录的行驶轨迹、行驶速度和位置信息对每段数据进行定位；对每段信号进行频域分析，获取频谱曲线，比较频谱曲线的变化，标记存在异常的信号；对标记存在异常的信号，采用基于时域信息和频域信息相结合的识别方法判别道路是否存在异常，并定量计算路面的粗糙度、路面损伤程度和路基脱空的具体位置。