CN115326178A - 一种桥梁超载主动预警的方法及系统 - Google Patents

一种桥梁超载主动预警的方法及系统 Download PDF

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CN115326178A CN202210103214.6A CN202210103214A CN115326178A CN 115326178 A CN115326178 A CN 115326178A CN 202210103214 A CN202210103214 A CN 202210103214A CN 115326178 A CN115326178 A CN 115326178A
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Abstract

本发明涉及一种桥梁超载主动预警的方法及系统，属于桥梁监测技术领域，解决了现有技术中不能通过动态模拟最不利活载布置进行安全通行评估的问题。包括实时采集车辆荷载信息，识别出超载车辆及其类型，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；将车辆荷载数据分别传入所述桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知超载车辆。实现了桥梁超载主动预警。

Description

一种桥梁超载主动预警的方法及系统
技术领域
本发明涉及桥梁监测技术领域，尤其涉及一种桥梁超载主动预警的方法及系统。
背景技术
以桥梁为代表的基础设施作为高速公路的关键节点，其安全运营是实现交通安全和通行效率的重要条件。目前已有300座以上桥梁结构布设了安全监测系统，为了满足快速增长的交通需求与发展变革，需要及时或提前监测到超载车辆。
通常的监测方法是在桥梁桥头布设轴载感知系统，在桥梁结构上布设应变、挠度等响应监测传感器，当超载车辆通过称重时，称重超限，结合结构监测传感器数据，实现结构安全预警。
高速公路设施的运营状态受交通运行状态、结构性能状况等多重因素耦合影响，目前这种方式未考虑超载车辆车队、超载车辆通过入口时的周围车况和交通运行状态等要素，监测仅仅关注单辆车通过结构时的响应，而且有益车辆速度较快，通常发现预警时车辆已经通过桥梁，只能是事后追责，无法实现提前预警，未诱导车辆及时处置，无法避免超载车辆通行桥梁，造成不必要的安全风险。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种桥梁超载主动预警的方法和系统，用以解决现有不能通过动态模拟最不利活载布置进行安全通行评估的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种桥梁超载主动预警的方法，包括如下步骤：
实时采集车辆荷载信息，识别出超载车辆及其类型，并根据超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
将车辆荷载数据分别传入桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知超载车辆。
基于上述方法的进一步改进，超载车辆的类型包括大件运输车和普通重载车；
根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则超载车辆作为待模拟车辆，超载车辆荷载信息作为待模拟车辆荷载信息；
如果超载车辆的类型为普通重载车，则获取待预警区段中离超载车辆最近的一架桥梁的受力最不利截面所在的跨径长度，根据跨径长度和当前高速路的最低速度，得到时间长度，将时间长度除以2后作为时间间隔Δt；
基于超载车辆的采集时间h，取出[h-Δt,h+Δt]时间范围内所有采集的车辆作为待模拟车辆，对应的荷载信息作为待模拟车辆荷载信息。
基于上述方法的进一步改进，模拟最不利活载布置包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则对待模拟车辆进行单车中载布置；
如果超载车辆的类型为普通重载车，则对待模拟车辆分别进行多车中载布置和多车偏载布置。
基于上述方法的进一步改进，单车中载布置，包括：按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；将当前高速路的车道数量除以2后向上取整，得到的数值对应的车道序号作为单车中载车道序号，将超载车辆按布置在单车中载车道序号对应的车道上。
基于上述方法的进一步改进，对待模拟车辆进行多车中载布置，包括：
按车辆重量由大到小排序待模拟车辆，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；
按当前高速路的车道数量n，从排序后的待模拟车辆中循环取出n辆车作为每排待中载布置车辆，按照先中间再外内两侧交替的方式，选取车道序号依次作为每排待中载布置车辆的车道序号；以每排待中载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；设置相邻排中前一排最先布置的车的后轴与后一排最先布置的车的前轴之间的距离为预置的最短距离，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车中载布置。
基于上述方法的进一步改进，对待模拟车辆进行多车偏载布置，包括：
按车辆重量由大到小排序待模拟车辆，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；
将当前高速路的车道数量n除以2后向上取整，得到的车道序号作为最大偏载车道nm，n≥3；
将车道序号小于等于nm的车道作为偏载车道，从排序后的待模拟车辆中循环取出nm辆车作为每排待偏载布置车辆，按照由外到内的方式，选取偏载车道的车道序号依次作为每排待偏载布置车辆的车道序号；以每排待偏载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；设置相邻排中前一排最先布置的车的后轴与后一排最先布置的车的前轴之间的距离为预置的最短距离，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车偏载布置。
基于上述方法的进一步改进，通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据，包括：
以最不利活载布置中，沿前进方向横向第一排车辆的后轴位置作为坐标Y轴，当前高速路最外侧车道的纵向中心线为坐标X轴；
根据待模拟车辆荷载信息中车轴数量和轴距，以车轴中心位置为车轴坐标位置，计算得到最不利活载布置对应的待模拟车辆每个车轴的X轴和Y轴坐标，同时设置Z轴坐标为-1；
按车辆重量由大到小排序待模拟车辆，按每辆车从后轴到前轴的顺序排序车轴，将排序后的车轴从1开始编号，将车轴编号、车轴的X轴、Y轴和Z轴坐标分别以“,”连接，作为对应的车轴荷载数据，将每一车轴荷载数据组合得到最不利活载布置对应的车辆荷载数据；
桥梁有限元模型中，以当前桥梁受力最不利截面为坐标Y轴，以桥梁最外侧车道沿前进方向的纵向中心线为坐标X轴，以轴载作用方向为坐标Z轴建立坐标系。
基于上述方法的进一步改进，根据竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值包括：
根据待模拟车辆荷载信息，获取待模拟车辆中每辆车的每个轴载荷载；
如果超载车辆的类型为大件运输车，则对应每一桥梁，将每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和，得到对应的待模拟车辆总荷载效应值；
如果超载车辆的类型为普通重载车，则对应每一桥梁，分别计算多车中载布置和多车偏载布置时，待模拟车辆中每辆车的每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和得到中载车辆荷载效应值和偏载车辆荷载效应值，两者之间取最大值作为对应的待模拟车辆总荷载效应值。
基于上述方法的进一步改进，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则根据下式进行判断：
Figure BDA0003492909820000051
如果超载车辆的类型为普通重载车，则根据下式进行判断：
Figure BDA0003492909820000052
其中，Stc为对应第t架桥的待模拟车辆总荷载效应值，Sts为第t架桥的桥梁设计荷载效应值，μt为第t架桥的冲击系数，Sts和μt根据第t架桥的有限元模型，从有限元软件中获取；mt为预置的第t架桥的控制性参数。
另一方面，本发明实施例提供了一种桥梁超载主动预警的系统，包括：采集模块、监测模块、模拟布载模块和预警模块，其中，
采集模块，用于实时采集车辆荷载信息；
监测模块，用于从采集的车辆荷载信息中，识别出超载车辆及其类型，并根据超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
模拟布载模块，用于根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
预警模块，用于将车辆荷载数据分别传入桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知超载车辆。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、实时识别出超载车辆，并根据实际车辆通行情况，考虑超载车辆前后范围内的车辆，关注多车共同作用对桥梁的荷载压力，提高交通运营安全的监控能力，提升路网通行的安全度；
2、根据实际车辆的荷载情况和车辆类型，自动动态模拟最不利活载布置，对于多车同时考虑中载和偏载场景，获取不同布置下车辆的车轴坐标信息，减少人工参与，提高处理效率；
3、引入区段内包含的1架或多架桥梁的有限元模型，通过统一最不利活载布置与桥梁有限元模型的坐标系，以及自动加载最不利活载布置生成的车辆荷载矩阵，进行快速安全评估，实现了高速公路全部桥梁结构的智能监测、评估与预警，变被动监测为主动监测预警，防范重大交通安全事故，为保障交通基础设施运营安全和应急保障、提升高速公路智慧化服务水平提供有力支撑。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中桥梁超载主动预警的方法流程图；
图2为本发明实施例1中最不利活载布置中单车中载布置示意图；
图3为本发明实施例1中最不利活载布置中多车中载布置示意图；
图4为本发明实施例1中最不利活载布置中多车偏载布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1，
本发明的一个具体实施例，公开了一种桥梁超载主动预警的方法，如图1所示，包括如下步骤：
S11：实时采集车辆荷载信息，识别出超载车辆及其类型，并根据超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
为全面、及时掌握高速主线交通荷载影响基础设施安全的关键参数信息，在高速入口位置、枢纽互通等关键节点位置，结合机电工程抓拍卡口位置，采集车辆荷载信息，包括：车牌号码、车辆类型、车辆轴重、总重量、车速、车轴数量、轴距、采集时间和采集位置桩号等。相邻两个采集点之间作为一个区段，包含1架或多架桥梁。因此，同时对采集点、区段及区段中的桥梁信息进行管理，作为必备的基础数据。其中，采集点信息包括：采集点编号、采集位置、所属区段、车道数量和高速方向；区段信息包括区段编码、起点位置、终点位置、所属区域和总距离；桥梁信息包括：桥梁编码、所属区段编码、总长度、桥梁桩号、技术状况等级、服役年限和桥梁元模型的存储位置。
需要说明的是，根据桥梁结构特性、服役年限及病害情况，利用结构有限元软件已构建好桥梁有限元模型。示例性地，采用midas civil、桥梁博士构建桥梁有限元模型。
实时采集时，一旦有车辆驶入高速，通过压电传感器和压电线圈实时获取车辆轴重、车轴数量、轴距和车速等信息，结合机电系统的卡口摄像机的抓拍功能，通过压电线圈感应车辆，触发摄像机实时抓拍经过的车辆，实现对全线交通荷载的第一时间感知，为主动安全预警提供实时的基础数据。
通过光纤或5G，将采集的车辆荷载信息保存至数据库中，生成车辆荷载信息数据，同时根据预置的总重阈值和轴重阈值，识别每一采集的车辆总重量是否大于等于总重阈值，或者车辆轴重是否大于等于轴重阈值，如果符合任一条件，则对应的车辆为超载车辆，设置不同的状态标识便于区分。
根据超载车辆所属区段，获取区段信息，作为待预警区段，并关联查询出该区段包含的1架或多架桥梁信息，获取桥梁的有限元模型，供后续安全评估使用。
S12：根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
需要说明的是，超载车辆类型包括大件运输车和普通重载车，在模拟最不利活载布置时，考虑到大件运输车有特定的运输管理办法，对大件运输车只模拟单车中载布置，提升评估速度；对普通重载车不仅关注超载车辆本身，还兼顾超载车辆前后一定范围内的车辆，考虑多车以最不利活载布置通过桥梁最不利截面所在的跨径长度时，对桥梁产生的荷载，从而提高监控能力。
具体来说，根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则超载车辆作为待模拟车辆，超载车辆荷载信息作为待模拟车辆荷载信息；
如果超载车辆的类型为普通重载车，则获取待预警区段中离超载车辆最近的一架桥梁的受力最不利截面所在的跨径长度，根据跨径长度和当前高速路的最低速度，得到时间长度，将时间长度除以2后作为时间间隔Δt；
基于超载车辆的采集时间h，取出[h-Δt,h+Δt]时间范围内所有采集的车辆作为待模拟车辆，对应的荷载信息作为待模拟车辆荷载信息。
示例性地，高速公路车辆行驶最低速度为60km/h，也就是16m/s，某一桥梁的受力最不利截面所在的跨径为L米，则时间间隔Δt＝L/32秒，以超载车采集时刻为基准时刻点h0，取[h0-Δt,h0+Δt]时间范围内所有采集的车辆一起作为待模拟车辆。
在确定了待模拟车辆后，针对超载车辆的类型，在车道数量大于等于3的情况下自动模拟最不利活载布置，无需手工制图，提高处理效率，统一处理标准，提升准确度。
具体来说，最不利活载布置包括：
①如果超载车辆的类型为大件运输车，则对待模拟车辆进行单车中载布置；
具体来说，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；将当前高速路的车道数量除以2后向上取整，得到的数值对应的车道序号作为单车中载车道序号，将超载车辆按布置在单车中载车道序号对应的车道上。
示例性地，当前高速路的车道数量为3时，单车中载车道序号为2，布置情况如图2所示；当前高速路的车道数量为4时，单车中载车道序号也为2。
②如果超载车辆的类型为普通重载车，则对待模拟车辆分别进行多车中载布置和多车偏载布置。
需要说明的是，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；此时待模拟车辆通常为多辆车，首先按车辆重量由大到小排序待模拟车辆；接下来，进行多车中载布置的方法包括：
按当前高速路的车道数量n，从排序后的待模拟车辆中循环取出n辆车作为每排待中载布置车辆，按照先中间再外内两侧交替的方式，选取车道序号依次作为每排待中载布置车辆的车道序号；以每排待中载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；以每排待中载布置车辆中第一辆车的后轴位置加上预置的最短距离，作为纵向相邻排中第一辆车的前轴位置，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车中载布置。
其中，先中间再外内两侧交替的方式包括：
将当前高速路的车道数量n除以2后向上取整，得到的车道序号作为每排待中载布置车辆中第一辆车的序号nc，n≥3；
再以[nc-1,1]和[nc+1,n]的车道序号范围分别作为第一序列和第二序列，交替从两个序列中依次取出车道序号作为每排待中载布置车辆中第k辆车的车道序号，2≤k≤n。
示例性地，待模拟车辆有5辆，按照重量由大到小排序，当前高速路的车道数量为3时，中载布置为两排：第一排布置前3辆车，其中第1辆车的车道序号为2，第2辆车的车道序号为1，第3辆车的车道序号为3；第二排布置第4辆车和第5辆车，其中第4辆车的车道序号为2，第5辆车的车道序号为1，布置情况如图3所示；当前高速路的车道数量为5时，布置为一排，依次按车道序号为3，车道序号为2，车道序号为4，车道序号为1，车道序号为5的顺序进行布置。
进行多车偏载布置的方法包括：
将当前高速路的车道数量n除以2后向上取整，得到的车道序号作为最大偏载车道nm，n≥3；
将车道序号小于等于nm的车道作为偏载车道，从排序后的待模拟车辆中循环取出nm辆车作为每排待偏载布置车辆，按照由外到内的方式，选取偏载车道的车道序号依次作为每排待偏载布置车辆的车道序号；以每排待偏载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；设置相邻排中前一排最先布置的车的后轴与后一排最先布置的车的前轴之间的距离为预置的最短距离，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车偏载布置。
其中，由外到内的方式是以[1,nm]的车道序号范围作为第三序列，从第三序列中依次取出车道序号作为每排待偏载布置车辆的车道序号。
示例性地，待模拟车辆有5辆，按照重量由大到小排序，当前高速路的车道数量为3时，偏载布置为三排：第一排布置第1辆车和第2辆车，其中第1辆车的车道序号为1，第2辆车的车道序号为2；第二排布置第3辆车和第4辆车，其中第3辆车的车道序号为1，第4辆车的车道序号为2；第二排布置第5辆车，车道序号为1，布置情况如图4所示；当前高速路的车道数量为5时，布置为两排：第一排布置前3辆车，依次按车道序号为1，车道序号为2，车道序号为3进行布置；第二排布置后2辆车，其中第4辆车的车道序号为1，第5辆车的车道序号为2。
每排车的后轴布置在同一横向线上，在与桥梁有限元模型结合时，第一排车的后轴与桥梁的受力最不利截面重合，每排车的间隔根据每排最先布置的车的前后轴距离来确定，设置为预置的最短距离。示例性地，设置最短距离为3米。
通过模拟最不利活载布置，确定了不同场景下待模拟车辆的位置，再根据车辆荷载信息中的车轴数量、轴距，以车轴中心位置为车轴坐标位置，就可以计算出每个车轴的坐标，提高处理效率。
具体来说，包括如下步骤：
以最不利活载布置中，沿前进方向横向第一排车辆的后轴位置作为坐标Y轴，当前高速路最外侧车道的纵向中心线为坐标X轴；
值得注意的是，在桥梁有限元模型时以当前桥梁受力最不利截面为坐标Y轴，以桥梁最外侧车道沿前进方向的纵向中心线为坐标X轴，以轴载作用方向为坐标Z轴建立坐标系。这样可以确保最不利活载布置中第一排车辆的后轴布设在桥梁受力最不利截面上，更加符合最不利影响线加载原理，使预警结果更准确，也便于将模拟得到的数据与桥梁的有限元模型集成，提高匹配验算的处理能力。
根据待模拟车辆荷载信息中车轴数量和轴距，以车轴中心位置为车轴坐标位置，计算得到最不利活载布置对应的待模拟车辆每个车轴的X轴和Y轴坐标，同时设置Z轴坐标为-1；
按车辆重量由大到小排序待模拟车辆，按每辆车从后轴到前轴的顺序排序车轴，将排序后的车轴从1开始编号，将车轴编号、车轴的X轴、Y轴和Z轴坐标分别以“,”连接，作为对应的车轴荷载数据，将每一车轴荷载数据组合得到最不利活载布置对应的车辆荷载数据。
示例性地，在多车偏载布置中，第1辆车的第1个车轴的中心点即为坐标原点，对应的车轴荷载数据为：1,0,0,-1。
需要说明的是，车辆荷载数据的存储格式无限制，可以通过矩阵、数组、或者Json格式进行存储。
S13：将车辆荷载矩阵分别传入桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知超载车辆。
需要说明的是，目前主流的有限元软件都提供二次开发的接口和脚本语言，可以通过命令流文件实现仿真模型的建立。本实施例将步骤S12中得到的车辆荷载数据分别写入待预警区段中1架或多架桥梁的命令流文件中，通过MTC命令，分别获取每个车轴对应的每一主梁内力影响面的竖标值、每一桥梁设计荷载效应值和对应的冲击系数。
根据得到的竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，具体来说，包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则对应每一桥梁，将每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和，得到对应的待模拟车辆总荷载效应值；
如果超载车辆的类型为普通重载车，则对应每一桥梁，分别计算多车中载布置和多车偏载布置时，待模拟车辆中每辆车的每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和得到中载车辆荷载效应值和偏载车辆荷载效应值，两者之间取最大值作为对应的待模拟车辆总荷载效应值。
对应第t架桥的待模拟车辆总荷载响应值Stc表示为：
Figure BDA0003492909820000131
其中，M为待模拟车辆中所有车辆的总车轴数量，1≤i≤M；t为待预警区段的第t架桥，t≥1；pi为第i个车轴荷载，根据车辆类型获取标准轴载荷载，yti为第i个车轴对应的第t架桥主梁内力影响面的竖标值。
将待模拟车辆总荷载效应值分别与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，包括：
如果超载车辆的类型为大件运输车，则根据下式进行判断：
Figure BDA0003492909820000141
如果超载车辆的类型为普通重载车，则根据下式进行判断：
Figure BDA0003492909820000142
其中，Stc为对应第t架桥的待模拟车辆总荷载效应值，Sts为第t架桥的桥梁设计荷载效应值，μt为第t架桥的冲击系数，Sts和μt根据第t架桥的有限元模型，从有限元软件中获取；mt为预置的第t架桥的控制性参数。
需要说明的是，桥梁的控制性参数主要受桥梁结构技术状况等级和服役年限影响，通常情况下，对于技术状况等级1、2类且运营年限在20年以内的桥梁结构取为1.3，当不满足上述条件时，可根据综合评估结果做相应折减。
根据安全评估的结果，汇总不能通行的桥梁信息，优选地，结合超载车辆的车速数据，计算超载车辆到达不能通行的桥梁的时间，完善预警信息，为桥梁超载预警提供准确的应急时间数据。
具体来说，根据下式计算得到到达不能通行的桥梁的时间：
Tt＝(Kt-Kw)/Vw 公式(4)
其中，Kt为不能通行的桥梁t的位置桩号，单位是km；Kw为超载车辆w采集时的位置桩号，单位是km；Vw为超载车辆w的车速，单位是km/h。
完善后的预警信息包括：车牌号码、不能通行的桥梁名称、到达时间和强行通行的后果，推送预警信息至高速路上的预警显示屏，并及时通知司乘、高速公路的管养人员和交警监控中心，诱导超载车辆安全驶出高速。
基于安全监测和视频抓拍的通行过程监控取证，监控超载车辆是否驶出高速，实现对预警情况的记录、跟踪、管理，为安全预警诱导验证、索赔执法提供依据，保障车辆安全通行和设施的运营安全。
与现有技术相比，本实施例提供的一种桥梁超载主动预警的方法实时识别出超载车辆，并根据实际车辆通行情况，考虑超载车辆前后范围内的车辆，关注多车共同作用对桥梁的荷载压力，提高交通运营安全的监控能力，提升路网通行的安全度；根据实际车辆的荷载情况和车辆类型，自动动态模拟最不利活载布置，对于多车同时考虑中载和偏载场景，获取不同布置下车辆的车轴坐标信息，减少人工参与，提高处理效率；引入区段内包含的1架或多架桥梁的有限元模型，通过统一最不利活载布置与桥梁有限元模型的坐标系，以及自动加载最不利活载布置生成的车辆荷载矩阵，进行快速安全评估，在降低成本的基础上，实现了高速公路全部桥梁结构的智能监测、评估与预警，变被动监测为主动监测预警，防范重大交通安全事故，为保障交通基础设施运营安全和应急保障、提升高速公路智慧化服务水平提供有力支撑。
实施例2，
本发明的另一个实施例，公开了一种桥梁超载主动预警的系统，从而实现实施例1中主动预警的方法。各模块的具体实现方式参照实施例1中的相应描述。该系统包括采集模块、监测模块、模拟布载模块和预警模块，其中，
采集模块，用于实时采集车辆荷载信息；
监测模块，用于从采集的车辆荷载信息中，识别出超载车辆及其类型，并根据超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
模拟布载模块，用于根据超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
预警模块，用于将车辆荷载数据分别传入桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知超载车辆。
优选地，还包括图形化展示模块，用于图形化展示超载车辆的运行路线和桥梁能否通行的信息，包括：对识别出来的超载车辆，展示待预警区段及其包含的桥梁；在后端自动模拟最不利活载布置时，在前端生成对应的布置图像，便于核实和分析；安全评估后，将不能通行的桥梁也可通行的桥梁标注成不同的颜色进行区分，点击显示具体的预警信息。
与现有技术相比，本实施例提供的一种桥梁超载主动预警的系统构建桥梁结构主动安全预警体系，通过重载车辆数据的采集、最不利活载布载模型的动态模拟、桥梁有限元模型的自动匹配、通行结果的快速评估，实现主动预警信息和诱导信息能及时有效的发布，改变传统被动监测的模式，为智能交通主动交通控制提供数据和技术支撑，有效提升路网通行的安全和效率，在未来智能交通建设方面具有广阔的应用前景。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，包括如下步骤：
实时采集车辆荷载信息，识别出超载车辆及其类型，并根据所述超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
根据所述超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
将所述车辆荷载数据分别传入所述桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据所述竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知所述超载车辆。
2.根据权利要求1所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述超载车辆的类型包括大件运输车和普通重载车；
所述根据所述超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，包括：
如果所述超载车辆的类型为大件运输车，则所述超载车辆作为待模拟车辆，所述超载车辆荷载信息作为待模拟车辆荷载信息；
如果所述超载车辆的类型为普通重载车，则获取所述待预警区段中离超载车辆最近的一架桥梁的受力最不利截面所在的跨径长度，根据所述跨径长度和当前高速路的最低速度，得到时间长度，将所述时间长度除以2后作为时间间隔Δt；
基于所述超载车辆的采集时间h，取出[h-Δt,h+Δt]时间范围内所有采集的车辆作为待模拟车辆，对应的荷载信息作为待模拟车辆荷载信息。
3.根据权利要求2所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述模拟最不利活载布置包括：
如果所述超载车辆的类型为大件运输车，则对所述待模拟车辆进行单车中载布置；
如果所述超载车辆的类型为普通重载车，则对所述待模拟车辆分别进行多车中载布置和多车偏载布置。
4.根据权利要求3所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述单车中载布置，包括：按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；将当前高速路的车道数量除以2后向上取整，得到的数值对应的车道序号作为单车中载车道序号，将所述超载车辆按布置在所述单车中载车道序号对应的车道上。
5.根据权利要求3所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述对待模拟车辆进行多车中载布置，包括：
按车辆重量由大到小排序所述待模拟车辆，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；
按当前高速路的车道数量n，从排序后的待模拟车辆中循环取出n辆车作为每排待中载布置车辆，按照先中间再外内两侧交替的方式，选取车道序号依次作为所述每排待中载布置车辆的车道序号；以每排待中载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；设置相邻排中前一排最先布置的车的后轴与后一排最先布置的车的前轴之间的距离为预置的最短距离，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车中载布置。
6.根据权利要求3所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述对待模拟车辆进行多车偏载布置，包括：
按车辆重量由大到小排序所述待模拟车辆，按超载车辆前进方向，由当前高速路最外侧向中间开始对各车道从1进行编号，作为各车道的车道序号；
将当前高速路的车道数量n除以2后向上取整，得到的车道序号作为最大偏载车道nm，n≥3；
将车道序号小于等于nm的车道作为偏载车道，从排序后的待模拟车辆中循环取出nm辆车作为每排待偏载布置车辆，按照由外到内的方式，选取所述偏载车道的车道序号依次作为所述每排待偏载布置车辆的车道序号；以每排待偏载布置车辆中第一辆车的后轴位置为横向基线，完成每排横向布置；设置相邻排中前一排最先布置的车的后轴与后一排最先布置的车的前轴之间的距离为预置的最短距离，完成纵向间隔布置；循环结束，完成多车偏载布置。
7.根据权利要求4或5或6所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据，包括：
以所述最不利活载布置中，沿前进方向横向第一排车辆的后轴位置作为坐标Y轴，当前高速路最外侧车道的纵向中心线为坐标X轴；
根据所述待模拟车辆荷载信息中车轴数量和轴距，以车轴中心位置为车轴坐标位置，计算得到最不利活载布置对应的所述待模拟车辆每个车轴的X轴和Y轴坐标，同时设置Z轴坐标为-1；
按车辆重量由大到小排序所述待模拟车辆，按每辆车从后轴到前轴的顺序排序车轴，将排序后的车轴从1开始编号，将车轴编号、车轴的X轴、Y轴和Z轴坐标分别以“,”连接，作为对应的车轴荷载数据，将每一车轴荷载数据组合得到最不利活载布置对应的车辆荷载数据；
所述桥梁有限元模型中，以当前桥梁受力最不利截面为坐标Y轴，以桥梁最外侧车道沿前进方向的纵向中心线为坐标X轴，以轴载作用方向为坐标Z轴建立坐标系。
8.根据权利要求7所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述根据所述竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值包括：
根据待模拟车辆荷载信息，获取所述待模拟车辆中每辆车的每个轴载荷载；
如果所述超载车辆的类型为大件运输车，则对应每一所述桥梁，将所述每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和，得到对应的待模拟车辆总荷载效应值；
如果所述超载车辆的类型为普通重载车，则对应每一所述桥梁，分别计算多车中载布置和多车偏载布置时，待模拟车辆中每辆车的每个轴载荷载与对应的竖标值相乘后求和得到中载车辆荷载效应值和偏载车辆荷载效应值，两者之间取最大值作为对应的待模拟车辆总荷载效应值。
9.根据权利要求8所述的桥梁超载主动预警的方法，其特征在于，所述分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，包括：
如果所述超载车辆的类型为大件运输车，则根据下式进行判断：
Figure FDA0003492909810000041
如果所述超载车辆的类型为普通重载车，则根据下式进行判断：
Figure FDA0003492909810000042
其中，Stc为对应第t架桥的待模拟车辆总荷载效应值，Sts为第t架桥的桥梁设计荷载效应值，μt为第t架桥的冲击系数，Sts和μt根据第t架桥的有限元模型，从有限元软件中获取；mt为预置的第t架桥的控制性参数。
10.一种桥梁超载主动预警的系统，其特征在于，包括：采集模块、监测模块、模拟布载模块和预警模块，其中，
所述采集模块，用于实时采集车辆荷载信息；
所述监测模块，用于从采集的车辆荷载信息中，识别出超载车辆及其类型，并根据所述超载车辆的位置，获取待预警区段及其包含的桥梁信息；
所述模拟布载模块，用于根据所述超载车辆的类型，获取待模拟车辆荷载信息，并通过模拟最不利活载布置，获取待模拟车辆的车轴坐标信息，组成车辆荷载数据；
所述预警模块，用于将所述车辆荷载数据分别传入所述桥梁的有限元模型中，获取待模拟车辆的车轴分别对应的主梁内力影响面的竖标值，根据所述竖标值和待模拟车辆荷载信息，分别计算出待模拟车辆总荷载效应值，并与对应的桥梁设计荷载效应值进行比对，分别获取对应桥梁能否通行的结果，组成预警信息通知所述超载车辆。
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