CN115752676B - 一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，包括如下步骤：通过建立桥梁有限元模型，得到桥梁跨中挠度值，并在桥面上各个位置生成位置矩阵，获得该位置矩阵对应的桥面位置的桥梁跨中挠度响应面数据；利用梯度下降算法将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对在桥梁上行驶车辆的轴重进行修正，不断进行循环迭代；判断修正后的车辆轴重是否满足收敛条件，若满足收敛条件则结束修正，通过桥梁动态称重得到车辆的最终轴重；若不满足收敛条件则继续进行修正，直到满足收敛条件。本发明通过数值模拟对桥梁的作用进行桥梁荷载实验，能够在抗噪声干扰的同时避免求解逆矩阵，以更高的精度识别车辆轴重。
Description
技术领域
本发明涉及车辆称重技术领域，更具体地，涉及一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法。
背景技术
随着经济的发展和交通量的增加，我国已建成桥梁约91万座。然而，在实际桥梁交通场景中具有车流量大、车辆种类多、车辆运行随机性强等特点，高效精确地获得车辆荷载流以及交通流车辆荷载的力学作用是桥梁结构性能评估的难点。同时，随着科学技术的发展，车载能力逐步提升，经常会出现一些车辆超载现象，对桥梁的结构造成不可逆的伤害，如图1锡港路高架桥因超载而侧翻的无锡高架桥。因此，对车辆荷载的识别并对超载的车辆进行限制对桥梁的结构健康十分重要。
桥梁动态称重（BWIM，Bridge Weigh-in-Motion）相当于把桥梁作为一个“天平”载体，当车辆经过桥梁时，通过一些桥梁的动力响应信号测出车辆的车轴数、车轴重、车速等信息。Fred Moses在1979年率先提出基于最小二乘法的Mose算法进行车重反算，使得BWIM系统获得了快速的发展。但是Mose算法其中对车轴重的求解需要对矩阵求逆，一旦矩阵病态甚至奇异则会有较大的误差。因此需要在传统的Mose算法进行改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，该方法适用于中小桥，包括如下步骤：
获得桥梁跨中挠度值，并在桥面上各个位置生成位置矩阵，得到该位置矩阵对应的桥面位置的桥梁跨中挠度响应面数据；
利用梯度下降算法将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对在桥梁上行驶车辆的轴重进行修正，不断进行循环迭代；
判断修正后的车辆轴重是否满足收敛条件，若满足收敛条件则结束迭代，通过桥梁动态称重得到车辆的最终精确轴重；若不满足收敛条件则继续进行迭代，直到满足收敛条件。
进一步的，通过桥梁有限元模型得到桥梁的跨中挠度值，并生成跨中挠度响应面数据。
进一步的，还包括基于所述跨中挠度响应面数据，提取跨中挠度响应面矩阵。
进一步的，将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播，包括利用所述误差对车辆轴重求梯度并修正所述车辆轴重。
进一步的，利用所述误差对车辆轴重求梯度：，
其中，为每个状态对应的采样时刻，/>为每个车轴，/>为第/>个车轴的重量，/>为车辆第/>个车轴的位置，/>为提取的跨中挠度响应面矩阵，/>为第/>个采样时刻的跨中挠度实测值，/>为第/>个采样时刻的跨中挠度理论值。
进一步的，修正所述车辆轴重：/>，
其中，为学习步长，/>为第/>次迭代修正车辆轴重/>。
进一步的，判断修正后的车辆轴重是否满足/>或者，若不满足则继续修正所述车辆轴重/>，若满足则结束修正。
进一步的，所述车辆各个车轴的轴重初始赋值。
本发明具有如下优势：
本发明方法通过数值模拟对桥梁的作用进行桥梁荷载实验，与传统的基于Moses算法的桥梁动态称重系统相比，该方法能够利用梯度下降算法对车辆轴重进行修正并迭代，能够在抗噪声干扰的同时避免求解逆矩阵，以更高的精度识别车辆轴重。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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是某高架桥侧翻现场实景图；
图2是本发明提供的一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法的流程图；
图3是本发明提供的一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法中有限元桥梁模型图；
图4是本发明提供的一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法中有限元模型桥梁响应面图；
图5是本发明提供的一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法中不同的学习步长η和迭代循环轮数模型对应的误差三维图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。
本发明实施例提供一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，其方法流程如图2所示，以单跨T梁有限元仿真模型为例，包括如下步骤：
步骤1：通过建立如图3所示的桥梁有限元模型，将在桥面的各个位置“单位力”激励，得到T型桥梁跨中挠度对其的反应值，并在桥面上以一个桥面端点为零点，以∆x=0.1m、∆y=0.1m为边长构成一个位置矩阵，获得该位置矩阵对应的桥面位置的桥梁跨中挠度响应面数据，提取的最终响应面矩阵结果如图4所示；
步骤2：利用梯度下降算法将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对在桥梁上行驶车辆的轴重进行修正，不断进行循环迭代；
步骤3：判断修正后的车辆轴重是否满足收敛条件，若满足收敛条件则结束迭代，通过桥梁动态称重得到车辆的最终精确轴重；若不满足收敛条件则返回步骤2继续进行迭代，直到满足收敛条件。
其中，在所述一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法中，设为车辆第/>个车轴的重量，初始化车轴重/>。
将不同时刻的车辆位置与所对应的跨中挠度数值看成不同的状态，在每一个状态下，车辆轴重与该车轴所在位置的跨中挠度响应面数值进行相乘再线性加和，可得出车辆在该状态下对桥梁作用的跨中挠度理论值，即通过提取的所述跨中挠度响应面矩阵，计算该第/>个时刻跨中挠度理论值/>为：/>，
其中，为车辆第/>个车轴的位置，/>为第个/>车轴的重量；将不同状态时刻的车辆位置/>当作自变量，并将跨中挠度理论值与实测值之间的误差当作因变量，则车辆轴重/>为自变量的线性加权系数。
将系统每一个状态时刻下的跨中挠度理论值与实测值之间的误差借助梯度下降算法进行反向传播，对所述车辆轴重/>进行修正，不断进行循环迭代，误差修正公式如下：，
其中，为第/>个时刻跨中挠度实测值，/>为第/>个时刻跨中挠度理论值。
步骤2中利用梯度下降算法将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播包括如下步骤：
首先利用误差对所述车辆轴重/>求梯度，计算如下：，
然后修正所述车辆轴重，计算如下：/>，
其中，为学习步长，/>为第/>次迭代修正车辆轴重/>；学习步长/>在本发明的一个实施例中为超静定参数，需要针对模型的运行效果进行判定，如图5所示，考虑计算的时间复杂度和算法的精度，可以选取/>=0.00018。
步骤3中判断修正后的车辆轴重是否满足收敛条件包括如下步骤：
判断修正后的车辆轴重是否满足收敛条件，若满足收敛条件则结束修正，若不满足收敛条件则继续进行修正，直到满足收敛条件平均误差/>，或者，则结束修正，从而得到所述车辆的最终精确轴重/>。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，包括如下步骤：
通过桥梁有限元模型得到桥梁的跨中挠度值，生成跨中挠度响应面数据，并基于所述跨中挠度响应面数据，提取跨中挠度响应面矩阵；
将每一个状态下跨中挠度理论值与实测值之间的误差进行反向传播，利用所述误差对车辆轴重/>求梯度：/>，
以及，修正所述车辆轴重：/>，
其中，为每个状态对应的采样时刻，/>为每个车轴，/>为第/>个车轴的重量，/>为车辆第/>个车轴的位置，/>为提取的跨中挠度响应面矩阵，/>为第/>个采样时刻的跨中挠度实测值，/>为第/>个采样时刻的跨中挠度理论值，/>为学习步长，/>为第/>次迭代修正车辆轴重/>。
2.根据权利要求1所述的基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，其特征在于，判断修正后的车辆轴重是否满足/>或者/>，若不满足则继续修正所述车辆轴重/>，若满足则结束修正。
3.根据权利要求2所述的基于跨中挠度的桥梁动态称重方法，其特征在于，所述车辆各个车轴的轴重初始赋值。
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