CN111504436A - 基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置，该方法包括：根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。本发明可以在不影响车辆的正常行驶的情况下，实时监测车辆悬挂重量；另外，本发明可实时检测路面的沉降不均，并标记该位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理。

Description

基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置

技术领域

本发明涉及道路交通信息处理技术领域、具体涉及道路交通信息处理技术领域和智能交通相结合的技术领域，特别是涉及一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置。

背景技术

在我国道路交通运输管理工作中，货运车辆超限以及超载问题一直是有关行业管理部门工作关注的重点之一。超限超载运输不仅会严重破坏车辆轮胎性能，造成严重的安全隐患，同时也会损坏道路路面、毁坏国家的基础交通设施、增加公路及高速公路管理部门维护的成本。近年来，车辆超载造成的特大事故时有发生，2019年10月，无锡高架桥发生垮塌事故，其直接原因为货车严重超载。综上，对货车载重高效的监视、管理方法迫切且必要。

目前交通运输管理部门主要通过在高速公路收费站和部分入口对货车称重实现对货车载重的监管，但对于国道、省道以及非运营道路无法监管。而随着收费公路制度的改革，各省、市都在推进高速公路ETC的发行与安装，收费站将逐渐被ETC取代，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题；另一方面，现有的称重系统需要车辆停车再称重，严重影响了高速公路的通行效率。所以，为了有效的监管货车的载荷、提高高速道路的通行效率，亟需一种低成本的货车实时超载监测方法。

同时，道路的沉降高低不均一直是路面常见的病害之一，道路沉降不均会同时影响道路的通行效率以及车辆行驶的安全，目前道路确认路面的病害情况往往需要借助昂贵的装备，即具备超声探测仪的专用探测车，从而监测成本很高，今儿导致高速路面的沉降不均等问题不能及时解决。所以，一种低成本、实时地确定路道路沉降不均的位置的方法，有助于有关部门及时对路面进行维护，并减小探测路面问题的开支。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置，可以在不影响车辆的正常行驶的情况下，在车辆行驶过程中实时监测悬挂重量，并且可以减少货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；另外，本发明通过构建车辆的振动数据库，可实时检测高速路面的沉降不均，并标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，包括：

根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

一实施例中，所述根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素包括：

利用受力分析方法，根据车辆自重、车辆悬挂重量、车悬架刚度系数、车轮胎刚度系数、车悬挂部分阻尼系数、车轮胎阻尼系数、车身振动时的垂直位移、车轮振动时的垂直位移以及路面平整度函数，建立所述车辆振动模型；

求解所述车辆振动模型，以确定所述无阻尼自由振动影响因素以及所述受迫振动频率的影响因素。

一实施例中，所述根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况，包括：

根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库；

根据所述监测数据库求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数以及车辆自重，以确定车辆类型；

根据所述刚性结构参数、所述阻尼系数、所述车辆自重、所述车辆类型以及车辆当前振动频率监测所述车辆悬挂重量。

一实施例中，所述监测数据库包括：车辆振动数据库以及道路监测数据库；

所述根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库，包括：

根据各车辆多次行程过程中的参数建立所述车辆振动数据库；

根据多个车辆多次行驶在多个特定道路上的参数建立所述道路监测数据库。

一实施例中，所述参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

一实施例中，所述根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库，包括：

根据车载GPS定位装置获取车辆的位置数据；

根据数据时间戳以及所述位置数据计算车辆的实时速度；

根据所述振动频率、所述幅度数据、所述位置数据以及所述实时速度建立所述车辆振动数据库。

一实施例中，所述根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况，还包括：

判断至少一车辆的振动频率与预设阈值范围之间的关系，以监测所述道路路况，所述道路路况为道路路面的不平整程度。

第二方面，本发明提供一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置，包括：

影响因素确定单元，用于根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

振动传感器设置单元，用于通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

载荷及路况监测单元，用于根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

一实施例中，所述影响因素确定单元包括：

振动模型建立模块，用于利用受力分析方法，根据车辆自重、车辆悬挂重量、车悬架刚度系数、车轮胎刚度系数、车悬挂部分阻尼系数、车轮胎阻尼系数、车身振动时的垂直位移、车轮振动时的垂直位移以及路面平整度函数，建立所述车辆振动模型；

模型求解模块，用于求解所述车辆振动模型，以确定所述无阻尼自由振动影响因素以及所述受迫振动频率的影响因素。

一实施例中，载荷及路况监测单元包括：

监测数据库建立模块，用于根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库；

车辆类型确定模块，用于根据所述监测数据库求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数以及车辆自重，以确定车辆类型；

悬挂重量监测模块，用于根据所述刚性结构参数、所述阻尼系数、所述车辆自重、所述车辆类型以及车辆当前振动频率监测所述车辆悬挂重量。

一实施例中，所述监测数据库包括：车辆振动数据库以及道路监测数据库；

监测数据库建立模块包括：

车辆数据库建立模块，用于根据各车辆多次行程过程中的参数建立所述车辆振动数据库；

道路数据库建立模块，用于根据多个车辆多次行驶在多个特定道路上的参数建立所述道路监测数据库。

一实施例中，所述参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

一实施例中，监测数据库建立模块包括：

位置数据获取模块，用于根据车载GPS定位装置获取车辆的位置数据；

实时速度计算模块，用于根据数据时间戳以及所述位置数据计算车辆的实时速度；

数据库建立模块，用于根据所述振动频率、所述幅度数据、所述位置数据以及所述实时速度建立所述车辆振动数据库。

一实施例中，载荷及路况监测单元还包括：

道路路况监测模块，用于判断至少一车辆的振动频率与预设阈值范围之间的关系，以监测所述道路路况，所述道路路况为道路路面的不平整程度。

第三方面，本发明提供一种电子设备，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，处理器执行程序时实现基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的步骤。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法及装置，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本发明的创新点在于：1)振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，从而判断路面的损坏情况。本发明创造性的提出将便携的振动传感器安装到车辆上，实现对车辆负载的实时检测，2019年以来ETC的推广与省市收费站的取消，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题，，而本发明能够大大减小这个问题；2)传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患，本发明在不影响车辆的正常行驶的情况下，可在车辆行驶过程中实时监测，减少了货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；3)本发明通过构建车辆的振动数据库，实时检测高速路面的沉降不均，标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理，并减小探测路面问题的开支。

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。

图1为本发明的实施例中基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法流程示意图；

图2为本发明的实施例中步骤100的流程示意图；

图3为本发明的实施例中车辆振动模型的4自由度模型结构示意图；

图4为本发明的实施例中步骤300的流程示意图；

图5为本发明的实施例中步骤301的流程示意图一；

图6为本发明的实施例中步骤301的流程示意图二；

图7为本发明的实施例中步骤300的流程示意图二；

图8为本发明的具体应用实例中基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的流程示意图；

图9为本发明的具体应用实例中判断车辆是否超载的流程示意图；

图10为本发明的具体应用实例中监测路面沉降不均位置的流程示意图；

图11为本发明的实施例中基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置的结构框图；

图12为本发明的具体应用实例中影响因素确定单元结构示意图；

图13为本发明的具体应用实例中载荷及路况监测单元结构示意图一；

图14为本发明的具体应用实例中监测数据库建立模块结构示意图一；

图15为本发明的具体应用实例中监测数据库建立模块结构示意图二；

图16为本发明的具体应用实例中载荷及路况监测单元结构示意图二；

图17为本发明的实施例中的电子设备的结构示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，并通过检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，以判断路面的损坏情况，具有不及时以及不准确的缺点。2019年以来电子不停车收费系统(ETC，Electronic Toll Collection)的推广与省、市收费站的取消，货车只在部分高速出入口称重，从而导致对货车的监管力度下降，如果不增加其他对货车载荷监管的程序，可能会使得道路超载问题加剧，另一方面，传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患。基于此，本发明的实施例提供一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的具体实施方式，参见图1，该方法具体包括如下内容：

步骤100：根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素。

步骤100在实施时，具体为：基于本发明改进后的的四维度车辆振动模型，确定车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素，可以理解的是，车辆在正常行驶时，其固有频率仅受自身刚性结构、阻尼系数、自重与载重影响。车辆在不平整路面下的受迫振动与车辆在不平整路面行驶的时间、车速、路面波长、路面波幅有关。

步骤200：通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数。

由背景技术可知，现有技术中，振动传感器均设置于路面中，本发明实施例创造性的提出将振动传感器(优选便携的振动传感器)安装到车辆上，以实现对车辆负载的实时监测，所述参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

步骤300：根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

具体地，利用多次车辆行程中的数据求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数和车体自重参数，进而判断车辆的载重情况。

另一方面，一次行程中，车辆的载重一般不会发生变化，由车辆振动模型可以知道车辆的振动频率也不会发生明显变化，若在一次行程中，车辆的振动频率发生突变，则表明车辆收到了不平整路面的激励，此时记录突变发生的GPS定位，从而确认路面沉降不均的位置。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

一实施例中，参见图2，步骤100具体包括：

步骤101：利用受力分析方法，根据车辆自重、车辆悬挂重量、车悬架刚度系数、车轮胎刚度系数、车悬挂部分阻尼系数、车轮胎阻尼系数、车身振动时的垂直位移、车轮振动时的垂直位移以及路面平整度函数，建立所述车辆振动模型。

可以理解的是，车辆的振动包括车身水平方向的振动和竖直方向的振动，若仅在路面短波的激励下，车辆受激励的振动一般仅仅涉及车辆跳动，即竖直方向的振动，车身水平方向几乎无振动，构建车辆的振动模型如图3所示。图中：m_2为货车悬挂部分的质量(包括车载货物等)；m_1为非悬挂部分的质量(车辆自重)；k_2为车悬架刚度系数；k_1为车轮胎刚度系数；c_2为车悬挂部分阻尼系数；c_1为车轮胎阻尼系数；y_0为车身振动时的垂直位移；y_1为车轮振动时的垂直位移；y_2为地面对车轮的激励(路面平整度函数)。

步骤102：求解所述车辆振动模型，以确定所述无阻尼自由振动影响因素以及所述受迫振动频率的影响因素。

通过对求解由步骤101所建立的车辆振动模型可以知道，若路面维护较好的话，基本可认为是理想路面，车辆正常行驶时的振动为无阻尼自由振动，其固有频率(由物理学基本定理可以知道，物体受迫振动频率的大小与受迫力的频率及物体自身的固有频率有关)仅受自身刚性结构、阻尼系数、自重与载重影响。确认车辆在不平整路面下的受迫振动与车辆在不平整路面行驶的时间、车速、路面波长、路面波幅有关。

一实施例中，参见图4，步骤300包括：

步骤301：根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库。

具体地，基于不同车辆经过同一道路路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，以实时地检测高速路面沉降不均问题的地点，进而标记道路沉降不均的位置，使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理。

步骤302：根据所述监测数据库求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数以及车辆自重，以确定车辆类型。

步骤302在实施时，具体为：选取车辆振动数据库中的固定车辆多次行程，根据车辆振动模型求解车辆刚体结构参数、阻尼系数以及车辆自重，从而可以确认车型。

步骤303：根据所述刚性结构参数、所述阻尼系数、所述车辆自重、所述车辆类型以及车辆当前振动频率监测所述车辆悬挂重量。

在步骤303的基础上(车型以及车辆自重等)，输入此次行程的车辆振动频率，求解得到此次运输的载货重量(车辆悬挂重量)，从而可以判断车辆是否超载。

一实施例中，所述监测数据库包括：车辆振动数据库以及道路监测数据库；参见图5，步骤301进一步包括：

步骤3011：根据各车辆多次行程过程中的参数建立所述车辆振动数据库。

步骤3012：根据多个车辆多次行驶在多个特定道路上的参数建立所述道路监测数据库。

可以理解的是，步骤3011是以车辆为对象，根据各自车辆多次行驶过程中的参数建立的车辆振动数据库。而步骤3012是以道路为对象，根据多车多次行驶过程中的参数建立的道路监测数据库。两者均是基于多车多次的振动数据所建立的。

一实施例中，步骤200中的参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

一实施例中，参见图6，步骤301包括：

步骤301a：根据车载GPS定位装置获取车辆的位置数据。

根据全球定位系统GPS(Global Positioning System)

步骤301b：根据数据时间戳以及所述位置数据计算车辆的实时速度。

在步骤301a以及步骤301b中，根据全球定位系统GPS(Global PositioningSystem)可获取车辆的位置信息；将传感器采集的数据通过通讯设备传输至数据中心，再结合数据时间戳，可计算得到车辆行驶的实时车速。

步骤301c：根据所述振动频率、所述幅度数据、所述位置数据以及所述实时速度建立所述车辆振动数据库。

可以理解的是，步骤301c中的车辆振动数据库是一种车辆行驶特征数据库(按照时间戳存储车辆的特征数据，包括：车速，车辆位置以及车辆振动频率等)，其内部存储有同一车辆多次行程中的数据，并且含有多个车辆的该种数据。

一实施例中，参见图7，步骤300还包括：

步骤304：判断至少一车辆的振动频率与预设阈值范围之间的关系，以监测所述道路路况，所述道路路况为道路路面的不平整程度。

一次行程中，车辆的载重不发生变化，由车辆振动模型可以知道车辆的振动频率也不会发生明显变化，若在一次行程中，车辆的振动频率发生突变，则表明车辆收到了不平整路面的激励，此时记录突变发生的GPS定位，从而可以确定路面沉降不均的位置。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本发明的创新点在于：1)振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，从而判断路面的损坏情况。本发明创造性的提出将便携的振动传感器安装到车辆上，实现对车辆负载的实时检测，2019年以来ETC的推广与省市收费站的取消，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题，而本发明能够大大减小这个问题；2)传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患，本发明在不影响车辆的正常行驶的情况下，可在车辆行驶过程中实时监测，减少了货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；3)本发明通过构建车辆的振动数据库，实时检测高速路面的沉降不均，标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理，并减小探测路面问题的开支。

为进一步地说明本方案，本发明提供基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的具体应用实例，该具体应用实例具体包括如下内容，参见图8。

S1：构建车辆振动模型。

车辆的振动包括车身水平和竖直方向的振动，若仅在路面短波的激励下，车辆受激励的振动一般仅仅涉及车辆跳动，即竖直方向的振动，车身水平方向几乎无振动，构建车辆的振动模型如图3所示。图中：m₂为货车悬挂部分的质量(包括车载货物等)；m₁为非悬挂部分的质量(车辆自重)；k₂为车悬架刚度系数；k₁为车轮胎刚度系数；c₂为车悬挂部分阻尼系数；c₁为车轮胎阻尼系数；y₀为车身振动时的垂直位移；y₁为车轮振动时的垂直位移；y₂为地面对车轮的激励(路面平整度函数)。进行受力分析得到系统的振动微分方程为：

S2：确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素。

令y＝Ucos(w₀t-α)，则整理得到：

则系统的无阻尼振动固有频率为：

若路面维护较好，则基本可认为是理想路面，车辆正常行驶时的振动为无阻尼自由振动，由公式(3)可以知道，其固有频率仅受自身刚性结构、阻尼系数、自重与载重影响。

假设路面波形符合正弦函数y₀(t)＝Hsin(wt)，H表示路面振幅，w＝2πv/λ，其中v是车辆行驶速度，λ是路面波长，完全水平的理想路面下λ＝0。则结合车辆振动系统的微分方程，可以确认车辆在不平整路面下的受迫振动与车辆在不平整路面行驶的时间、车速、路面波长、路面波幅有关。

S3：采集数据以及预处理数据。

利用振动传感器采集车辆行驶过程中车体的振动频率及幅度数据；基于车载GPS定位装置获取车辆的位置信息；将传感器采集的数据通过通讯设备传输至数据中心，再结合数据时间戳，计算得到车辆行驶的实时车速。

S4：构建车辆振动数据库。

按照时间戳存储车辆的特征，包括：车速v，车辆位置(lon,lat)，车辆振动频率w等。

S5：实时监测车辆悬挂重量。

可以理解的是，大部分路面维护到位，通常认为养护到位的高速路面波幅λ在0.0001左右，接近于完全水平的标准路面，此时车辆的振动只和车辆的总重量及车辆刚性结构、阻尼系数有关，即公式(3)中表示车辆刚性结构的k_1,k_2，阻尼系数c_1,c_2车体自重m_1恒定不变，车辆的振动频率只随车辆载重的变化而变化，车辆的一次行程中车辆的载重不变，固有振动频率不发生变化，利用多次行程中的数据构建载重数据库，课求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数和车体自重参数，再输入当前频率则可求解出当前车辆的载重，判断车辆的载重情况。

具体地，参见图9，选取数据库中车辆的多次行程，根据步骤S1中的模型，求解车辆刚体结构参数k_1，k_2，车辆自重m_1，以确认车型，接着，输入此次行程的车辆振动频率w_0，求解得到此次运输的载货重量，结合车辆自重等信息，判断车辆是否超载。

S6：监测道路路面的不平整程度。

具体地，参见图10，监测某次行程中车辆的振动频率是否发生突变，若发生，则标记位置，表明此处高速道路路面可能存在沉降不均的问题；否则，认为此次行程中车辆经过的高速路面养护良好；优选地，获取数据库中经过此路段的车辆行程，采用聚类的方法确认行程中的车辆振动的频率突变是否是由于路面出现沉降不均问题，最终确认出现沉降不均问题的路面的位置。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本发明的创新点在于：1)振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，从而判断路面的损坏情况。本发明创造性的提出将便携的振动传感器安装到车辆上，实现对车辆负载的实时检测，2019年以来ETC的推广与省市收费站的取消，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题，而本发明能够大大减小这个问题；2)传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患，本发明在不影响车辆的正常行驶的情况下，可在车辆行驶过程中实时监测，减少了货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；3)本发明通过构建车辆的振动数据库，实时检测高速路面的沉降不均，标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理，并减小探测路面问题的开支。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例。由于基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置解决问题的原理与基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法相似，因此基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置的实施可以参见基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本发明的实施例提供一种能够实现基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置的具体实施方式，参见图11，基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置具体包括如下内容：

影响因素确定单元10，用于根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

振动传感器设置单元20，用于通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

载荷及路况监测单元30，用于根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

一实施例中，参见图12，所述影响因素确定单元10包括：

振动模型建立模块101，用于利用受力分析方法，根据车辆自重、车辆悬挂重量、车悬架刚度系数、车轮胎刚度系数、车悬挂部分阻尼系数、车轮胎阻尼系数、车身振动时的垂直位移、车轮振动时的垂直位移以及路面平整度函数，建立所述车辆振动模型；

模型求解模块102，用于求解所述车辆振动模型，以确定所述无阻尼自由振动影响因素以及所述受迫振动频率的影响因素。

一实施例中，参见图13，载荷及路况监测单元30包括：

监测数据库建立模块301，用于根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库。

车辆类型确定模块302，用于根据所述车辆振动数据库求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数以及车辆自重，以确定车辆类型；

悬挂重量监测模块303，用于根据所述刚性结构参数、所述阻尼系数、所述车辆自重、所述车辆类型以及车辆当前振动频率监测所述车辆悬挂重量。

一实施例中，所述监测数据库包括：车辆振动数据库以及道路监测数据库；

参见图14，监测数据库建立模块301包括：

车辆数据库建立模块3011，用于根据各车辆多次行程过程中的参数建立所述车辆振动数据库；

道路数据库建立模块3012，用于根据多个车辆多次行驶在多个特定道路上的参数建立所述道路监测数据库。

一实施例中，所述参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

一实施例中，参见图15，监测数据库建立模块301包括：

位置数据获取模块301a，用于根据车载GPS定位装置获取车辆的位置数据；

实时速度计算模块301b，用于根据数据时间戳以及所述位置数据计算车辆的实时速度；

数据库建立模块301c，用于根据所述振动频率、所述幅度数据、所述位置数据以及所述实时速度建立所述车辆振动数据库。

一实施例中，参见图16，载荷及路况监测单元30还包括：

道路路况监测模块304，用于判断至少一车辆的振动频率与预设阈值范围之间的关系，以监测所述道路路况，所述道路路况为道路路面的不平整程度。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本发明的创新点在于：1)振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，从而判断路面的损坏情况。本发明创造性的提出将便携的振动传感器安装到车辆上，实现对车辆负载的实时检测，2019年以来ETC的推广与省市收费站的取消，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题，而本发明能够大大减小这个问题；2)传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患，本发明在不影响车辆的正常行驶的情况下，可在车辆行驶过程中实时监测，减少了货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；3)本发明通过构建车辆的振动数据库，实时检测高速路面的沉降不均，标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理，并减小探测路面问题的开支。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图17，电子设备具体包括如下内容：

处理器(processor)1201、存储器(memory)1202、通信接口(CommunicationsInterface)1203和总线1204；

其中，处理器1201、存储器1202、通信接口1203通过总线1204完成相互间的通信；通信接口1203用于实现服务器端设备、振动传感器以及客户端设备等相关设备之间的信息传输。

处理器1201用于调用存储器1202中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法中的全部步骤，例如，处理器执行计算机程序时实现下述步骤：

步骤100：根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

步骤200：通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

步骤300：根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

从上述描述可知，本申请实施例中的电子设备，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的全部步骤，例如，处理器执行计算机程序时实现下述步骤：

步骤100：根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

步骤200：通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

步骤300：根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

从上述描述可知，本申请实施例中的计算机可读存储介质，基于低成本、便于安装的振动传感器实时记录车辆行驶时的振动信号，并结合车辆上的定位装置，进而将两种信号实时更新传输至数据处理中心，构建车辆行驶数据库，并基于四维度车辆振动模型构建本发明所应用的车辆振动模型，从而确定了车辆无阻尼自由振动固有频率和在路面不平整情况下受迫振动频率的影响因素。进而实时的根据车辆无阻尼振动频率确认车辆载重状态，包括空载、正常载荷、超载、严重超载等几种不同情况，另一方面，基于不同车辆经过同一高速路段的行程，对其频率突变(路面不平整引起的受迫振动频率)的地点进行聚类，实时地监测高速路面沉降不均的地点。

本发明的创新点在于：1)振动传感器在交通领域中往往被嵌入安装到地面上，检测局部路面在汽车行驶之后的振动情况，从而判断路面的损坏情况。本发明创造性的提出将便携的振动传感器安装到车辆上，实现对车辆负载的实时检测，2019年以来ETC的推广与省市收费站的取消，收费方式也将由现有的货运汽车称重收费方式改为按照车型收费的方式，货车载重的有效监管将成为一个难题，而本发明能够大大减小这个问题；2)传统的货车称重系统需要货车停车称重，严重影响了货车的通行效率，重型货车频繁的停车称重也存在较大的安全隐患，本发明在不影响车辆的正常行驶的情况下，可在车辆行驶过程中实时监测，减少了货车停车称重、排队等候的时间，能够大大提升货车的通行效率；3)本发明通过构建车辆的振动数据库，实时检测高速路面的沉降不均，标记道路沉降不均的位置，以使有关部门基于标记的位置能够及时对道路进行维护管理，并减小探测路面问题的开支。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

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。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，包括：

根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

2.根据权利要求1所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素包括：

利用受力分析方法，根据车辆自重、车辆悬挂重量、车悬架刚度系数、车轮胎刚度系数、车悬挂部分阻尼系数、车轮胎阻尼系数、车身振动时的垂直位移、车轮振动时的垂直位移以及路面平整度函数，建立所述车辆振动模型；

求解所述车辆振动模型，以确定所述无阻尼自由振动影响因素以及所述受迫振动频率的影响因素。

3.根据权利要求1所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况，包括：

根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库；

根据所述监测数据库求解出车辆刚性结构参数、阻尼系数以及车辆自重，以确定车辆类型；

根据所述刚性结构参数、所述阻尼系数、所述车辆自重、所述车辆类型以及车辆当前振动频率监测所述车辆悬挂重量。

4.根据权利要求3所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述监测数据库包括：车辆振动数据库以及道路监测数据库；

所述根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库，包括：

根据各车辆多次行程过程中的参数建立所述车辆振动数据库；

根据多个车辆多次行驶在多个特定道路上的参数建立所述道路监测数据库。

5.根据权利要求1所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述参数包括：车辆行驶过程中车辆的振动频率及幅度数据。

6.根据权利要求5所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述根据多个车辆各自的多次行驶过程中的参数建立监测数据库，包括：

根据车载GPS定位装置获取车辆的位置数据；

根据数据时间戳以及所述位置数据计算车辆的实时速度；

根据所述振动频率、所述幅度数据、所述位置数据以及所述实时速度建立所述车辆振动数据库。

7.根据权利要求6所述的基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法，其特征在于，所述根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况，还包括：

判断至少一车辆的振动频率与预设阈值范围之间的关系，以监测所述道路路况，所述道路路况为道路路面的不平整程度。

8.一种基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测装置，其特征在于，包括：

影响因素确定单元，用于根据预建立的车辆振动模型确定车辆的无阻尼自由振动影响因素以及受迫振动频率的影响因素；

振动传感器设置单元，用于通过振动传感器实时采集车辆行驶过程中的参数；

载荷及路况监测单元，用于根据所述影响因素以及所述参数监测车辆载荷以及道路路况。

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权利要求1至7任一项所述基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的步骤。

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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述基于车辆振动数据的车辆载荷及道路路况监测方法的步骤。

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