一种城市桥梁群安全状态评估系统及评估方法与流程

本发明属于桥梁安全监测，具体涉及一种城市桥梁群安全状态评估系统及评估方法。

背景技术：

1、城市桥梁群，顾名思义为以城市为单位，其辖区范围内的所有架设在河道上的桥梁以及城市立交、跨越铁路的立交桥，其多为中小跨径桥梁，具有结构类型多样，分布范围广、集群、散点式分布特征。随着城市交通量的激增，城市桥梁由于承载负荷加大，建设年限增加等多因素的影响，导致损伤桥梁不断增加。城市桥梁群在为经济发展发挥积极作用的同时，其健康监测工作面临着日益严峻的挑战。

2、国内外大多对大跨桥梁建立健康监测系统以实现对桥梁性能状况的实时监测，而对于城市桥梁由于其跨径较小，造价成本相对较低等原因，多采用人工巡检+定期检测的方法进行监管。人工巡检多以表观检查为主，存在巡检效率低等问题，而传统定期检测受检测人员技术水平的影响大，可能出现对设施内在性能不敏感，风险预警不及时的问题。且对于城市桥梁而言，大多建立单体桥梁的健康监测系统，未考虑城市整体范围内桥梁群的状态评价。

技术实现思路

1、本发明为解决城市桥梁群的整体状态高效、有序的评价的问题，提出一种城市桥梁群安全状态评估系统及评估方法。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种城市桥梁群安全状态评估系统，包括数据存储和检索模块、荷载反演挠度模块、视频展示模块、车牌号匹配模块、车辆轨迹跟踪展示模块、基于多源数据融合的孪生桥梁和关键桥梁性能评估模块、城市桥梁群安全运行评价模块；

4、所述数据存储和检索模块分别连接荷载反演挠度模块、视频展示模块，所述荷载反演挠度模块连接车辆轨迹跟踪展示模块，所述视频展示模块连接车牌号匹配模块；

5、所述车牌号匹配模块连接车辆轨迹跟踪展示模块，所述车辆轨迹跟踪展示模块连接基于多源数据融合的孪生桥梁和关键桥梁性能评估模块，所述基于多源数据融合的孪生桥梁和关键桥梁性能评估模块连接城市桥梁群安全运行评价模块；

6、所述数据存储和检索模块用于接收关键桥梁北斗监测系统的数据和孪生桥梁毫米波雷达检测系统的数据；

7、所述荷载反演挠度模块用于计算车辆载荷信息数据；

8、所述车牌号匹配模块用于匹配车牌号的唯一标识；

9、所述车辆轨迹跟踪展示模块用于结合荷载反演挠度模块、视频展示模块、车牌号匹配模块实现城市桥梁群上车辆载荷信息的实时追踪和更新；

10、所述基于多源数据融合的孪生桥梁和关键桥梁性能评估模块用于实现车辆荷载在对应桥梁上的挠度信息进行关联和匹配，计算以桥梁挠度变化量为指标的桥梁的结构性能变化的判定指标；

11、所述城市桥梁群安全运行评价模块用于实现城市桥梁群的整体运行安全评价。

12、进一步的，所述关键桥梁北斗监测系统包括十个高频北斗接收机，高频北斗接收机沿着桥梁走向依次布置在桥梁入口、桥梁1/4跨度、桥梁1/2跨度、桥梁3/4跨度、桥梁出口；

13、还包括多个摄像头，在桥梁的每个出入口均布设摄像头，入口处的摄像头负责拍摄车辆的车牌、车型信息，出口处的摄像头负责拍摄车辆的信息、车辆的离开方向，所述关键桥梁北斗监测系统将得到的数据上传至一种城市桥梁群安全状态评估系统。

14、进一步的，所述孪生桥梁毫米波雷达检测系统包括多个雷视一体机和毫米波雷达监测靶标，将孪生桥梁的桥梁底部跨中均分为5等分，将毫米波雷达监测靶标布设于等分点处，将雷视一体机布设于孪生桥梁的入口和出口，覆盖范围为300m。

15、一种城市桥梁群安全状态评估方法，依托于所述的一种城市桥梁群安全状态评估系统实现，包括如下步骤：

16、s1. 根据城市交通流量确定关键性桥梁，在关键性桥梁布设关键桥梁北斗监测系统，采集关键桥梁数据、关键桥梁的监控数据，得到标记车牌号的车辆荷载信息数据；

17、s2. 根据共线原则确定步骤s1得到的关键性桥梁的孪生桥梁，在孪生桥梁布设孪生桥梁毫米波雷达检测系统，采集孪生桥梁数据、孪生桥梁的监控数据，进行基于关键桥梁的车辆荷载信息的同步追踪和识别；

18、s3. 将步骤s1和步骤s2得到的数据持续上传至一种城市桥梁群安全状态评估系统中，基于多源数据融合的方法，根据车辆的车辆荷载参数关联和匹配关键性桥梁、孪生桥梁上对应的竖向位移数据；

19、s4. 基于步骤s3得到的关键性桥梁、孪生桥梁上对应的竖向位移数据对关键性桥梁和孪生桥梁进行性能评估；

20、s5. 基于步骤s4得到的关键性桥梁和孪生桥梁进行性能评估数据，建立城市桥梁群安全状态评估的判定指标，对城市桥梁群整体进行安全状态评估。

21、进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：

22、s1.1. 设定关键性桥梁包括多孔跨径总长>1000m或单孔跨径总长>150m的特大桥、系杆拱桥、斜拉桥，半径小于150米的弯桥，存在倾覆风险的独柱墩桥单支座弯桥，交通流量的日车流量>500的高速公路桥、快速路、主干道桥梁，货运通道桥梁，拥堵路段桥梁，跨铁路，跨航道桥梁；

23、s1.2.在关键性桥梁布设关键桥梁北斗监测系统，利用高频北斗接收机采集桥梁的竖向位移，然后反演推算车辆荷载参数 f，计算表达式为：

24、；

25、其中，m(x)为移动车载移动到桥梁位置x对桥梁产生的弯矩， x为桥梁位置；

26、；

27、其中，为桥梁的刚度值，为竖向位移的二阶导数；

28、；

29、其中， 为竖向位移的一阶导数，为一次积分常数；

30、；

31、其中，为竖向位移，d为二次积分常数；

32、由桥梁边界条件可知，当 x=0时， w=0，得到d=0，当 x=1/2l时，=0，l为单跨桥梁长度，得到c=-fl*l/16，然后反演推算得到车辆荷载参数 f的计算表达式：

33、 f=w*48ei/（4x*x*x-3*l*l*x）；

34、s1.3. 根据车辆到达桥梁入口和出口的2个高频北斗接收机采集的时间信息，计算得到车辆荷载速度，计算表达式为：

35、v=l/（t2-t1）；

36、其中，t1和t2分别为车辆到达桥梁入口和出口的时间；

37、s1.4. 将步骤s1.2得到的车辆荷载参数和步骤s1.3得到的车辆荷载速度，与摄像头拍摄车辆的车牌信息进行匹配，得到标记车牌号的车辆荷载信息数据，上传至数据存储和检索模块。

38、进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：

39、s2.1. 根据步骤s1得到的关键性桥梁，根据桥梁的走向、目的地情况，确定是否在同一条线路上，或者根据桥梁是否经过相同的车辆，与关键桥梁承受相同荷载、或者国省干道车流量大的桥梁、城市主干道桥梁，确定为关键性桥梁的孪生桥梁；

40、s2.2. 在孪生桥梁布设孪生桥梁毫米波雷达检测系统，毫米波雷达发生毫米波至毫米波雷达监测靶标，毫米波雷达监测靶标返回毫米波，根据返回的时间差计算得到毫米波雷达监测靶标位置的移动距离，进而获取桥梁跨中的竖向位移，然后反演推算车辆荷载参数；

41、雷视一体机通过雷达跟踪车辆的位置，并获得车辆在桥梁上的实时运行轨迹视频，提取车辆的车牌号，根据车牌号判断是否和关键桥梁的车辆为同一车辆，进行基于关键桥梁的车辆荷载信息的同步追踪和识别。

42、进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：

43、s4.1. 根据得到的关键性桥梁、孪生桥梁上对应的竖向位移数据计算关键性桥梁、孪生桥梁的性能评估指标，计算表达式为：

44、；

45、其中，n为测点的个数，为第n个测点的关键性桥梁、孪生桥梁上对应的竖向位移数据后续实测值，为第n个测点的关键性桥梁、孪生桥梁上对应的竖向位移数据初始值；

46、s4.2. 利用主成分分析法，对关键性桥梁和孪生桥梁进行性能评估，计算表达式为：

47、；

48、其中，为关键性桥梁或者孪生桥梁的性能评估系数，为关键性桥梁或者孪生桥梁的第n个监测点位的重要性系数，为第n个关键性桥梁、孪生桥梁的性能评估指标；

49、s4.3. 基于步骤s4.2计算的，判断当的取值范围为1-0.9，则判定桥梁性能优异，暂无需检查；取值范围为0.7-0.8，则判定桥梁性能良好，需要及时检查；取值范围为0.7以下，则判定桥梁性能较差，需要及时更换关键结构，并加强巡检频次。

50、进一步的，步骤s5的具体实现方法为利用主成分分析法，建立城市桥梁群结构性能变化的判定指标，计算表达式为：

51、；

52、其中，为关键桥梁和孪生桥梁的城市桥梁群的整体运行安全评价量之和，为第座桥梁的重要性系数，为第座桥梁的关键性桥梁或者孪生桥梁的性能评估系数；

53、计算当取值范围为1-0.9，则判定城市桥梁群的整体运行安全评价较好，仅需加强日常运行监控即可；取值范围为0.7-0.8，则判定城市桥梁群的整体运行安全评价一般，在加强日常运行监控的基础上，需要加强检查影响较大桥梁的性能变化情况；取值范围为0.7以下，则判定城市桥梁群的整体运行安全评价较差，需要重点关注关键性桥梁的性能变化情况，及时维修更换危险性较大的桥梁，并加强巡检频次。

54、本发明的有益效果：

55、本发明所述的一种城市桥梁群安全状态评估系统，利用关键性桥梁和孪生桥梁的结构受力特点，实现了由既有单一桥梁安全状态评估到城市桥梁群整体性能评估的技术突破，解决了城市桥梁群的整体状态评价难的问题，降低养护成本，实现城市桥梁群的高效/有序的状态评价，有利于城市桥梁群日常管养工作的开展。

56、本发明所述的一种城市桥梁群安全状态评估系统，将高精度北斗与毫米波雷达相结合，解决了既有桥梁挠度监测技术精度低，关键性部位长期监测效果差，无法大规模应用于城市桥梁群的问题，有利于推动北斗定位技术在城市桥梁群健康监测领域的技术应用。