桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统与流程

本发明涉及桥梁检测技术领域，特别是涉及一种桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统。本发明还涉及一种计算机可读存储介质。

背景技术：

随着我国高速公路建设的快速发展和城市化进程的逐步加快，桥梁作为交通体系的重要组成部分发挥越来越重要的作用。桥梁的工作性能和健康状况对人们出行和车辆运营安全有着至关重要的影响。

目前我国拥有公路桥梁80余万座，数量大、分布面广，其中95%以上为中小跨径桥梁。以中小跨径桥梁为主的桥梁网络，面临来自交通负荷、运营环境等复杂条件的作用，以及来自车辆（船舶）撞击、车辆超荷等突发事件的风险。同时，大量中小桥梁承载的交通任务繁重且服役年数久远，其潜在的安全隐患必须得以重视。因此，如何检测和评估桥梁运营状况是桥梁工程界面临的重要挑战，也是当前我国城市发展亟待解决的关键问题。

为了保障已有公路的正常运营，桥梁的维护管理变得越来越重要。对桥梁进行损伤诊断和长期监测是了解桥梁健康状况的重要手段。结构健康监测技术逐渐成为桥梁状态评估的重要途径，桥梁健康监测是通过在桥梁中预埋或者安装各种传感器采集信息，对桥梁在运营期间的结构性能和使用状态进行监测和评估。

然而，桥梁健康监测系统往往比较复杂，造价比较高昂，主要是在大型或特大型桥梁上使用，而大部分中小桥梁难以安装实时的监测系统。城市桥梁数量多、分布区域广、安装和监测条件欠缺，且中小桥梁占绝大多数，将大跨径桥梁健康监测系统应用于城市桥梁难度非常大。同时，国内的桥梁健康监测系统通常大而全，由此带来的高额成本只适合在特大桥梁工程中应用。那么，发展适用于大范围大规模桥梁的快速检测/监测技术是未来趋势，对保障路网桥梁和城市桥梁群体的安全运营具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统，检测车装置获取过桥响应而实现检测桥梁，本发明能够获得适用于大范围大规模桥梁检测的检测车装置参数，有助于实现对大范围大规模桥梁健康状况的快速检测/监测。本发明还提供一种计算机可读存储介质。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种桥梁健康检测车装置参数获取方法，包括：

结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，获得所述桥梁模型表征的桥梁的动力特性，根据得到的桥梁的动力特性确定出检测车装置参数的初始数据；

根据所述桥梁模型的属性数据以及所述检测车装置参数的当前数据进行分析，获得当所述检测车装置以当前数据为参数取值时对所述桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号；

判断获得的所述振动信号的频谱中桥梁频率的振幅是否满足预设要求，若是，则将所述检测车装置参数的当前数据作为所述检测车装置应用的参数数据，若否，则改变所述检测车装置的参数数据，并根据改变后的参数数据以及所述桥梁模型的属性数据重新进行分析，获得所述检测车装置检测的振动信号，并进行后续过程。

优选的，具体包括：根据得到的所述桥梁模型进行模态分析，获得所述桥梁模型表征的桥梁的动力特性。

优选的，所述预设要求为桥梁频率的可见度处于预设范围内，桥梁频率的可见度表示在得到的振动信号中桥梁频率的振幅相对于该桥梁频率附近平均振幅的凸显程度。

优选的，根据以下公式获得桥梁频率的可见度：

；

其中，vi(ωi)表示桥梁频率ωi的可见度，a(ωi)表示振动信号中桥梁频率ωi处的对数振幅，a(ω)表示振动信号中在[ω1,ω2]频率范围内频率ω处的对数振幅，ω1、ω2分别表示用于求和的频率范围的下限和上限，n表示[ω1,ω2]频率范围内的频率数。

优选的，所述检测车装置用于检测获得通过桥梁时所述检测车装置的竖向加速度。

优选的，所述检测车装置包括牵引车和与所述牵引车相连的第一信号车和第二信号车，所述牵引车用于带动所述第一信号车和所述第二信号车移动，各信号车均设置有用于测量振动信号的信号采集组件。

优选的，所述检测车装置的参数包括车辆刚度、车辆质量、所述牵引车与所述第一信号车之间的距离、所述牵引车与所述第二信号车之间的距离，所述第一信号车和所述第二信号车之间的距离或者通过桥梁的速度。

优选的，针对所述检测车装置的各参数设定数据范围，在改变所述检测车装置的参数数据时在本参数对应的数据范围内改变本参数的取值。

一种桥梁健康检测车装置参数获取系统，用于执行以上所述的桥梁健康检测车装置参数获取方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的桥梁健康检测车装置参数获取方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统，首先结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，获得桥梁模型表征的桥梁的动力特性，根据得到的桥梁的动力特性确定出检测车装置参数的初始数据，然后根据桥梁模型的属性数据以及检测车装置参数的当前数据进行分析，获得当检测车装置以当前数据为参数取值时对桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号，进一步，判断获得的振动信号的频谱中桥梁频率的振幅是否满足预设要求，若是，则将检测车装置参数的当前数据作为检测车装置应用的参数数据，若否，则改变检测车装置的参数数据，并根据改变后的参数数据以及桥梁模型的属性数据重新进行分析而获得检测车装置检测的振动信号，并进行后续过程。

本发明的桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统，结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，根据得到的桥梁模型来确定出检测车装置的参数数据，应用得到的参数数据的检测车装置能够用于检测区域各个桥梁的健康检测。因此，本发明能够获得适用于大范围大规模桥梁检测的检测车装置参数，有助于实现对大范围大规模桥梁健康状况的快速检测/监测。

本发明提供的一种计算机可读存储介质，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种桥梁健康检测车装置参数获取方法的流程图；

图2为一具体实例中检测车装置测得的竖向加速度信号；

图3为一具体实例中检测车装置测得的振动信号频谱；

图4（a）为一具体实例中检测车装置频率接近桥梁一阶频率的可见度；

图4（b）为一具体实例中检测车装置频率接近桥梁二阶频率的可见度；

图4（c）为一具体实例中检测车装置频率接近桥梁三阶频率的可见度。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种桥梁健康检测车装置参数获取方法的流程图，由图可知，所述桥梁健康检测车装置参数获取方法包括以下步骤：

s10：结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，获得所述桥梁模型表征的桥梁的动力特性，根据得到的桥梁的动力特性确定出检测车装置参数的初始数据。

可以综合检测区域的各个桥梁的属性建立桥梁模型。桥梁的属性包括但不限于桥梁的结构属性、材料属性，比如桥梁的长度、跨度、截面形状、截面尺寸、材料密度或者边界约束条件等。在实际应用中可以从桥梁的原始设计文件或者历史数据等资料获得桥梁的属性数据。可选的，可结合和根据各个桥梁的属性数据，通过有限元分析方法建立出桥梁模型。

桥梁的动力特性是指桥梁力学方面的特性。可根据得到的桥梁模型进行模态分析，获得桥梁的动力特性。桥梁的动力特性至少包括桥梁的自振频率、振动频率对应的振型等。

根据由桥梁模型分析出的桥梁的动力特性，确定出一组适合于该桥梁模型所表征的桥梁的检测车装置参数数据，作为检测车装置参数的初始数据。

s11：根据所述桥梁模型的属性数据以及所述检测车装置参数的当前数据进行分析，获得当所述检测车装置以当前数据为参数取值时对所述桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号。

基于车辆-桥梁耦合振动的机理，模拟检测车装置行驶通过桥梁时，检测车装置测量获得的振动信号，根据建立出的该桥梁模型的属性数据以及检测车装置参数的当前数据进行分析，模拟得到当检测车装置以当前数据为参数取值时，检测车装置对桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号。

s12：判断获得的所述振动信号的频谱中桥梁频率的振幅是否满足预设要求，若是，则进入步骤s13，若否，则进入步骤s14。

预设要求为从检测车装置测得的振动信号中能够容易地提取出桥梁频率，能够容易地识别出桥梁频率。桥梁频率是指桥梁振动的频率。优选的，预设要求可以是桥梁频率的可见度处于预设范围内，桥梁频率的可见度表示在得到的振动信号中桥梁频率的振幅相对于该桥梁频率附近平均振幅的凸显程度，具体，桥梁频率的可见度可以是在得到的振动信号中桥梁频率的振幅与该桥梁频率附近平均振幅的比值。可见度越大表示越容易从频谱中区分出桥梁频率，因而具有更好的识别效果。

可以对测得的振动信号进行频域分析得到频谱，结合频谱计算桥梁频率的可见度。可选的，可根据以下公式获得桥梁频率的可见度：

；（1）

其中，vi(ωi)表示桥梁频率ωi的可见度，a(ωi)表示振动信号中桥梁频率ωi处的对数振幅，a(ω)表示振动信号中在[ω1,ω2]频率范围内频率ω处的对数振幅，ω1、ω2分别表示用于求和的频率范围的下限和上限，n表示[ω1,ω2]频率范围内的频率数。

上述计算桥梁频率的可见度的方法是本发明一种可选的具体实施方式，可以理解的是，桥梁频率的可见度也可以采用其它能够反映在得到的振动信号中桥梁频率的振幅相对于该桥梁频率附近平均振幅的凸显程度的参数值，也都在本发明保护范围内。

s13：将所述检测车装置参数的当前数据作为所述检测车装置应用的参数数据。如果得到的振动信号的频谱中桥梁频率的振幅满足预设要求，则将检测车装置参数的当前数据作为检测车装置应用的参数数据。

s14：改变所述检测车装置的参数数据，并进入步骤s11。

如果得到的振动信号的频谱中桥梁频率的振幅不满足预设要求，则调整检测车装置的参数数据，使检测车装置的参数数据更适合于桥梁模型表征的桥梁。

本实施例的桥梁健康检测车装置参数获取方法，结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，根据得到的桥梁模型来确定出检测车装置的参数数据，应用得到的参数数据的检测车装置能够用于检测区域各个桥梁的健康检测。其中，基于车辆-桥梁耦合振动的机理，模拟检测车装置通过桥梁时测得的动力响应，并根据得到动力响应来判断检测车装置的参数数据是否符合要求，从而确定出适合于检测区域内各个桥梁的检测车装置的最优参数数据。因此，本方法能够获得适用于大范围大规模桥梁检测的检测车装置参数，有助于实现对大范围大规模桥梁健康状况的快速检测/监测。

具体的，本实施例应用的检测车装置可以包括牵引车和与所述牵引车相连的第一信号车和第二信号车，所述牵引车用于带动所述第一信号车和所述第二信号车移动，各信号车均设置有用于测量振动信号的信号采集组件。

检测车装置的参数包括车辆刚度、车辆质量、所述牵引车与所述第一信号车之间的距离、所述牵引车与所述第二信号车之间的距离，所述第一信号车和所述第二信号车之间的距离或者通过桥梁的速度。

优选的，可针对检测车装置的各参数设定数据范围，在调整检测车装置的参数数据时在本参数对应的数据范围内改变本参数的取值。示例性的，车辆刚度k的调整范围为1×10³~1×10⁷n/m，车辆质量m的调整范围为50~300kg，牵引车与第一信号车之间的距离d1的调整范围为0.1~1m，两信号车之间的距离d2的调整范围为0.1~1m，过桥速度v的调整范围为5~15m/s。由于检测车装置的固有频率主要受车辆刚度、车辆质量的影响，因此对车辆刚度、质量的调整最终体现为对车辆频率的调整，则对应检测车装置频率的调整范围为0.24~71.2hz。本实施例应用的检测车装置可以是用于检测获得通过桥梁时检测车装置的竖向加速度。

在一具体实例中，检测车装置的牵引车与信号车之间距离d1=0.5m，两信号车之间的距离d2=0.5m，过桥速度v=10m/s保持不变。在本具体实例中主要调整两信号车的质量及刚度，并且在调整过程中始终保持前后两信号车刚度、质量相等，即保持第一信号车频率=第二信号车频率。因此，本实例主要探究桥梁频率可见度vi随信号车车辆频率变化的规律。

根据桥梁的原始设计文件、历史数据等现有资料获得检测区域内所有中小桥梁的初步信息，本实例采用简支梁桥梁模型：弹性模量e=32gpa，密度d=2.5×10³kg/m³，长度l=30m，矩形截面宽1.2m，高2m。利用有限元分析方法建立桥梁模型并进行模态分析，计算前四阶竖向频率分别为3.58hz、14.01hz、30.53hz和50.80hz。

根据检测区域内中小跨径桥梁的动力特性，确定合适的车辆频率范围。本实例取刚度kv=1×10³n/m，质量mv=50kg，将桥梁参数与检测车装置的参数数据输入车辆-桥梁耦合振动分析程序，计算检测车装置通过桥梁时车辆的振动响应。获得的振动响应如图2所示。

对检测车装置的动力响应信号进行一定的处理，从中提取与桥梁振动相关的振动信号，并通过频域分析方法获得包含有车辆自振频率的频谱图，如图3所示。根据公式（1）计算可见度，采用ω1=0.8ωi，ω2=1.2ωi，n=该范围内的频率数。

图4（a）、图4（b）和图4（c）所示分别不同的检测车装置参数下桥梁前3阶频率的可见度指数。本实例中在计算结果中选取可见度满足预设要求（vi≥10）情况下对应的参数数据作为最终实验的指标，用于整个区域内所有桥梁的检测。在本实例中，根据图可知车辆频率接近1.6hz时，桥梁的第一阶竖向振动频率可见度最高，此时对应的车辆质量为60kg，刚度为7×10³n/m；车辆频率接近11.78hz时，桥梁的第二阶竖向振动频率可见度最高，此时对应的车辆质量为120kg,刚度为6×10³n/m；车辆频率接近35.58hz时，桥梁的第三阶竖向振动频率可见度最高，此时对应的车辆质量为120kg，刚度为6×10⁶n/m。

相应的，本发明实施例还提供一种桥梁健康检测车装置参数获取系统，用于执行以上所述的桥梁健康检测车装置参数获取方法。

本实施例的桥梁健康检测车装置参数获取系统，首先结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，获得桥梁模型表征的桥梁的动力特性，根据得到的桥梁的动力特性确定出检测车装置参数的初始数据，然后根据桥梁模型的属性数据以及检测车装置参数的当前数据进行分析，获得当检测车装置以当前数据为参数取值时对桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号，进一步，判断获得的振动信号的频谱中桥梁频率的振幅是否满足预设要求，若是，则将检测车装置参数的当前数据作为检测车装置应用的参数数据，若否，则改变检测车装置的参数数据，并根据改变后的参数数据以及桥梁模型的属性数据重新进行分析而获得检测车装置检测的振动信号，并进行后续过程。

本实施例的桥梁健康检测车装置参数获取系统，结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，根据得到的桥梁模型来确定出检测车装置的参数数据，应用得到的参数数据的检测车装置能够用于检测区域各个桥梁的健康检测。因此，本发明能够获得适用于大范围大规模桥梁检测的检测车装置参数，有助于实现对大范围大规模桥梁健康状况的快速检测/监测。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的桥梁健康检测车装置参数获取方法的步骤。

本实施例的计算机可读存储介质上存储的计算机程序被执行时，能够实现首先结合检测区域的各个桥梁建立桥梁模型，获得桥梁模型表征的桥梁的动力特性，根据得到的桥梁的动力特性确定出检测车装置参数的初始数据，然后根据桥梁模型的属性数据以及检测车装置参数的当前数据进行分析，获得当检测车装置以当前数据为参数取值时对桥梁模型表征的桥梁检测得到的振动信号，进一步，判断获得的振动信号的频谱中桥梁频率的振幅是否满足预设要求，若是，则将检测车装置参数的当前数据作为检测车装置应用的参数数据，若否，则改变检测车装置的参数数据，并根据改变后的参数数据以及桥梁模型的属性数据重新进行分析而获得检测车装置检测的振动信号，并进行后续过程。

以上对本发明所提供的一种桥梁健康检测车装置参数获取方法及系统、可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。