CN117782824A - 公路路基定点压力测量设备及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料物理性质分析领域，尤其涉及公路路基定点压力测量设备及测量方法。具体包括：首先，对路基材料的物理性质进行分析，得到振动响应函数，引入拟合应力‑应变关系模型，并结合振动响应函数与应力‑应变关系模型构建压力估算模型；然后，对路基材料的物理性质数据进行转换，并引入稳定性评估函数，生成综合稳定性指标，将综合稳定性指标转换为稳定性指数，根据稳定性指数触发检查和校正程序。解决了现有技术存在的准确性不足、缺乏对环境变化的适应性、风险预警能力不足、长期稳定性监测能力有限、决策支持不足和压力估算的准确度受限的问题；以及缺乏有效的预警机制来及时识别潜在的路基稳定性问题，导致无法及时采取预防措施。
Description
技术领域
本发明涉及材料物理性质分析领域，尤其涉及公路路基定点压力测量设备及测量方法。
背景技术
公路路基的稳定性是确保道路安全和延长其使用寿命的关键因素。随着交通量的增加和环境条件的变化，路基承受着不断变化的压力和应力。为了有效监测和维护这些关键基础设施，需要准确测量路基材料在不同条件下的压力响应。传统的测量方法往往依赖于简化的模型和有限的数据，难以适应复杂多变的环境条件和路基材料的多样性。因此，开发一种能够准确反映路基材料行为的先进测量方法，同时考虑环境因素和材料特性，成为公路维护和管理中的一个重要课题。
CN202210374680.8，公开日：2022.05.06，公开了一种公路路基定点压迫压力测量装置。其包括安装架和设置在安装架上的按压装置，安装架的底部四角处设置有支撑装置，按压装置的上侧设置有角度调节装置，安装架包括安装板，安装板上侧靠近中部的位置固定有两个直柱。该发明通过设置的角度调节装置带动按压装置在安装架上旋转，改变贴合装置对公路路面的力的压迫方向，对公路使用时的受力情况进行模拟，进而获得对公路测量的准确数据，提高受压力范围的判断准确性，通过将贴合装置设置成半弧形，使角度调节装置在带动按压装置旋转时，液压杆推动贴合装置模拟车轮碾压公路的情况，提高装置测量公路受压数据的准确性。
但上述技术至少存在如下技术问题：现有技术存在准确性不足、缺乏对环境变化的适应性、风险预警能力不足、长期稳定性监测能力有限和决策支持不足的问题，压力估算的准确度受限，无法实时适应环境变化，影响测量结果的可靠性；缺乏有效的预警机制来及时识别潜在的路基稳定性问题，导致无法及时采取预防措施。
发明内容
本发明提供公路路基定点压力测量设备及测量方法，解决了现有技术存在的准确性不足、缺乏对环境变化的适应性、风险预警能力不足、长期稳定性监测能力有限和决策支持不足的问题，压力估算的准确度受限，无法实时适应环境变化，影响测量结果的可靠性；缺乏有效的预警机制来及时识别潜在的路基稳定性问题，导致无法及时采取预防措施的技术问题。实现了一种结合物理模型、环境适应性和数据驱动方法的公路路基定点压力测量，提高了测量的准确性和环境适应性。
本发明的公路路基定点压力测量设备及测量方法，具体包括以下技术方案：
公路路基定点压力测量设备，包括以下部分：
振动发生器、传感器阵列、数据采集设备、处理器、实验设备；
所述振动发生器，用于在路基材料上施加不同频率和振幅的振动，模拟不同的路基压力情况；
所述传感器阵列，用于捕捉振动在路基材料中的传播和衰减情况；并监测环境因素，包括温度和湿度；环境因素会对振动的传播和材料的响应产生影响；传感器阵列通过有线或无线方式与数据采集设备相连；
所述数据采集设备，用于收集从传感器阵列传来的数据，包括振动数据和环境数据；数据采集设备与处理器相连；
所述处理器，用于处理和分析收集到振动数据和环境数据，生成压力估算结果和稳定性指数；所述处理器进一步包括：物理性质分析模块、实验分析模块、压力估算模块、转换模块、稳定性评估模块和调整模块；
所述物理性质分析模块，建立物理模型来描述振动在路基材料中的传播，得到振动响应函数；物理性质分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块、转换模块相连；
所述实验分析模块，通过实验数据拟合应力-应变关系模型；实验分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块相连；
所述压力估算模块，通过构建压力估算模型将振动响应函数与应力-应变关系模型相结合来估算压力，并对压力估算模型进行参数优化；压力估算模块通过数据传输的方式与转换模块相连；
所述转换模块，结合环境因素与路基材料物理性质数据，将路基材料物理性质数据进行格式转换；转换模块通过数据传输的方式与稳定性评估模块相连；
所述稳定性评估模块，引入稳定性评估函数，生成综合稳定性指标，并将综合稳定性指标转化为稳定性指数；稳定性评估模块通过数据传输的方式与调整模块相连；
所述调整模块，根据路基的稳定性指数自动触发检查和校正程序，计算压力调整系数并调整压力值，分析稳定性指数的趋势；
所述实验设备，用于进行压缩和拉伸试验，以收集路基材料的应力和应变数据；实验设备与处理器相连。
公路路基定点压力测量方法，包括以下步骤：
S1. 对路基材料的物理性质进行分析，得到振动响应函数，引入拟合应力-应变关系模型，并结合振动响应函数与应力-应变关系模型构建压力估算模型，并计算应变率；使用应力-应变关系模型将应变率转换为应力，将应力转换为压力，从而生成压力估算结果；
S2. 对路基材料的物理性质数据进行转换，并引入稳定性评估函数，将转换后的物理性质数据与环境因素结合起来，生成综合稳定性指标，将综合稳定性指标转换为稳定性指数，根据稳定性指数触发检查和校正程序。
优选的，所述S1，具体包括：
在路基材料上施加振动，基于波动方程和材料响应理论，建立了基于振动响应函数的物理模型来描述振动在路基材料中的传播。
优选的，所述S1，还包括：
对路基材料进行压缩和拉伸试验，收集路基材料的应力和应变数据，从而拟合应力-应变关系模型。
优选的，所述S2，具体包括：
基于环境因素对路基材料物理性质数据的非线性影响以及路基材料物理性质之间的相互作用，结合环境因素与路基材料物理性质数据，将路基材料物理性质数据进行转换，形成转换后的物理性质数据；所述环境因素包括温度和湿度。
优选的，所述S2，还包括：
使用逻辑函数，将综合稳定性指标转化为稳定性指数。
优选的，所述S2，还包括：
确定稳定性指数的阈值，根据稳定性指数与稳定性指数的阈值的关系，计算压力调整系数，使用压力调整系数来校正压力。
本发明的技术方案的有益效果是：
1、通过结合物理模型和机器学习技术，能够更准确地估算路基材料在不同压力下的响应；机器学习模型的应用使得压力估算能够考虑到复杂的环境因素和物理特性之间的相互作用，从而提高了压力测量的准确性；通过监测环境因素如温度和湿度，并结合稳定性指数，能够实时调整压力估算，以适应环境变化，使得测量结果更加可靠，即使在环境条件波动的情况下也能保持准确；
2、利用稳定性指数作为评估路基稳定性的工具，可以为工程师和决策者提供关键的风险评估信息，及时采取预防或维护措施；通过定期分析稳定性指数的长期趋势，帮助识别可能影响路基稳定性的长期问题，如材料老化或持续的环境变化。
附图说明
图1为本发明一个实施例所提供的公路路基定点压力测量设备结构示意图；
图2 为本发明一个实施例所提供的处理器的各模块连接图；
图3为本发明一个实施例所提供的公路路基定点压力测量方法流程图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
下面结合附图具体的说明本发明所提供的公路路基定点压力测量设备及测量方法的具体方案。
参照附图1，其示出了本发明一个实施例所提供的公路路基定点压力测量设备结构示意图，该设备包括以下部分：
振动发生器、传感器阵列、数据采集设备、处理器、实验设备；
振动发生器，用于在路基材料上施加不同频率和振幅的振动，模拟不同的路基压力情况；
传感器阵列，用于捕捉振动在路基材料中的传播和衰减情况，为后续的数据分析提供关键信息；还监测环境因素，如温度和湿度，环境因素会对振动的传播和材料的响应产生影响；传感器阵列通过有线或无线方式与数据采集设备相连；
数据采集设备，用于收集从传感器阵列传来的数据，包括振动数据和环境数据；数据采集设备与处理器相连；
实验设备，用于进行压缩和拉伸试验，以收集路基材料的应力和应变数据；实验设备与处理器相连。
参照附图2，其示出了本发明一个实施例所提供的处理器的各模块连接图，该处理器用于处理和分析收集到的振动数据和环境数据，生成压力估算结果和稳定性指数；处理器包括物理性质分析模块、实验分析模块、压力估算模块、转换模块、稳定性评估模块和调整模块；物理性质分析模块建立了一个物理模型来描述振动在路基材料中的传播，得到振动响应函数，物理性质分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块、转换模块相连；实验分析模块通过实验数据，拟合一个应力-应变关系模型，实验分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块相连；压力估算模块通过构建压力估算模型，将振动响应函数与应力-应变关系相结合来估算压力，采用机器学习技术进行压力估算模型参数的优化，提高压力估算模型的准确性和适用性；压力估算模块通过数据传输的方式与转换模块相连；转换模块基于环境因素对路基材料物理性质数据的非线性影响以及路基材料物理性质之间的相互作用，结合环境因素与路基材料物理性质数据，将物理性质数据转换为更适合分析的格式，转换模块通过数据传输的方式与稳定性评估模块相连；稳定性评估模块引入一个稳定性评估函数，将转换后的物理性质数据与环境因素结合起来，生成一个综合稳定性指标，并使用逻辑函数，将综合稳定性评估结果转化为一个易于理解和应用的稳定性指数，综合评估路基的稳定性；稳定性评估模块通过数据传输的方式与调整模块相连；调整模块根据路基的稳定性指数，自动触发检查和校正程序，计算压力调整系数并调整压力值，定期分析稳定性指数的长期趋势，以识别可能影响路基稳定性的潜在问题。
参照附图3，其示出了本发明一个实施例所提供的公路路基定点压力测量方法流程图，该方法包括以下步骤：
S1. 对路基材料的物理性质进行分析，得到振动响应函数，引入拟合应力-应变关系模型，并结合振动响应函数与应力-应变关系模型构建压力估算模型，并计算应变率；使用应力-应变关系模型将应变率转换为应力，将应力转换为压力，从而生成压力估算结果；
创建一种可控的测量环境，使用振动发生器在路基材料上施加不同频率和振幅的振动，模拟不同的路基压力情况，以便于准确捕捉材料的响应特性。传感器阵列被部署以捕捉振动在材料中的传播和衰减情况，为后续的数据分析提供关键信息。此外，还通过传感器监测环境因素，如温度和湿度，环境因素会对振动的传播和材料的响应产生影响。
基于波动方程和材料响应理论，物理性质分析模块建立一个物理模型来描述振动在路基材料中的传播。物理模型以振动响应函数为基础，考虑了路基材料的密度、弹性模量、振幅、频率、时间、位置和粘滞性系数，将复杂的物理现象简化为可计算的形式，为压力估算提供理论基础。
具体的，波动方程描述物理介质中波的传播，一维波动方程可以表示为：
，
其中，表示位移，即振动在路基材料中的传播；/>代表时间；/>是位置，用于描述振动波沿着路基材料的传播路径；/>是波速，与材料弹性模量/>和密度/>相关，表示为/>。考虑到实际情况中振动在传播过程中会发生能量衰减，引入衰减因子。衰减因子与材料的粘滞性系数和弹性模量相关，表示为：
，
其中，是衰减因子，/>是粘滞性系数，反映了路基材料内部摩擦对振动传播的影响；/>是振动频率。结合以上理论，得到描述振动在路基材料中传播的振动响应函数。所述振动响应函数表示为：
，
其中，是振动响应函数，/>是初始振幅，表示振动的起始强度；/>是初始相位，表示振动开始的相位偏移；/>是波数，与波速和振动频率相关，表示为/>。
通过实验设备对路基材料进行标准的压缩和拉伸试验，以收集路基材料的应力和应变数据。实验分析模块通过实验数据，拟合一个应力-应变关系模型，表示为：
，
其中，是应力-应变关系模型，/>是应力，/>是应变数据，/>、/>、/>、/>是通过数据拟合得到的参数，反映了路基材料的特性。
压力估算模块通过构建压力估算模型，将振动响应函数与应力-应变关系模型/>相结合来估算压力。计算应变率/>，即振动响应函数对时间的导数，应变率代表了材料随时间变化的应变速度。使用应力-应变关系模型将应变率转换为应力，然后将应力转换为压力，公式可以表示：
，
其中，表示估算出的压力，/>是材料截面面积，/>是一个基于材料特性和振动频率的调节因子，将路基材料的物理特性与振动特性结合起来，形成了一个既基于理论又包含数据驱动的混合模型，调节因子的值由物理模型和实验数据确定，/>是一个常数项，用于校正模型。
为了进一步提高压力估算模型的准确性和适用性，采用机器学习技术进行模型参数的优化。通过分析大量实验数据，包括路基材料的物理性质（密度、弹性模量、振幅、频率等）以及实际测量的压力值，机器学习模型（例如BP神经网络）可以学习物理性质如何影响压力估算的准确性。模型训练后，使用交叉验证等技术来评估其性能，确保模型在未见数据上的表现稳健。
S2. 对路基材料的物理性质数据进行转换，并引入稳定性评估函数，将转换后的物理性质数据与环境因素结合起来，生成综合稳定性指标，将综合稳定性指标转换为稳定性指数，根据稳定性指数触发检查和校正程序。
考虑到环境因素（如温度、湿度）对传感器测量准确性的潜在影响，需要实时调整和校正物理性质数据，以确保压力测量的准确性。
在测量路基材料的物理性质数据时会受到环境因素的影响导致误读，考虑到环境因素对路基材料物理性质数据的非线性影响，以及路基材料物理性质之间的相互作用，结合环境因素与路基材料的物理性质数据，转换模块将物理性质数据转换为更适合分析的格式，转换过程包括反正切函数和对数函数，以及一个专门设计的环境影响函数，形成转换后的物理性质数据。转换公式为：
，
，
其中，表示转换后的物理性质数据，/>表示转换前的物理性质数据，如压力、密度、弹性模量、振幅、频率、压缩率等，/>是调整系数，用于调整环境因素对物理性质数据的影响程度，/>是环境影响函数，/>是振动响应函数值，/>是环境温度，/>是环境湿度，/>是温度影响系数，/>是湿度影响系数，/>是振动响应影响系数，/>是振动响应变化量影响系数，/>是振动响应变化量。
稳定性评估模块引入一个稳定性评估函数，将转换后的物理性质数据与环境因素结合起来，生成一个综合稳定性指标，综合评估路基的稳定性。稳定性评估公式为：
，
其中，表示综合稳定性指标，/>用于调整稳定性评估函数中各个物理性质的影响程度，/>用于调整稳定性评估函数中环境影响函数的影响程度。
使用逻辑函数，将综合稳定性指标转化为一个易于理解和应用的稳定性指数，范围在0到1之间，其中1表示最高稳定性，0表示最低稳定性。使得工程师和决策者可以快速、直观地评估路基的稳定性。稳定性指数的最终输出公式为：
，
其中，是稳定性指数，/>是用于调整稳定性指数敏感度的缩放系数。
通过历史数据和实验确定稳定性指数的阈值。例如，可以设定作为稳定性阈值。这意味着，当稳定性指数/>时，认为环境条件对压力测量的影响较小；当稳定性指数/>时，认为环境因素对测量结果影响显著。
调整模块根据稳定性指数与稳定性阈值的关系，计算压力调整系数。例如，可以使用一个线性或非线性函数，如。使用压力调整系数来校正估算的压力值。例如，如果初步估算的压力是/>，调整系数为 0.1，则校正后的压力值为/>。
实时监测稳定性指数，以便在环境条件发生显著变化时及时调整压力值。设置预警机制，当稳定性指数低于或高于预设阈值时，自动触发调整模块的检查和校正程序。定期分析稳定性指数的长期趋势，以识别可能影响路基稳定性的潜在问题。从而实现对压力测量的实时调整，而且通过长期趋势分析帮助预测和预防潜在问题，从而在维护和确保公路安全方面发挥重要作用。
综上所述，便完成了公路路基定点压力测量设备及测量方法。
发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。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或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。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.公路路基定点压力测量设备，其特征在于，包括以下部分：
振动发生器、传感器阵列、数据采集设备、处理器、实验设备；
所述振动发生器，用于在路基材料上施加不同频率和振幅的振动，模拟不同的路基压力情况；
所述传感器阵列，用于捕捉振动在路基材料中的传播和衰减情况；并监测环境因素，包括温度和湿度；环境因素会对振动的传播和材料的响应产生影响；传感器阵列通过有线或无线方式与数据采集设备相连；
所述数据采集设备，用于收集从传感器阵列传来的数据，包括振动数据和环境数据；数据采集设备与处理器相连；
所述处理器，用于处理和分析收集到振动数据和环境数据，生成压力估算结果和稳定性指数；所述处理器进一步包括：物理性质分析模块、实验分析模块、压力估算模块、转换模块、稳定性评估模块和调整模块；
所述物理性质分析模块，建立物理模型来描述振动在路基材料中的传播，得到振动响应函数；物理性质分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块、转换模块相连；
所述实验分析模块，通过实验数据拟合应力-应变关系模型；实验分析模块通过数据传输的方式与压力估算模块相连；
所述压力估算模块，通过构建压力估算模型将振动响应函数与应力-应变关系模型相结合来估算压力，并对压力估算模型进行参数优化；压力估算模块通过数据传输的方式与转换模块相连；
所述转换模块，结合环境因素与路基材料物理性质数据，将路基材料物理性质数据进行格式转换；转换模块通过数据传输的方式与稳定性评估模块相连；
所述稳定性评估模块，引入稳定性评估函数，生成综合稳定性指标，并将综合稳定性指标转化为稳定性指数；稳定性评估模块通过数据传输的方式与调整模块相连；
所述调整模块，根据路基的稳定性指数自动触发检查和校正程序，计算压力调整系数并调整压力值，分析稳定性指数的趋势；
所述实验设备，用于进行压缩和拉伸试验，以收集路基材料的应力和应变数据；实验设备与处理器相连。
2.公路路基定点压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 对路基材料的物理性质进行分析，得到振动响应函数，引入拟合应力-应变关系模型，并结合振动响应函数与应力-应变关系模型构建压力估算模型，并计算应变率；使用应力-应变关系模型将应变率转换为应力，将应力转换为压力，从而生成压力估算结果；
S2. 对路基材料的物理性质数据进行转换，并引入稳定性评估函数，将转换后的物理性质数据与环境因素结合起来，生成综合稳定性指标，将综合稳定性指标转换为稳定性指数，根据稳定性指数触发检查和校正程序。
3.根据权利要求2所述的公路路基定点压力测量方法，其特征在于，所述S1，具体包括：
在路基材料上施加振动，基于波动方程和材料响应理论，建立了基于振动响应函数的物理模型来描述振动在路基材料中的传播。
4.根据权利要求2所述的公路路基定点压力测量方法，其特征在于，所述S1，还包括：
对路基材料进行压缩和拉伸试验，收集路基材料的应力和应变数据，从而拟合应力-应变关系模型。
5.根据权利要求2所述的公路路基定点压力测量方法，其特征在于，所述S2，具体包括：
基于环境因素对路基材料物理性质数据的非线性影响以及路基材料物理性质之间的相互作用，结合环境因素与路基材料物理性质数据，将路基材料物理性质数据进行转换，形成转换后的物理性质数据；所述环境因素包括温度和湿度。
6.根据权利要求2所述的公路路基定点压力测量方法，其特征在于，所述S2，还包括：
使用逻辑函数，将综合稳定性指标转化为稳定性指数。
7.根据权利要求6所述的公路路基定点压力测量方法，其特征在于，所述S2，还包括：
确定稳定性指数的阈值，根据稳定性指数与稳定性指数的阈值的关系，计算压力调整系数，使用压力调整系数来校正压力。
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2024
- 2024-02-26 CN CN202410204919.6A patent/CN117782824B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN117782824B (zh) | 2024-04-19 |
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