桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测系统、方法及设备

本发明涉及一种桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测系统、方法及设备，属于桥梁结构检测与智能养护。

背景技术：

1、桥梁伸缩装置长期承受车辆轮载冲击、环境侵蚀和构件疲劳作用，容易出现缝宽异常、错台、局部破损、支承松动、连接失效和锚固异常等病害。人工巡检和定点量测效率较低，固定式监测又需要长期布设设备，难以满足路网范围内快速巡检和连续筛查的需要。

2、将激光轮廓、振动、声音及车辆状态传感器安装于检测车辆，可以在不长期占用桥面且不设置固定监测设施的情况下完成移动检测。但是，线激光扫描平面、目标车轴及声振传感器在车辆上异位布置，当线激光扫描平面经过桥梁伸缩装置时，目标车轴通常尚未到达该位置。因此，仅按照统一时间戳关联多源数据，容易将目标轮迹几何状态与其他路面位置或其他车轴的声振响应错误对应。目标车轴过缝响应还受到缝宽、错台、过渡区域不平整、车辆速度、车轴类型、车辆载荷及悬架状态影响，采用固定声振阈值或直接对多源特征进行分类，容易将表面几何变化自然引起的响应增强误判为内部异常。

3、此外，桥梁伸缩装置沿横桥向的几何状态可能不均匀，而目标车轴冲击主要由该车轴各目标车轮实际经过区域的局部状态共同决定。采用整条伸缩装置的平均几何参数，难以准确解释目标车轴过缝形成的声振响应；前轴与后轴轮迹不完全重合时，若二者共用同一轮迹几何参数，还会进一步降低异常判定的一致性。

4、因此，需要解决车载异位传感器条件下目标轮迹局部几何状态与目标车轴声振响应的准确对应问题，并降低表面几何变化、车辆运行条件及基准覆盖不足对异常判定可靠性的影响。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测系统、方法及设备，以解决车载异位传感器数据的目标车轴过缝事件错配、表面几何变化引起的响应增强误判，以及条件参考不足时外推判定不可靠的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测系统，是一种车载轮迹与车轴事件配准与条件残差异常检测系统，包括检测车辆，以及设置于所述检测车辆上的轮廓采集模块、声振采集模块、车辆状态采集模块、同步采集模块、车载数据处理装置和结果输出模块；

4、所述检测车辆包括前轴和后轴，用于搭载上述各模块，并通过目标车轴的目标车轮驶过桥梁伸缩装置，对所述桥梁伸缩装置施加轮载冲击；

5、所述轮廓采集模块包括至少一个线激光轮廓传感器，所述线激光轮廓传感器形成的线激光扫描平面沿检测车辆横向布置，用于连续获取桥面横向轮廓；

6、所述声振采集模块包括至少一个振动传感器和至少一个声压传感器；当前轴和后轴均作为目标车轴时，所述振动传感器包括设置于前轴附近的前轴振动传感器和设置于后轴附近的后轴振动传感器，所述声压传感器包括设置于检测车辆底部并朝向桥面的车底声压传感器；

7、所述车辆状态采集模块用于获取检测车辆的速度和行驶里程，并可进一步获取车辆位置、航向、横滚角、俯仰角、车辆加速度、车辆载荷、转向角、轮胎状态和悬架状态中的至少一种；

8、所述同步采集模块分别接收轮廓采集模块、声振采集模块、车辆状态采集模块的采集数据，用于基于统一时间基准，对连续线激光横向轮廓、振动信号、声压信号和车辆状态数据附加时间信息；

9、所述车载数据处理装置包括依次设置的局部轮廓重建模块、目标轮迹确定模块、车轴事件配准模块、条件参考建立模块、参考充分性判定模块、异常分析模块和驶过完成判定模块，并设置有用于存储基准事件数据的基准事件库，基准事件库与条件参考建立模块连接；

10、所述结果输出模块用于响应驶过完成信号，输出与当前桥梁伸缩装置关联的检测结果。

11、进一步地，所述局部轮廓重建模块用于根据车辆速度或行驶里程，将连续线激光横向轮廓沿车辆行驶方向排列，形成桥面局部轮廓数据；根据车辆横滚角、俯仰角及桥梁伸缩装置两侧局部基准面对所述桥面局部轮廓数据进行姿态修正和基准修正；根据高度突变、轮廓中断、无回波区域、成对边缘或其组合确定桥梁伸缩装置的位置及线激光参考时刻；

12、相邻两帧横向轮廓在车辆行驶方向上的间距按照下式确定：

13、(1)

14、其中，tk和tk+1为相邻横向轮廓采集时刻，v(t)为检测车辆速度；所述行驶间距也可以由轮速累计里程、惯性里程和卫星定位里程中的至少两种进行融合获得。

15、进一步地，所述目标轮迹确定模块用于根据目标车轮在车辆坐标系中的横向位置、车辆横向偏移和转向状态，在桥面局部轮廓数据中确定与目标车轮实际通过区域对应的目标轮迹区域；

16、对于第a个目标车轴的第b个目标车轮，所述目标轮迹区域的横向中心位置

ya,b表示为：

17、(2)

18、其中，为目标车轮在车辆坐标系中的标定横向位置，为检测车辆相对于当前车道或桥梁伸缩装置的横向偏移修正量，为由车辆转向角或前后轴轮迹差异引起的修正量；

19、所述目标轮迹区域以所述横向中心位置为中心，其宽度根据轮胎接地宽度、车辆横向摆动范围及线激光横向分辨率确定；前轴和后轴均作为目标车轴时，分别确定前轴目标轮迹区域和后轴目标轮迹区域；

20、所述目标轮迹确定模块在第a个目标车轴的第b个目标车轮所对应的目标轮迹区域内，提取缝宽、错台、局部缺损、连续异常长度、过渡区域不平整参数和边缘破损参数中的至少一种，形成轮侧局部几何参数；

21、当声振采集通道不能区分同一目标车轴不同目标车轮产生的声振响应时，将该目标车轴各目标车轮对应的轮侧局部几何参数进行组合，形成目标车轴轮迹几何参数；当声振采集通道能够区分不同目标车轮产生的声振响应时，分别保留各轮侧局部几何参数，并形成对应的轮侧过缝事件；

22、(3)

23、其中，ga,b为第a个目标车轴的第b个目标车轮对应的轮侧局部几何参数；wa,b为缝宽特征，da,b为错台特征，la,b为局部缺损或连续异常长度，qa,b为过渡区域不平整参数，ea,b为边缘破损参数；为第a个目标车轴对应的目标车轮集合；φ(·)为轮迹几何组合函数；ga为目标车轴轮迹几何参数；所述轮迹几何组合函数采用参数拼接、加权组合、最大值组合或其组合，使目标车轴声振响应与该目标车轴实际轮载作用区域的几何状态相对应。

24、进一步地，所述车轴事件配准模块输出目标车轴过缝事件数据，供条件参考建立模块和异常分析模块调用；

25、所述车轴事件配准模块用于根据线激光扫描平面经过桥梁伸缩装置的线激光参考时刻、从目标车轴中心线至线激光扫描平面的前向纵向距离以及检测车辆的实际行驶距离，确定目标车轴过缝预测时刻；

26、设线激光参考时刻为tl，从第a个目标车轴中心线至线激光扫描平面的沿车辆前进方向的前向纵向距离为da；当线激光扫描平面位于所述目标车轴前方时，da>0，则目标车轴过缝预测时刻满足：

27、(4)

28、当车辆速度变化较小时，目标车轴过缝预测时刻按照下式确定：

29、(5)

30、其中，为线激光参考时刻至目标车轴过缝预测时刻之间的代表速度；

31、为降低轮速误差、姿态变化及通道延迟造成的事件中心偏差，所述车轴事件配准模块在目标车轴过缝预测时刻附近设置受运动学约束的局部搜索区间，并根据目标车轴附近振动信号和车底声压信号的冲击响应对事件中心进行局部校正；

32、所述局部搜索区间表示为：

33、(6)

34、其中，和分别为目标车轴过缝预测时刻之前和之后的局部搜索时间裕量，二者根据车辆速度测量误差、纵向距离标定误差、里程累计误差及声振通道时间修正量的波动范围确定；

35、在所述局部搜索区间内构建联合冲击响应函数：

36、(7)

37、其中

，ev

(t)为目标车轴对应振动通道的归一化包络或短时能量，

ep

(t)为声压通道的归一化包络或短时能量，

δv和

δp分别为振动通道和声压通道的带符号时间修正量，

λv和

λp为通道权重；所述带符号时间修正量按照目标车轴理论接触时刻减去对应通道主要冲击响应时刻的差值确定，用于将不同声振通道的冲击响应平移至统一的物理事件时刻；

38、目标车轴过缝校正时刻

ta按照下式确定：

39、(8)

40、当仅设置一种声振传感器，或另一通道信号质量低于预设要求时，采用信号质量满足要求的通道在所述局部搜索区间内完成事件中心校正；当各声振通道均不满足信号质量要求时，采用目标车轴过缝预测时刻作为事件中心，并降低该事件的配准置信度；

41、所述车轴事件配准模块以目标车轴过缝校正时刻为事件中心，从振动信号和声压信号中截取目标车轴事件窗口；当声振采集通道不能区分同一目标车轴不同目标车轮产生的响应时，将所述事件窗口与同一桥梁伸缩装置、该目标车轴对应的目标车轴轮迹几何参数、目标车轴标识及车辆运行状态关联，形成目标车轴过缝事件数据；

42、目标车轴过缝事件数据ea表示为：

43、(9)

44、其中，idj为本次桥梁伸缩装置过缝事件标识，ida为目标车轴标识，为目标车轴对应的目标车轮集合，ga为目标车轴轮迹几何参数，ca为车辆运行状态，ya为目标车轴声振响应特征，

qa为根据事件配准质量和信号质量确定的事件质量指标；

45、当声振采集通道能够区分不同目标车轮的响应时，分别形成轮侧过缝事件数据，并记录目标车轮标识idb、轮侧局部几何参数ga,b、轮侧声振响应特征及轮侧事件质量指标；

46、所述车辆运行状态ca表示为：

47、(10)

48、其中，

va为目标车轴事件对应的车辆速度，

aa为车辆加速度，

ηa为车辆载荷、轮胎或悬架状态参数，

ζa为横向偏移或转向状态参数；

49、所述声振响应特征包括振动峰值、振动均方根值、冲击因子、频带能量、谱熵、冲击后衰减参数、声压峰值、声压均方根值、对数频带能量比、倒谱特征和声压衰减参数中的至少一种。

50、进一步地，所述条件参考建立模块用于根据经检查确认不存在附加结构异常的桥梁伸缩装置，或者状态可控且未设置附加结构异常的试验伸缩装置所产生的目标车轴过缝事件数据，建立基准事件库；根据检测平台配置、伸缩装置类型、目标车轴标识和目标车轮侧别中的至少一种离散筛选条件确定候选基准事件，并根据目标车轴轮迹几何参数和车辆运行状态等连续条件变量建立当前条件与正常声振响应之间的条件对应关系；

51、所述附加结构异常，是指支承松动、连接失效、锚固异常、构件断裂或其他不能直接由目标轮迹表面几何参数表征的异常；所述基准事件，是指经检查确认不存在所述附加结构异常的目标车轴过缝事件，基准事件对应的缝宽、错台、局部缺损或过渡区域不平整程度处于不同水平，并作为条件变量记录，不以其是否超过几何养护基准作为纳入基准事件库的唯一条件；

52、对当前事件构建条件向量：

53、(11)

54、其中，ga为目标车轴轮迹几何参数向量，ca为车辆运行状态向量，上标t表示向量转置。

55、所述检测平台配置包括检测车辆类型、目标车轴结构、传感器型号、安装位置、安装方向及数据采集参数中的至少一种；基准事件库按照相同检测平台配置建立，检测平台配置发生变化时，可针对新的检测平台配置重新建立基准事件库，或者通过标定建立响应转换关系；不同检测平台配置的数据，仅在完成响应转换后纳入同一条件参考过程。

56、条件参考建立时，首先按照相同或等效检测平台配置、伸缩装置类型、目标车轴标识和目标车轮侧别离散条件筛选候选基准事件，再根据目标车轴轮迹几何参数和车辆运行状态连续条件变量计算条件距离并确定参考邻域；

57、所述伸缩装置类型根据桥梁及伸缩装置资产信息、既有检测记录或人工输入信息获得，或根据线激光局部轮廓中的缝隙数量、型钢布置形式、结构宽度或其组合进行识别；

58、当前事件与第n个候选基准事件之间的条件距离表示为：

59、(12)

60、其中，p为条件变量数量，

j为条件变量序号，za,j和zn,j分别为当前事件与第n个候选基准事件的连续条件向量的第j个分量，ωj为第j个条件变量的距离权重，sj为对应条件变量的尺度参数，ε为大于零的稳定项；

61、对参考邻域内第n个基准事件赋予距离权重：

62、(13)

63、其中，为当前事件的参考邻域，

h为条件邻域尺度参数；

64、对于第m个声振响应特征，所述条件参考建立模块根据参考邻域内基准事件获得当前条件下的正常响应中心μm(za)和正常响应离散范围σm(za)；

65、所述正常响应中心采用加权均值、加权截尾均值或加权中位数确定；所述正常响应离散范围采用加权标准差、加权四分位距或加权中位绝对偏差确定。

66、进一步地，所述参考充分性判定模块用于判断当前事件是否具有足够的相近基准事件支持，避免在当前轮迹几何状态、车辆运行条件或检测平台配置远离基准事件库覆盖范围时直接进行外推判定；

67、参考充分性判定包括检测平台配置一致性检查和参考邻域充分性检查；检测平台配置一致性满足要求时，参考邻域充分性指标可根据参考邻域有效样本数、权重有效样本数、参考邻域最大条件距离和事件质量指标中的至少两项确定；其中，参考邻域有效样本数为，权重有效样本数为：

68、(14)

69、当检测平台配置一致性不满足预设要求，或者参考邻域有效样本数、权重有效样本数、最大条件距离或事件质量不满足预设要求时，判定条件参考不足；此时扩大条件邻域，或者调用满足前述检测平台配置要求的同一桥梁、同一路段或跨桥梁同类型伸缩装置的上级参考；仍无法获得充分参考时，输出参考不足标识，不对附加响应异常作确定性判定。

70、进一步地，所述异常分析模块进一步接收正常声振参考及参考充分性判定结果；所述异常分析模块用于将目标车轴轮迹几何参数中的各几何参数与对应几何基准范围比较，形成几何异常状态；在参考充分的情况下，根据实际声振响应相对于正常声振参考的条件残差形成附加响应异常指标；

71、当前目标车轴过缝事件第m个声振响应特征的条件标准化残差按照下式确定：

72、(15)

73、其中，为该事件第

m个声振响应特征的实际值，为条件向量za对应的第m个声振响应特征的正常响应中心；为条件向量za对应的第m个声振响应特征的正常响应离散范围；

a为目标车轴序号。

74、多个声振响应特征形成的附加响应异常指标按照下式确定：

75、(16)

76、其中，m为声振响应特征数量，wm为对应权重且各权重之和为1，ρ(·)为关于残差绝对值非减的非负函数；所述函数为绝对值函数、截断绝对值函数或huber函数，以降低单一特征偶然极值对综合结果的支配作用；所述响应异常基准可根据基准事件对应的附加响应异常指标分布确定，采用所述附加响应异常指标的预设上分位数、正常中心与离散范围的组合或者按照预设误报率确定；不同伸缩装置类型、目标车轴标识和检测平台配置分别设置响应异常基准；

77、目标车轴轮迹几何异常指标根据目标车轴轮迹几何参数中各几何参数相对于对应几何基准范围的超限程度形成：

78、(17)

79、其中，k为参与几何异常评价的几何参数数量，为目标车轴轮迹几何参数向量中的第k个几何参数，rk为第k个几何参数的正常基准范围，dist(ga,k, rk)为该几何参数到正常基准范围的距离，rk为尺度参数，γk为几何参数权重；

80、当几何异常指标未超过几何异常基准且附加响应异常指标未超过响应异常基准时，确定当前目标车轴事件为正常；当几何异常指标超过几何异常基准而附加响应异常指标未超过响应异常基准时，确定为几何异常；当几何异常指标未超过几何异常基准而附加响应异常指标超过响应异常基准时，确定为附加响应异常；当二者均超过对应基准时，确定为复合异常；

81、所述附加响应异常表示在当前目标车轴轮迹几何状态、目标车轴及车辆运行状态条件下，实际声振响应超出对应正常声振响应范围的异常部分，用于筛查不能由当前表面几何状态及车辆运行条件充分解释的支承松动、连接失效、锚固异常或其他附加结构异常，而不直接等同于具体内部病害类型；

82、前轴和后轴均作为目标车轴时，分别建立前轴事件和后轴事件，并采用各自对应的目标车轴轮迹几何参数及正常声振条件参考计算异常指标；

83、对多个目标车轴事件进行综合时，根据事件质量和参考充分性确定各事件权重；若多个目标车轴事件均出现同类附加响应异常，则提高综合异常置信度；若仅一个目标车轴事件异常或不同目标车轴判定不一致，则降低综合异常置信度并输出待复核标识。

84、进一步地，所述驶过完成判定模块用于确定检测车辆是否完成当前桥梁伸缩装置的预定检测过程；前轴和后轴均作为目标车轴时，在后轴通过且后轴事件窗口采集完成后生成驶过完成信号；仅选择一个目标车轴时，在该目标车轴事件窗口采集完成后生成驶过完成信号；所述结果输出模块中，所述检测结果至少包括正常、几何异常、附加响应异常、复合异常或参考不足中的一种，并可进一步包括目标车轴轮迹几何参数、事件质量、参考充分性、附加响应异常指标、异常置信度和复核建议等级。

85、一种桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测方法，其采用上述桥梁伸缩装置车载轮迹与车轴异常检测系统，包括如下步骤：

86、s1.在检测车辆坐标系中标定从各目标车轴中心线至线激光扫描平面的沿车辆前进方向的前向纵向距离、各目标车轮横向位置及各声振通道的带符号时间修正量；

87、s2.控制检测车辆通过桥梁伸缩装置，在统一时间基准下获取连续线激光横向轮廓、振动信号、声压信号和车辆状态数据；

88、s3.根据车辆速度或行驶里程排列连续线激光横向轮廓，形成桥面局部轮廓数据，并根据车辆姿态和伸缩装置两侧局部基准面进行修正；

89、s4.根据桥面局部轮廓数据确定桥梁伸缩装置位置和线激光参考时刻，并根据目标车轮横向位置、车辆横向偏移及转向状态确定目标轮迹区域，在所述目标轮迹区域内提取局部几何参数；

90、s5.根据线激光参考时刻、从目标车轴中心线至线激光扫描平面的前向纵向距离及车辆实际行驶距离，确定目标车轴过缝预测时刻；

91、s6.在目标车轴过缝预测时刻附近设置受运动学约束的局部搜索区间，根据振动和声压冲击响应对事件中心进行局部校正，获得目标车轴过缝校正时刻；

92、s7.以目标车轴过缝校正时刻为事件中心截取事件窗口；声振采集通道不能区分同一目标车轴不同目标车轮响应时，将各轮侧局部几何参数组合为目标车轴轮迹几何参数，并与桥梁伸缩装置、目标车轴标识及车辆运行状态关联，形成目标车轴过缝事件；声振采集通道能够区分不同目标车轮响应时，分别形成轮侧过缝事件；

93、s8.根据目标车轴轮迹几何参数中的各几何参数与对应几何基准范围的比较结果形成几何异常状态；

94、s9.调用根据无附加结构异常的目标车轴过缝基准事件预先建立并可更新的基准事件库，按照离散筛选条件确定候选基准事件，并根据目标车轴轮迹几何参数和车辆运行状态确定参考邻域及正常声振响应中心和离散范围；

95、s10.判断参考充分性；参考充分时根据条件残差形成附加响应异常指标，参考不足时扩大参考邻域、调用上级参考或输出参考不足标识；

96、s11.在预定目标车轴完成过缝且对应事件窗口采集完成后，根据几何异常状态、附加响应异常指标、事件质量和参考充分性确定当前桥梁伸缩装置的检测结果，并通过车载结果输出模块输出。

97、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

98、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比至少具有以下有益效果之一：

99、与现有技术相比，本发明利用线激光扫描平面、目标车轴和目标车轮之间的空间关系及车辆实际行驶距离进行运动学预测，并通过声振冲击响应校正事件中心，使目标轮迹局部几何状态与目标车轴过缝响应准确对应；根据当前轮迹几何状态和车辆运行状态建立正常声振参考，通过条件残差区分几何异常与附加响应异常，并在缺少相近基准事件时输出参考不足，从而减少异位传感器事件错配、表面几何变化引起的异常误判及基准覆盖范围外的不可靠外推。