基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法及系统，该方法包括：采集桥面各车道的多车变速过桥的实时视频；通过设置于桥梁每根主梁梁底的应变传感器采集多车变速过桥时的桥梁应变响应，或者通过设置于桥梁下方的高分辨率工业相机采集多车变速过桥时的桥梁挠度响应；根据多车变速过桥的实时视频识别多车在桥面上的实时空间位置、车速和轴距；并根据车辆的实时空间位置查询获取相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子；根据采集到的桥梁应变响应或桥梁挠度响应和相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子计算出多车的轴重和总重。本发明专利技术适用于多车变速过桥的实时称重，能一次计算出桥面上所有车辆的轴重、总重。总重。总重。

【技术实现步骤摘要】
基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法及系统


[0001]本专利技术涉及公路桥梁安全监测领域，尤其涉及一种基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法及系统。

技术介绍

[0002]随着交通运输业的迅速发展，车辆超限超载现象也屡禁不止。车辆超载危害极大，轻则导致桥梁损伤，增加桥梁维修加固费用，缩短桥梁使用年限；重则引发桥梁垮塌，造成人员伤亡和重大财产损失。因此，对桥上行驶车辆的重量、速度、数量、类型及时空分布的准确监测便成为治理超限超载的关键，其中应用比较广泛的便是桥梁动态称重技术。
[0003]桥梁动态称重系统(BWIM，bridge weigh in motion)，是一种以桥梁作为载体对过桥车辆进行轴重识别的系统，该系统一般由两套装置组成：
[0004]a.车轴识别装置，用来获取车辆轴距和车速等车轴信息；
[0005]b.应变传感器，测量桥梁响应，用于计算车辆轴重/总重。
[0006]该系统的算法一般基于以下假设：
[0007]c.一维线性：将整座桥视为一个整体，且每根梁具有相同的弹性模量E与截面模量Z，不考虑荷载的横向分布；
[0008]d.匀速：车辆匀速过桥。
[0009]e.单车：传统桥梁动态称重系统一般只适用于单车过桥的车辆轴重/总重检测。
[0010]传统桥梁动态称重系统采用安装在桥面板下的两排FAD(Free of Axle Detector，无车轴探测器)传感器获取车辆的车速和轴距信息。在计算轴距和后续的车辆轴重/总重时，需假定两排FAD传感器之间车辆匀速行驶，又因为车辆在这两排FAD传感器之外的速度是未知的，因此传感器区间之外的数据也不宜用来进行计算。然而实际车辆过桥时受交通警示等不可抗因素的影响，车速总会发生变化，此时假定车辆匀速来确定车辆的位置进而得到相应的影响线数据是不准确的，会导致后续车辆轴重/总重的计算产生较大误差。传感器区间之内的数据有限，计算时起不到消除误差的作用。此外，FAD传感器需安装在桥面板下方，因此其无法应用在某些桥型(如板桥)上，应用范围受限。
[0011]传统桥梁动态称重系统采用安装在每根主梁梁底的称重应变传感器测量桥梁梁底应变，计算桥梁响应时假定每根梁具有相同的弹性模量E与截面模量Z，计算车重时只适用于单车过桥(不需考虑荷载横向分布)的情况。然而实际桥梁很难保证各主梁的弹性模量E与截面模量Z均相同，多车过且需考虑荷载横向分布的情况要更加普遍。因此，传统桥梁动态称重系统采用的算法有很大的局限性。此外，对于传统的称重应变传感器来说，往往存在应变片安装维护困难和易发生“漂移”现象等问题。
[0012]近年来，随着硬件升级和软件技术的进步，计算机视觉相关领域的成果逐渐运用到了桥梁安全监测领域中。交通视频可用来实时定位车辆的空间位置、实时监测车速和精确识别轴距，高分辨率工业相机可实现中小跨径桥梁位移的实时高精度监测。

技术实现思路

[0013]本专利技术提供了一种基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法及系统，用以解决传统桥梁动态称重系统算法的局限性的技术问题。
[0014]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0015]一种基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法，包括以下步骤：
[0016]采集桥面各车道的多车变速过桥的实时视频；
[0017]通过设置于桥梁每根主梁梁底的应变传感器采集多车变速过桥时的桥梁应变响应，或者通过设置于桥梁下方的高分辨率工业相机采集多车变速过桥时的桥梁挠度响应；
[0018]根据多车变速过桥的实时视频识别多车在桥面上的实时空间位置、车速和轴距；并根据车辆的实时空间位置查询获取相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子；根据采集到的桥梁应变响应或桥梁挠度响应，和相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子计算出多车的轴重和总重。
[0019]作为本专利技术的方法的进一步改进：
[0020]优选地，根据多车变速过桥的实时视频识别多车在桥面上的实时空间位置、车速和轴距，进而计算出车辆的轴重和总重，包括：
[0021]根据多车变速过桥的实时视频，对同一时刻来自两张不同方向采集的图像进行立体校正和立体匹配，结合监控摄像机的标定信息得到三维重建后的图像；利用训练好的深度学习模型对三维重建后的图像进行车辆和车轮的识别与定位，得到各车道车辆和车轮的实时空间坐标，从而计算多车在桥面上的车速和轴距；
[0022]根据各车道车辆和车轮的实时空间坐标，以及相应位置的影响线数据与荷载横向分布因子的标定数据，计算出车辆的轴重和总重。
[0023]优选地，影响线数据与荷载横向分布因子的标定数据，通过以下步骤标定得到：
[0024]根据已知轴重和总重的标定车在不同车道行驶时的桥梁响应，计算获得各车道对应的桥梁各主梁的荷载横向分布因子的标定数据；以及利用已知轴重和总重的标定车在不同车道行驶时的实时空间位置和桥梁响应，对桥梁各主梁的纵向影响线进行分别标定，得到桥梁各主梁纵向各位置的影响线数据；桥梁响应为桥梁应变响应或桥梁挠度响应。
[0025]优选地，计算出多车的轴重，包括以下步骤：
[0026]F1：计算桥梁实测响应和理论响应：桥梁实测应变响应为桥梁实测挠度响应为考虑荷载横向分布因子和各主梁具有不同的弹性模量E
j
与截面模量Z
j
，计算桥梁理论应变响应为计算桥梁理论挠度响应为共有g根主梁，L个车道，m
l
表示车道l上的车辆编号，车道l上共有M
l
辆车，m
l
车有个车轴，表示m
l
车的第i个车轴轴重，车道l上m
l
车第一个车轴的纵桥向实时位置用m
l
x表示，表示m
l
车第一个
车轴的纵桥向实时位置为m
l
x时m
l
车第i个车轴对应的第j根主梁的弯矩影响线竖标值，表示m
l
车第一个车轴的纵桥向实时位置为m
l
x时m
l
车第i个车轴对应的第j根主梁的挠度影响线竖标值；
[0027]F2：根据得到的多车在桥面上的实时空间位置给每个车道上的M
l
辆车车轴进行顺序编号M
l
辆车车轴顺序编号可简化为1,2,...,N
l
，表示l车道共有N
l
个车轴；
[0028]F3：桥梁实测应变/挠度响应桥梁理论应变/挠度响应中的x表示车辆第一轴的行驶距离，总行驶距离为X；将X离散为均匀的K
‑
1个微段，共K个采样点；进行第k次采样时，获得的离散数据记作车道l上第i轴对应的第k次采样的各主梁纵向弯矩影响线的竖标值记作I
l,i,j
，挠度影响线的竖标值记作
[0029]F4：利用矩阵表示K次采样计算得到的K个桥梁理论应变响应{ε
t
}
K
×1；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法，其特征在于，包括以下步骤：采集桥面各车道的多车变速过桥的实时视频；通过设置于桥梁每根主梁梁底的应变传感器采集多车变速过桥时的桥梁应变响应，或者通过设置于桥梁下方的高分辨率工业相机采集多车变速过桥时的桥梁挠度响应；根据多车变速过桥的实时视频识别多车在桥面上的实时空间位置、车速和轴距；并根据车辆的实时空间位置查询获取相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子；根据采集到的桥梁应变响应或桥梁挠度响应和相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子计算出多车的轴重和总重。2.根据权利要求1所述的基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法，其特征在于，所述根据多车变速过桥的实时视频识别多车在桥面上的实时空间位置、车速和轴距，包括：根据所述多车变速过桥的实时视频，对同一时刻来自两张不同方向采集的图像进行立体校正和立体匹配，结合监控摄像机的标定信息得到三维重建后的图像；利用训练好的深度学习模型对三维重建后的图像进行车辆和车轮的识别与定位，得到各车道车辆和车轮的实时空间坐标，从而计算多车在桥面上的车速和轴距；根据各车道车辆和车轮的实时空间坐标，以及相应位置的影响线数据与荷载横向分布因子的标定数据，计算出车辆的轴重和总重。3.根据权利要求2所述的基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法，其特征在于，所述影响线数据与荷载横向分布因子的标定数据，通过以下步骤标定得到：根据已知轴重和总重的标定车在不同车道行驶时的桥梁响应，计算获得各车道对应的桥梁各主梁的荷载横向分布因子的标定数据；以及利用已知轴重和总重的标定车在不同车道行驶时的实时空间位置和桥梁响应，对桥梁各主梁的纵向影响线进行分别标定，得到桥梁各主梁纵向各位置的影响线数据；所述桥梁响应为桥梁应变响应或桥梁挠度响应。4.根据权利要求1所述的基于车辆实时空间位置的桥梁动态称重方法，其特征在于，根据采集到的桥梁响应和相应位置的影响线数据和荷载横向分布因子，计算出多车的轴重和总重，所述根据采集到的桥梁应变响应计算出多车的轴重，包括以下步骤：F1：计算桥梁实测响应和理论响应：桥梁实测应变响应为考虑荷载横向分布因子和各主梁具有不同的弹性模量E
j
与截面模量Z
j
，计算桥梁理论应变响应为共有g根主梁，L个车道，m
l
表示车道l上的车辆编号，车道l上共有M
l
辆车，m
l
车有个车轴，表示m
l
车的第i个车轴轴重，车道l上m
l
车第一个车轴的纵桥向实时位置用m
l
x表示，表示m
l
车第一个车轴的纵桥向实时位置为m
l
x时m
l
车第i个车轴对应的第j根主梁的弯矩影响线竖标值；F2：根据得到的多车在桥面上的实时空间位置给每个车道上的M
l
辆车车轴进行顺序编号M
l
辆车车轴顺序编号可简化为1,2,...,N
l
，表示l车道共有N
l
个车轴；
F3：桥梁实测应变桥梁理论应变中的x表示车辆第一轴的行驶距离，总行驶距离为X；将X离散为均匀的K
‑
1个微段，共K个采样点；进行第k次采样时，获得的离散数据记作车道l上第i轴对应的第k次采样的各主梁纵向弯矩影响线的竖标值记作I
l,i,j
；F4：利用矩阵表示K次采样计算得到的K个桥梁理论应变响应{ε
t
}
K
×1；；；其中，P
il
表示车道l上第i轴轴重；表示车道l上第i轴对应的K次采样的各主梁纵向弯矩影响线的竖标值；{Q
l
}表示车道l对应的各主梁的荷载横向分布因子与各主梁弹性模量E
j
与截面模量Z
j
乘积的比值；表示车道l上第i轴对应的第k次采样的各主梁纵向弯矩影响线的竖标值；F5：根据最小二乘法，计算桥梁实测应变响应ε
m
和理论应变响应ε
t
的误差函数ER：F6：误差函数ER对P
il
求偏导得：F7：为使误差函数ER最小，使可得：
F8：将P
il
从F7得...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓露，何维，赵冬冬，梁晓东，夏烨，孔烜，谢鸿，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：