CN110702195B - 载重车辆运行状态监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载重车辆运行状态监测方法及装置，其中方法包括：获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。本发明可以实现载重车辆运行状态的监测，不需要将称重设备布置在已建成的公路设施，降低监测难度，提高监测效率，并且保证了车道正常通行。

Description

载重车辆运行状态监测方法及装置
技术领域
本发明涉及注汽锅炉维护技术领域，尤其涉及载重车辆运行状态监测方法及装置。
背景技术
随着我国经济和交通事业的发展全国公路总里程不断增长，路网条件不断改善，公路运输获得了快速发展，公路货运量己成为各种运输方式货运量之首，货物周转量也逐年增加。但是近年来，公路货运超限超载现象频发，其引发的交通事故严重威胁着人民的生命财产安全，以及严重影响了公路的正常运行，打击超限超载已经成为相关政府部门的当务之急。
超载是指车辆和货物的总质量或乘员超过规定，超限是指总质量超过规定的道路所能承受的质量。超载超限会使汽车各个零部件的负荷过大，包括汽车发动机，轮轴，轮胎，制动器等。当车辆制动或者高强度行驶时，很容易发生诸如爆胎，断轴，失控以及侧翻等，当这些情况发生时，如果遇到某些恶劣或者突发的环境因素，很容易引发恶性交通事故，给人民的生命财产带来严重的损失。超限超载不仅使个人财产遭受损失,而且会严重破坏公路,一些路桥运行时间不长即出现裂缝、坑槽、沉陷、拥包等现象,对公路桥梁造成了严重的破坏，国家每年为此要投入巨额的修缮维护费用。另外，我国交通运输的养路费，管理费和通行费等，都是按照车辆核定的吨位来收取的，货运车辆超限超载的部分吨位并没有纳入收费，且超限超载的货车，行驶速度过慢，将极大地影响正常的交通流量，增大道路交通管理的难度。
为了实时监测各种车型载重车辆的运行状态，现有技术通常采用动态称重方式或静态称重方式，动态称重方式先根据车型获得核载后，通过动态称重技术获得车辆的实际载重，及时判断车辆是否超载，其中，称重设备需要安装在能与车辆直接接触的路面平台平板狭窄板、路面之上网纹板窄板缆索或桥梁或者涵洞上。静态称重方式指的是车辆停在预先设置好的秤台上进行称重，测量精度高。但是静态称重方式和动态称重方式都需要对已建成的公路设施进行施工，将称重设备布置在目标路段，受地形限制严重且成本高，监测难度大、效率低，严重影响车道通行效率。
发明内容
本发明实施例提供一种载重车辆运行状态监测方法，用以监测载重车辆的运行状态，提高监测效率，保证车道正常通行，该方法包括：
获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；
根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
本发明实施例提供一种载重车辆运行状态监测装置，用以监测载重车辆的运行状态，提高监测效率，保证车道正常通行，该装置包括：
数据获得模块，用于获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；
理论数据确定模块，用于根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
运行状态监测模块，用于将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述载重车辆运行状态监测方法。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述载重车辆运行状态监测方法。
相对于现有技术中通过动态称重方式或静态称重方式监测载重车辆运行状态的方案而言，本发明实施例通过获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。本发明实施例仅通过比对载重车辆的震动响应测量数据和根据车型信息，行车速度和路面结构参数确定的震动响应理论数据，就可以实现载重车辆运行状态的监测，不需要将称重设备布置在已建成的公路设施，降低监测难度，提高监测效率，并且保证了车道正常通行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中载重车辆运行状态监测方法示意图；
图2为本发明实施例中载重车辆运行状态监测装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如前所述，现有技术通常采用动态称重方式或静态称重方式，静态称重方式指的是车辆停在预先设置好的秤台上进行称重，现在最新的静态称重系统可以实现低于5Km/h时速通过的准动态称重。动态称重方式是基于压电电缆传感式动态称重系统和视频监测技术的非现场超限超载执法系统。可实现对各种正常行驶车辆的动态称重功能，能在10-200Km/h速度范围内检测过往车辆的轴重、总重、车型、流量、速度及加速度等参数，可对货运机动车超限超载进行有效治理。静态称重和动态称重都需要针对路面施工和安装，运行和维护成本过高，由于存在经济和技术等方面的问题，尚不能很好地满足全天候全时段工作的实际要求。
为了监测载重车辆的运行状态，提高监测效率，保证车道正常通行，本发明实施例提供一种载重车辆运行状态监测方法，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；
步骤102、根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
步骤103、将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。本发明实施例仅通过比对载重车辆的震动响应测量数据和根据车型信息，行车速度和路面结构参数确定的震动响应理论数据，就可以实现载重车辆运行状态的监测，不需要将称重设备布置在已建成的公路设施，降低监测难度，提高监测效率，并且保证了车道正常通行。
具体实施时，获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数。
实施例中，可以在监控区域的水平的横车道方向的路边一侧布置MEMS加速度计传感器，利用MEMS加速度计传感器测得进入监控区域的载重车辆的震动响应测量数据。
实施例中，按如下方式获得载重车辆的车型信息：获得载重车辆图像，对所述载重车辆图像进行主元分析，得到载重车辆的特征数据；根据所述载重车辆的特征数据，以及训练好的车型分类器，确定所述载重车辆的车型类别；根据载重车辆的车型类别，从数据库中获取载重车辆的车型信息。
实施例中，按如下方式获得载重车辆图像：获取载重车辆的多帧视频图像；根据所述载重车辆的多帧视频图像，确定载重车辆的背景图像；根据所述载重车辆的多帧视频图像和背景图像，获得载重车辆图像。
具体的，首先针对现场环境中摄取载重车辆的多帧视频图像进行图像平滑和图像标准化的预处理，对载重车辆的多帧视频图像进行时间平均，载重车辆的背景图像，然后用各帧视频图像与背景图像进行差分，提取出载重车辆图像，对载重车辆图像进行标准化处理，规范图像大小为特定像素，如128x64。
其次，对载重车辆图像进行主元分析(PCA)，得到载重车辆的特征数据，PCA方法的目的是寻找任意统计分布的数据集合之主要分量的子集。相应的基向量组满足正交性且由它定义的子空间最优地考虑了数据的相关性。将原始数据集合变换到主分量空间，使单一数据样本的互相关性(cross-correlation)降低到最低点。即将载重车辆图像投影到PCA特征子空间得到投影系数，这组系数表明了该图像在子空间中的位置，也就是提取出来的载重车辆的特征数据。
之后，根据所述载重车辆的特征数据，以及训练好的车型分类器，确定所述载重车辆的车型类别。车型分类器可以是SVM分类器，也可以采用其他算法如神经网络算法等实现车型分类。以SVM分类器为例，训练车型分类器时，假设截取了500张车型图像，共分为10类车型，各类车型的训练样本30个，测试样本20个。对于十类车型，采用九层决策树，决策树的每一层都是一个二分类问题，对每一层单个的二分类器，将训练样本分为当前类正例样本和反例样本两类，给每个类别设定一个距离阈值R，求出当前类别的各反例样本与该类的训练正例中最近邻样本的相似程度，以相关系数为度量，若相似程度大于阈值R，则表明该反例样本距离该类所有正例较远，成为支持向量的可能性较小，将其它反例样本以及全部正例样本交给SVM分类器进行训练。利用训练好的SVM分类器确定载重车辆的车型类别，在决策树的每一层，将训练样本分为当前类正例样本和反例样本两类，求出测试样本与当前类别的训练反例最近邻样本的相关系数为P1，测试样本与正例最近邻样本的相关系数为P2，若差P1-P2大于给定正的阈值t，则认为测试样本属于当前类，否则调用SVM分类器进行分类。
最后，根据载重车辆的车型类别，从数据库中获取载重车辆的车型信息。
具体实施时，根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
实施例中，根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据，包括：根据所述载重车辆的车型信息和行车速度，确定载重车辆对路面的输出激励；根据所述路面结构参数，确定路面传递函数；根据所述载重车辆对路面的输出激励和确定路面传递函数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
具体的，在城市中，地铁、轻轨以及各种载重车辆经常引起环境振动，振动的大小与汽车的行驶速度，载荷，路面平整度以及交通流量有关。载重汽车引起的振动，其垂向振动的振幅要大于两个水平方向的振幅，且以垂向振动为主，随着震源距离的增大，幅度衰减较大，且背景振动对距震源较近测点的影响较小。假设载重汽车引起环境振动的主要因素是存在地面的不平整度，为了建立载重汽车的行驶速度和载荷与其引起的振动响应之间的联系，并需要进行三个方面的工作，首先是建立载重汽车的包含载荷，弹簧和阻尼的振动系统数学模型，其次是计算路面传递函数，路面传递函数代表受到垂向作用力时路面的位移量。最后，计算水平层状介质下的由载重汽车行驶产生的振动响应。
在对汽车的振动系统进行的研究中，将汽车简化成为有限自由度的平面模型力学系统，主要有前后轮随机激励作为系统输入的五自由度系统，考虑车架的弯曲变形的九自由度或十自由度的三维系统，以及四轮以及座椅随机激励为输出的八自由度三维系统，发明人考虑到对汽车振动系统影响的绝大部分能量集中在四轮激励上，且为了计算简便，将载重汽车简化为四自由度的平面系统。该四自由度的平面系统的运动方程可以写为：
Figure BDA0002212756250000061
其中，K为刚度矩阵，C为弹簧阻尼矩阵，M为质量矩阵，下标1和2分别为轮轴和车体，上标b为车体和轮轴之间的弹簧，上标w为轮轴和轮胎之间的弹簧。f1 e和
Figure BDA0002212756250000069
分别为作用于轮轴和车体的外力，ur为路面的位移，uwr为路面的不平整度，u1和u2分别为轮轴和车体上下的位移。因为质量的因素，经过悬挂和轮胎系统之后，作用于路面的力可以表示为：
Figure BDA0002212756250000062
其中，
Figure BDA0002212756250000063
为因为质量的因素，经过悬挂和轮胎系统之后，作用于路面的力。因为路面刚度较大，因此ur较小，可以忽略。
假设坐标y为沿着路面方向，因此，路面不平整度uwr可以表示为y的函数uwr(y)，因为汽车在沿着道路行驶，对于汽车的每一个轮轴n，因此，路面不平整度uwr(y)可表示为一个时间的函数，即：
Figure BDA0002212756250000064
其中，yn为轮轴n所在的初始位置，v为汽车的行驶速度，t为行驶时间，
Figure BDA0002212756250000065
为轮轴n在时间t时所感知的路面不平整度。
因为载重汽车对路面的输出激励是由各个轮轴的路面不平整度导致的，对于一个特定的轮轴k，其输出激励gk(t)可表示为：
Figure BDA0002212756250000066
其中，
Figure BDA0002212756250000067
为路面传递函数，可在频率域求解公式(1)，得：
Figure BDA0002212756250000068
进而，改写公式(2)，所有k个轮轴对路面的总的输出激励可表示为：
Figure BDA0002212756250000071
通过对公式(4)进行傅里叶变换，可以得到：
Figure BDA0002212756250000072
公式(7)说明随着速度的增加，载重汽车对路面的输出激励越小。
已知单个轮轴k的输出激励为gk(t)，通过轮胎作用于地面，忽略轮胎的形变以及假定路面沿y方向是不变的，其横切面是刚性的，路面以下的介质为水平层状介质，且只考虑垂直方向的激励，则移动载荷对路面的振动响应可以通过对输出激励gk(t)和路面传递函数Hz(x,y,z,t)进行褶积运算得到载重车辆的震动响应理论数据：
Figure BDA0002212756250000073
公式(8)的频率波数域表达为：
Figure BDA0002212756250000074
路面传递函数Hz(x,y,z,t)代表了受到垂直脉冲激励时，地面产生的位移。假设地下介质是水平层状介质，可以应用边界元方法计算得到路面传递函数。
已知路面传递函数Hz(x,y,z,t)以及载重汽车输出激励gk(t)，可以计算得到载重汽车在路面行驶时的震动响应理论数据。而载重汽车输出激励gk(t)又与车型信息和行车速度等因素有关，因此，可以选取一个路段，根据所述载重车辆的车型信息和行车速度，确定载重车辆对路面的输出激励，然后获得路面结构参数，包括：杨氏模量，剪切模量，密度，转动惯量等，根据路面结构参数，确定路面传递函数，最后根据载重车辆对路面的输出激励和确定路面传递函数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
具体实施时，将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
实施例中，将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，若震动响应测量数据大于震动响应理论数据超过预设值，则确定为存在超载超限的风险，从而实现载重车辆运行状态的监测，不需要将称重设备布置在已建成的公路设施，降低监测难度，提高监测效率，并且保证了车道正常通行。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种载重车辆运行状态监测装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与载重车辆运行状态监测方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图2为本发明实施例中载重车辆运行状态监测装置的结构图，如图2所示，该装置包括：
数据获得模块201，用于获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；
理论数据确定模块202，用于根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
运行状态监测模块203，用于将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
一个实施例中，所述数据获得模块201进一步用于，按如下方式获得载重车辆的车型信息：
获得载重车辆图像，对所述载重车辆图像进行主元分析，得到载重车辆的特征数据；
根据所述载重车辆的特征数据，以及训练好的车型分类器，确定所述载重车辆的车型类别；
根据载重车辆的车型类别，从数据库中获取载重车辆的车型信息。
一个实施例中，所述数据获得模块201进一步用于，按如下方式获得载重车辆图像：
获取载重车辆的多帧视频图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像，确定载重车辆的背景图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像和背景图像，获得载重车辆图像。
一个实施例中，所述理论数据确定模块202进一步用于：
根据所述载重车辆的车型信息和行车速度，确定载重车辆对路面的输出激励；
根据所述路面结构参数，确定路面传递函数；
根据所述载重车辆对路面的输出激励和确定路面传递函数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
综上所述，本发明实施例通过获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数；根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。本发明实施例仅通过比对载重车辆的震动响应测量数据和根据车型信息，行车速度和路面结构参数确定的震动响应理论数据，就可以实现载重车辆运行状态的监测，不需要将称重设备布置在已建成的公路设施，降低监测难度，提高监测效率，并且保证了车道正常通行。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种载重车辆运行状态监测方法，其特征在于，包括：
获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数，其中，利用MEMS加速度计传感器获得载重车辆的震动响应测量数据，按如下方式获得载重车辆的车型信息：获得载重车辆图像，对所述载重车辆图像进行主元分析，将载重车辆图像投影到PCA特征子空间得到投影系数，将所述投影系数作为载重车辆的特征数据；根据所述载重车辆的特征数据，以及训练好的车型分类器，确定所述载重车辆的车型类别；根据载重车辆的车型类别，从数据库中获取载重车辆的车型信息；
根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按如下方式获得载重车辆图像：
获取载重车辆的多帧视频图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像，确定载重车辆的背景图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像和背景图像，获得载重车辆图像。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据，包括：
根据所述载重车辆的车型信息和行车速度，确定载重车辆对路面的输出激励；
根据所述路面结构参数，确定路面传递函数；
根据所述载重车辆对路面的输出激励和确定路面传递函数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
4.一种载重车辆运行状态监测装置，其特征在于，包括：
数据获得模块，用于获得载重车辆的车型信息，行车速度，震动响应测量数据和路面结构参数，所述车型信息包括：核载数据和车辆参数，其中，利用MEMS加速度计传感器获得载重车辆的震动响应测量数据，按如下方式获得载重车辆的车型信息：获得载重车辆图像，对所述载重车辆图像进行主元分析，得到载重车辆的特征数据；根据所述载重车辆的特征数据，以及训练好的车型分类器，确定所述载重车辆的车型类别；根据载重车辆的车型类别，从数据库中获取载重车辆的车型信息；
理论数据确定模块，用于根据所述载重车辆的车型信息，行车速度和路面结构参数，确定载重车辆的震动响应理论数据；
运行状态监测模块，用于将所述载重车辆的震动响应测量数据与震动响应理论数据进行比对，根据比对结果对载重车辆运行状态进行监测。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据获得模块进一步用于，按如下方式获得载重车辆图像：
获取载重车辆的多帧视频图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像，确定载重车辆的背景图像；
根据所述载重车辆的多帧视频图像和背景图像，获得载重车辆图像。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述理论数据确定模块进一步用于：
根据所述载重车辆的车型信息和行车速度，确定载重车辆对路面的输出激励；
根据所述路面结构参数，确定路面传递函数；
根据所述载重车辆对路面的输出激励和确定路面传递函数，确定载重车辆的震动响应理论数据。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一所述方法的计算机程序。
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