一种道路超荷载等级工况监测方法及系统与流程

1.本技术属于路桥荷载监测技术领域，特别是涉及一种道路超荷载等级工况监测方法及系统。


背景技术：

2.常用公路动态称重依据称重传感器类型和原理，目前应用量比较广泛的不停车称重检测设备分为石英式平板式2种。
3.从建设、施工和后期维护全周期寿命角度来看，平板式和石英式不停车动态称重传设备各有利弊。产品价格方面，平板动态称重传设备一次性建设投资费用略高于石英动态称重传设备。在施工成本方面，平板动态称重传设备对路面的平整度要求仅限于安装称台台面的两侧1m左右范围内有要求，而石英动态称重传设备则要求布设长度范围内的路面需专门打磨和做平整度的处理，施工成本高于平板动态称重传设备。这两种方法对路面平整度要求较高，一定程度增加了施工难度和施工成本。在后期运营维护方面，石英晶体传感器是一次性封装于路面中，路面破损后无法再次利用，需要重新开挖路面进行更新维护；平板动态称重传设备通过在台面上预留维护孔，可方便的拆卸、更换压力传感器，不需要重新开挖路面，平板框体也可循环利用，但因为传感器本身体积和自重均较大，更换成本也比较高。这两种方法的系统均是在桥面或路面设置传感器，均直接承受车辆荷载作用，受雨水直接侵蚀，传感器本身是桥面或路面铺装的一部分，铺装损坏亦可造成监测系统误差增加或失效，通常一个季度和半年时间均需要进行一次标定或维护，系统运营成本较高。而且在道路路面发生永久性变形或损伤的情况下系统传感器需要更换，大幅增加运维成本。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.基于超载监测传统监测方法是对车辆本身重量的监测，监测结果是车辆的轴数、车辆轴重、车辆总重等车辆自身重量的信息，如需对桥梁或所属道路运营荷载等级进行分析需要在上述数据的基础上进行等效换算，等效换算过程繁琐需要采集一段时间的数据，进行专项评估分析，实时性差，工作量大，分析成本均较高的问题。本技术提供了一种道路超荷载等级工况监测方法及系统。
6.2.技术方案
7.为了达到上述的目的，本技术提供了一种道路超荷载等级工况监测方法，所述方法包括如下步骤：1)实时监测桥梁在运营过程的反力变化或车辆荷载引起的反力变；2)计算桥梁设计荷载引起的反力理论最大值；3)将步骤1)中所述反力与步骤2)中所述理论最大值进行对比，若达到预设控制比例值，则对桥面的通行车辆进行记录，将所述记录进行发送并存储。
8.本技术提供的另一种实施方式为：所述步骤1)中通过测量桥梁受到的反力，实时监测桥梁在运营过程的反力变化或车辆荷载引起的反力变。
9.本技术提供的另一种实施方式为：所述反力为车辆荷载引起的支座反力。
10.本技术提供的另一种实施方式为：所述步骤2)中通过对桥梁模型有限元计算分析，计算桥梁设计荷载引起的支座反力理论最大值。
11.本技术提供的另一种实施方式为：所述控制比例值为0.5～1.0；所述记录包括对实时桥面通行车辆进行拍照或者录像。
12.本技术提供的另一种实施方式为：所述记录包括时间、地点、车辆现场照片、车辆车牌、车辆车型、预警位置、预警类型、预警值等；采集控制设备将所述记录传输并存储至网络服务器，所述网络服务器再将所述记录信息推送至用户；采集控制设备将所述记录推送至警示装置，需要时启动现场预警；采集控制设备将所述记录信息推送至用户。
13.本技术提供的另一种实施方式为：还包括在监测到桥面无车辆荷载通行引起的反力变化时，或反力较小且变化稳定时，对反力数据进行清零。
14.本技术还提供一种道路超荷载等级工况监测系统，包括依次连接的测力传感器、采集控制设备和记录设备，所述测力传感器设置于桥梁上，所述测力传感器用于测量桥梁受到的反力，所述采集控制设备，用于实时采集反力，将所述反力与设计荷载反力理论最大值进行对比，超过预设控制比例值触发记录设备，所述记录设备用于拍摄桥面车辆并形成预警记录，同时将所述预警记录进行发送和储存。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述测力传感器设置于支座内，所述测力传感器用于测量支座反力。
16.本技术提供的另一种实施方式为：所述支座与所述测力传感器一体设置或者在现场将测力传感器安装至支座内。
17.3.有益效果
18.与现有技术相比，本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法及系统的有益效果在于：
19.本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法，通过对道路桥梁超设计荷载工况的监测实现对道路桥梁超载的监管。
20.本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法，对桥梁超载工况的监测；针对超载工况监测而非传统的对车辆荷载的监测；通过桥梁支座反力监测值与系统输入设计荷载反力进行对比，计算桥梁或所属道路运营荷载等级，并进行预警和评价。
21.本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法，为一种高效监测方法有助于遏制超载运输。
22.本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法，实时采集支座竖向力与设计荷载反力阈值进行对比，直接得到监测数据与设计荷载等级对比关系，是一种直接对桥梁或所属道路运营荷载等级进行监测并进行预警和评价的技术方案，可实时监测支反力工况下的运营荷载等级，大幅提高了效率。
23.本技术提供的道路超荷载等级工况监测方法，将传感器设置在桥梁支座位置，不直接承受车辆荷载作用，不受雨水直接侵蚀，传感器兼具支座功能是工厂化生产的独立构件，因此产品耐久性更好，运维成本更低。
附图说明
24.图1是本技术的道路超荷载等级工况监测系统示意图；
25.图2是本技术的设备通讯链接示意图。
具体实施方式
26.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
27.随着我国经济的迅速发展，对道路交通运输的需求持续增长，由于多种因素的存在，车辆超载运输已成为公路上普遍发生的现象。超载运输是指在公路上行驶的各种机动车辆装载货物重量超过路政管理部门规定载重或超过道路设计容许通行荷载的行为，由于其具有随意性、广泛性、投机性与复杂性等特点，因而大大增加了对超载运输的治理难度。车辆超限超载严重破坏了公路基础设施。由于超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计载荷，致使路面损坏、桥梁断裂，使用年限大大缩短。车辆超限超载，质量增大而惯性加大，制动距离加长，危险性增大。如果严重超载，则会因轮胎负荷过重、变形过大而引起爆胎、突然偏驶、制动失灵、翻车等事故。另外，超载还会影响车辆的转向性能，易因转向失控而导致事故。超载车辆驾驶人驾驶超限超载的车辆，往往会增加心理负担和思想压力，容易出现操作错误，影响行车安全，造成交通事故。由于超载后的车辆无法达到正常速度行驶，长时间占用车道，直接影响道路的畅通。超载运输不但加速道路损坏而且危害道路交通安全，人们都深知其危害性，所以治理超载一直是公路监管部门的工作重点。
28.石英式不停车称重设备采用石英晶体传感器，利用石英晶体压电效应、扭转效应、物性效应对车重进行检测。其原理是将石英传感元件置于高张度轻型铝合金中空型材内，并对水平压力进行很好的隔离，只采集纵向压力，从而保证采集数据实用性，提高检测精度。平板式不停车称重设备采用压力应变传感器，通过平板内部t型主梁微形变来检测车辆载荷，其原理来源于铁路轨道衡技术，在货运车辆通过称重平板后，轮轴载荷作用在面板上，安装在面板下方的剪力t型主梁产生微形变，通过安装在主梁外侧特定位置的剪力传感器测量形变产生的剪力，最终计算出轮轴载荷、轴重和车货总重。另外，针对公路货运车辆逃避超限检测的违法行驶行为，该类传感器采用了独特的称重力学结构和桥式传感器组进行了针对性改进和优化，主要由平板式无活动构件和t型主梁构造，从结构上避免车辆直接受力和横向力干扰，解决了重载车辆高速通过称重平板时造成的影响，提高了检测精度，并可解决货运车辆轴距随机性大、弹性轮胎，速度不均匀等干扰问题。上述监测均均建立在车辆分车道行驶的前提下，如果车辆跨车道行驶时系统不能有效识别车辆荷载。同时上述动态称重系统关注的是车辆荷载，关注的是对车辆本身的超重管理，无法直接反馈运营道路通行荷载与设计荷载的对比情况，忽视了对道路通行荷载等级的评价。而道路通行荷载等级超设计荷载等级是造成道路损坏的主要和直接因素，因而也无法实现对道路健康状况的监测。
29.传统动态称重系统关注的是车辆荷载，关注的是对车辆本身超重管理，未关注桥梁自身的响应情况，如出现多辆容许通行重车满布桥面时对桥梁可能造成不利影响，但上
述方案无法识别其中风险；传统动态称重系统监测结果是车辆的轴数、车辆轴重、车辆总重等车辆自身重量的信息，无法直接反馈运营道路通行荷载与设计荷载的对比情况，忽视了对道路通行荷载等级的评价，如需对桥梁或所属道路运营荷载等级进行分析需要在上述数据的基础上进行等效换算，等效换算过程繁琐需要采集一段时间的数据，进行专项评估分析，实时性差，工作量大，分析成本均较高；道路养护管理部门通常仅负责管理道路和桥梁技术状态，并无直接车辆管理职责和权限，未有针对道路养护管理部门的荷载监测解决方案；道路通行荷载等级超设计荷载等级是造成桥梁和道路损坏的主要因素，因而也无法实现对道路健康状况的监测。
30.参见图1～2，本技术提供一种道路超荷载等级工况监测方法，所述方法包括如下步骤：1)实时监测桥梁在运营过程的反力变化或车辆荷载引起的反力变；2)计算桥梁设计荷载引起的反力理论最大值；3)将步骤1)中所述反力与步骤2)中所述理论最大值进行对比，若达到预设控制比例值，则对桥面的通行车辆进行记录，将所述记录进行发送并存储。
31.如图1所示，在桥梁支座1位置设置具有测量支座竖向力(反力)功能的支座1，支座1内部有测力传感器，测力传感器通过线缆与采集控制设备2链接，测量桥梁在运营过程中车辆4荷载引起的反力变化。通过对桥梁模型有限元计算分析，计算设计荷载引起的支座反力值的理论最大值。同时也可以直接通过试验方法获得设计荷载引起的支座反力值的理论最大值，或者试验 有限元计算综合方法获得设计荷载引起的支座反力值的理论最大值。通过将测量到的支座反力与这一支座1的理论最大值进行对比，如达到某一控制比例值时启动桥面的抓拍摄像头3对这时桥面的通行车辆4进行拍照。
32.在有限元分析系统软件里，输入桥梁的模型包括有限元单元的节点坐标、截面尺寸、材料属性等，边界条件，桥面通行的设计荷载，计算机通过模拟计算分析出桥梁各个支座竖向反力的理论最大值。
33.直接通过试验方法获得设计荷载引起的支座反力值的理论最大值的方法如下：直接使用与设计荷载同比例或相同或近似的实际荷载，对桥梁进行不同位置、不同工况加载，直接测量支座反力值最大值，最后进行对应换算获得。
34.试验 有限元计算综合方法获得设计荷载引起的支座反力值的理论最大值的方法如下：为使理论计算更准确，可提前对桥梁进行加载试验测试，依据测试结果对计算模型的刚度、边界条件、截面尺寸、材料属性等参数进行修正，统称为模型刚度修正。对修正后的模型进行设计荷载模拟加载计算可获得相对更准确的设计荷载支座反力理论最大值。这一有限元模型修正方法是桥梁专业采用的常用的模型修正方法之一，其它行业常用获取更准确的桥梁设计荷载引起的反力理论最大值的方法也在本文保护范围内。
35.采集控制设备2与支座1内部的测力传感器连接，实时采集支座1的竖向力；对竖向力与反力理论最大值进行对比，超过预设控制比例值后触发摄像头3的拍照功能，对桥面车辆进行拍照。形成一条预警记录，记录包括预计时间、地点、桥面车辆照片、桥面识别到的车辆的牌照信息，也可以是多辆车的牌照信息。记录发送给特定用户；同时记录存储到网络服务器5。
36.同一条道路上的路和桥梁的设计荷载是一致的，测量到的桥梁超荷载工况也可以表征同一条道路的超载情况。
37.进一步地，所述步骤1)中通过测量桥梁受到的反力，实时监测桥梁在运营过程的
反力变化或车辆荷载引起的反力变。
38.进一步地，所述反力为支座反力。
39.进一步地，所述步骤2)中通过对桥梁模型有限元计算分析，计算桥梁设计荷载引起的支座反力理论最大值。
40.进一步地，所述控制比例值为0.5～1.0；所述记录包括对实时桥面通行车辆进行拍照或者录像。通过桥梁支座反力监测值与系统输入的预警阈值进行对比，根据对比结果触发桥面摄像头进行拍照或者录像。
41.进一步地，所述记录包括时间、地点、车辆现场照片、车辆车牌、车辆车型、预警位置、预警类型、预警值等。
42.将所述记录传输并存储至网络服务器5，所述网络服务器5将所述记录推送至用户，将所述记录推送至警示装置，需要时启动现场预警，将所述记录信息推送至用户。
43.具体的，采集控制设备2通过网络与网络服务器5连接，可将所述记录通过网络传输并存储至网络服务器5；所述网络服务器5可通过网络将所述记录信息推送至用户；采集控制设备2也可以通过网络直接将所述记录信息推送至用户；采集控制设备2通过网络或线缆与警示装置连接，可将所述记录推送至警示装置，需要时启动现场预警。
44.进一步地，采集控制设备2也可以直接通过网络并将所述预警信息推送至用户手机或者终端设备。
45.进一步地，还包括在监测到桥面无车辆荷载通行引起的反力变化时，或反力较小且变化稳定时，对反力数据进行清零。
46.桥梁支座反力监测过程中，在无车辆荷载影响的特定时段，对测试数据进行平衡来提高车辆荷载支座反力的测试精度。
47.为了提高支座1，车辆荷载引起的竖向力的测量精度，采集控制设备2定期进行反力平衡清零操作，通常在凌晨车辆较少时，采集控制设备2内程序检测到桥面无车辆荷载通行引起的竖向力变化时，或竖向力较小且变化稳定时，对支座1测量反力进行清零操作。清零操作可减去桥梁上部结构自重，减去结构变形引起的竖向力，消除传感器本身的时间漂移，使得测量到的车辆荷载竖向反力更精确。
48.本技术还提供一种道路超荷载等级工况监测系统，包括依次连接的测力传感器、采集控制设备2和记录设备，所述测力传感器设置于桥梁上，所述测力传感器用于测量桥梁受到的反力，所述采集控制设备2，用于实时采集反力，将所述反力与反力理论最大值进行对比，超过预设控制比例值触发记录设备，所述记录设备用于拍摄桥面车辆并形成预警记录，同时将所述预警记录进行发送和储存。
49.采集控制设备2主要通过采集仪来实现，采集仪内部包括采集、控制、传输三大模块。采集模块主要负责实时采集到反力监测支座的支反力值，包括对监测值的修正、剔除假值等操作；控制模块主要负责对采集到的支反力值进行逻辑判定，如果达到了预警阈值要求则启动抓拍摄像头对桥面工况进行抓拍，则把支反力值、预警类型、抓拍图形及图像分析获取的相关车辆4信息等通过传输模块传送至网络服务器5，还把预警信息通过现场警示仪6显示出来；传输模块主要负责网络服务器5与采集仪之间的通讯功能，一方面把采集仪的数据传送给服务器，另一方面把服务器下发的参数修改命令传递给内部控制模块。采集仪与支座1内部测力传感器连接，实时采集支座竖向力；对竖向力与阈值进行对比，超过阈值
后触发摄像头3的拍照功能，对桥面车辆4进行拍照。形成一条预警记录，记录信息包括预警时间、地点、支座位置、预警级别、各支座最大支反力、桥面抓拍照片、桥面抓拍照片识别到的车辆牌照等信息，也可以是多辆车的牌照信息。采集仪采集支座1竖向力时可根据数据变化趋势，在无车辆荷载影响的特定时间段对采集到的支座竖向力进行预处理，包括温度补偿、自平衡等优化数据操作，剔除通行车辆荷载外荷载影响，最大限度保障车辆荷载支座反力的测试精度。
50.如图2所示：在桥梁支座1位置设置具有测量支座竖向力(反力)功能的支座1，支座1内部有测力传感器，测力传感器通过线缆与采集仪连接，测量桥梁在运营过程中车辆4荷载引起的反力变化。通过对桥梁模型有限元计算分析，计算设计荷载引起的支座反力理论最大值，输入采集仪中。采集仪通过将测量到的车辆荷载支座反力与这一支座反力理论最大值进行对比(简称反力比值)，如达到某一控制比例值时启动桥面的抓拍摄像头3对这时桥面的通行车辆进行拍照。采集仪把采集到的信息通过网络传输储到网络服务器5，同时把信息推送给警示仪，需要时启动现场预警。网络服务器5将启动预警信息推送给与这一监测桥梁关联的特定设备和用户。采集控制设备2也可以把采集到的信息通过网络直接推送给与这一监测桥梁关联的特定设备和用户。
51.进一步地，所述测力传感器设置于支座1内，所述测力传感器用于测量支座反力。超载监测传统监测方法是在桥面或路面设置传感器，均为直接承受车辆荷载作用，受雨水直接侵蚀，传感器本身是桥面或路面铺装的一部分，铺装损坏亦可造成监测系统误差增加或失效。测力传感器原则上只要能测出桥梁所受荷载即可，但是根据实验结果来看，测力传感器设置于支座1内的效果最佳。
52.所述测力传感器是一种常规测量荷载的称重传感器或测量压力的传感器，通常内部包括支撑面、变形体、应变片或位移计等构造。支座承受荷载后会通过支撑面传递给变形体，使变形体产生变形，再由应变片或位移计感应到这个荷载产生的应变量或位移量计算出承受荷载的大小。(这是一种传感器行业通用的传感器)
53.进一步地，所述支座1与所述测力传感器一体设置或者在现场将测力传感器安装至支座内。
54.反力监测支座7也可是一种融合了测力传感器的支座的工厂生产的一体化构件，也可不需要现场装配和组合，测量数据更准确和稳定，耐久性也更好，更好也更方便。反力监测支座7安装或更换时通过千斤顶顶升主梁，进行整体更换或安装更方便。
55.本技术中的反力监测支座7具备测量竖向支撑力的功能，实现方案是在既有常规桥梁支座内置入竖向反力测量模块来实现，反力监测支座7是对现有技术的融合和利用。
56.具体的，这里的采集控制设备2为工控机。桥梁主梁下方支座1采用反力监测支座7，除了满足桥梁常规支座变形要求外还可以对支撑的竖向反力进行实时监测。主梁下方的反力监测支座和桥面上方的抓拍摄像头3均接入工控机中。工控机中存储有每个支座竖向反力的分级预警控制值，工控机实施监测每个接入反力监测支座的竖向力，如监测到某个支座1的竖向力超过了某一级预警控制值则，启动抓拍摄像头3对桥面通行荷载的工况进行抓拍。采集仪把采集到的信息，包括触发预警的时间、地点、支座位置、预警级别、各支座最大支反力、桥面抓拍照片、照片识别到的车辆牌照、车型等信息、通过网络传输储到网络服务器5中，同时把信息推送给现场警示仪6，现场显示桥梁超载一级预警警告提示。网络服务
器5收到新的预计信息后启动这套系统的预警信息推送功能，把收到预计信息通过短信和微信推送给与这一监测桥梁关联的手机号码、关联移动设备和微信用户终端，实现实时预警功能。采集控制设备2也可以把采集到的信息通过网络直接推送给与这一监测桥梁关联的特定设备和用户。
57.同一条道路上的路和桥梁的设计荷载是一致的，测量到的桥梁超荷载工况也可以表征同一条道路的超载情况。
58.实施例
59.在某一3孔30米连续t梁桥上，在中间某一个桥墩上全部5个支座1设置为可测量竖向力支座，支座1通过线缆与采集仪连接。通过有限元模拟计算分析得到，这座桥梁设计荷载公路
‑ⅰ
级荷载作用下，5个支座1的最大反力值依次为200吨、180吨、160吨、180吨、200吨。系统设置的三级预警系数分别为0.6，0.8，1.0。预警系数和支座最大反力值均输入至采集仪中。系统运行过程中采集仪对反力支座进行实时测量，根据各支座数据变化趋势，在凌晨系统检测到支座反力数据无明显变化时，判定此时支座无车辆4荷载影响，对采集到的支座竖向力进行预处理，包括温度补偿、自动平衡清零等优化数据操作，剔除通行车辆荷载外荷载影响，提高测量精度。如测量第一个支座最大反力值超过120吨时，120/200＝0.6，即测量最大反力值/理论最大反力值＝0.6，达到了支座一级预警系数，这时采集仪启动桥面摄像头3进行拍照。采集仪把采集到的信息，包括触发预警的时间、地点、支座位置、预警级别、各支座最大支反力、桥面抓拍照片、照片识别到的车辆牌照、车型等信息、通过网络传输储到网络服务器5中，同时把信息推送给现场警示仪6，现场预警桥梁超载一级预警警告提示。网络服务器5收到新的预计信息后启动这套系统的预警信息推送功能，把收到预计信息通过短信和微信推送给与这一监测桥梁关联的手机号码、关联移动设备和微信用户终端，实现实时预警功能。
60.可根据不同的桥梁、不同的用户根据管理要求设置不同级别的预警系数，通常设置范围为大于0.5，通常不大于1，具体项目视情况也可以采用突破通常范围的控制数值，采用或小于0.5，或大于1的值。
61.这里的采集控制设备2采用工控机，桥梁主梁下方支座1采用反力监测支座7，这类型支座1除了满足桥梁常规支座变形要求外还可以对支撑的竖向反力进行实时监测。主梁下方的反力监测支座7和桥面上方的抓拍摄像头3均接入工控机中。工控机中存储有每个支座竖向反力的分级预警控制值，工控机实施监测每个接入反力监测支座7的竖向力，如监测到某个支座的竖向力超过了某一级预警控制值则，启动抓拍摄像头3对桥面通行荷载的工况进行抓拍，识别抓拍区域内通行车辆4的车牌，也可以是多辆车的牌照信息，将这一工况的触发支座、触发级别类型、桥面抓拍图形、识别到的车辆4车牌存储到工控机中，同时通过网络服务器5将信息传送至远程服务器和关联的移动设备或用户终端。
62.为了提高支座1，车辆4荷载引起的竖向力的测量精度，采集仪定期进行反力平衡清零操作，通常在凌晨车辆较少时，采集仪内程序检测到桥面无车辆荷载通行引起的竖向力变化时，或竖向力较小且变化稳定时，对支座测量反力进行清零操作。清零操作可减去桥梁上部结构自重，减去结构变形引起的竖向力，消除传感器本身的时间漂移，使得测量到的车辆荷载竖向反力更精确。
63.竖向力指的是竖起方向上的力，比如重力(方向是竖起向下)、浮力(竖起向上)，都
属于竖向力。
64.支座反力是理论力学里面的一个词汇，也可以叫做支座的约束反力，是一个支座对于被支撑物体的支撑力。
65.尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。