本發(fā)明提供一種基于手機(jī)定位的橋梁車輛載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法，屬于橋梁監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)往往需要復(fù)雜的硬件設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，這不僅增加了監(jiān)測(cè)成本，也限制了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和廣泛性。此外，目前的技術(shù)在車型識(shí)別和載荷計(jì)算方面存在一定的局限性，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性受到影響。

2、cn201410349146.7公開(kāi)了一種橋面移動(dòng)車輛載荷的隨機(jī)識(shí)別方法，在橋面布置光柵、應(yīng)變和加速度傳感器，獲得移動(dòng)車輛的行駛速度以及橋梁在移動(dòng)車輛載荷作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變和加速度響應(yīng)；對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)建立準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)有限元模型，并進(jìn)行模型縮聚，使得縮聚后橋梁模型的自由度與動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測(cè)量部位匹配；基于實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)樣本，利用kl分解技術(shù)獲取橋梁隨機(jī)動(dòng)位移、速度和加速度的確定性成份；采用直接求逆法和洪吉諾夫正則化方法識(shí)別橋面隨機(jī)移動(dòng)車輛載荷的確定性成份；獲得隨機(jī)移動(dòng)車輛載荷的統(tǒng)計(jì)特性：平均時(shí)間歷程以及方差。但是該方法存在以下的缺點(diǎn)：

3、1.成本和復(fù)雜性：在橋面上布置光柵、應(yīng)變和加速度傳感器需要大量的資金投入，尤其是在大型橋梁上。傳感器安裝后需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)，這需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，增加了維護(hù)成本。

4、2、環(huán)境因素影響：橋梁環(huán)境多變，傳感器可能受到溫度、濕度、腐蝕等因素的影響，降低其耐用性和準(zhǔn)確性。外部環(huán)境因素(如風(fēng)、溫度變化)可能對(duì)傳感器數(shù)據(jù)造成干擾，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5、3、數(shù)據(jù)處理和分析：建立結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行模型縮聚、kl分解和載荷識(shí)別等計(jì)算過(guò)程需要大量的計(jì)算資源。動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)樣本的處理和分析需要高級(jí)的信號(hào)處理技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，這增加了數(shù)據(jù)分析的難度。

6、4、實(shí)時(shí)性限制：由于數(shù)據(jù)處理和分析的復(fù)雜性，可能存在一定的延遲，影響實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。在識(shí)別橋面隨機(jī)移動(dòng)車輛載荷時(shí)，可能存在響應(yīng)時(shí)間的問(wèn)題，特別是在高交通流量的情況下。

7、5、局限性：這種方法可能更適用于特定的橋梁結(jié)構(gòu)或特定的監(jiān)測(cè)目的，不一定適用于所有類型的橋梁。有限元模型的準(zhǔn)確性依賴于多種因素，如材料特性、邊界條件等，模型的誤差可能會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

8、6、長(zhǎng)期穩(wěn)定性：長(zhǎng)期暴露在惡劣環(huán)境下，傳感器的性能可能會(huì)逐漸下降，影響長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性。

9、《基于視覺(jué)與慣性傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合》(趙嚴(yán)亮.基于視覺(jué)與慣性傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合[d].蘭州理工大學(xué),2023.)通過(guò)安裝傳感器和采集設(shè)備,對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,以確保橋梁的安全性和可靠性。但是該方法存在以下的缺點(diǎn)：視覺(jué)傳感器與慣性傳感器的數(shù)據(jù)融合需要精確的算法和校準(zhǔn)過(guò)程，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在實(shí)際應(yīng)用中，融合過(guò)程中的算法可能需要不斷調(diào)整和優(yōu)化，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另外，盡管融合了慣性傳感器來(lái)減少對(duì)光線和環(huán)境的要求，但視覺(jué)系統(tǒng)依然對(duì)光照變化敏感。在強(qiáng)光、陰影或者多變天氣條件下，視覺(jué)系統(tǒng)的性能可能會(huì)受到影響。最后視覺(jué)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果橋梁結(jié)構(gòu)被遮擋，如車輛、行人或其他障礙物，會(huì)影響位移監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

10、近年來(lái)，隨著智能手機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，手機(jī)內(nèi)置的傳感器和sdk(軟件開(kāi)發(fā)工具包)為橋梁監(jiān)測(cè)提供了一種新的可能性。智能手機(jī)普遍配備了高精度的加速度計(jì)、gps模塊等傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集車輛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和位置信息。然而，如何有效地利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁載荷的監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)跟蹤，仍然是一個(gè)尚未充分解決的問(wèn)題。因此，亟需一種基于手機(jī)sdk的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用手機(jī)的便攜性和普及性，實(shí)現(xiàn)車輛載荷的動(dòng)態(tài)跟蹤，為橋梁的健康狀況評(píng)估提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于手機(jī)定位的橋梁車輛載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法，以要解決以下的技術(shù)問(wèn)題：

2、(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁載荷的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在延遲，無(wú)法及時(shí)反映橋梁的實(shí)際載荷狀況。

3、(2)監(jiān)測(cè)成本與可擴(kuò)展性：傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高昂，安裝和維護(hù)復(fù)雜，限制了其在大量橋梁中的應(yīng)用和擴(kuò)展。

4、(3)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與可靠性：現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中可能存在誤差，影響橋梁載荷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

5、(4)車型識(shí)別與載荷估算：如何準(zhǔn)確地通過(guò)手機(jī)sdk采集的數(shù)據(jù)識(shí)別車型，并據(jù)此估算車輛載荷，是現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)挑戰(zhàn)。

6、(5)數(shù)據(jù)集成與融合：如何有效地整合手機(jī)sdk提供的加速度、位置等信息，以及如何與其他傳感器數(shù)據(jù)融合，以提高監(jiān)測(cè)精度。

7、(6)用戶隱私與安全性：利用手機(jī)sdk進(jìn)行監(jiān)測(cè)需要考慮用戶數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)和系統(tǒng)的安全性，防止數(shù)據(jù)泄露或被惡意利用。

8、具體技術(shù)方案為：

9、一種基于手機(jī)定位的橋梁車輛載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊，車型識(shí)別模塊和動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算模塊；

10、所述的數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)手機(jī)sdk即軟件開(kāi)發(fā)工具包來(lái)采集車輛的加速度數(shù)據(jù)和位置信息；

11、包括以下子模塊：加速度數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集車輛的加速度數(shù)據(jù)。位置定位模塊，負(fù)責(zé)獲取車輛的位置信息。

12、所述的車型識(shí)別模塊，用于分析采集到的加速度數(shù)據(jù)，識(shí)別不同類型的車輛。

13、所述的動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算模塊，利用從手機(jī)sdk采集的加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛的信息，計(jì)算車輛在通過(guò)橋梁時(shí)對(duì)橋梁施加的動(dòng)態(tài)載荷。

14、本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集模塊，采用以下設(shè)計(jì)：

15、低功耗設(shè)計(jì)：為了延長(zhǎng)手機(jī)電池壽命，sdk在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用低功耗模式，僅在必要時(shí)喚醒傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

16、數(shù)據(jù)加密：為了保護(hù)用戶隱私，sdk在采集、傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)采用加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)安全。

17、用戶授權(quán)：sdk在首次使用時(shí)，會(huì)請(qǐng)求用戶授權(quán)訪問(wèn)加速度計(jì)和gps數(shù)據(jù)，確保遵循相關(guān)的隱私保護(hù)法規(guī)。

18、兼容性測(cè)試：sdk需經(jīng)過(guò)廣泛的兼容性測(cè)試，確保在不同品牌和型號(hào)的手機(jī)上都能穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)上述數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明能夠有效地采集到用于橋梁監(jiān)測(cè)的加速度數(shù)據(jù)和位置信息，為后續(xù)的車型識(shí)別、載荷估算和橋梁健康狀況評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

19、本發(fā)明的車型識(shí)別模塊，具有以下特點(diǎn)：

20、特征提取與選擇：從加速度數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征，如頻率成分、峰值、時(shí)間序列模式等。選擇能夠有效區(qū)分不同車型的特征，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

21、機(jī)器學(xué)習(xí)算法：采用支持向量機(jī)(svm)、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行車型識(shí)別。通過(guò)交叉驗(yàn)證等方法選擇最佳的模型參數(shù)。

22、在線學(xué)習(xí)與更新：設(shè)計(jì)模型能夠進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，以適應(yīng)新的車型和變化的環(huán)境條件。定期更新模型，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和魯棒性。

23、實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性：優(yōu)化算法以實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的車型識(shí)別，減少延遲。提高模型的泛化能力，減少對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的依賴。

24、本發(fā)明的動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算模塊，具有以下功能：

25、動(dòng)力學(xué)模型建立：建立車輛的動(dòng)力學(xué)模型，考慮車輛的質(zhì)量、懸掛系統(tǒng)特性等參數(shù)。確保模型能夠適應(yīng)不同類型的車輛和行駛條件。

26、加速度與載荷轉(zhuǎn)換：利用牛頓第二定律(f＝ma)將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為力。結(jié)合車輛的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算車輛在垂直方向上的動(dòng)態(tài)載荷。

27、數(shù)據(jù)融合與校準(zhǔn)：可能需要融合其他數(shù)據(jù)源，如車速、車輛類型等信息，以提高載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的結(jié)果對(duì)比，對(duì)計(jì)算出的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

28、本發(fā)明還提供一種基于手機(jī)定位的橋梁車輛載荷監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

29、步驟1，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)手機(jī)sdk來(lái)采集車輛的加速度數(shù)據(jù)和位置信息；

30、加速度數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集車輛的加速度數(shù)據(jù)。首先，通過(guò)手機(jī)sdk接入內(nèi)置的三軸加速度計(jì)，加速度計(jì)測(cè)量手機(jī)在x、y、z三個(gè)垂直方向上的加速度變化。其次，sdk將定期讀取加速度計(jì)的值，記錄下車輛的加速度數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)加速度和動(dòng)態(tài)加速度。最后，sdk內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理算法對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和校準(zhǔn)。此外，數(shù)據(jù)預(yù)處理還包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、去零漂移。

31、位置定位模塊負(fù)責(zé)獲取車輛的位置信息。首先，通過(guò)手機(jī)內(nèi)置的gps模塊，sdk實(shí)時(shí)獲取車輛的經(jīng)度、緯度和海拔高度信息。其次，sdk采用定位技術(shù)。最后，sdk確保加速度數(shù)據(jù)和位置信息在時(shí)間上的同步。

32、步驟2，車型識(shí)別模塊通過(guò)分析采集到的加速度數(shù)據(jù)，識(shí)別不同類型的車輛。

33、首先，車型識(shí)別模塊從加速度數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征。關(guān)鍵特征包括頻率成分、峰值、時(shí)間序列模式，用于區(qū)分不同車型。

34、其次，車型識(shí)別模塊采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行車型識(shí)別。

35、此外，模塊采用優(yōu)化的算法處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用在線學(xué)習(xí)機(jī)制，以適應(yīng)新車型和環(huán)境變化。

36、步驟3，動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算模塊利用從手機(jī)sdk采集的加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛的信息，計(jì)算車輛在通過(guò)橋梁時(shí)對(duì)橋梁施加的動(dòng)態(tài)載荷。具體包括：

37、步驟3.1，加速度數(shù)據(jù)解析：

38、動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的加速度數(shù)據(jù)流。分析加速度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列特征，包括加速度的變化率、方向和幅度。

39、采用的模型包括：

40、(1)單自由度車輛模型為線性二自由度模型，設(shè)車輛僅在水平面上運(yùn)動(dòng)，且僅考慮橫擺和側(cè)向運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度；

41、橫擺運(yùn)動(dòng)方程，考慮側(cè)向力和輪胎側(cè)偏角之間的線性關(guān)系：

42、

43、其中，iz是車輛繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωr是橫擺角速度，a和b分別是質(zhì)心到前軸和后軸的距離，fyf和fyr分別是前軸和后軸上的側(cè)向力。

44、側(cè)向運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)車輛沒(méi)有縱向滑移：

45、

46、其中，m是車輛質(zhì)量，vx是車輛沿x軸(即縱向)的速度，β是質(zhì)心側(cè)偏角。

47、側(cè)向力計(jì)算，采用線性輪胎模型：

48、fyf＝-cafaf

49、fyr＝-carar

50、其中，caf和car分別是前、后輪胎的側(cè)偏剛度，af和ar分別是前、后輪胎的側(cè)偏角。側(cè)偏角與車輛幾何參數(shù)和橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角有關(guān)。

51、(2)多自由度車輛模型

52、采用三自由度模型，在二自由度模型的基礎(chǔ)上增加縱向運(yùn)動(dòng)方程：

53、縱向運(yùn)動(dòng)方程：

54、

55、其中，fx是驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力，fdrag是空氣阻力，frolling是滾動(dòng)阻力，fgrade是坡度阻力。

56、步驟3.2，動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算：

57、利用牛頓第二定律f＝ma，將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為力；m是車輛的質(zhì)量，a是加速度。結(jié)合車輛的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算車輛在垂直方向即橋梁的承載方向上的動(dòng)態(tài)載荷。

58、步驟3.3，數(shù)據(jù)融合與校準(zhǔn)：

59、首先，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集多個(gè)數(shù)據(jù)源；其次，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立融合模型，將不同數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行融合；然后，通過(guò)優(yōu)化算法處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

60、本發(fā)明提供的一種基于手機(jī)定位的橋梁車輛載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法，旨在通過(guò)創(chuàng)新的傳感器數(shù)據(jù)采集、車型識(shí)別和動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁載荷的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，從而提高橋梁安全管理的效率和有效性，同時(shí)降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，為橋梁的維護(hù)和健康管理提供一種經(jīng)濟(jì)、便捷且用戶友好的解決方案。