CN112798689B - 道路状况监测系统及其监测方法 - Google Patents

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CN112798689B CN202011600340.XA CN202011600340A CN112798689B CN 112798689 B CN112798689 B CN 112798689B CN 202011600340 A CN202011600340 A CN 202011600340A CN 112798689 B CN112798689 B CN 112798689B
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Abstract

本公开涉及一种道路状况监测系统及其监测方法。该道路状况监测系统包括传感器单元、数据处理单元和预警单元。该传感器单元布置于道路的相关监测位置并用于获取道路在车辆通过时的振动信号，该数据处理单元用于根据所述振动信号和道路振动的历史参考数据生成分析结果，该预警单元用于根据所述分析结果生成预警信息。本公开的道路状况监测系统和监测方法，可以将传感器长期跟踪道路振动而获得的历史振动数据作为参考数据，并将传感器获取的振动信号与该历史参考数据相结合来分析道路振动的变化，进而可以根据道路振动的整体变化趋势来判断道路状况，从而减少对道路状况的错误判断，使得对道路状况的预警更加准确。

Description

道路状况监测系统及其监测方法
技术领域
本公开一般地涉及监测技术领域。具体地，本公开涉及一种道路状况监测系统及其监测方法。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述可包括可以探究的概念，但不一定是之前已经想到或者已经探究的概念。因此，除非在此指出，否则在本部分中描述的内容对于本申请的说明书和权利要求书而言不是现有技术，并且并不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
道路巡检是道路管养的基础，但目前多数道路巡查主要还是以人工巡查为主，以汽车、电瓶车为代步工具，使用平板、手机、记录表作为记录工具。针对人工巡查方式的有效性、结果真实性及完整性难以获得保障。再加上产出的非结构化数据无法被充分利用，对于推动城市道路设施精细化管养还有很大的进步空间。另外，对于主干道路的质量检测则需依赖于成本高昂的进口重型检测设备，虽能检测出道路病害，但成本高、周期长，无法符合占道路整体量较大的中低等级道路的运维需求。
因此，出现了利用人工智能、云计算及大数据等新兴技术的道路监测系统。然而，传统的道路监测系统通过对单个传感器采集的监测点的数据与固定阈值进行比较来判断道路状况。这导致在传感器测量不稳定、振动干扰多等情况下，容易对道路状况出现误判。
发明内容
为了至少解决上面的一个或多个技术问题，本公开提供一种道路状况监测系统及其监测方法。本公开实施例通过利用传感器长期跟踪道路振动信息的变化，根据振动变化趋势判断道路状况，使得对道路状况的预警更加准确。鉴于此，本公开在如下的多个方面提供相应的解决方案。
在第一方面，本公开提供一种道路状况监测系统，所述系统包括：传感器单元，其布置于道路的相关监测位置，并用于获取道路在车辆通过时的振动信号；数据处理单元，其用于根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果；以及预警单元，其用于根据所述分析结果生成预警信息。
在一个实施例中，所述传感器单元包括至少一个振动传感器。
在另一个实施例中，所述振动传感器是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的至少一种。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果：根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值；根据所述振动特征值确定正态分布均值；根据所述历史参考数据确定参考值；并且将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值：通过对所述振动信号进行时频域变换，确定多个频率下的振动信息；根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息；根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵；以及根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值。
在又一个实施例中，所述多个频率下的振动信息通过以下公式来表示：
Si＝∑kAi,kcos(wkt)+j·Bi,ksin(wkt)；
其中，Si代表对应于第i个振动传感器所获取的振动信号的多个频率(振动角频率)下的振动信息，wk代表第k个振动角频率，Ai,k和Bi,k代表对应于第i个振动传感器且第k个振动角频率下的振动信息的系数。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息：在所述多个频率下的振动信息中选取信噪比大于预设值的振动信息作为有效振动信息。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取以下公式根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵：
Figure BDA0002870834310000031
E＝(Ei,k)N×M；
其中，Ei,k代表对应于第i个振动传感器的第k个有效振动信息的信号强度，E代表所述信号强度的有效矩阵，N代表振动传感器的数量，M代表有效振动信息的数量。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取以下公式根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值：
ME＝E·ET＝(Ei,k·Ek,j)N×N；
其中，ME代表所述相关性矩阵，ET代表所述有效矩阵的转置矩阵，
并且根据N阶相关性矩阵获得分别对应于N个振动传感器的N个特征值，并且将所述N个特征值作为对应的N个振动传感器的各自的振动特征值。
在又一个实施例中，所述参考数据是存储的振动特征值的历史数据，并且当次计算得到的振动特征值被存储以便与已有历史数据一起作为下次计算的历史数据。
在又一个实施例中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述参考数据确定参考值：根据正态分布的所述历史数据的均值确定参考值。
在又一个实施例中，所述预警单元配置为采取如下方式根据所述分析结果生成预警信息：根据所述偏差与预设阈值的差值来确定预警信息。
在又一个实施例中，所述系统还包括监控中心，所述预警单元将所述预警信息通过有线方式或无线方式发送至所述监控中心。
在又一个实施例中，所述有线方式通过网线或光纤来实现，所述无线方式通过4G或5G来实现。
在又一个实施例中，所述系统包括多个传感器单元，所述多个传感器单元布置于道路的不同路段。
在第二方面，本公开公开一种利用道路状况监测系统进行监测的道路状况监测方法，其中，所述道路状况监测系统是上述的道路状况监测系统。
利用本公开的道路状况监测系统和监测方法，可以将传感器长期跟踪道路振动而获得的历史振动数据作为参考数据，并将传感器获取的振动信号与该历史参考数据相结合来分析道路振动的变化，进而可以根据道路振动的整体变化趋势来判断道路状况，减少对道路状况的错误判断，从而使得对道路状况的预警更加准确。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分其中：
图1示根据本公开实施例的道路状况监测系统示意图；
图2示根据本公开另一实施例的道路状况监测系统示意图；
图3示根据本公开又一实施例的道路状况监测系统示意图；以及
图4示出根据本公开实施例的道路状况监测方法的示例性流程图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本公开的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
智能道路监测系统是一种利用人工智能、云计算及大数据等新兴技术的系统，它把先进的传感技术、计算机处理技术、信息技术、数据通信传输技术及电子控制技术等有效地综合运用，得以监控路况。借助智能道路监测系统，道路养护单位能对道路状况及时做出响应，从而提高道路养护效率并降低维护成本。此外，车辆可以根据道路监测系统的预警回避出现问题的路段，从而确保车辆安全。
道路，是指可以供各种无轨车辆和行人通行的基础设施。本公开的道路包括但不限于公路、桥梁、隧道、涵洞。其中公路的道路除了车辆和行人通行的地方还包括从道路延伸到两侧边的边缘区域。桥梁、隧道和涵洞可以包括车辆和行人通行的部分以及它们各自的结构，例如桥梁包括桥面和桥墩等桥梁构造，隧道包括隧道顶壁、侧壁等构造，涵洞包括内壁、上壁及外壁等构造。
下面结合附图来详细描述本公开的具体实施方式。
本公开提供一种道路状况监测系统。参照图1，图1是示出根据本公开实施例的道路状况监测系统100的示意图。如图1所示，该道路状况监测系统100包括传感器单元110、数据处理单元120和预警单元130。该传感器单元110布置于道路的相关监测位置并用于获取道路在车辆通过时的振动信号，该数据处理单元120用于根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果，该预警单元130用于根据所述分析结果生成预警信息。
根据本公开的实施例，传感器单元110例如可以布置在道路的不同路段处，例如公路、桥梁、隧道、涵洞等的相关监测位置。相关监测位置例如可以是道路及道路两侧边围栏的区域，桥梁的桥面上、桥体下部或桥墩上，隧道的道路和洞身，涵洞的道路、内壁、上壁及外壁等。另外，传感器单元110中的传感器的布置可以采用嵌入方式和/或附着方式。上述的传感器的安装位置和安装方式是示例性的并不是限制性的，当然还可以包括其它安装方式和其它相关监测位置。
在一个实施例中，传感器单元110包括至少一个振动传感器。
在另一个实施例中，所述振动传感器110是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的至少一种。
具体地，当传感器单元包括一个振动传感器时，该振动传感器可以是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的一种，当传感器单元包括多个振动传感器时，多个振动传感器可以是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的一种或多种。
在本公开的另一实施例中，道路状况监测系统100还可以包括多个上述的传感器单元110，多个传感器单元110可以布置于道路的不同路段。另外，每个传感器单元110可以包括一个或多个传感器。
根据本公开的实施例中，传感器单元110可以通过有线或无线的方式将振动信号传送给数据处理单元120，有线方式可以通过网线或光纤来实现；无线方式可以通过4G或5G模块来实现。在该实施例中，关于无线传输，可以利用4G或5G通过ZigBee等无线传输技术振动信号传送给数据处理单元120。
由于振动传感器获取的振动信号是模拟信号，当通过有线方式传输时，如果连接线是信号线，则振动信号无需经过额外的处理就可以直接传送至数据处理单元120，并且由数据处理单元120进行模数转换处理。如果连接线是网线或光纤或者通过无线方式传输，则需要对振动信号先进行模数转换，才能传送给数据处理单元120，这将在下面的实施例中详细描述。
根据本公开的实施例，数据处理单元120用于根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果。根据更具体地的实施例，数据处理单元120可以配置为采取如下方式根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果：根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值；根据所述振动特征值确定正态分布均值；根据所述历史参考数据确定参考值；并且将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差。
在该实施例中，数据处理单元120从传感器单元110接收预定周期的道路振动信号，如上所述，该振动信号由传感器单元110进行模数转换处理或者由数据处理单元120进行模数转换处理。此外，数据处理单元120调用存储的关于道路振动的历史参考数据。数据处理单元120对预定周期的振动信号和历史参考数据进行分析处理来生成分析结果。具体地，数据处理单元120通过预定周期的振动信号来确定能够表征道路振动的特征值并根据这些振动特征值获得正态分布均值，并且通过所述历史参考数据来确定用于与该正态分布均值进行对比的参考值，最后通过将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差。该偏差即为分析结果，表明本次振动与历史振动变化的关系，即是否超出历史振动变化趋势的范围。此外，上述预定周期例如可以是一天、一周、一个月等。
更具体地，在对预定周期的振动信号进行分析时，数据处理单元120可以对每个振动传感器在预定周期内获取的多个振动信号分别进行分析，针对每个振动传感器分别获得对应于多个振动信号的多个特征值，根据大数定理，这些特征值成正态分布，因此可以获得这些特征值的正态分布参数，例如均值。并且针对每个传感器获取的振动信号，利用正态分布均值分别与每个振动传感器各自对应的参考值进行对比。
利用这种正态分布均值和参考值来获得评估结果，使得可以根据监测车辆振动的整体变化趋势来判断道路状况。
根据本公开的实施例，所述历史参考数据可以是存储的振动特征值的历史数据，并且当次计算得到的振动特征值被存储以便与已有历史数据一起作为下次计算的历史数据。
在该实施例中，针对每个传感器，所述历史参考数据是之前对传感器获取的振动信号进行分析处理后得到的振动特征值的集合。根据大数定理，该集合中的振动特征值呈正态分布。当次计算得到的振动特征值被存储以便与已有历史数据一起作为下次分析的历史数据，使得历史数据具有准确且连贯的变化趋势。
根据本公开的实施例，所述数据处理单元120配置为采取如下方式根据所述历史参考数据确定参考值：根据正态分布的所述历史数据的均值确定参考值。
在该实施例中，将计算得到的正态分布的历史数据的均值作为参考值。当然，该参考值可以根据实际需要进行调整。
根据本公开的实施例，为了获得评估结果，还可以利用振动特征值的其它正态分布参数与参考值进行对比，当然该参考值也相应地通过历史振动特征值的相应正态分布参数来确定。例如可以根据当前预定周期内的振动特征值的正态分布标准差和由历史振动特征值的正态分布标准差形成的参考值进行比较来确定评估结果。
下面将详细描述数据处理单元120利用振动信号获得振动特征值。
根据本公开的实施例，所述数据处理单元120配置为采取如下方式根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值：通过对所述振动信号进行时频域变换，确定多个频率下的振动信息；根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息；根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵；以及根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值。
在该实施例中，数据处理单元120通过对振动信号进行例如傅里叶变换的时频域变换来获得多个频率下的振动信息。在所述多个频率下的振动信息中选取与期望分析的振动信息相关的有效振动信息。并且计算有效振动信息的各自的信号强度，并将多个信号强度组成有效矩阵。最后通过所述有效矩阵确定其相关性矩阵，并利用相关性矩阵计算得到相关性矩阵的特征值以作为所述振动特征值。
根据本公开的实施例，所述多个频率下的振动信息通过以下公式(1)来表示：
Si＝∑kAi,kcos(wkt)+j·Bi,ksin(wkt)  (1)；
其中，Si代表对应于第i个振动传感器所获取的振动信号的多个频率下的振动信息，wk代表第k个振动角频率，Ai,k和Bi,k代表对应于第i个振动传感器且第k个振动角频率下的振动信息的系数。
在该实施例中，针对传感器单元110中的至少一个振动传感器，尤其多个振动传感器获得的振动信号，可以分别获得多个频率下的振动信息。
根据本公开的实施例，所述数据处理单元120配置为采取如下方式根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息：在所述多个频率下的振动信息中选取信噪比大于预设值的振动信息作为有效振动信息。
在该实施例中，根据统计和实验，本公开的期望分析的有用振动信息可以通过信噪比来选取，从而排除了不期望的干扰信息。该预设值例如可以是13DB。
值得注意的是，车辆行驶通过道路时的主要振动包括以下几类：车辆的轴重给板块的形变；车身自身的俯仰振动传递给道路；车轮部分的振动；以及车轮的轮胎花纹、发动机振动、变速箱等给道路的激励。更进一步地，车辆的轴重给板块的形变又可以包括两部分：重量带给板块的形变，其表现为超低频的信号；其次为重物对板块的冲击带来的板块振动，这部分振动的频率与速度相关。另外，对于车身自身的俯仰振动传递给道路，这部分振动的频率为2-3.5Hz；对于车轮部分振动的固有频率，这部分振动的频率为10-15Hz；而对于车轮的轮胎花纹等给道路的激励，这些振动的频率均与速度相关。而根据统计和实验，信噪比大于13DB的振动信息包括以上振动信息。这有利于更全面且更准确地利用车辆经过道路时产生的振动信息。
根据本公开的实施例，所述数据处理单元120配置为采取以下公式根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵：
Figure BDA0002870834310000091
E＝(Ei,k)N×M  (3)；
其中，Ei,k代表对应于第i个振动传感器的第k个有效振动信息的信号强度，E代表所述信号强度的有效矩阵，N代表振动传感器的数量，M代表有效振动信息的数量。
在该实施例中，利用有效振动信息获得各自的信号强度，并将多个信号强度组成有效矩阵，通过传感器单元110中的至少一个振动传感器对应的有效振动信息的系数获得每个振动传感器所对应的有效振动信息的信号强度。并且针对传感器单元中的所有振动传感器，将所有有效振动信息的信号强度组成有效矩阵，其中，矩阵的行数为振动传感器的数量，矩阵的列为有效振动信息的数量。
根据本公开的实施例，所述数据处理单元120配置为采取以下公式根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值：
ME＝E·ET＝(Ei,k·Ek,j)N×N  (4)；
其中，ME代表所述相关性矩阵，ET代表所述有效矩阵的转置矩阵，并且根据N阶相关性矩阵获得分别对应于N个振动传感器的N个特征值，并且将所述N个特征值作为对应的N个振动传感器的各自的振动特征值。
在该实施例中，通过将有效矩阵与有效矩阵的转置矩阵相乘获得N×N的相关性矩阵，从而可以利用该相关性矩阵获得与N个振动传感器对应的N个特征值。
根据本公开的实施例，所述预警单元130配置为采取如下方式根据所述分析结果生成预警信息：根据所述偏差与预设阈值的差值来确定预警信息。
在该实施例中，预警单元130通过利用数据处理单元120计算得到的偏差和预设阈值的对比来确定预警信息。该预设阈值可以是根据实际需要或经验人为设定。当传感器单元110中的振动传感器各自所对应的偏差中的任一个超过预设阈值时，产生预警信息时，这代表对应的该振动传感器所在位置存在问题。并且该预警信息根据偏差与预设阈值的差值大小可以分为不同的预警级别，本领域技术人员可以根据实际需要或经验设定不同的数值范围，当差值落入不同的数值范围内时，生成不同级别的预警信息，差值越大可能对应级别越高的预警。例如：第一级预警，代表可能有所损坏或损坏程度低，需要维护员进行勘察；第二级预警，代表损坏程度较高，需要维护员立即进行勘察；第三级预警，代表损坏严重，需要维护员立即进行勘察和维护。
根据另一个实施例，还可以根据传感器单元110中的全部振动传感器或相关区域内的多个振动传感器所对应的振动信号的分析结果进行综合判断来生成预警信息。
图2是示出根据本公开另一实施例的道路状况监测系统200的示意图。如图2所示，该道路状况监测系统包括传感器单元210、数据处理单元220、预警单元230、监控中心240、供电单元250以及存储单元221。其中，数据处理单元220和预警单元230与图1中所示的数据处理单元120和预警单元130一致，在此不再赘述。
传感器单元210与图1所示的传感器单元110的区别在于该传感器单元210还包括预处理模块212。
根据本公开的实施例，该预处理模块212对振动信号进行预处理，例如进行模数转换。具体来说，传感器单元210通过其所包括的振动传感器211将道路振动转换成模拟信号，并且由预处理模块212将模拟信号转换为数字信号。
根据本公开的实施例，传感器单元210的预处理模块212可以通过有线或无线的方式将数字振动信号传给存储单元221，有线方式可以通过网线或光纤来实现；无线方式可以通过4G或5G模块来实现。在该实施例中，关于无线传输，可以利用4G或5G通过ZigBee等无线传输技术将数字振动信号传给存储单元221。
根据本公开的实施例，存储单元221用于将由传感器单元210中的预处理模块213转换成的数字信号进行存储，例如处理预定周期的振动信号时，可以先将振动信号进行存储，以便随后对其进行集中分析处理。此外，数据处理单元220在分析处理振动信号时所获得的中间结果和最终结果也可存储在存储单元221中，例如通过数据处理单元220获得的振动特征值可以存储在存储单元221中以便更新历史参考数据。
根据另一未示出的实施例，传感器单元210获取的振动信号可以直接传送给数据处理单元220，通过数据处理单元220将模拟信号转换成数字信号，并将数字信号存储在存储单元221中。
根据本公开的实施例，监控中心240可以接收来自预警单元230的预警信息。如针对图1所描述的，预警信息可以分为不同的预警级别。监控中心在接收到预警信息后，可以根据预警信息通知维护员进行相应的处理，也可以同时提醒行经该路段的车辆留意。
根据本公开的实施例，所述预警单元230可以将所述预警信息通过有线方式或无线方式发送至所述监控中心240。所述有线方式通过网线或光纤来实现，所述无线方式通过4G或5G来实现。
在该实施例中，关于无线传输，可以利用4G或5G通过ZigBee等无线传输技术将预警信息传送给监控中心240。
在一个实施例中，监控中心240在接收到预警信息后，可以根据预警级别(例如以上结合图1描述的第三级预警)将预警信息所对应的路段位置等信息发送至交通管理部门或交通路况预报系统，通过交通管理部门或交通路况预报系统将向车辆发送提醒信息。
在另一个实施例中，监控中心240也可以与车辆上的专用设备进行通信，以提醒车辆留意该路段路况。
根据本公开的实施例，供电单元250可以对道路状况监控系统200中的传感器单元210、数据处理单元220和预警单元230进行供电。供电单元250还包括有多个电源芯片以便满足不同工作电压的需求。
在一个实施例中，根据传感器单元210、数据处理单元220和预警单元230之间的距离，供电单元250也可以包括多个独立的子供电单元，以便分别为传感器单元210、数据处理单元220及预警单元230供电。
在一个实施例中，供电单元250可以包括供电模块和/或供电电池。
图3是示出根据本公开另一实施例的道路状况监测系统300的示意图。如图3所示，道路状况监测系统300与图2中所示的道路状况监测系统200的区别在于，道路状况监测系统300还包括信号采集单元360，并且道路状况监测系统300中的传感器单元310不包括预处理模块。
传感器单元310可以包括多个振动传感器。信号采集单元360包括采集模块361和预处理模块362。信号采集单元360通过采集模块361收集各个振动传感器获取的振动信号，并通过预处理模块362将所有振动信号进行模数转换。
根据本公开的实施例，道路状况监测系统可以包括多个传感器单元，多个传感器单元可以各自布置在道路的不同路段。每个传感器单元可以包括至少一个振动传感器并与一个信号采集单元连接，并且各个信号采集单元可以将振动信号存储到存储单元，使得数据处理单元针对每个传感器单元可以如上所述定期对振动信号进行处理。
根据本公开的实施例，以上结合图1至图3描述的道路状况监测系统还可以划分成前端部分和后端部分。例如传感器单元和信号采集单元可以构成前端部分，用于采集车辆行进过程中传递给道路的振动信号，数据处理单元和预警单元构成后端部分，用于对采集到的振动信号进行分析处理并且生成预警信息。
根据本公开的另一实施例，传感器单元、数据处理单元和预警单元都可以设置在前端，并且预警单元还可以根据生成的预警信息进行现场预警。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了监测系统的若干单元或模块，但是这种划分仅仅是示意性的并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。另外，一个单元的特征和功能也可以由另一个单元来实现，例如数据处理单元也可以只进行振动特征值和参考值的计算，由预警单元将振动特征值和参考值进行对比。
本公开还提供一种道路状况监测方法。参照图4，图4示出根据本发明实施例的道路状况监测方法400的示例性流程图。可以理解的是，此处道路状况监测方法所使用系统即前面结合图1-图3详细描述的道路状况监测系统，因此在前关于该道路状况监测系统及其内部组成、功能和操作的描述也同样适用于此处的描述。
如图4所示，本公开的道路状况监测方法包括以下步骤401-403。
在步骤401中，利用布置于道路的相关监测位置的传感器单元获取道路在车辆通过时的振动信号；在步骤402中，利用数据处理单元根据所述振动信号和道路振动的历史参考数据生成分析结果；以及在步骤403中，利用预警单元根据所述分析结果生成预警信息。
根据本公开的实施例，所述传感器单元包括至少一个振动传感器。
根据本公开的实施例，所述振动传感器是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的至少一种。
根据本公开的实施例，根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果包括：根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值；根据所述振动特征值确定正态分布均值；根据所述历史参考数据确定参考值；并且将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差。
根据本公开的实施例，根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值包括：通过对所述振动信号进行时频域变换，确定多个频率下的振动信息；根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息；根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵；以及根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值。
根据本公开的实施例，所述多个频率下的振动信息通过以下公式来表示：
Si＝∑kAi,kcos(wkt)+j·Bi,ksin(wkt)；
其中，Si代表对应于第i个振动传感器所获取的振动信号的多个频率下的振动信息，wk代表第k个振动角频率，Ai,k和Bi,k代表对应于第i个振动传感器且第k个振动角频率下的振动信息的系数。
根据本公开的实施例，根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息包括：在所述多个频率下的振动信息中选取信噪比大于预设值的振动信息作为有效振动信息。
根据本公开的实施例，采取以下公式根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵：
Figure BDA0002870834310000141
E＝(Ei,k)N×M；
其中，Ei,k代表对应于第i个振动传感器的第k个有效振动信息的信号强度，E代表所述信号强度的有效矩阵，N代表振动传感器的数量，M代表有效振动信息的数量
根据本公开的实施例，采取以下公式根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值：
ME＝E·ET＝(Ei,k·Ek,j)N×N；
其中，ME代表所述相关性矩阵，ET代表所述有效矩阵的转置矩阵，并且根据N阶相关性矩阵获得分别对应于N个振动传感器的N个特征值，并且将所述N个特征值作为对应的N个振动传感器的各自的振动特征值。
根据本公开的实施例，所述历史参考数据是存储的振动特征值的历史数据，并且当次计算得到的振动特征值被存储以便与已有历史数据一起作为下次计算的历史数据。
根据本公开的实施例，根据所述参考数据确定参考值包括：根据正态分布的所述历史数据的均值确定参考值。
根据本公开的实施例，根据所述分析结果生成预警信息包括：根据所述偏差与预设阈值的差值来确定预警信息。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
应当理解，本公开的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本公开的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本公开说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本公开。如在本公开说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本公开说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
虽然本文已经示出和描述了本披露的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本披露思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本披露的过程中，可以采用对本文所描述的本披露实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本披露的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (11)

1.一种道路状况监测系统，所述系统包括：
传感器单元，其布置于道路的相关监测位置，并用于获取道路在车辆通过时的振动信号；
数据处理单元，其用于根据所述振动信号和道路振动的历史参考数据生成分析结果；
其中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果：
根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值；
根据所述振动特征值确定正态分布均值；
根据所述历史参考数据确定参考值；
并且将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差；
其中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值：
通过对所述振动信号进行时频域变换，确定多个频率下的振动信息；
根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息；
根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵；以及
根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值；
预警单元，其用于根据所述分析结果生成预警信息。
2.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述传感器单元包括至少一个振动传感器。
3.根据权利要求2所述的道路状况监测系统，其中，所述振动传感器是压电式振动传感器、加速度式振动传感器、电感式振动传感器和电容式振动传感器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息：
在所述多个频率下的振动信息中选取信噪比大于预设值的振动信息作为有效振动信息。
5.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述历史参考数据是存储的振动特征值的历史数据，并且当次计算得到的振动特征值被存储以便与已有历史数据一起作为下次计算的历史数据。
6.根据权利要求5所述的道路状况监测系统，其中，所述数据处理单元配置为采取如下方式根据所述参考数据确定参考值：
根据正态分布的所述历史数据的均值确定参考值。
7.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述预警单元配置为采取如下方式根据所述分析结果生成预警信息：
根据所述偏差与预设阈值的差值来确定预警信息。
8.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述系统还包括监控中心，所述预警单元将所述预警信息通过有线方式或无线方式发送至所述监控中心。
9.根据权利要求8所述的道路状况监测系统，其中，所述有线方式通过网线或光纤来实现，所述无线方式通过4G或5G来实现。
10.根据权利要求1所述的道路状况监测系统，其中，所述系统包括多个传感器单元，所述多个传感器单元布置于道路的不同路段。
11.一种利用道路状况监测系统进行路况监测的道路状况监测方法，其中，所述道路状况监测系统是根据权利要求1-10中任一项所述的道路状况监测系统，包括：
利用布置于道路的相关监测位置的传感器单元获取道路在车辆通过时的振动信号；
利用数据处理单元根据所述振动信号和道路振动的历史参考数据生成分析结果；
根据所述振动信号和所述道路振动的历史参考数据生成分析结果包括：根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值；根据所述振动特征值确定正态分布均值；根据所述历史参考数据确定参考值；并且将所述正态分布均值与所述参考值作差来获得偏差；
根据所述振动信号确定所述道路的振动特征值包括：通过对所述振动信号进行时频域变换，确定多个频率下的振动信息；根据所述多个频率下的振动信息确定有效振动信息；根据所述有效振动信息确定信号强度的有效矩阵；以及根据所述有效矩阵确定相关性矩阵，并将所述相关性矩阵的特征值作为所述振动特征值；
利用预警单元根据所述分析结果生成预警信息。
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