基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，包括以下步骤：在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

权利要求

1.一种基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

S2、根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

S3、对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

S4、以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

S5、绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

S6、构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

2.根据权利要求1所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，在选定道路的路基或者路面铺设光栅传感阵列。

3.根据权利要求1所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，其中荷载谱系的X、Y坐标为统计单元位置信息，Z坐标为累计荷载值。

4.根据权利要求1所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，实际统计时，横向以车道或者以若干车道组合起来成为一个统计单元；纵向以传感单元或者以若干连续的传感单元为一个统计单元。

5.根据权利要求1所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，步骤S6中，位置信息包括道路纵向长度信息和横向车道分布信息；荷载信息包括车辆在道路上通过产生的累计荷载。

6.根据权利要求1所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，其特征在于，步骤S5中，选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。

7.一种基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，其特征在于，包括：编码单元，用于在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

数据记录单元，用于根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

数据处理单元，用于对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

荷载计算单元，用于以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

荷载谱系绘制单元，用于绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

三维时空荷载谱系构建单元，用于构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

8.根据权利要求7所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，其特征在于，在选定道路的路基或者路面铺设光栅传感阵列。

9.根据权利要求7所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，其特征在于，位置信息包括道路纵向长度信息和横向车道分布信息；荷载信息包括车辆在道路上通过产生的累计荷载。

10.根据权利要求7所述的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，其特征在于，荷载谱系绘制单元还用于选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。

说明书

基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种使用光栅阵列传感光纤提取并建立道路时空荷载谱系的方法及系统。

背景技术

[0002] 至今，中国公路里程达484.65万公里，其中高速公路14.26万公里，居世界第一。在公路发展过程中，公路的建设养护是个大课题，维护好一条公路，需要很精细的管理，公路在使用过程中，面临着路面老化、龟裂、沉陷以及裂缝等等问题，这些问题的出现，就亟需公路人去修复，若未能及时处理，将会严重威胁行驶安全。

[0003] 道路损伤大都与路面所受荷载情况密切相关。因此，有必要研究一套可以实时监测路面荷载情况的系统，便于道路养护。

发明内容

[0004] 本发明主要目的是提供一种可以实时监测路面载荷情况的使用光栅阵列传感光纤提取并建立道路时空荷载谱系的方法及系统。

[0005] 本发明所采用的技术方案是：

[0006] 提供一种基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，包括以下步骤：

[0007] S1、在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

[0008] S2、根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元内所有数据的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

[0009] S3、对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

[0010] S4、以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

[0011] S5、绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

[0012] S6、构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

[0013] 接上述技术方案，在选定道路的路基或者路面铺设光栅传感阵列。

[0014] 接上述技术方案，其中荷载谱系的X、Y坐标为统计单元位置信息，Z坐标为累计荷载值。

[0015] 接上述技术方案，实际统计时，横向以车道或者以若干车道组合起来成为一个统计单元；纵向以传感单元或者以若干连续的传感单元为一个统计单元。

[0016] 接上述技术方案，步骤S6中，位置信息包括道路纵向长度信息和横向车道分布信息；荷载信息包括车辆在道路上通过产生的累计荷载。

[0017] 接上述技术方案，步骤S5中，选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。

[0018] 本发明还提供一种基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，包括：

[0019] 编码单元，用于在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

[0020] 数据记录单元，用于根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

[0021] 数据处理单元，用于对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

[0022] 荷载计算单元，用于以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

[0023] 荷载谱系绘制单元，用于绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

[0024] 三维时空荷载谱系构建单元，用于构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

[0025] 接上述技术方案，在选定道路的路基或者路面铺设光栅传感阵列。

[0026] 接上述技术方案，位置信息包括道路纵向长度信息和横向车道分布信息；荷载信息包括车辆在道路上通过产生的累计荷载。

[0027] 接上述技术方案，荷载谱系绘制单元还用于选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。

[0028] 本发明产生的有益效果是：本发明利用光栅传感阵列自动累计道路上各车道内的荷载值，并绘制成时空荷载谱系，以此对道路进行长期的实时监测，服务于路面的损伤机理和在线精准定量监测。通过分析时空荷载谱系，工作人员可以快速识别道路损伤区域并基于此分析道路发生病害损伤的原因，消除道路结构可能存在的安全隐患。

附图说明

[0029] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0030] 图1是本发明实施例基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法的流程图；

[0031] 图2是本发明实施例的传感单元编码示意图；

[0032] 图3为本发明实施例的三维时空荷载图示意图。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 如图1所示，本发明实施例基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的方法，包括以下步骤：

[0035] S1、在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

[0036] S2、根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

[0037] S3、对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

[0038] S4、以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

[0039] S5、绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

[0040] S6、构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

[0041] 步骤S1具体为：在选定道路上铺设光栅传感阵列时，如图2所示，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个单元编码，固定长度可取3～8m，具体数值可根据不同道路情况自行确定。车辆经过光栅阵列时产生振动信号，光栅阵列采集该信号作为信号输入。

[0042] 传感单元的编码规则如下：传感单元编码为8位字母数字混合字符串，包含三个部分：第一部分：前三位均为小写字母，每一种组合代表一条街道；第二部分：第4位为数字，代表车道信息；第三部分：后四位数字组合代表编码单元在车道上的位置，第一个单元数值为0001，依次递增。

[0043] 步骤S3具体为：原始数据上，横向以车道为基本传感单元，纵向以原始光栅阵列为基本传感单元。在实际统计中，可以根据需求选取任意数量的横向基本传感单元和纵向基本传感单元来组成不同的统计单元进行分析，以比较不同路面荷载变化情况。

[0044] 步骤S5具体为：选取某个或某些单元，形成一个统计单元，以所设定的时间间隔为周期，X轴为道路横向车道信息分布；Y轴为道路纵向长度信息，Z轴为累计荷载大小，累计荷载值为每次荷载值相加，绘制单个统计单元随周期变化的荷载谱系。

[0045] 步骤S5中：以车辆进入道路光纤获得的初始压力值作为估计状态，利用卡尔曼滤波对估计状态值进行校正。

[0046] 步骤S6具体为：构建道路三维时空荷载图，Z轴为荷载大小；X轴为道路横向车道信息分布；Y轴为道路纵向长度信息。其中原点为道路最左边界线与道路起点横端面的交点。X轴横向以一个车道宽度为单位值，y轴纵向以1个传感单元为单位值。

[0047] 在三维图中可使用色图矩阵对不同荷载值进行区分，具体方法为：获取成图区域内Z轴坐标值最大及最小值，该最大最小值即作为色图矩阵的幅值取值范围，将色图矩阵取值范围内的Z轴坐标值按照相同间距分段取值，每个取值段对应不同的颜色，荷载值越大，颜色越深。将Z轴坐标中各个坐标点的数值与色图矩阵中的颜色对应，使得三维时空荷载图最终以三维彩色图的形式展示。

[0048] 本发明的另一实施例使用光栅阵列传感光纤提取并建立道路时空荷载谱系的方法，主要包括以下步骤：1)在选定道路上沿车道纵向铺设光栅阵列传感光纤；2)将光栅阵列传感光纤感知的路面分成不同传感单元，并依据传感光纤布设情况进行编码，建立路面与光纤阵列单元之间的对应关系；3)利用光栅阵列传感光纤所感知的振动信号来提取每个传感单元的荷载，用于实时感知路面荷载信息；4)记录光纤传感器解调器解析的每个传感单元的荷载，同时记录下每个编码单元(即传感单元)内荷载数据的时间戳，将相同时间戳的数据集合在一起，生成一个随时间分片的二维空间荷载数据集；5)横向以车道为单元、纵向按照需求将若干传感单元集合成一个综合单元，计算其荷载平均值和荷载最大值；6)以一定时间为基础，计算每个传感单元在该时间段内的累计荷载，累计荷载值为每次荷载值相加；7)选取某个或某些传感单元，能够以所设定的时间间隔为周期，形成选定路段在该时间段内荷载的变化规律，形成荷载谱系；8)选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。所提方法可依据光纤传感技术，快速、准确获取道路时空荷载谱系，获知路面荷载情况，服务于路面的损伤机理和在线精准定量监测。

[0049] 该实施例中，传感单元的编码为8位的数字字母混合字符串,分为三部分。整体编码例如：aaa40016。第一部分为前三位，均为小写字母。每一种组合代表一条街道。如上所示，aaa代表一条街道，一共可有17576种组合。第二部分为第4位，代表车道信息。相应的数字代表相应的车道，4代表第四车道。第三部分为后四位，代表编码在车道上的具体位置。起点处的编码单元命名为0001，依次递增。如0016则代表从起点开始第16个编码单元。如图2所示，aaa10001表示街道aaa，第一个车道的第一个传感单元。

[0050] 本发明实施例中，光栅阵列采样频率为10hz，根据光栅的采样频率，记录下每个编码单元内所有数据的时间戳。

[0051] 实际数据处理时，可在原始数据上，横向以车道为基本传感单元，纵向以一个原始光栅阵列为基本传感单元；实际统计时，横向可以设置为以车道为基本统计单元，也可以若干车道组合起来成为一个统计单元；纵向可以以基本单元为统计单元，也可以以若干连续的路面单元为统计单元。

[0052] 以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载和平均荷载。绘制单个传感单元的荷载谱系时，以车辆进入道路光纤获得的初始压力值作为估计状态，利用卡尔曼滤波对估计状态值进行校正。以一定时间为周期，计算单个传感单元在该时间段内的累计荷载，累计荷载值为每次荷载值相加。形成单个传感单元内的荷载随周期变化的荷载谱系，其中荷载谱系的X、Y坐标为单元位置信息，Z坐标为累计荷载值。

[0053] 构建道路三维时空荷载谱系时，对于道路时空荷载图的三维图，其中三维图的X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。其中位置信息包括：道路纵向长度信息和横向车道分布信息；荷载信息包括：车辆在道路上通过产生的累计荷载。选取起止时间，计算选定路段区域，根据累计荷载值形成路段的累计荷载谱系。

[0054] 如图3所示，构建道路三维时空荷载图，且在三维图中可使用色图矩阵对不同荷载值进行区分。Z轴为荷载大小；X轴为道路横向车道信息分布；Y轴为道路纵向长度信息。其中原点为道路最左边界线与道路起点横端面的交点。X轴横向以一个车道宽度为单位值，y轴纵向以1个传感单元为单位值。将每个数据集合内的荷载值根据编码规则还原到道路上用于绘制时空荷载图。

[0055] 本发明实施例的基于光栅阵列构建道路时空荷载谱系的系统，包括：

[0056] 编码单元，用于在选定道路上铺设光栅传感阵列，横向以一个车道宽度，纵向以固定长度分割为一个传感单元，并对每个传感单元进行编码；利用光栅阵列传感阵列感知因车辆载荷变化产生的振动信号；

[0057] 数据记录单元，用于根据光栅的采样频率，记录下每个车道上每个传感单元荷载信息的时间戳，并根据时间戳进行分类形成数据集合；

[0058] 数据处理单元，用于对数据集合进行处理，并根据传感单元划分统计单元；

[0059] 荷载计算单元，用于以任意时间划片，计算每个统计单元在该时间段内的累计荷载及平均荷载；

[0060] 荷载谱系绘制单元，用于绘制每个统计单元内的荷载随时间周期变化的荷载谱系；

[0061] 三维时空荷载谱系构建单元，用于构建道路三维时空荷载谱系，其X、Y坐标为道路位置信息，Z坐标为荷载信息。

[0062] 该系统主要用于实现上述方法实施例，相同部分在此不一一赘述。

[0063] 综上，本发明所提方法可依据光纤传感技术，快速、准确获取道路时空荷载谱系，获知路面荷载情况，服务于路面的损伤机理和在线精准定量监测。

[0064] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。