CN115900906A - 一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，包括如下步骤：通过桥梁跨中边梁测点测得已知轴重的车辆对桥面上作用的各个位置，得到车辆在桥梁上行驶时跨中边梁测点的应变响应；利用梯度下降算法将跨中边梁测点应变响应的理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对未知轴重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；若不满足收敛条件则继续进行修正，直到满足收敛条件。本发明通过对实际桥梁的作用进行桥梁荷载实验，能够避免因车轴距离过近导致的系统控制状态方程病态问题，以更高的精度识别的车辆轴重。

Description

一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法

技术领域

本发明涉及车辆称重技术领域，更具体地，涉及一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法。

背景技术

我国新建桥梁的速度以每年2.5万座速度增加，截至2020年底，公路桥梁总量达91.28万座，我国已然成为一个桥梁大国。同时，今年10月份数据显示，我国月公路货物运输量已达34.2亿吨、货物周转量达6152.27亿吨·公里，同比增速均达到18％左右。显然随着车辆数量的增加和车辆荷载水平的提高，桥梁实际承受的车辆荷载与桥梁规范设计时的荷载情况已有很大的差别。尤其是近年来，对于按照老版的桥梁规范设计出来的桥梁因其设计荷载水平较低，则面临着严重的耐久性和安全性的问题。在我国2000年1月至2012年3月期间，共有157座失效桥梁，其中高达10.83％的桥梁失效是由车辆超载直接导致的，造成人民生命财产受损和恶劣社会影响。2020年12月交通运输部颁布《关于进一步提升公路桥梁安全耐久性的意见》，明确提出需提升预防性养护水平和加强桥梁结构健康监测，求对桥梁安全隐患进行排查治理，进一步提升公路桥梁安全耐久水平的工作目标。如何保障现役桥梁的安全耐久性对于交通基础设施行业是一个极具亟待解决的事情，而车辆载荷作为作用在桥梁上的基本动荷载之一，对桥梁的耐久性有很大的影响。精准获得桥梁结构经历的车辆载荷信息和车辆的时间、空间分布信息，对重构和预测交通流，进行结构响应分析与预测，评估桥梁结构安全性具有关键作用。

在实际的桥梁交通场景中，车辆具有车流量大、随机性强、车辆类型多等特点。为了获得交通场景中的车重信息，美国学者于上世纪80年代引入桥梁动态称重(BridgeWeigh-In-Motion，简称BWIM)。桥梁动态称重系统则是当车辆经过桥梁时，通过桥梁的动力响应对车重进行反演分析。该方法无需车辆减速，称重效率高；安装便宜、无需将传感装置安置在道路铺装内部、传感器一般安放在梁体下部，无需承受车辆荷载、成本低廉等优点，在交通荷载信息计算方面具有较大的优势。目前桥梁动态称重系统是基于Moses算法进行车重反算，但是一旦车轴轴距相近时系统控制方程容易出现病态矩阵，且该算法的抵抗噪声性能较差，因此需要在传统的Moses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边梁测点应变的桥梁动态称重方法，该方法适用于中小桥，包括如下步骤：

通过桥梁跨中边梁测点测得在桥梁上行驶的已知轴重的车辆的车轮坐标位置对应的车辆对桥面上作用的各个位置，得到车辆在桥梁上行驶时跨中边梁测点的应变响应时程，推算出基于跨中边梁测点的应变响应面；

利用梯度下降算法将跨中边梁测点应变响应时程中每个采样时刻的理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对在桥梁上行驶的未知轴重的车辆轴重进行修正，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未知轴重车辆的最终轴重；若不满足收敛条件则继续进行修正，直到满足收敛条件。

进一步的，通过桥梁跨中边梁测点测得第一车辆对桥面上作用的各个位置得到所述车辆跨中边梁测点的应变响应时程，并推算出基于所述跨中边梁测点的应变响应面。

进一步的，还包括基于所述跨中边梁测点应变响应面数据，提取跨中边梁测点应变响应面矩阵。

进一步的，将所述跨中边梁测点应变响应时程中每个采样时刻的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第一车辆轴重求梯度并修正第二车辆轴重。

进一步的，利用所述误差对第一车辆轴重w_j求梯度：

其中，i为每个采样时刻，j为每个车轴，w_j为第j个车轴的重量，(x_j,y_j)为第一车辆第j个车轴的位置，S′(x,y)为提取的跨中边梁测点应变响应面矩阵，ε_i为第i个采样时刻的跨中边梁测点应变实测值，ε′_i为第i个采样时刻的跨中边梁测点应变理论值。

进一步的，修正第二车辆轴重w_j：

其中，η为学习步长，

为第k次迭代修正车辆轴重w_j。

进一步的，判断修正后的第二车辆轴重w_j是否满足

或者

若不满足则继续修正所述第二车辆轴重w_j；若满足则结束修正。

进一步的，所述第一车辆的轴重w_j基于某一地区车辆及车轴的分布规律获得，对未知轴重的第二车辆的各个车轴的轴重初始赋值w_j。

本发明具有如下优势：

本发明方法通过测量已知轴重车辆对实际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，该方法能够避免因车轴距离过近导致的系统控制状态方程病态问题，同时能够结合地区实际的车辆轴重分布规律，利用梯度下降算法对未知轴重车辆的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是本发明提供的一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法的流程图；

图2是已知轴重车辆在桥梁上作用的示意图；

图3是当已知轴重车辆在桥梁上跨中边梁测点的应变响应面图；

图4是本发明提供的一种基于跨中边梁测点应变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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其方法流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：通过设置在如图2所示的某简支箱梁桥的跨中边梁测点，测得在桥梁上行驶的已知轴重的车辆的车轮坐标位置对应的车辆对桥面上作用的各个位置，得到所述车辆在桥梁上行驶时跨中边梁测点的应变响应时程，推算出基于所述跨中边梁测点的应变响应面，提取最终应变响应面矩阵结果如图3所示；

步骤2：利用梯度下降算法将所述跨中边梁测点应变响应时程中每个采样时刻的理论值与实测值之间的误差进行反向传播，对在桥梁上行驶的未知轴重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未知轴重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边梁测点应变的桥梁动态称重方法中，依据已知轴重车辆的车辆轴重分布规律，w_j为已知轴重车辆的第j个车轴的重量，开始时将未知轴重车辆各个车轴的轴重均初始赋值为w_j。

将桥梁、车辆、应变响应看成一个系统，依据应变传感器的采样频率，则可以将应变响应时程中每个采样时刻i看作该系统下的一个状态，通过跨中边梁测点测得第i个采样时刻的跨中边梁测点应变实测值为ε_i。在上述每一个状态下，将已知轴重车辆的轴重与该车轴所在位置的应变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边梁测点应变的理论值，即通过提取的所述跨中边梁测点应变响应面矩阵S′(x,y)，计算该第i个时刻跨中边梁测点的应变理论值ε′_i为：

其中，(x_j,y_j)为已知轴重车辆的第j个车轴的位置，w_j为第j个车轴的重量；将不同状态时刻的车辆位置(x_j,y_j)当作自变量，并将跨中边梁测点的应变理论值与实测值之间的误差当作因变量，则车辆轴重w_j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边梁测点的应变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w_j进行修正，不断进行循环迭代，误差修正公式如下：

其中，ε_i为第i个时刻跨中边梁测点的应变实测值，ε′_i为第i个时刻跨中边梁测点的应变理论值。

步骤2中利用梯度下降算法将所述跨中边梁测点应变响应时程中每个采样时刻的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w_j求梯度，计算如下：

然后修正所述车辆轴重w_j，计算如下：

其中，η为学习步长，

为第k次迭代修正车辆轴重w_j；学习步长η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4所示，考虑计算的时间复杂度和算法的精度，可以选取η＝0.00015。

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w_j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w_j。

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 (8)

1.一种基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，包括如下步骤：

获得第一车辆跨中边梁测点的应变响应；

将第二车辆的轴重初始赋值为第一车辆的轴重；

利用梯度下降算法将所述应变响应的理论值与实测值之间的误差进行反向传播，修正所述第二车辆的轴重；

修正所述第二车辆的轴重至满足设定的收敛条件，获得第二车辆的最终轴重。

2.根据权利要求1所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，通过桥梁跨中边梁测点测得第一车辆对桥面上作用的各个位置得到所述车辆跨中边梁测点的应变响应时程，并推算出基于所述跨中边梁测点的应变响应面。

3.根据权利要求2所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，还包括基于所述跨中边梁测点应变响应面数据，提取跨中边梁测点应变响应面矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，将所述跨中边梁测点应变响应时程中每个采样时刻的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第一车辆轴重求梯度并修正第二车辆轴重。

5.根据权利要求4所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，利用所述误差对第一车辆轴重w_j求梯度：

其中，i为每个采样时刻，j为每个车轴，w_j为第j个车轴的重量，(x_j,y_j)为第一车辆第j个车轴的位置，S′(x,y)为提取的跨中边梁测点应变响应面矩阵，ε_i为第i个采样时刻的跨中边梁测点应变实测值，ε′_i为第i个采样时刻的跨中边梁测点应变理论值。

6.根据权利要求5所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，修正第二车辆轴重w_j：

其中，η为学习步长，

为第k次迭代修正车辆轴重w_j。

7.根据权利要求6所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，判断修正后的第二车辆轴重w_j是否满足

或者

若不满足则继续修正所述第二车辆轴重w_j；若满足则结束修正。

8.根据权利要求7所述的基于跨中边梁测点应变的桥梁动态称重方法，其特征在于，所述第一车辆的轴重w_j基于某一地区车辆及车轴的分布规律获得，对未知轴重的第二车辆的各个车轴的轴重初始赋值w_j。

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