CN109916491A - 一种识别移动车辆轴距、轴重和总重的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种识别桥梁上行驶车辆轴重和轴距的方法。本发明通过对桥梁整体响应进行分析获得车辆轴数、轴距、轴重等信息，可应用于不同类型的桥梁。相比其他桥梁动态称重方法，具有所需传感器数量少，应用成本低的优点。

Description

一种识别移动车辆轴距、轴重和总重的方法和系统

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种识别移动车辆轴距、轴重和总重的方法和系统。

背景技术

对车辆进行称重的主要方法有：

1)传统地磅、2)WIM(路面式动态称重)和3)BWIM(桥梁动态称重)

其中第3类方法(图1为示意图)解决了第1类技术存在的识别效率低(车辆需停车或以极低速度行驶)、需设置专门称重站的缺点；解决了第2类技术存在的安装维护不方便，需中段交通，使用寿命低的缺点。

现有的大多数BWIM算法都需要使用其他装置如FAD(free-of-detector)等获得轴数和轴距后再计算轴重：

(1)获得轴距和轴数

早期的Moses算法(一种BWIM算法)利用磁带式或压感式传统路面轴距识别装置获取轴距和轴数，由于直接承受车轮荷载，容易损坏，且其安装方式为在路面/桥面开挖和安装传感器，因此这类装置具有耐久性差和安装维护需要中断交通等缺点。

之后，为了避免磁带式或压感式识别装置的缺点，一种FAD技术得以提出，即将传感器安装在桥梁下方，因此解决了这类装置寿命低的缺点。但商用经验表明，FAD传感器对车辆横向行驶位置很敏感，即车辆行驶位置的改变可能导致识别结果精度下降，甚至无法识别。此外这类传感器需要安装在桥面板下方，因此可用于T梁桥、箱梁桥等，但对某些桥型(如板桥)将很难甚至无法安装。最后，该类传感器在应用于结构长度较短的桥梁或具有次级结构的桥梁(如正交异性板桥)时具有较好的效果，但对于其它类型桥梁其识别精度较差。

现有FAD存在的问题一：使用桥梁局部响应识别车轴，容易受车辆横向加载位置影响。

存在的问题二：某些轴通过时的信号通常可能不具有明显的峰值。

存在的问题三：除了BWIM系统中的应变传感器之外还需要剪切应变传感器，装置复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足。本发明公开了一种识别车辆轴重和轴距和总重的方法和系统；本发明可应用于各种类型的桥梁，仅需采集桥梁上一个或以上位置的响应，即可同时识别出车辆轴距，轴数，轴重等信息，降低了成本，简化了传感器安装方式，且提高了精度。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种识别车辆轴重和轴距的方法，包括下述步骤：

S1、在桥梁上安装传感器和数据采集系统，然后标定桥梁的影响线函数：

S2、测量车辆过桥时的桥梁响应：

记待称重车辆通过桥梁过程中测量得到的桥梁响应为M_k(k＝1,2,...K)，式中k是采样时间点的序号，t_k＝T₀+k·T_s，其中T₀为采样起始时刻，t_k表示第k个采样时刻的时间，T_s为采样周期，K为总采样点数；

S3、求解车轴信息：

S3.1计算桥梁响应预测值：首先估计车辆的长度L_V＝T·v-L，式中T是过桥的时间，v为车辆行驶速度，L表示桥长；取δ_x作为初始车轴位置识别计数的分度值，δ_x取值为0.01m～0.1m，然后假定车辆有N₀个间距为δ_x的虚轴，各个虚轴的位置为X_V＝{x₁+(j-1)·δ_x|j＝1,2,...,N₀}，其中N₀＝ceil(L_V/δ_x)+1，ceil(a)表示不小于a的最小整数，x₁是第一个虚轴的位置；设车辆各个虚轴大小分别为未知量P＝{p₁,p₂,...,pN₀}，p_j表示第j个虚轴的大小；按下式得到用未知量P表示的桥梁响应的预测值M′_k(P)(k＝1,2,...,K)：

S3.2求解虚轴轴重向量：首先建立如下误差函数利用非负最小二乘方法解出误差函数E(P)在条件P≥0下的最小值和对应的轴重向量然后取中非零元素对应的车轴位置组成车轴位置向量X₀，即 为轴重向量中的第i个元素；

S3.3将车轴位置向量X₀进行分组:设置可识别出的最小轴距值d_min，轴距小于d_min的多个轴将被认为是一个轴组，其中d_min的上限为5m，下限为0.5m；将X₀中各个虚轴按照如下标准分组：若相临两个轴的间距小于d_min，则被分到同一组，否则被分到不同的组；分组完毕后将组数记为N_a，得到的虚轴组记成g_m(m＝1,2,...,N_a)，每个组按内部元素由小到大记成其中r_m为g_m中元素的数量，分别为g_m中最小和最大的元素；

S3.4生成新轴组:对步骤S3.3得到的每个虚轴组g_m(m＝1,2,...,N_a)，按如下方式获得新轴组

(i)当g_m中元素个数只有一个时，

(ii)当g_m中元素多于一个时，其中式中n_d为正整数，取n_d为1时，为与初始设定车轴位置识别计数的分度值δ_x相同的车轴位置识别计数分度值，取n_d为大于1的整数时，为比初始设定δ_x更小的车轴位置识别计数分度值；

S3.5生成备选轴重位置向量并求解每组备选轴重位置对应的误差函数最小值和轴重向量:从S3.4得到的每个新轴组中任意拿出一个元素可以组成一个备选轴重位置向量：穷举备选轴重位置向量，并记为S_l表示第l种可能的备选轴重位置向量组合，其中分别为虚轴组中元素的数量；对于每一种备选组合S_l(l＝1,2,...,N_c)，将步骤S3.1中X_V替换为S_l并用相同的方式建立S_l对应的误差函数，利用非负最小二乘法求解S_l对应的误差函数的最小值E^l和轴重向量P^l；

S3.6输出车辆车轴信息识别结果：找到中最小的元素对应的上标L，则解得的N_a、S_L、P^L、分别为最终输出的车轴数量、车轴相对位置、轴重、总重、轴距识别值。

进一步的改进，所述桥梁响应M为桥梁在上部竖向荷载作用下的响应，具有如下特征：桥梁响应对于荷载作用在桥梁上的纵向截面位置具有敏感性，即荷载纵向作用位置改变时，桥梁响应大小并不总是保持不变，其中纵向为车辆行驶方向；桥梁响应包括桥梁正应变、正应力、弯矩、剪应变、剪应力、支座反力、含吊索结构的桥梁的索力。

进一步的改进，步骤S1的具体步骤如下：选用一种桥梁响应，并在桥梁上安装传感器和动态数据采集设备以采集桥梁响应，然后在桥梁上或桥梁前后方道路上安装速度测量装置用于测量车辆通过桥梁时的速度；令已知轴距轴重的车辆通过桥梁，利用上述动态数据采集设备采集车辆通过时的桥梁响应，然后标定桥梁响应的影响线函数I(x)，其中x为车辆行驶方向上荷载作用的位置。

进一步的改进，所述桥梁的类型包括简支梁桥、连续梁桥、悬索桥、斜拉桥、板桥；可选的桥梁截面类型包括箱型截面、T型截面、矩形截面。

进一步的改进，所述速度测量装置包括雷达测速仪、激光测速仪和地感线圈。

由上可知，为进行桥梁正应变的识别，用其他方式得到车速后，可以在桥梁跨中设置应变片，得到跨中应变后使用本发明的方法识别车辆轴距和轴重。

附图说明

图1为BWIM(桥梁动态称重)法的示意图。

图2为跨中第二根主梁梁底正应变示意图。

图3为程序第四步输出图。

图4为识别出的轴距和轴重图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。

车轴信息计算方法

图2为3轴车以25m/s的速度通过桥梁时，桥梁跨中截面第2根主梁梁底的正应变时程曲线。假设车辆虚轴间距为0.05m，并利用非负最小二乘法求解，其结果如图3所示，其解中的非负元素分别为[0.850,-0.500,-4.150,-4.200,-8.200,-8.250]，相应的可得虚轴距为[1.350,3.650,0.050,4.000,0.050]，按间距小于1.4m为一组的原则将该解中非负元素分为3组{0.850,-0.500},{-4.150,-4.200},{-8.200,-8.250}，分别对应3个车轴。再次假设车轴可能在组内的任意位置，故设置更小的车轴分辨率然后利用穷举法计算车辆轴重和残差，并认为残差范数最小时的值为车辆轴重的最终估计值。表1为3个轴可能的位置，即车辆的3个车轴位置可能存在55*3*3＝495种可能。例如，{-0.500,-4.200,-8.250},{0.825,-4.175,-8.200}分别为两组可能的车轴位置。

表1.三个轴可能的位置

获得车轴的可能位置后执行步骤S3.6得到所有车轴可能位置对应的残差范数然后找到中残差范数最小值的对应下标L，则S_L对应的第L组车轴位置值为车轴位置的最终估计值，相应的车辆轴重值为轴重的最终计算结果。对于本例，{-0.500m,-4.200m,-8.225m}为计算得到的最优车轴位置结果，相应的车辆轴重为{30.89kN,137.79kN,156.62kN}，如图4所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种识别车辆轴重和轴距的方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、在桥梁上安装传感器和数据采集系统，然后标定桥梁的影响线函数：

S2、测量车辆过桥时的桥梁响应：

记待称重车辆通过桥梁过程中测量得到的桥梁响应为M_k(k＝1,2,...K)，式中k是采样时间点的序号，t_k＝T₀+k·T_s，其中T₀为采样起始时刻，t_k表示第k个采样时刻的时间，T_s为采样周期，K为总采样点数；

S3、求解车轴信息：

S3.1计算桥梁响应预测值：首先估计车辆的长度L_V＝T·v-L，式中T是过桥的时间，v为车辆行驶速度，L表示桥长；取δ_x作为初始车轴位置识别计数的分度值，δ_x取值为0.01m～0.1m，然后假定车辆有N₀个间距为δ_x的虚轴，各个虚轴的位置为X_V＝{x₁+(j-1)·δ_x|j＝1,2,...,N₀}，其中N₀＝ceil(L_V/δ_x)+1，ceil(a)表示不小于a的最小整数，x₁是第一个虚轴的位置；设车辆各个虚轴大小分别为未知量P＝{p1,p2,...,pN₀}，p_j表示第j个虚轴的大小；按下式得到用未知量P表示的桥梁响应的预测值M′_k(P)(k＝1,2,...,K)：

S3.2求解虚轴轴重向量：首先建立如下误差函数利用非负最小二乘方法解出误差函数E(P)在条件P≥0下的最小值和对应的轴重向量然后取中非零元素对应的车轴位置组成车轴位置向量X₀，即 为轴重向量中的第i个元素；

S3.3将车轴位置向量X₀进行分组:设置可识别出的最小轴距值d_min，轴距小于d_min的多个轴将被认为是一个轴组，其中d_min的上限为5m，下限为0.5m；将X₀中各个虚轴按照如下标准分组：若相临两个轴的间距小于d_min，则被分到同一组，否则被分到不同的组；分组完毕后将组数记为N_a，得到的虚轴组记成g_m(m＝1,2,...,N_a)，每个组按内部元素由小到大记成其中r_m为g_m中元素的数量，s_m,1,分别为g_m中最小和最大的元素；

S3.4生成新轴组:对步骤S3.3得到的每个虚轴组g_m(m＝1,2,...,N_a)，按如下方式获得新轴组

(i)当g_m中元素个数只有一个时，

(ii)当g_m中元素多于一个时，其中式中n_d为正整数，取n_d为1时，为与初始设定车轴位置识别计数的分度值δ_x相同的车轴位置识别计数分度值，取n_d为大于1的整数时，为比初始设定δ_x更小的车轴位置识别计数分度值；

S3.5生成备选轴重位置向量并求解每组备选轴重位置对应的误差函数最小值和轴重向量:从S3.4得到的每个新轴组中任意拿出一个元素可以组成一个备选轴重位置向量；穷举备选轴重位置向量，并记为S_l表示第l种可能的备选轴重位置向量组合，其中 分别为虚轴组中元素的数量；对于每一种备选组合S_l(l＝1,2,...,N_c)，将步骤S3.1中X_V替换为S_l并用相同的方式建立S_l对应的误差函数，利用非负最小二乘法求解S_l对应的误差函数的最小值E^l和轴重向量P^l；

S3.6输出车辆车轴信息识别结果：找到中最小的元素对应的上标L，则解得的N_a、S_L、P^L、分别为最终输出的车轴数量、车轴相对位置、轴重、总重、轴距识别值。

2.如权利要求1所述的识别车辆轴重和轴距的方法，其特征在于，所述桥梁响应M为桥梁在上部竖向荷载作用下的响应，具有如下特征：桥梁响应对于荷载作用在桥梁上的纵向截面位置具有敏感性，即荷载纵向作用位置改变时，桥梁响应大小并不总是保持不变，其中纵向为车辆行驶方向；桥梁响应包括桥梁正应变、正应力、弯矩、剪应变、剪应力、支座反力、含吊索结构的桥梁的索力。

3.如权利要求1所述的识别车辆轴重和轴距的方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：选用一种桥梁响应，并在桥梁上安装传感器和动态数据采集设备以采集桥梁响应，然后在桥梁上或桥梁前后方道路上安装速度测量装置用于测量车辆通过桥梁时的速度；令已知轴距轴重的车辆通过桥梁，利用上述动态数据采集设备采集车辆通过时的桥梁响应，然后标定桥梁响应的影响线函数I(x)，其中x为车辆行驶方向上荷载作用的位置。

4.如权利要求1所述的识别车辆轴重和轴距的方法，其特征在于，所述桥梁的类型包括简支梁桥、连续梁桥、悬索桥、斜拉桥、板桥；可选的桥梁截面类型包括箱型截面、T型截面、矩形截面。

5.如权利要求3所述的识别车辆轴重和轴距的方法，其特征在于，所述速度测量装置包括雷达测速仪、激光测速仪和地感线圈。