一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法及动态称重系统与流程

本发明涉及一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重系统，可实现对桥梁上移动车辆载重实时监测，有效预警超载车辆。

背景技术：

桥梁是公路和铁路网的重要组成部分。近年来，随着社会经济的不断发展，车辆超载已成为桥梁坍塌的主要原因之一。超载车辆的反复行驶，严重威胁桥面的基础设施安全，明显加速桥梁的疲劳退化。尤其是在全国桥梁中占有较大比例的旧桥，由于抵抗力不断衰减，在超载车辆的作用下，会严重破坏，甚至倒塌。同时，考虑不断增长的桥梁维护管理成本，决策者需要对桥梁上实际作用的车辆荷载进行控制，以保证服役桥梁的安全性和剩余寿命。

称重系统具有控制和监测车辆载重的潜力。称重系统主要分为两类：传统的路面式称重系统和桥梁动态称重系统。路面式称重系统通过在路面铺装层埋设或表面安放贯穿车道的传感器，利用传感器动力响应随作用荷载变化的特性，达到动态称重的目的。但是该类方法安装传感器时需要封路，长期嵌入式传感器的维护等都使得花费较大，并且在一些工况下测量精度不高。针对这些问题后来发展了桥梁动态称重技术。桥梁动态称重技术(B-WIM)是基于桥梁的变形测量，并使用这些测量去估计过往车辆的属性。与路面称重系统相比，B-WIM具有花费和维护费用较低，不破坏路面、耐久性好等优点。

现有的B-WIM理论研究，主要可以分为两大类：一类是基于影响线理论的静力反问题求解，即通过影响线建立应变与车辆轴重之间的线性叠加关系，从而得到车辆的静态轴重；另一类是动力反应问题的研究，从桥梁动力响应中直接识别桥面时边移动车轴，继而推算出车辆静态轴重。第一类方法，轴数、轴距和车速均是计算轴重的必要数据；早期的B-WIM都需要在路面中间安装至少两个一定间距的传感器，以检测车轴，然后计算车速，同时也被用来进行车型分类和轴重计算，但其主要缺点是安装和维修干扰交通，且不耐久。后来，利用应变历程在车轴作用下产生的应变尖峰来识别车轴的方法提出了无车轴检测装置的B-WIM，但是却不能有效识别所有车辆。对于第二类方法，国内外学者提出力平衡法、模态叠加法、时域法以频时域法等，尽管这些方法都能有效识别桥梁移动车轴，但由于车桥耦合振动的复杂性以及结构动力学逆问题的不适定性等，这种方法离实际应用尚有一段距离。非路面式B-WIM新方法的引入大大增强了B-WIM系统的耐久性，然而，桥梁应变影响线和车轴信息的准确严重影响B-WIM的测试精度，在多车辆荷载工况下，就更难被准确识别。

技术实现要素：

针对上述现有方法与技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种在多车辆载荷工况下识别准确度高的基于长标距光栅光纤传感技术的桥梁动态称重方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重方法，其特征在于，步骤为：

1)、长标距传感器布设：沿桥梁的长度方向在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元和位于两个边跨单元之间分别布设长标距传感器；

2)待识别车辆荷载工况监测：采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′_i；

3)标准车辆荷载工况监测：将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′_i；

4)待识别车辆荷载工况下的车辆荷载识别：

式中：CL_i为第i个单元上识别的车辆载重，BCL为标准车辆的车辆载重。

步骤2)中，计算最大应变Dε′_i的方法如下：

21)从各个传感单元中采集的应变时程数据中提取各个单元的最大应变值Dε_i；

22)对两个边跨单元的数据，进行一阶差分处理，并从这两组差分数据中寻找多个峰值MP_k及其发生的时间，并进一步得到：

Dd_k＝DV_k+1*(lt_k+1-lt_k),k＝1,2,…,na

式中：DKp_k即为识别的第k个车轴的轴重比，MP_k为第k个峰值，na为峰值数，即为该荷载工况下识别的车轴数；DV_k为识别的第k个车轴的速度，rx，lx分布为右边跨单元与左边跨单元位置，rt_k,lt_k分别为右边跨与左边跨单元上对应MP_k发生的时间；Dd_k为识别的第k+1个轴与第k个轴的轴距；

23)在步骤22)的结果上，识别各个单元产生最大应变值时车轴加载模式的分界点；由于有na个车轴，故有na-1个分界点：

式中：fdp＝Dkp₁DV₁+Dkp₂DV₂+…+Dkp_mDV_m+…+Dkp_na-1DV_na-1+DV_na，Ddp_m为第m个分界点；

由计算出的分界点可知：在Ddp_m-1和Ddp_m点之间的单元发生最大应变值的加载模式为倒数第m-1个车轴加载在影响线峰值处，即倒数第m-1个车轴加载在该区域的相应单元；

24)计算该车辆荷载工况下由于轴距和轴重比引起的在各个单元上的影响因子Dr_i:

当a_i≤Ddp₁

当a_i≥Ddp_na-1

当Ddp_m-1≤a_i<Ddp_m

式中：fr＝Dkp₁+Dkp₂+…+Dkp_na-1+1；a_i为第i个传感单元的位置；b_i＝L-a_i；

25)计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′_i：

所述长标距传感器布设在重大跨桥梁的辅桥，或其必经段的中小跨桥梁上，可以及时避免超载车辆对重大跨桥梁可能造成的巨大损害。

一种基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重系统，其特征在于，包括区域分布传感监测系统，数据系统和分析系统，所述区域分布传感监测系统包括由布设在桥梁不同位置的长标距传感器组成的监测系统；所述数据系统包括数据采集模块以及数据处理模块，所述采集模块采集所述长标距传感器获取的数据，所述数据处理模块对所述采集模块采集的数据进行预处理；所述分析系统根据预处理后的数据得到车辆的载荷数据。

所述分析系统包括待识别车辆荷载工况监测模块、标准车辆荷载工况监测模块以及车辆荷载识别模块，所述待识别车辆荷载工况监测模块采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′_i；所述标准车辆荷载工况监测模块将已知各项参数的车辆作为标准车辆，采集在标准车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′_i；所述车辆荷载识别模块识别待识别车辆荷载工况下的车辆荷载。

所述分析系统还包括一车辆超载预警模块，该车辆超载预警模块用于预警超载车辆。

所述数据系统还包括数据传输模块及数据存储模块。

本发明包括三个部分的操作：区域分布传感监测系统、数据系统和分析系统，和两类工况的测试：标准荷载工况和待识别车辆荷载工况。本发明首先采集一标准车辆荷载工况下各单元应变数据，从中解析出仅由轴重引起的最大弯曲应变值作为参考值；在待识别移动车辆荷载工况下，桥梁两边跨单元的一阶应变差分数据首先被用于识别出轴数，轴重比，轴距等参数，进而将解析出的各个单元上仅由轴重引起的最大弯曲应变值与参考值进行比较，实时地识别出车辆各轴重、总重，并对超载车辆有效预警。

为解决上述技术问题，本发明系统采用的技术解决方案如下：

首先，建立区域分布传感监测系统。根据重大跨桥梁的位置和特点，选择其辅桥的某一跨或者必经路线上的一座中下跨桥梁作为实施对象。依据该目标桥梁的结构类型和几何参数，确定长标距传感器的标距、数量参数；根据桥梁截面特性，确定长标距传感器的布设位置。

然后，执行数据系统。在移动荷载工况下采集各单元应变响应，对采集的响应数据进行预处理，传输并存储。

最后，执行分析系统。该部分系统分别建立标准荷载工况和待识别车辆荷载工况模块。对于标准车辆荷载工况，将解析得到的各个单元上由轴重引起的最大弯曲应变存储并作为待识别移动荷载工况的参考值，去确定待识别移动荷载工况的车载信息；分析被预处理后的响应数据，先识别出在该荷载工况下桥梁上行驶的车辆荷载总重，进而确定出各个车辆的荷载值，根据车辆超载标准，标记系统中的超载车辆，并预警，输出该车辆信息。

分析识别车轴信息，车辆载重。其具体步骤如下：

(1)、监测对象选取和长标距传感器布设：选取重大桥梁的辅桥作为监测对象，在其上布设长标距传感器，在荷载工况下，对结构进行分布式监测。在传感器布设时，确保在车辆初始驶入和最终驶出的两个边跨单元上布置有传感器；

(2)待识别车辆荷载工况监测：采集在待识别车辆荷载工况下各个传感单元的应变响应数据，并对数据进行以下处理：

21)从各个传感单元中采集的应变时程数据中提取各个单元的最大应变值Dε_i(由于辅桥往往结构简单，大多为简支梁，所采集的应变数据即为结构的弯曲应变数据)；

22)对两个边跨单元的数据，进行一阶差分处理，并从这两组差分数据中寻找多个峰值MP_k及其发生的时间，并进一步分析：

Dd_k＝DV_k+1*(lt_k+1-lt_k) (3)

式中：DKp_k即为识别的第k个车轴的轴重比，MP_k为第k个峰值，na为峰值数，即为该荷载工况下的车轴数；DV_k为识别的第k个车轴的速度，rx，lx分布为右边跨单元与左边跨单元位置，rt_k,lt_k分别为右边跨与左边跨单元上对应MP_k发生的时间；Dd_k为识别的第k+1个轴与第k个轴的轴距；

23)在步骤22)分析结果上，识别各个单元产生最大应变值时车轴加载模式的分界点。由于有na个车轴，故有na-1个分界点：

式中：fdp＝Dkp₁DV₁+Dkp₂DV₂+…+Dkp_mDV_m+…+Dkp_na-1DV_na-1+DV_na，Ddp_m为第m个分界点。由计算出的分界点可知：在Ddp_m-1和Ddp_m点之间的单元发生最大应变值的加载模式为倒数第m-1个车轴加载在影响线峰值处，即倒数第m-1个车轴加载在该区域的相应单元。

24)计算该车辆荷载工况下由于轴距和轴重比引起的影响因子Dr_i:

当a_i≤Ddp₁

当a_i≥Ddp_na-1

当Ddp_m-1≤a_i<Ddp_m

式中：fr＝Dkp₁+Dkp₂+…+Dkp_na-1+1；a_i为第i个传感单元的位置；b_i＝L-a_i；

25)计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变Dε′_i：

(3)标准车辆荷载工况监测：已知一车辆的各项参数，使得该车以某个确定速度从桥梁上驶过，采集各个单元的应变响应时程数据；对采集的数据进行以下处理，以下分析以2轴车辆作为标准车辆分析：

31)从各个传感单元采集的应变时程数据中提取最大值；

32)确定各个单元发生最大应变时，是车辆的哪个轴作用在影响线峰值处，即确定车辆前后轴在影响线上加载产生单元最大应变时的分界点dp：

式中：kp＝P1/P2,kp为轴重比，P1为前轴重，P2为后轴重；L为桥跨长度。根据分析可知：在dp之前的单元，各个单元上发生最大应变的加载模式为后轴加载在影响线峰值上，dp之后的单元为车辆前轴加载在峰值上。

33)计算各个传感单元对应的由于轴距、轴重比引起的影响因子r_i：

当0<a_i≤dp,

当dp<a_i≤L,

式中：a_i为第i个传感单元的位置；d为车辆的轴距；

34)计算仅由轴重引起的各个传感单元的最大应变ε′_i：

式中：ε_i为标准车辆荷载工况下第i个传感单元的最大应变值；

(4)车辆荷载识别，并预警超载车辆。在同一荷载工况下，各个单元由轴重引起的最大弯曲应变呈2次曲线，因此，需将识别的不同工况下桥跨上各个单元的ε′_i，Bε′_i数据进行2次曲线拟合后，再利用公式(11)识别待识别车辆荷载工况下的车辆载重：

式中：CL_i为第i个单元上识别的车辆载重，BCL为标准车的车辆载重。根据规定的车辆最大载重标准，将识别出的车辆荷载与该值比较，判断车辆是否是超载车辆，如果是，及时输出该车辆信息，并给出提示信息。

有益效果

本发明拟公开的基于长标距光纤光栅传感器的桥梁动态称重系统具有以下特点：

(1)本发明主要用于大跨桥梁的辅桥，重要桥梁必经路线上的中小跨桥梁，能够实时、有效地预警超载车辆，有助于决策者对超载车辆的及时判断，降低超载车辆对重要桥梁可能造成的损坏。从长远利益看，本发明不仅可降低桥梁的维护成本，而且能避免更多交通安全事故造成的必要的伤亡、损失。

(2)本发明方法根据桥梁边跨单元对车轴信息比较敏感这一特点，通过两边跨单元的一阶应变差分数据可明显提高轴距，轴速和轴重比的识别精度，并保证了车辆载重的有效识别。

(3)本发明方法不仅适用于单个车辆的荷载工况，也适应于多个车辆的荷载工况，保证了该发明的实用性。

(4)本发明方法不妨碍结构正常的应变监测任务，仅通过一标准车辆从桥梁上驶过建立各个单元的参考值，不需要对桥梁的各项物理参数进行识别，可方便快捷的完成中小跨桥梁上的桥梁动态称重，超载预警，有望推广应用于工程实际，带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1基于长标距光纤光栅传感技术的桥梁动态称重系统；

图2分析系统流程图；

图3多车辆荷载工况下的车辆示意图；

图4多车辆荷载工况下的一阶差分：(a)单元1和(b)单元20；

图5多车辆移动荷载工况下各个车辆在桥上的位置；

图6多车辆荷载工况下识别的轴重比：(a)第一时程段和(b)第二时程段；

图7多车辆荷载工况的分界点，(a)第一时程段理论分界点；(b)第二时程段理论分界点；(c)荷载工况实际分界点；

图8多车辆荷载工况下各个单元的影响系数；

图9标准车辆荷载工况示意图；

图10标准车辆荷载工况下的桥梁单元上由轴重引起的最大应变响应值；

图11多车辆荷载工况下识别的桥上行驶荷载值误差；

图12多车辆荷载工况下识别的各个车辆载重及其误差：(a)识别的各个车辆荷载和(b)及其误差。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明方法的组成部分。基于长标距光纤光栅传感器的桥梁动态称重系统主要包括三个部分：区域分布传感监测系统，数据系统和分析系统。区域分布传感器监测系统属于前期工作，包括确定实施对象，长标距传感器的参数和布设位置；数据系统主要包括数据采集系统，数据处理系统，数据传输系统和数据存储系统。该部分采集荷载工况下的数据，并对数据进行预处理后，存储并传输给分析系统中，进行解析。分析系统将接受到的数据进行处理，识别桥上行驶车辆总重，各车辆荷载，并预警超载车辆。

图2为分析系统的流程图。该部分系统分别建立标准车辆荷载工况和待识别车辆荷载工况模块。对于标准车辆荷载工况，将解析得到的各个单元上由轴重引起的最大弯曲应变存储并作为待识别荷载工况的参考值，去确定待识别荷载工况的车载信息。首先，分析标准车辆荷载工况下各个单元的应变响应，解析各单元上仅由轴重引起的最大弯曲应变作为以后各个待识别荷载工况的参考值。其次，分析待识别车辆荷载工况下各单元的应变数据，利用边跨单元的一阶应变差分数据识别轴距、轴重比、轴速等车辆参数；在此基础上，进一步计算轴重比、轴距对仅由轴重引起的最大弯曲应变的影响因子，并解析该工况下各个单元上仅由轴重引起的最大弯曲应变。然后，将待识别移动荷载工况下计算的各个单元上仅由轴重产生的最大弯曲应变与标准荷载工况下的参考值进行比较，便可得到作用在桥梁上行驶荷载总重最，各车辆载重。最后，根据车辆超载限值，将识别出的车辆荷载与该值比较，判断车辆是否是超载车辆，如果是，预警该车辆，并输出超载车辆信息。

实施例一

以一座简支箱梁桥为例。桥长50m，截面为单箱单室截面，桥面宽为12.5m，高为1.5m。将该桥划分为25个单元，每个单元长度为2.5m，可确定长标距应变传感器的标距长度为2.5m，共25个传感器。采用有限元分析软件验证本发明在多个移动车辆荷载工况下的识别结果，并在噪音5％下提取各个单元的应变响应数据。

根据拟公开的发明方法，通过如下步骤对该桥梁上的移动荷载动态称重：

(1)对结构进行多车辆移动荷载测试。3辆车的荷载工况：车辆1，总轴重190kn，以速度25m/s首先上桥行驶；车辆2，总轴重为400kn，与车辆1上桥时间间隔1s，以速度23.148m/s上桥；车辆3，总轴重140kn，与车辆2上桥时间间隔1s，以速度23.148m/s上桥。具体的车辆信息如图3所示。长标距应变传感器采集该工况下的应变时程数据，并确定各个单元上的最大弯曲应变ε_i。

(2)多车辆荷载工况数据初步处理。将边跨单元1和单元20的应变数据一阶差分，确定轴数及车辆数，如图4所示。

(3)多车辆荷载工况下车辆的初始信息确定。根据公式(2)和(3)，识别车速和车距，判断车辆在桥上的相对位置，如图5所示。从图中知道：识别出的各个车辆的间隔时间是1s，并且当车辆1从桥上驶出时，车辆3才开始上桥。故将该荷载工况分为两个时程段分析：第一段为车辆1和2行驶阶段，结束时间为车辆1完全驶出桥梁的时间，第二段是车辆2和3行驶阶段，开始时间为车辆3开始上桥的时间。根据公式(1)可计算出两个时程段的轴重比参数，如图6所示。

(4)多车辆荷载工况下确定桥梁上的分界点。根据公式(4)确定各个单元上产生最大弯曲应变的轴荷载分布的分界点Ddp，由步骤(23)可知，须分别确定2个时程段的分界点，如图7(a)，(b)所示。由于2个时程段的时间是连接的，因此需对2个时程段的分界点重新分析，最终确定在多车辆荷载工况下的实际分界点，确定准则如下：确定当车辆1的前轴出桥时，车辆2的最后一轴在桥梁上的位置，该位置之前的区段以第一时段的分界点为准，之后的区段以第二时段的分界点为准，如图7(c)所示。

(5)多车辆荷载工况下计算影响系数。利用公式(5)计算由于轴距，轴重比引起的最大弯曲应变的影响系数Dr_i。考虑第一时程段中，车辆1的最后一轴在驶出桥梁时在桥梁上产生的应变，会对第二时程段的最大应变应变响应有影响。因此，计算车辆1前轴在刚驶出桥梁时，后轴对各个单元最大弯曲应变产生的影响系数Dr1_i，结合Dr_i，可得到多车辆荷载工况下的影响系数Dr2_i，如图8所示。

(6)多车辆荷载工况下计算仅由轴重引起的各个单元的最大应变值Dε′_i。利用公式(6)，计算各个单元上仅由轴重引起的最大应变值。

(7)标准车辆荷载工况：如图9所示，该车辆为2轴车辆，前轴重30Kn，后轴重50Kn,轴距为3.5m，以速度13.889m/s从该箱梁桥上驶过，长标距应变传感器采集该工况下的应变时程数据，并确定各个单元上的最大弯曲应变ε_i，根据标准车辆荷载信息：轴重比、轴距，确定各个单元上产生最大弯曲应变的轴荷载分布的分界点dp，如图9所示。其中1为车辆示意图；2为布置的长标距传感器；利用公式(7)，确定出车轴加载的分界点dp，LP2，LP1分别表示车辆第2轴、第1轴作用于相应单元影响线峰值处的桥梁区间段。

(8)标准荷载工况下确定r_i和ε′_i。利用公式(8)计算由于轴距，轴重比引起的最大弯曲应变的影响系数r_i。利用公式(9)进一步确定由轴重引起的各个单元上的最大弯曲应变值ε′_i，如图10所示。

(9)多车辆荷载工况下识别桥上行驶荷载值。利用公式(10)，识别不同时程段在桥上行驶的荷载值，并与真实桥上行驶荷载值相比，计算其误差，剔除与平均误差偏离较大的单元值(一般为边跨单元)，如图11所示。

(10)多车辆荷载工况下识别各车辆荷载值。根据2个时程段的划分以及识别的轴重比，计算最终的各个车辆荷载值及其误差，如图12所示，识别的最大误差为9.192％。

(11)多车辆荷载工况下最终确定车辆实际轴数。对于单排轴车辆，初步确定车辆的轴重比不小于0.25，如果小于，则可认为车梁的后轴为双排轴。该工况下识别的车辆信息，如表2所示，从表中可知，车辆2的第一轴与最后一轴的轴重比为0.1617，不符合要求，可最终确定：车1和车3为2轴车，车2为4轴车。

表2多车辆荷载工况下识别的车辆信息

(12)多车辆荷载工况预警超载。根据车辆的超载标准：2轴车20t，3轴车30t，4轴车40t，判定识别车辆是否是超载车辆。在该工况下计算识别的车辆荷载平均值，并与超载限制相比，将计算结果考虑5％的误差，判断是否是超载车辆。如表3所示，可识别出车辆2是超载车辆，在系统中标记该车辆，并输出相应的车辆参数予以预警。

表3多车辆荷载工况下车辆的超载信息