CN110939040A - 一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法及系统，获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，进行频域分析，得到频域信号；通过模态参数识别方法，在频域信号中识别出压路机‑土体振动系统的系统固有频率，通过压路机‑土体振动系统固有频率的变化，判定压路机‑土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体压实质量变化；实现对路基进行连续、准确、实时的压实度检测，有效的反映每一点的压实质量，真实地判定路基压实质量。

Description

一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法及系统

技术领域

本公开涉及道路施工技术领域，具体涉及一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

公路工程中，路基压实对道路施工质量的影响至关重要。传统的压实质量检测方法属点式控制法，包括弯沉法、承载板法、核子密度仪法等，这类方法存在一定不足：费时费力，取样点少，难以反映每一点的压实质量；无法在道路压实过程中实时反馈压实质量，易产生过压或欠压现象。

目前，国内外学者通过采集压实过程中压路机特定位置的振动信号，提出了基于谐波比、振动模量、加速度有效值、地基反力等指标的实时压实质量检测方法，但上述指标缺乏一定物理依据，对反馈的振动信号认识不清晰，导致实际压实过程中，由于振动信号波动性大，难以真实地判定路基压实质量，实际使用效果不佳。

目前能够实现对路基压实作业过程进行不间断的信息监控方法中，通过获取压实过程中压路机的轨迹及遍数，再通过相应的分析得出相关指标是否满足规范要求。然而，这种方法仅是对施工过程的实时监控，即数字化(信息化)施工，还不是严格的智能压实技术，不能实时地判定路基压实质量。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法及系统，通过模态参数识别方法，在频域信号中识别出压路机-土体振动系统的固有频率，通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体的压实质量变化，实现对路基进行连续、准确、实时的压实度检测，有效的反映每一点的压实质量，真实地判定路基压实质量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，包括：

获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

采用模态参数识别方法，在频域信号中识别出压路机—土体振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体的压实质量变化；

根据获取压路机的位置信息，以及当前被压实体的压实质量变化，得出当前压路机压实区域的压实状态评价；

根据当前压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

作为可能的一些实现方式，通过安装于压路机的GPS定位装置及振动信号传感器，采集压路机作业过程中的位置信息及钢轮处的振动信号；其中，位置信息与振动信号的采集频率一致，使位置数据与振动信号一一对应。

作为可能的一些实现方式，对滤波后的振动信号进行快速傅里叶变换，将振动信号从时域信号转换为频域信号；其中，采用重叠分段的快速傅里叶变换，实现压实的连续检测。

当被压实体欠压时，随着压实的进行，被压实体压实度增加，被压实体刚度增加，压路机-土体振动系统的系统固有频率也增加；

当达到过压时，被压实体压实度不再增加，被压实体刚度趋于稳定，同时压路机-土体振动系统的系统固有频率也不再增大；

当压路机-土体振动系统固有频率的增长速率小于1％时，即视为压实度达到要求。

作为可能的一些实现方式，所述压实状态评价分为欠压、压实完毕与过压的压实质量等级。

本公开通过对压路机压实作业过程中每一区域的位置信息以及每一区域的压实状态评价，实时反馈的压实状态评价结果，及时调整压路机压实作业进程，找出压实相对薄弱的区域，在采取其他可能的措施(如加水增大含水率、或晾晒减少含水率，或换填填料)后进行复压，避免过压或欠压的问题。

第二方面，本公开提供一种基于模态参数识别的路基压实质量检测系统，包括：

信号采集模块，其用于获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

信号识别模块，其用于采用模态参数识别法，在频域信号中识别出压路机-土体振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

压实质量检测模块，其用于通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体的压实质量变化；

压实质量判定模块，其用于根据获取压路机的位置信息，以及当前被压实体压实质量的变化，得出当前压路机压实区域的压实状态评价；

控制模块，其用于根据当前压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

作为可能的一些实现方式，所述信号采集模块中，在压路机振动轮上连接牵引式滚轮，通过在牵引式滚轮上安装振动信号传感器，采集压路机作业过程中滚轮的振动信号。

作为可能的一些实现方式，所述牵引式滚轮通过钢架与压路机振动轮连接，所述牵引式滚轮与压路机振动轮连接处装有减震器，钢架两端均为活动滚轴；

所述牵引式滚轮为内部中空结构，内置有振动信号传感器。

第三方面，本公开提供一种电子设备，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程序时实现一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法所述的步骤。

第四方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开通过采集压路机压实作业过程中的连续振动信号，运用模态参数识别方法对“压路机—土体”振动系统进行系统识别，获得能反映土基压实状态的系统刚度评价指标，从而实时准确地反馈压实质量；

本公开根据实时反馈的压实状态评价结果，及时调整压路机压实作业进程，找出压实相对薄弱的区域在采取可能的其他措施后进行复压，避免过压或欠压的问题，提高现场施工的质量和效率；

本公开通过对压路机压实作业过程中每一区域的位置信息以及每一区域的压实状态评价，有效的反映每一点的压实质量；

本公开解决当前智能压实控制指标物理依据欠缺，实际操作效果差，有效克服当前检测技术的不足，能够灵活运用于土木工程领域的压实施工作业。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是基于模态参数识别的路基压实质量检测方法流程示意图；

图2是压路机—土体振动系统自由度模型示意图；

图3是实施例中压实质量检测系统构造侧面图；

其中，1、压路机振动轮；2、活动滚轴；3、滚轮；4、装有减震器的活动滚轴。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

检测原理：压路机碾压作业时，在压路机—土体振动系统中，存在多种激励成分，包括压路机发动机等自振激励、钢轮简谐激励、路面不平度激励。这些激励成分能够激发被压实体振动，在重力及激振力的共同作用下，被压实体不断振动挤密而达到压实。当激励频率与系统固有频率一致时，系统发生共振，被压实体振动幅度大，响应的频域信号中将检测到共振峰。

对压路机—土体振动系统而言，随着压实的进行，系统中土体压实度增加，刚度增加，系统固有频率增加，因此该系统为变刚度系统。激励成分如发动机自振频率、钢轮简谐激励频率等均为稳定激励频率，而路基不平度激励为平稳随机激励，因此，施加于系统的激励能够激发系统发生共振现象。

实施例1

本公开提供一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，包括：

步骤1：采集压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，过滤干扰信号；

所述步骤1中，通过安装于压路机的GPS定位装置及振动信号传感器，采集压路机作业过程中的位置信息及钢轮处的振动信号；其中，位置信息与振动信号的采集频率一致，从而使位置数据与振动信号一一对应；

振动响应信号包含系统激励成分及系统固有属性成分，因此需对振动响应信号作滤波处理，包括过滤钢轮简谐激励频率、发动机激励频率；滤波处理后，响应信号只包含反映系统固有属性成分及平稳随机激励。

安装于压路机的GPS定位装置，可支持北斗、GPS、GLONASS系统，能够准确获取压路机作业过程中的位置信息。

所述步骤1中，振动信号传感器在压路机上的安装位置，可以是钢轮、驾驶室或其他位置。安装位置可通过预实验确定最佳布点，最佳布点满足能够测得包含系统第一阶固有频率共振峰的响应信号；

振动信号传感器可以采用测速度法或测加速度法采集振动信号，本实施例中优先选用测速度法，振动信号传感器的采样频率应不低于200Hz；

系统第一阶固有频率的频率范围可由实验路段确定，大致范围在5—20Hz，发动机自振频率可由压路机未行进时采集，钢轮简谐激励依据压路机工作频率确定。

所述步骤1中，对采集到的振动信号作滤波处理，过滤与路基压实质量不相关的干扰信号，得到只包含土体振动信息的时域信号；

其中，采集的振动信号包含了压路机发动机等自振频率、钢轮简谐激励、路基不平度激励、路基振动响应相关的振动信号等多种信号成分，通过信号滤波，去除与被压实体振动响应信号不相关的成分；

另外，振动轮振动传感器也能捕获相关振动信息，导致振动信号干扰成分多，波动性大，难以真实反映土体真实振动状态。

信号滤波处理可采用带阻滤波器、低通滤波器，过滤发动机自振频率、钢轮简谐激励频率。

步骤2：对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

所述步骤2中，对滤波后的振动信号进行快速傅里叶变换，将振动信号从时域信号转换为频域信号；其中，采用重叠分段的快速傅里叶变换，实现压实的连续检测。

振动信号采用重叠分段的，长度为1024字节的数据作快速傅里叶变换处理，本实施例中选择重叠一半的分段方式。

步骤3：运用模态参数识别方法，在频域信号中识别出“压路机—土体”振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

步骤4：通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，运用模态参数识别法判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体压实质量变化；

系统阻尼对压路机-土体振动系统固有频率影响较小，在满足工程需求的情况下，可简化为通过求解无阻尼自由振动方程得到系统固有频率。

n自由度系统振动微分方程如下：

n自由度系统自由振动微分方程如下：

上式中，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，x为位移列向量，

为加速度列向量，f(t)为激振力列阵。

对上式带入特解x＝Φe^jwt，其中Φ为幅值列向量，得：

(K-w²M)Φ＝0

当Φ为非零列向量时，方程为广义特征值问题，w为特征值，Φ为特征向量。

方程有非零解的充分必要条件是其系数矩阵行列式为零：

求解特征方程，得关于w²的n次代数方程。假设无重根，可得到关于w的n个互异正根，按大小顺序排序如下：

0＜w₁＜w₂＜…＜w_n

本实施例中，实际压路机与被压实体的力学模型可简化为两自由度模型：

求解得出系统固有频率：

s＝(m₁+m₂+m₃)k₁+m₁k₂

其中，m₁为上车架质量，m₂为振动轮质量，m₃为土体随振质量，k₁为振动轮减震器刚度，k₂为钢轮与土基耦合的刚度。

由模态参数识别法知，压实过程中，压路机—土体振动系统中仅有土体的刚度与阻尼发生变化，土体特性的变化将导致压路机—土体振动系统的系统特性发生改变。当被压实体欠压时，随着压实的进行，被压实体压实度增加，压路机—土体振动系统刚度增加，系统固有频率增加；达到过压时，被压实体压实度不再增加，系统刚度趋于稳定，压路机-土体振动系统的系统固有频率也不再增大。

因此，可通过识别系统第一阶固有频率的变化情况来判断被压实体当前压实状态。当被压实体较松散时，随着压实的进行，压实度增加，系统第一阶固有频率增加；当达到过压时，压实度不再增加，系统第一阶固有频率也不再增大。在压实阶段的后期，当连续压实两遍间系统第一阶固有频率的增长速率小于1％时，即视为压实度达到要求。

综合以上，采用智能算法，在信号频域中智能识别出系统固有频率，进而得到系统模态刚度，依据此判定被压实体压实质量。

步骤5：根据获取压路机的位置信息，以及被压实体压实质量的变化，得出压路机压实区域的压实状态评价；

根据压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

所述压实状态评价分为欠压、压实完毕与过压的压实质量等级；

根据判定得出的压实状态，当判定当前路基压实未达标时，同时给出相关区域的位置信息，指导操作人员继续碾压，直至达到压实度要求。

实施例2

本公开提供一种基于模态参数识别的路基压实质量检测系统，包括，

信号采集模块，其用于获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

信号识别模块，其用于采用模态参数识别法，在频域信号中识别出压路机-土体振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

压实质量检测模块，其用于通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体压实质量变化；

压实质量判定模块，其用于根据获取压路机的位置信息，以及当前被压实体压实质量的变化，得出当前压路机压实区域的压实状态评价；

控制模块，其用于根据当前压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

所述信号采集模块中，通过安装于压路机的GPS定位装置及振动信号传感器，采集压路机作业过程中的位置信息及钢轮处的振动信号，振动信号传感器在压路机上的安装位置，可以是钢轮、驾驶室或其他位置。

在本实施例中，通过在牵引式滚轮上安装振动信号传感器，牵引式滚轮与压路机振动轮钢架通过小型刚架连接，采集压路机作业过程中滚轮的振动信号；

牵引式滚轮可视为与被压实体紧密贴合，因此牵引式滚轮捕获到的振动信号可视为土体的振动信号。

如图3所示，牵引式滚轮与压路机振动轮连接处装有减震器，通过减振连接，有效隔绝振动轮的振动传导；且钢架两端均为活动滚轴，有效减小钢架对滚轮的振动干扰，减少压路机自振干扰信号；

牵引式滚轮为内部中空架构，内布置有振动信号传感器及采集系统，其安装位置可通过预实验确定最佳布点，最佳布点满足能够测得系统固有频率共振峰的响应信号；采集系统将采集的振动信号通过无线传输至压路机驾驶室，驾驶室PC端将进行下一步的信号处理与压实质量判断。

振动信号传感器可以使用测速度法或测加速度法。本实施例中选择测速度法，振动信号传感器的采样频率应不低于200Hz，本实施例中选择200Hz的采样频率，系统固有频率的频率范围可由实验路段确定，大致范围在5—20Hz。

所述对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，信号滤波处理可采用带阻滤波器、低通滤波器，过滤发动机自振频率、钢轮简谐激励频率；

对滤波后的振动信号进行快速傅里叶变换，振动信号采用重叠分段的，长度为1024的数据作快速傅里叶变换处理。本实施例中选择重叠一半的分段方式。

所述压实质量检测模块中，运用模态参数识别方法，在频域信号中识别出“压路机—土体”振动系统的系统参数，获得系统固有频率；系统固有频率的变化可反演得系统刚度的变化。对牵引式滚轮—土体系统，土体刚度在压实过程中为变化量。因此可由系统固有频率的变化，系统刚度的变化，进而表征当前车道的压实状态。

结合压路机获取的位置信息，给出当前压实区域的压实状态评价，分为欠压、压实完毕与过压的压实状态等级提示，指导操作人员进行压实作业。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，其特征在于，包括：

获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

采用模态参数识别法，在频域信号中识别出压路机-土体振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体压实质量变化；

根据获取压路机的位置信息，以及当前被压实体压实质量的变化，得出当前压路机压实区域的压实状态评价；

根据当前压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

2.如权利要求1所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，其特征在于，

通过安装于压路机的GPS定位装置及振动信号传感器，采集压路机作业过程中的位置信息及振动轮处的振动信号；其中，位置信息与振动信号的采集频率一致，使位置数据与振动信号一一对应。

3.如权利要求1所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，其特征在于，

对滤波后的振动信号进行快速傅里叶变换，将振动信号从时域信号转换为频域信号；其中，采用重叠分段的快速傅里叶变换，实现压实的连续检测。

4.如权利要求1所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，其特征在于，

当被压实体欠压时，随着压实的进行，被压实体压实度增加，被压实体刚度增加，压路机-土体振动系统的系统固有频率也增加；

当达到过压时，被压实体压实度不再增加，被压实体刚度趋于稳定，同时压路机-土体振动系统的系统固有频率也不再增大；

当压路机-土体振动系统固有频率的增长速率小于1％时，即视为压实度达到要求。

5.如权利要求1所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法，其特征在于，

所述压实状态评价分为欠压、压实完毕与过压的压实质量等级。

6.一种基于模态参数识别的路基压实质量检测系统，其特征在于，包括：

信号采集模块，其用于获取压路机压实作业过程中的位置信息以及振动信号，并对振动信号进行滤波处理，对滤波后的振动信号进行频域分析，得到频域信号；

信号识别模块，其用于采用模态参数识别法，在频域信号中识别出压路机-土体振动系统的系统参数，获得系统固有频率；

压实质量检测模块，其用于通过压路机-土体振动系统固有频率的变化，判定压路机-土体振动系统刚度的变化，通过其系统刚度的变化判定被压实体压实质量变化；

压实质量判定模块，其用于根据获取压路机的位置信息，以及当前被压实体压实质量的变化，得出当前压路机压实区域的压实状态评价；

控制模块，其用于根据当前压路机压实区域的压实状态评价，判定未达到压实度要求的压实区域，获取未达标压路机压实区域的位置信息，控制压路机执行压实作业。

7.如权利要求6所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测系统，其特征在于，

所述信号采集模块中，在压路机振动轮上连接牵引式滚轮，通过在牵引式滚轮上安装振动信号传感器，采集压路机作业过程中滚轮的振动信号。

8.如权利要求7所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测系统，其特征在于，

所述牵引式滚轮通过钢架与压路机振动轮连接，所述牵引式滚轮与压路机振动轮连接处装有减震器，钢架两端均为活动滚轴；

所述牵引式滚轮为内部中空结构，内置有振动信号传感器。

9.一种电子设备，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程序时实现如权利要求1-5任一项所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的一种基于模态参数识别的路基压实质量检测方法。

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