基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测方法和系统

本发明涉及分布式光纤传感、道路交通状态感知、路面结构健康监测、智能交通与道路基础设施数字化运维，具体是一种基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测方法和系统。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术能够将普通光纤作为连续线性传感单元，具有传感距离长、抗电磁干扰、耐腐蚀、可连续覆盖和便于长期在线监测等优点，已经被用于道路沉降监测、交通流量检测、车辆识别、车辆轨迹跟踪和道路基础设施安全监测等场景。车辆行驶时产生的轮胎—路面作用、车体振动、制动冲击和路面结构响应会通过道路结构传递至传感光纤，进而引起背向散射光的相位、幅度或等效应变变化。

2、现有道路沉降型分布式光纤方案通常关注静态或准静态变形参数，例如通过纵向和横向光纤形成网格结构，并结合变形曲面重构或弯沉反演得到沉降位置和变形量。该类方案的核心数据对象是沉降量、弯沉信息或结构变形曲面，车辆通行多被视为干扰或附加荷载，难以直接给出车辆经过、车辆停留、拥堵排队、冲击事故等动态交通事件。

3、现有交通检测型光纤方案通常将分布式光纤振动信号作为车辆存在、车速或流量的识别输入，常采用阈值、轨迹斜率、频谱特征、时频特征输出交通状态。该类方案能够在一定程度上识别车辆事件，但当重车、轻车、不同速度、不同侧向距离、不同轮胎状态或不同光纤耦合条件造成响应差异时，容易将交通荷载变化误判为路面结构异常，或者将真实路面结构异常掩盖在车辆差异和环境噪声中。

4、现有交叉路口型检测方案多围绕路口渠化车道、排队区域、停车线、信号相位或路口车辆轨迹展开，其输出结果通常集中在路口排队长度、信号控制辅助和车辆通行状态，不适合直接推广到普通长距离道路区段的交通—结构联合监测。

5、因此，若仅将分布式光纤道路监测概括为“检测振动”“识别车流”或“监测沉降”，容易与既有方案混同。需要一种更加具体的技术链条：既能够把长距离光纤信号转化为可解释的道路事件，又能够利用自然车辆自身形成的移动荷载样本进行自校准，并进一步通过车轴脉冲指纹和反事实响应库削弱车辆差异、侧向距离差异和环境差异对结构异常判断的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有分布式光纤道路监测方案中交通检测与结构异常识别相互割裂、车辆荷载差异容易造成结构异常误判、静态沉降监测难以解释动态交通事件，而提出一种基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测方法和系统。这种方法和系统能降低重车、速度、侧向距离和环境变化导致的误判，通过等效移动荷载编码、相似车辆簇、环境状态节点和反事实参考响应，能够削弱车辆差异对路面结构异常判断的影响，具有可解释证据链，事件图谱将车辆轨迹、车轴脉冲、停留、冲击、长期基线和结构异常候选节点统一组织，便于给出事件发生位置、原因证据和复核依据；适合工程长期部署，浅槽齐平式布设不形成明显突棱或台阶，系统可结合矛盾样本和现场复核标签持续更新，适应道路结构、交通组成、季节环境和设备状态变化。

2、实现本发明目的的技术方案是：

3、基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测方法，包括如下步骤：

4、沿普通连续道路区段设置至少一根传感光纤，使所述传感光纤与道路路面结构形成振动耦合；

5、通过与传感光纤连接的分布式光纤解调设备连续采集自然车辆通行作用下沿光纤距离方向分布的道路振动响应，并根据空间采样位置和采样时刻构建距离—时间二维信号矩阵s(xi,tj)；

6、对所述距离—时间二维信号矩阵进行距离校准、时间同步、背景基线扣除、滤波去噪、幅值归一化和异常值剔除，得到标准化信号矩阵；

7、从所述标准化信号矩阵中提取车辆轨迹条带、车轴脉冲序列、停留响应片段和冲击响应片段，并根据所述车轴脉冲序列形成车轴脉冲指纹；

8、根据车辆轨迹条带和车轴脉冲指纹生成等效移动荷载编码，并将编码相似的车辆事件归入相似车辆簇；

9、基于车辆轨迹条带、车轴脉冲指纹、停留响应片段、冲击响应片段、等效移动荷载编码以及监测时段的环境状态信息构建路面事件图谱；

10、基于所述路面事件图谱中的车辆轨迹节点、停留节点和冲击节点，对车辆经过、车辆停留、缓行拥堵和异常冲击进行识别，得到交通事件识别结果；将道路沿光纤方向划分为多个路段响应指纹单元，针对每一路段响应指纹单元和每一等效移动荷载编码或相似车辆簇建立自历史参考响应库和邻域反事实参考响应库；

11、将实时车辆事件在路段响应指纹单元处的当前响应与所述自历史参考响应库和邻域反事实参考响应库进行比较，计算反事实归一化路面响应指数cc-nri（cc-nri为结构响应异常评价指标。将当前响应相对于自历史参考和邻域反事实参考产生的幅值、频带、传播及基线等多类残差进行鲁棒归一化和加权融合）；

12、当同一路段响应指纹单元的cc-nri在多个相似车辆簇、多个非连续时间窗口或多个环境状态下重复超过异常阈值，且与事件图谱中的长期基线漂移、冲击触发关系或重复轨迹残差中的至少一种证据一致时，将该路段响应指纹单元标记为疑似路面结构响应异常候选区域，并输出交通事件、结构响应异常候选区域、证据图谱和预警等级。

13、所述传感光纤设置于车道分隔线下方浅槽内、车道边缘浅槽内、路肩浅槽内或中央隔离带附近保护槽内；当设置于车道分隔线下方浅槽内时，所述浅槽深度为6 mm至30mm，宽度为6 mm至25 mm，浅槽内由下至上依次设置粘结找平层、传感光纤或含传感光纤的微型保护管、柔性耦合填充层和标线兼容表层，所述标线兼容表层固化后与相邻路面齐平或高差不大于3 mm，从而在不显著改变道路表面结构、不影响车辆压线或变道的条件下获取自然车辆动态荷载响应。

14、所述距离—时间二维信号矩阵s(xi,tj)中，车辆正常经过通常表现为随时间移动的斜向条带，车辆停留表现为固定空间位置附近的持续响应，缓行拥堵表现为多个低速轨迹和停留响应在空间与时间上的聚集，冲击事件表现为突发高幅值、宽频带和空间扩散响应。

15、所述标准化信号矩阵进行至少两个频带的分解，得到多频带能量矩阵bm(xi,tj)，并通过滑动空间窗和滑动时间窗计算局部能量以提取有效事件片段；所述车轴脉冲序列通过对车辆轨迹条带邻域内的包络峰值进行时间排序得到，由车辆振动响应获取车轴数量、轴间时间间隔及轴距等信息，经车轴脉冲序列形成的车轴脉冲指纹包括脉冲数量、相邻脉冲时间间隔、由车辆速度换算的等效轴距序列、各脉冲相对幅值、脉冲宽度和脉冲频带能量比的组合，用于后续等效移动荷载编码，车轴脉冲指纹能够反映车辆轴数、等效轴距、相对脉冲强度和轴组振动特征，使自然车辆不再只是被检测目标，而成为可重复利用的非专用移动荷载探针。

16、所述等效移动荷载编码q表示为q=[v,ev,fm,br,ls,td,lf,dl,ap]，其中v为轨迹速度，ev为事件能量，fm为主频，br为频带能量比，ls为空间覆盖长度，td为持续时间，lf为低频能量占比，dl为侧向距离代理量，ap为车轴脉冲指纹；所述侧向距离代理量由轨迹条带宽度、峰值空间偏移、相邻空间采样点能量比、低频与中高频能量衰减比或与车道几何位置的相对关系中的至少两项确定；当车辆事件的等效移动荷载编码与既有编码簇中心的标准化距离小于簇匹配阈值时，将该车辆事件归入对应相似车辆簇，否则形成新的编码簇或存入待复核车辆簇。

17、所述有效事件片段和等效移动荷载编码构建路面事件图谱g=(v,e)，其中节点v包括车辆轨迹节点、车轴脉冲节点、停留节点、冲击节点、长期基线节点、环境状态节点和结构异常候选节点中的至少四类，边e包括时间邻接边、空间邻接边、轨迹延续边、车轴关联边、同荷载参考边、基线漂移边和异常触发边中的至少四类；所述路段响应指纹单元的长度根据分布式光纤空间分辨率、道路结构层厚度和车辆轮迹影响宽度确定，为0.5 m至5 m。

18、所述自历史参考响应库包括rself(u,q,e)、madself(u,q,e)、nself(u,q,e)和更新时间，所述邻域反事实参考响应库包括rcf(u,q,e)、madcf(u,q,e)、ncf(u,q,e)和邻域权重，其中u为路段响应指纹单元，q为等效移动荷载编码或相似车辆簇，e为环境状态（“自历史参考响应库”采用结构健康监测中历史健康基线比较的基本思想，表示同一路段响应指纹单元在相同或相似等效移动荷载和环境状态下，经确认处于正常状态时积累的历史响应集合。“邻域反事实参考响应库”是针对结构异常判断提出的参考响应构造方式。表示对“若该位置保持正常状态时应产生何种响应”的估计）；所述邻域反事实参考响应库通过同一等效移动荷载编码在相邻路段响应指纹单元、历史健康时段或已复核正常路段中的响应加权生成，并对已标记为异常、施工、强噪声或设备异常的样本进行剔除；所述cc-nri按照cc-nri(u,q,e)=σwm·ρm(dm(u,q,e)/scalem(u,q,e))计算，其中dm包括幅值残差da、频带残差df、传播残差dp和基线漂移残差db中的至少两类，scalem为中位绝对偏差、四分位距或预设噪声基准，wm为证据权重，ρm为截断函数或鲁棒归一化函数。

19、当自历史参考响应库或邻域反事实参考响应库中的有效样本数量低于预设最小样本量，或者交通事件识别结果与cc-nri结构异常判定结果之间存在矛盾时，系统将相关原始信号片段、标准化信号片段、车轴脉冲指纹、等效移动荷载编码、事件图谱、cc-nri和识别结果存入待复核样本库；待获得视频监控、交通卡口、动态称重、人工巡检、路面病害检测或道路养护记录中的至少一种复核标签后，对车辆簇中心、自历史参考响应库、邻域反事实参考响应库、异常阈值进行带版本号的增量更新。

20、一种基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测系统，该系统用于执行上述的基于车轴脉冲的光纤道路交通结构解耦监测方法，所述系统包括浅槽齐平式传感光纤、分布式光纤解调设备、路侧边缘计算单元或监测平台，以及距离—时间矩阵构建模块、标准化预处理模块、事件片段提取模块、车轴脉冲指纹提取模块、等效移动荷载编码模块、路面事件图谱生成模块、路段响应指纹库模块、邻域反事实参考响应生成模块、cc-nri计算模块、交通—结构解耦判定模块、证据图谱输出模块和复核回灌更新模块；

21、所述浅槽齐平式传感光纤与道路路面结构形成振动耦合，并与分布式光纤解调设备光连接；所述分布式光纤解调设备与路侧边缘计算单元或监测平台通信连接，并将沿光纤距离方向分布的道路振动响应发送至距离—时间矩阵构建模块；所述距离—时间矩阵构建模块、标准化预处理模块、事件片段提取模块、车轴脉冲指纹提取模块和等效移动荷载编码模块依次连接；所述路面事件图谱生成模块分别接收车辆轨迹、车轴脉冲、停留、冲击、等效移动荷载编码和结构异常候选信息，生成用于证据关联的路面事件图谱；所述路段响应指纹库模块与邻域反事实参考响应生成模块连接，并共同向cc-nri计算模块提供自历史参考响应和邻域反事实参考响应；所述cc-nri计算模块与交通—结构解耦判定模块连接，所述交通—结构解耦判定模块与证据图谱输出模块连接，所述复核回灌更新模块与车辆簇中心、路段响应指纹库模块、邻域反事实参考响应生成模块、异常阈值连接，用于根据复核标签进行反向更新。

22、对脱空、裂缝、沉陷、松散或局部刚度退化等具体病害类型，系统输出候选提示和复核依据，不将单次光纤振动响应作为终局诊断依据。

23、本技术方案实现以下效果：

24、将自然车辆从交通检测目标提升为非专用移动荷载探针。通过车轴脉冲指纹和等效移动荷载编码，系统能够在无专门加载车、无固定称重设备强依赖的情况下建立相似移动荷载样本。

25、区别于单纯沉降或弯沉监测。系统不以静态沉降量或纵横交错光纤网格曲面重构作为主要判断依据，而是以同等自然移动荷载作用下响应残差的持续偏离作为结构异常证据。

26、区别于单纯交通流量检测。系统不仅输出车流、速度、停留和拥堵，还通过双参考响应库和cc-nri提示疑似路面结构响应异常候选区域，并给出证据图谱和复核依据。

27、降低重车、速度、侧向距离和环境变化导致的误判。通过等效移动荷载编码、相似车辆簇、环境状态节点和反事实参考响应，能够削弱车辆差异对路面结构异常判断的影响。

28、具有可解释证据链。事件图谱将车辆轨迹、车轴脉冲、停留、冲击、长期基线和结构异常候选节点统一组织，便于给出事件发生位置、原因证据和复核依据。

29、适合工程长期部署。浅槽齐平式布设不形成明显突棱或台阶，系统可结合矛盾样本和现场复核标签持续更新，适应道路结构、交通组成、季节环境和设备状态变化。