一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法与流程

1.本发明涉及道路工程领域，尤其是涉及一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法。


背景技术：

2.桥头跳车是道路运营过程中常见病害之一，不仅严重影响行车过程中的安全性和舒适性，也严重危害桥梁的服役性能和使用寿命。当桥梁数量众多时，无法通过传统的人工监测手段及时获取桥头跳车十分严重的路段的信息，进而无法及时对道路进行维修养护，给道路运营带来极大的安全隐患。目前尚无实时的自动化的桥头跳车监测方法，无法及时对其进行较为有效的反馈。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，方法可以实现桥头跳车自动监测、即时预警。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，方法采用阵列式位移计，阵列式位移计由多节等长的测量单元组成，若干节阵列式位移计以π形分布排列方式埋设于桥头道路的地层内，该排列方式可以便捷高效检测桥头道路的纵向和横向不均匀沉降，为桥头跳车的准确识别奠定基础。
6.以π形分布排列方式埋设具体为：阵列式位移计沿道路纵向在每幅路各布设一列，并在纵向与车道线平行，沿道路横向与桥台平行，地层包括道路面层和道路基层，所述阵列式位移计装设在道路面层和道路基层之间，且埋设于道路基层的部分大于埋设在道路面层的部分；
7.方法包括以下步骤：
8.每个测量单元独立采集监测数据，测量单元的首节为控制单元，监测数据汇总到控制单元中，控制单元将监测数据发送至外部通信设备；
9.外部通信设备实时将监测数据发送给云端服务器，云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，分析得到桥头路基沉降量，基于桥头路基沉量降判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，若出现，则发送预警信息，反之则继续对监测数据实时分析。
10.进一步地，每个测量单元安装有加速度传感器，测量单元采集的监测数据具体为每个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量，增量的表达式为：
[0011][0012]
其中，l为每个测量单元的长度，xi、yi、zi分别为第i个测量单元始端到末端在空间
坐标系中沿x、y、z轴的位置增量，分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角，为第i个测量单元加速度传感器的z轴与重力方向的夹角。
[0013]
进一步地，第i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角的表达式为：
[0014][0015][0016]
为第i个测量单元加速度传感器的z轴与重力方向的夹角的表达式为：
[0017][0018]
其中，a
xi
、a
yi
、a
zi
分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y、z轴方向的加速度，g为重力加速度，如果测量单元竖直静置，x、y方向的重力分量为a
xi
＝0g，a
yi
＝0g，而z轴方向的重力分量为a
zi
＝g，所有角度计算为0。
[0019]
进一步地，通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，分析得到桥头路基沉降的具体过程为：
[0020]
基于位置增量，测得各测点的空间坐标值；
[0021]
将各测点的空间坐标值与各测点的初始空间坐标相减，得到各测点的累计沉降量。
[0022]
进一步地，各测点的空间坐标值的表达式为：
[0023]
x
n+1
＝xn+xi[0024]yn+1
＝yn+y
i i＝n
[0025]zn+1
＝zn+zi[0026]
其中，x
n+1
、y
n+1
、z
n+1
分别为第n+1个测量单元始端，即第n个测量末端，在空间坐标系中的x、y、z的坐标值；xn、yn、zn分别为第n个测量单元始端，即第n-1个测量单元末端，在空间坐标系中的x、y、z的坐标值，i表示测量单元的序号，i满足i＝n。
[0027]
进一步地，各测点的累计沉降量的表达式为：
[0028][0029][0030][0031]
其中，δxn、δyn、δzn分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴上的位置与初始位置相比的位置变化量，即第n个测量单元末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的沉降量，分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴上的初始位置。
[0032]
进一步地，阵列式位移计沿道路纵向在每幅路各布设的一列的长度为30m，阵列式位移计横向的布设距桥台2m，横向的布设的宽度为所有车道、硬路肩和中央分隔带宽度之和。
[0033]
进一步地，所述阵列式位移计安装在直径15cm的ppr管内，ppr管安装在放置槽内，
所述放置槽开设在道路基层内，放置槽的槽宽为20cm，槽深为10cm。
[0034]
进一步地，阵列式位移计的初始倾斜度与该处道路纵横坡度相同。
[0035]
进一步地，与各阵列式位移计对应相连的数据线从道路基层顶面引出，数据线与外部通信设备连接。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0037]
(1)本发明通过在桥头道路内埋设阵列式位移计，阵列式的排列方式可以便捷高效检测桥头道路的纵向和横向不均匀沉降，为桥头跳车的准确识别奠定基础,自动监测桥头道路的沉降数据，实现桥头道路沉降监测数据的实时在线传输。
[0038]
(2)本发明设置空间数据解析模型，进而判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，实现桥头跳车的实时分析、自动预警，为桥头道路的养护提供精准的数据，及时消除道路运营过程中的安全隐患。
附图说明
[0039]
图1为本发明的流程图；
[0040]
图2为本发明的阵列式位移计的平面布置图；
[0041]
图3为本发明的阵列式位移计的空间布置图；
[0042]
图4为本发明的道路层次结构示意图；
[0043]
图5为本发明的通信设备连接线路示意图；
[0044]
图6为本发明的空间数据解析原理示意图；
[0045]
图7为本发明的阵列式位移计空间变形示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0047]
本发明提出一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，方法的流程图如图1所示。
[0048]
本发明将多节等长的测量单元组成阵列式位移计，将若干阵列式位移计以π形分布排列方式埋设于桥头道路的地层内；每个测量单元独立采集监测数据，并通过内部总线式结构并行连接，通过总线将采集数据汇总到首节的控制器单元，控制器单元与外部通信设备相连；外部通信设备使用4g全网通串口等多种实时通信方式，将监测数据实时传输至云端服务器；云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，根据数据解析得到的桥头路基沉降判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，并自动发送预警信息。
[0049]
本发明的阵列式位移计总体是π形分布，沿桥头道路纵向在每幅路各布设一列，并在纵向与车道线平行，沿道路横向与桥台平行。地层包括道路面层和道路基层，阵列式位移计装设在道路面层和道路基层之间，且埋设于道路基层的部分大于埋设在道路面层的部分。沿着道路纵向距每幅路最接近中线的车道线向靠近该幅路中线方向80cm，沿道路纵向布设长度为30m，横向布设位置为距桥台2m处，横向布设宽度为所有车道、硬路肩和中央分隔带宽度之和。阵列式位移计安装在直径15cm的ppr管内，ppr管安装在放置槽内，放置槽开
设在道路基层内，其槽宽为20cm，槽深为10cm。保持安装后的各阵列式位移计初始倾斜度与该处道路纵横坡相同，与各阵列式位移计对应相连的数据线从道路基层顶面引出，之后通过路面施工使阵列式位移计完全包裹在道路地层内。阵列式位移计的平面图和立体图分别如图2和图3所示。
[0050]
采用上述阵列式位移计，本发明的方法包括以下步骤：
[0051]
将多节等长的测量单元组成阵列式位移计，将若干节阵列式位移计以π形分布排列方式埋设于桥头道路的地层内；
[0052]
每个测量单元独立采集监测数据，并通过内部总线式结构并行连接，通过总线将采集数据汇总到首节的控制器单元，控制器单元与外部通信设备相连；
[0053]
外部通信设备使用4g全网通串口等多种实时通信方式，将监测数据实时传输至云端服务器；
[0054]
云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，根据解析得到的桥头路基沉降判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，并自动发送预警信息。
[0055]
本发明中，每个测量单元安装有加速度传感器，测量单元采集的监测数据具体为每个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量。如式(1)、(2)所示：
[0056][0057][0058]
其中，分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角，为第i个测量单元加速度传感器的z轴与重力方向的夹角；a
xi
、a
yi
、a
zi
分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y、z轴方向的加速度，g为重力加速度，如果测量单元竖直静置，x、y方向的重力分量为a
xi
＝0g，a
yi
＝0g，而z轴方向的重力分量为a
zi
＝g，所有的角度计算为0；l为每个测量单元的长度，一般为20～50cm；xi、yi、zi分别为第i个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴上的位置增量。
[0059]
通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，分析得到桥头路基沉降的具体过程为：
[0060]
基于位置增量，测得各测点的空间坐标值；
[0061]
将各测点的空间坐标值与各测点的初始空间坐标相减，得到各测点的累计沉降量。
[0062]
各测点的空间坐标值的表达式为：
[0063]
x
n+1
＝xn+xi[0064]yn+1
＝yn+y
i i＝n
ꢀꢀ
(3)
[0065]zn+1
＝zn+zi[0066]
其中，x
n+1
、y
n+1
、z
n+1
分别为第n+1个测量单元始端，即第n个测量末端，在空间坐标
系中的x、y、z的坐标值；xn、yn、zn分别为第n个测量单元始端，即第n-1个测量单元末端，在空间坐标系中的x、y、z的坐标值，i表示测量单元的序号，i满足i＝n。
[0067]
将式(3)计算得到的各测点的空间坐标与各测点的初始空间坐标相减，即可得到各测点的累计沉降量如式(4)所示：
[0068][0069]
其中，δxn、δyn、δzn分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴的位置与初始位置相比的位置变化量(即第n个测量单元末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的沉降量)，分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴的初始位置。
[0070]
下面举一个具体的例子：
[0071]
将多节0.5m长的测量单元组成阵列式位移计，将3段阵列式位移计以π形分布排列方式埋设于桥头道路的地层内；通过总线将采集数据汇总到首节的控制器单元，控制器单元与外部通信设备相连；外部通信设备使用4g网络将监测数据实时传输至云端服务器；云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，并自动发送预警信息。
[0072]
具体的，选取某新建高速公路的某一桥头路段为监控区，在此监控区的道路内先进行阵列式位移计的安装，再将阵列式位移计通过数据总线与通信设备连接，最终通过4g网络将沉降数据实时发送到云端服务器，从而利用云端服务器实现桥头跳车的实时分析、自动预警。阵列式位移计沿道路纵向在每幅路各布设一列，并在纵向与车道线平行，沿道路横向与桥台平行。沿着道路纵向距每幅路最接近中线的车道线向靠近该幅路中线方向80cm布置，沿道路纵向布设长度为30m，横向布设位置为距桥台2m处，横向布设宽度为所有车道、硬路肩和中央分隔带宽度之和，横向布设宽度为25m。
[0073]
在道路基层d2施工养护完成后，在预定需要安装阵列式位移计的位置进行开槽，槽宽为20cm，槽深为10cm，而后将阵列式位移计装在直径15cm的ppr管内，将ppr管放置在放置槽的槽腔底部，最终确保安装后的各阵列式位移计初始倾斜度与该处道路纵横坡相同，埋置的数据测试环境一致，将各阵列式位移计的数据总线与外部的通信设备相连，之后再施工道路面层d1，使阵列式位移计被完全包覆在道路地层d内。道路结构层次图如图4所示。通信设备连接线路示意图如图5所示。
[0074]
设置阵列式位移计每天采集一次数据，采集的数据通过数据总线传输至通信设备，通信设备利用4g通信网络将采集的沉降数据发送至云端服务器，云端服务器将采集的数据自动存储，并与初始数据进行对比，判断桥头跳车的严重程度，如果沉降数据超出设定的阈值，自动给道路养护维修部门发送预警信息，从而实现桥头跳车的自动实时监测。
[0075]
此外，也可以通过空间数据解析模型分析得到沉降数据，进而发送预警信息。空间数据解析原理示意图如图6所示。阵列式位移计空间变形示意图如图7所示。
[0076]
桥头道路任意监测点的沉降计算过程如下：
[0077]
选定某桥头道路为监控区，选取单个测量单元长度为l＝0.5m，此区域的首节固定
控制器单元初始高度设为0m，空间坐标设为(0，0，0)m，测量单元水平放置，第一个测量单元末端的初始空间坐标为(0.5，0，0)m，对应的角度分别为：第二个测量单元末端的初始空间坐标为(1，0，0)m，对应的角度的分别为：为(1，0，0)m，对应的角度的分别为：该道路经过一段时间的运营，第一个测量单元传感器对应的角度分别变为：道路经过一段时间的运营，第一个测量单元传感器对应的角度分别变为：第二个测量单元传感器对应的角度分别变为：第二个测量单元传感器对应的角度分别变为：进而可以计算得到：
[0078]
第1个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量：
[0079][0080]
第2个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量：
[0081][0082]
第2个测量单元始端(即第1个测量单元末端)的空间坐标值为：
[0083]
x2＝x1+x1＝0m+0.4983m＝0.4983m
[0084]
y2＝y1+y1＝0m+0.0459m＝0.0459m
[0085]
z2＝z1+z1＝0m-0.0837m＝-0.0837m
[0086]
第3个测量单元始端(即第2个测量单元末端)的空间坐标值为：
[0087]
x3＝x2+x2＝0.4983m+0.4984m＝0.9967m
[0088]
y3＝y2+y2＝0.0459m+0.0419m＝0.0878m
[0089]
z3＝z
21
+z2＝-0.0837m-0.0800m＝-0.1637m
[0090]
第2个测量单元始端(即第1个测量单元末端)的累计沉降量为：
[0091][0092]
第3个测量单元始端(即第2个测量单元末端)的累计沉降量为：
[0093][0094]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，方法采用阵列式位移计，阵列式位移计由多节等长的测量单元组成，若干节阵列式位移计以π形分布排列方式埋设于桥头道路的地层内，。以π形分布排列方式埋设具体为：阵列式位移计沿道路纵向在每幅路各布设一列，并在纵向与车道线平行，沿道路横向与桥台平行，地层包括道路面层和道路基层，所述阵列式位移计装设在道路面层和道路基层之间，且埋设于道路基层的部分大于埋设在道路面层的部分；方法包括以下步骤：每个测量单元独立采集监测数据，测量单元的首节为控制器单元，监测数据汇总到控制器单元中，控制器单元将监测数据发送至外部通信设备；外部通信设备实时将监测数据发送给云端服务器，云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，分析得到桥头路基沉降量，基于桥头路基沉降量判断桥头跳车是否出现以及出现的最严重的位置，若出现，则发送预警信息，反之则继续对监测数据实时分析。2.根据权利要求1所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，每个测量单元安装有加速度传感器，测量单元采集的监测数据具体为每个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量，增量的表达式为：其中，l为每个测量单元的长度，x
i
、y
i
、z
i
分别为第i个测量单元始端到末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的位置增量，分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角，为第i个测量单元加速度传感器的z轴与重力方向的夹角。3.根据权利要求2所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，第i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角的表达式为：i个测量单元加速度传感器的x、y轴与水平面的夹角的表达式为：为第i个测量单元加速度传感器的z轴与重力方向的夹角的表达式为：其中，a
xi
、a
yi
、a
zi
分别为第i个测量单元加速度传感器的x、y、z轴方向的加速度，g为重力加速度，如果测量单元竖直静置，x、y方向的重力分量为a
xi
＝0g，a
yi
＝0g，而z轴方向的重力分量为a
zi
＝g，所有角度计算为0。4.根据权利要求3所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，分析得到桥头路基沉降的具体过程为：
基于位置增量，测得各测点的空间坐标值；将各测点的空间坐标值与各测点的初始空间坐标相减，得到各测点的累计沉降量。5.根据权利要求4所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，各测点的空间坐标值的表达式为：x
n+1
＝x
n
+x
i
y
n+1
＝y
n
+y
i i＝nz
n+1
＝z
n
+z
i
其中，x
n+1
、y
n+1
、z
n+1
分别为第n+1个测量单元始端，即第n个测量末端，在空间坐标系中的x、y、z的坐标值；x
n
、y
n
、z
n
分别为第n个测量单元始端，即第n-1个测量单元末端，在空间坐标系中的x、y、z的坐标值，i表示测量单元的序号，i满足i＝n。6.根据权利要求4所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，各测点的累计沉降量的表达式为：测点的累计沉降量的表达式为：测点的累计沉降量的表达式为：其中，δx
n
、δy
n
、δz
n
分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴上的位置与初始位置相比的位置变化量，即第n个测量单元末端在空间坐标系中沿x、y、z轴的沉降量，分别为第n个测量单元末端在空间坐标系中x、y、z轴上的初始位置。7.根据权利要求1所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，阵列式位移计沿道路纵向在每幅路各布设的一列的长度为30m，阵列式位移计横向的布设距桥台2m，横向的布设的宽度为所有车道、硬路肩和中央分隔带宽度之和。8.根据权利要求1所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，所述阵列式位移计安装在直径15cm的ppr管内，ppr管安装在放置槽内，所述放置槽开设在道路基层内，放置槽的槽宽为20cm，槽深为10cm。9.根据权利要求1所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，阵列式位移计的初始倾斜度与该处道路纵横坡度相同。10.根据权利要求1所述的一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，其特征在于，与各阵列式位移计对应相连的数据线从道路基层顶面引出，数据线与外部通信设备连接。

技术总结
本发明涉及一种基于阵列式位移计的桥头跳车监测方法，方法采用阵列式位移计，阵列式位移计由多节等长的测量单元组成；方法包括以下步骤：每个测量单元独立采集监测数据，测量单元的首节为控制器单元，监测数据汇总到控制器单元中，控制器单元将监测数据发送至外部通信设备；外部通信设备实时将监测数据发送给云端服务器，云端服务器通过空间数据解析模型，对监测数据实时分析，发送预警信息。与现有技术相比，本发明具有自动监测、即时预警等优点。即时预警等优点。即时预警等优点。


技术研发人员：张家科 张留鹏 马振雷 向科 许晶晶 江海跃 刘生定 谢松
受保护的技术使用者：中铁二十四局集团有限公司 中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/18