CN110210149B - 一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***及方法，道路内部力学状态检测领域。本发明通过在fwd检测时共设置4个检测点，通过埋设于道路内部各结构层的应力、应变传感器及动态数据采集单元对响应数据进行采集；根据记录的每层应力、应变传感器的数据与响应时间对应，得到波形图，并通过波形响应时间将有效图形数据截取，并拼接，滤波，并将异常数据剔除，得到结果数据，按顺序完成响应基线计算、响应持续时间计算、响应峰值记录、峰值间隔记录及峰值数量记录。本发明多点布局传感器以及载荷，通过合理规范的数据处理流程，有效的减小了数据结果的***误差，避免了人工处理过程中因疲劳、不认真等产生的非确定性误差。

Description

一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***及方法

技术领域

本发明涉及道路内部力学状态检测领域，尤其涉及fwd检测的道路内部应力、应变动态响应特征值获取。

背景技术

道路内部结构的力学状态是评价道路质量、预估道路寿命的最直接指标，然而在实际道路中往往很难获取道路内部结构的真实状态。而目前，在道路研究中通常采用的方法是通过fwd(即落锤式弯沉仪)来测量道路表面的弯沉数据，再利用模量反算模型计算道路各层的模量，从而获知道路内部结构的力学特征。这种方法的主要问题在于：(1)各种模量反算模型都是基于某一力学假设条件下的简化模型，对于道路这种双重耦合非线性(材料非线性+结构非线性)响应的多层结构而言，不同模型在相同参数条件以及同一模型在不同参数条件下计算的结果偏差较大，很难判断其计算结果的真实性；(2)反算模型通常只能计算3-4层的路面结构，并且计算量较大，当路面层数较多时通常无法计算或计算结果远超出正常值。

近年来，随着传感器及电子信息技术的发展，人们为了解决这一瓶颈问题开始采用在道路内部埋设应力、应变传感器来测量道路内部结构的力学响应，从而通过真实的响应数据来对之前的各种道路力学模型、反算方法以及原理假设等进行验证。然而，由于应力、应变具有数据量大、信息比低，噪声大的特点，导致其很难有效的获取其响应信息。

为此，本发明提出一种采用4点fwd检测获取道路内部各结构层应力、应变响应数据特征值的方法，能够实现对数据的高效处理，并且所得到的结果能够有效的应用于道路结构力学响应模型的设计及验证，为道路结构的相关研究提供全新的数据支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过fwd检测获取道路内部各结构层应力、应变响应信息的***及方法，所获得的应力、应变响应信息能够有效的为建立路面弯沉与道路内部力学状态、验证道路结构力学响应模型以及相关的道路结构力学研究提供科学的数据基础。

一种道路内部应力、应变动态响应信息获取方法，包括如下步骤：

(1)采集数据

将应力传感器、应变传感器布设于道路的各结构层，以落锤式弯沉仪于检测点作为力学加载，采集记录应力传感器、应变传感器的数据；

(2)数据处理

根据记录的每层应力、应变传感器的数据与响应时间对应，得到波形图，并通过波形响应时间将有效图形数据截取，并拼接，滤波，并将异常数据剔除，得到结果数据，

(3)计算结果显示

按步骤(2)处理的结果数据，顺序完成响应基线计算、响应持续时间计算、响应峰值记录、峰值间隔记录及峰值数量记录；

所述应力传感器、应变传感器是由压应力传感器、横向应变传感器、纵向应变传感器以及竖向应变传感器所组成的一个三维传感器矩阵，在传感器布设时除路基外每个结构层布设有4只横向应变传感器、4只纵向应变传感器、4只竖向应变传感器以及1个竖向压应力传感器；每层的4对横向应变传感器与纵向应变传感器按T字型排列组成矩阵，布设于以压应力传感器为中心的边长为90cm的正方形的4个顶点；4只竖向应变传感器分别布设于4只横向应变传感器外侧；路基层只布设竖向压应力传感器；所述检测点共设置有4个，分别记为P1、P2、P3、P4，4个检测点按等腰直角三角形分布，P1、P2、P4为三角形的三个顶点，P3在三角形斜边的中心点处；其中直角顶点P1位于传感器矩阵的中心，其水平位置与竖向压应力传感器重合；P2、P3、P4点按行车方向顺序设置于行车道中心线上；P1到P3、P2到P3、P4到P3的距离相等为90cm。

一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***，包括数据采集子***、数据预处理子***和信息提取子***；

所述数据采集子***包括埋设于道路内部各结构层的应力传感器、应变传感器、动态数据采集单元、落锤式弯沉仪和数据中心服务器，落锤式弯沉仪为动力加载，动态数据采集单元对应力、应变传感器响应数据进行采集，再传送至数据中心服务器，

所述数据预处理子***，其文件获取模块、数据解析模块组成、波形探测模块、数据截取模块、数据拼接模块、数据滤波模块以及异常数据剔除模块组成，主要用于读取数据文件并对其进行初步加工，得到处理结果数据，

所述信息提取子***由基线计算模块、响应持续时间计算模块、峰值提取模块、峰值间隔及峰值数量记录模块组成；基线计算模块、响应持续时间计算模块、峰值提取模块直接与数据预处理子***连接接收其处理结果数据，并计算对应特征值，峰值间隔及峰值数量记录模块分别与峰值提取模块，基于峰值提取的结果记录落锤式弯沉仪的峰值间隔及峰值数量；

所述应力传感器、应变传感器是由压应力传感器、横向应变传感器、纵向应变传感器以及竖向应变传感器所组成的一个三维传感器矩阵，在传感器布设时除路基外每个结构层布设有4只横向应变传感器、4只纵向应变传感器、4只竖向应变传感器以及1个竖向压应力传感器；每层的4对横向应变传感器与纵向应变传感器按T字型排列组成矩阵，布设于以压应力传感器为中心的边长为90cm的正方形的4个顶点；4只竖向应变传感器分别布设于4只横向应变传感器外侧；路基层只布设竖向压应力传感器；所述检测点共设置有4个，分别记为P1、P2、P3、P4，4个检测点按等腰直角三角形分布，P1、P2、P4为三角形的三个顶点，P3在三角形斜边的中心点处；其中直角顶点P1位于传感器矩阵的中心，其水平位置与竖向压应力传感器重合；P2、P3、P4点按行车方向顺序设置于行车道中心线上；P1到P3、P2到P3、P4到P3的距离相等为90cm；

其中文件获取模块、数据解析模块组成，通过网络与数据服务器连接；文件获取模块，主要用于获取动态数据采集单元传送的数据文件；数据解析模块，主要用于将文件其解析为对应的应力、应变数据，并将解析后的数据实时传递给波形探测模块；波形探测模块通过分析各结构层应力传感器数据得出落锤式弯沉仪响应波形的准确时间，并将其发送给数据截取模块；数据截取模块根据响应波形的时间对数据进行截取并将其传送给数据拼接模块；数据拼接模块与数据截取模块连接，主要用于将各个响应波形数据拼接成一个完成的数据流，发送给数据滤波模块；数据滤波模块，主要用于将所获得的应力、应变响应数据进行滤波降低数据的噪声信号；异常数据剔除模块与数据滤波模块连接，主要用于剔除非正常数据，并将最终数据预处理结果发送给特征值提取服务器。

所述动态数据采集单元包括至少64路的数据采集通道、网络通讯接口以及数据硬盘接口，其主要用于将各传感器的模拟电信号转换为数字信号进行文件形式存储，并在存储后传送至数据服务器；其中数据采集通道以一对一的方式连接应力传感器、应变传感器；网络通讯接口用于连接网络设备将数据传送至数据服务器；数据硬盘接口用于连接外部硬盘存储设备，主要用于当网络中断时的数据临时存储，避免数据丢失。

所述数据服务器位于数据中心机房，其通过网络接收动态数据采集单元发送的数据文件，并保存至物理硬盘上。

与现有技术相比，本发明的道路内部应力、应变动态响应信息获取***及方法具有以下特点：

(1)通过设置的4个fwd检测点所获得的应力、应变动态响应信息能够更加有效的对道路力学模型进行验证。

现有的检测方法通常只在行车道中线进行fwd检测用以获取路面的弯沉盆，因此所获得的数据并不能实现对道路内部结构力学状态的反应。本发明的所布设的传感器三维矩阵能够有效的捕捉到fwd检测时压力在道路能结构传播所产生的应力、应变响应过程，并且通过等腰三角形的4个检测点使得所获得的检测数据从空间上具有验证效果，使得在进行力学模型计算能够获得可行解。

(2)通过设置矩阵型的应变传感器布设位置能够获得更加全面的数据，同时根据采集的数据能够有效的判断由于传感器异常所产生的错误数据。

现有的fwd试验中，每种传感器通常只布设1-2只，如传感器出现故障则无法判断其数据的准确性。本发明通过设置传感器矩阵，能够获取在fwd作用下道路内部全方位的力学响应过程数据，同时各个传感器可以相互验证，以确保数据的可靠性。

(3)由于应变传感器的信号较弱且噪声较大，在未进行滤波前很难观测到其波形，因此采用多层应力传感器联合作为波形探测因子，避免由于单个传感器的异常造成探测错误或失败。波形探测与截取，避免了无效数据的计算以及海量数据的重复计算，节省了数据处理时间。

(4)通过规范化数据处理流程，确保得到的数据结果具有可比性

目前对于fwd作用下的道路内部应力、应变响应并没有形成规范，因此，得到的数据可能存在较大的***误差及人为误差。本发明多点布局传感器以及载荷，通过合理规范的数据处理流程，有效的减小了数据结果的***误差，避免了人工处理过程中因疲劳、不认真等产生的非确定性误差。

图1本发明***示意图，

图2检测点和传感器布设位置，

其中，19-应力传感器，20-横向应变传感器，21-纵向应变传感器，22-竖向应变传感器，23-检测点P1，24-检测点P2，25-检测点P3，26-检测点P4。

图3发明方法流程示意图，

图4拼接后数据图形，

图5过滤后数据图形，

图6异常数据剔除后数据图形，

图7一个完整的响应波形

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明***示意图见图1。一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***，包括数据采集子***、数据预处理子***和信息提取子***；

所述数据采集子***包括埋设于道路内部各结构层的应力传感器、应变传感器、动态数据采集单元、落锤式弯沉仪和数据中心服务器，落锤式弯沉仪为动力加载，动态数据采集单元对应力、应变传感器响应数据进行采集，再传送至数据中心服务器。其中道路内部传感器通过线缆与动态数据采集单元连接，动态数据采集单元通过网络与数据服务器连接，同时动态数据采集单元连接还可以通过数据线与数据硬盘，动态数据采集单元将传感器数据实时采集并传送给数据服务器，当网络异常或服务器故障连接不上时，动态采集单元将数据暂存至数据硬盘，待网络通讯恢复后再将数据传送至数据服务器。

所述数据预处理子***，其文件获取模块、数据解析模块组成、波形探测模块、数据截取模块、数据拼接模块、数据滤波模块以及异常数据剔除模块组成，主要用于读取数据文件并对其进行初步加工，得到处理结果数据。数据预处理服务器包含文件读取模块、数据解析模块、波形探测模块、数据截取模块、数据拼接模块、数据滤波模块以及异常数据剔除模块。文件读取模块通过网络与数据服务器连接，负责读数传感器采集的数据文件；数据解析模块与文件读取模块连接，负责将数据文件解析为传感器数据；波形探测模块与数据解析模块连接，负责探测数据流中响应波形的时间；数据截取模块与波形探测模块连接，负责根据响应波形的时间将响应波形进行截取；数据拼接模块与数据截取模块连接，负责将截取后的所有响应波形拼接成一个数据流；数据滤波模块与数据拼接模块连接，负责将拼接后的数据流滤波降低数据噪声；异常数据剔除模块与数据滤波模块连接，负责剔除滤波后数据中的异常数据。

所述信息提取子***由基线计算模块、响应持续时间计算模块、峰值提取模块、峰值间隔及峰值数量记录模块组成；其中基线计算模块通过网络与数据预处理服务器中的异常数据剔除模块连接，负责计算响应波形的基线；响应持续时间计算模块通过网络与数据预处理服务器中的异常数据剔除模块连接，负责计算响应波形的持续时间；峰值提取模块通过网络与数据预处理服务器中的异常数据剔除模块连接，负责计算响应波形的各个峰值；峰值间隔记录模块与峰值提取模块连接，负责计算两个峰值间的间隔时间；波峰数量记录模块与峰值提取模块连接，负责计算响应波形的峰值数量。

本发明方法流程示意图见图3：

(1)按照附图将传感器布设在道路各结构层底的相应位置；

(2)将动态采集单元设置于路侧，将各传感器信号线与其对应通道连接，并连接外置硬盘及网线；

(3)按照附图在道路上标记各fwd检测点位置；

(4)将fwd检测设备分别以此对4个检测点进行力学加载；

(5)动态采集单数实时将采集数据传送至数据服务器，在整个检测过程中动态采集单元采用不间断连续采集；

(6)文件获取模块通过网络按时间顺序读取数据服务器中数据文件，传递给数据解析模块；

(7)数据解析模块接收到数据文件后，将其转换成各传感器数据，并将数据传送给波形探测模块；

(8)波形探测模块根据每层应力传感器数据获取波形响应时间，并将其传送给数据截取摸块；

(9)数据截取模块根据波形响应时间将有效的响应数据截取，并将其传递给数据拼接模块；

(10)当所有试验数据截取完成后，数据拼接模块将所有数据进行拼接，并将其传递给数据滤波模块；

(11)数据滤波模块对拼接好的数据流进行滤波处理，并将其传递给异常数据剔除模块；

(12)异常数据剔除模块根据规则将非正常数据剔除，并将完成的数据预处理数据发送给信息提取子***；

(13)信息提取子***按顺序完成响应基线计算、响应持续时间计算、响应峰值提取、峰值间隔记录及峰值数量记录。

实施例1

采用fwd控制荷载为5吨，每个检测点测试3次。传感器采集频率为2000Hz，道路结构为7层结构，共有应力、应变传感器55只(前4层有应变传感器，后3层没有加设)。检测点和传感器布设位置图见图2。测试时间为半小时，数据总量约为1GB，数据文件30个。

根据本发明的内容，具体实施步骤如下：

(1)动态采集单元将半小时内的数据以一分钟为一个数据文件发送的数据服务器，共30各文件；

(2)文件读取模块按时间数据逐一从数据服务器获取数据文件；

(3)数据解析模块将原始数据文件进行格式解析，获取道路结构内部应力应变的实时响应数据；

(4)波形探测模块根据应力传感器的响应数据进行动态响应波形探测，共探测到波形16个；其目的在于快速定位响应波形数据，减小无用数据文件的解析时间。

(5)数据截取模块根据fwd响应波形的特征，确定起始时间并截取响应波形数据，截取时间为2秒(波形探测点前0.5秒、后1.5秒)，将无响应波形的部分去掉。由于传感器埋设于地下，得到的数据可能存在较大的***误差及人为误差，需要进行处理。

(6)数据拼接模块将所有截取后的数据进行拼接。见图4。

(7)数据滤波模块对拼接后的数据进行滤波处理。见图5。

(8)异常数据剔除模块通过对比试验记录及波形特征，剔除4个异常或无效的响应数据片段。见图6。

(9)信息提取子***，对应力、应变响应数据进行计算获取响应波形数据的特征值，包括响应数据基线、响应持续时间、响应峰值、峰值间隔及峰值数量。见图7。

图7所示为一个完整的响应波形数据，根据波形前端的数据通过迭代算法计算出波形的基线用于获知响应前传感器的水平；响应持续时间通过计算数据开始上升时间到数据稳定后的时间间隔得到；峰值通过峰值检测算法得到，用于后期的道路力学研究；峰值响应间隔时间是用相邻的两个峰值时间相减得到；峰值数量就是单次响应的峰值数量。

按图7数据计算：基线为—3.6812，持续时间为—560ms(采样频率2000Hz，即1秒2000个数据)，峰值—3.9889,3.9871,3.9845，3.9824；按图7计算：峰值间隔为156ms，96ms，75ms；峰值数量—4个。

Claims (4)

1.一种道路内部应力、应变动态响应信息获取方法，包括如下步骤：

(1)采集数据

将应力传感器、应变传感器布设于道路的各结构层，以落锤式弯沉仪于检测点作为力学加载，采集记录应力传感器、应变传感器的数据；

(2)数据处理

根据记录的每层应力、应变传感器的数据与响应时间对应，得到波形图，并通过波形响应时间将有效图形数据截取，并拼接，滤波，并将异常数据剔除，得到结果数据，

(3)计算结果显示

按步骤(2)处理的结果数据，顺序完成响应基线计算、响应持续时间计算、响应峰值记录、峰值间隔记录及峰值数量记录；

所述应力传感器、应变传感器是由压应力传感器、横向应变传感器、纵向应变传感器以及竖向应变传感器所组成的一个三维传感器矩阵，在传感器布设时除路基外每个结构层布设有4只横向应变传感器、4只纵向应变传感器、4只竖向应变传感器以及1个竖向压应力传感器；每层的4对横向应变传感器与纵向应变传感器按T字型排列组成矩阵，布设于以压应力传感器为中心的边长为90cm的正方形的4个顶点；4只竖向应变传感器分别布设于4只横向应变传感器外侧；路基层只布设竖向压应力传感器；所述检测点共设置有4个，分别记为P1、P2、P3、P4，4个检测点按等腰直角三角形分布，P1、P2、P4为三角形的三个顶点，P3在三角形斜边的中心点处；其中直角顶点P1位于传感器矩阵的中心，其水平位置与竖向压应力传感器重合；P2、P3、P4点按行车方向顺序设置于行车道中心线上；P1到P3、P2到P3、P4到P3的距离相等为90cm。

2.根据权利要求1所述方法设计的一种道路内部应力、应变动态响应信息获取***，包括数据采集子***、数据预处理子***和信息提取子***；

所述数据采集子***包括埋设于道路内部各结构层的应力传感器、应变传感器、动态数据采集单元、落锤式弯沉仪和数据中心服务器，落锤式弯沉仪为动力加载，动态数据采集单元对应力、应变传感器响应数据进行采集，再传送至数据中心服务器，

所述数据预处理子***，其文件获取模块、数据解析模块组成、波形探测模块、数据截取模块、数据拼接模块、数据滤波模块以及异常数据剔除模块组成，主要用于读取数据文件并对其进行初步加工，得到处理结果数据，

所述信息提取子***由基线计算模块、响应持续时间计算模块、峰值提取模块、峰值间隔及峰值数量记录模块组成；基线计算模块、响应持续时间计算模块、峰值提取模块直接与数据预处理子***连接接收其处理结果数据，并计算对应特征值，峰值间隔及峰值数量记录模块分别与峰值提取模块，基于峰值提取的结果记录落锤式弯沉仪的峰值间隔及峰值数量；

所述应力传感器、应变传感器是由压应力传感器、横向应变传感器、纵向应变传感器以及竖向应变传感器所组成的一个三维传感器矩阵，在传感器布设时除路基外每个结构层布设有4只横向应变传感器、4只纵向应变传感器、4只竖向应变传感器以及1个竖向压应力传感器；每层的4对横向应变传感器与纵向应变传感器按T字型排列组成矩阵，布设于以压应力传感器为中心的边长为90cm的正方形的4个顶点；4只竖向应变传感器分别布设于4只横向应变传感器外侧；路基层只布设竖向压应力传感器；所述检测点共设置有4个，分别记为P1、P2、P3、P4，4个检测点按等腰直角三角形分布，P1、P2、P4为三角形的三个顶点，P3在三角形斜边的中心点处；其中直角顶点P1位于传感器矩阵的中心，其水平位置与竖向压应力传感器重合；P2、P3、P4点按行车方向顺序设置于行车道中心线上；P1到P3、P2到P3、P4到P3的距离相等为90cm；

其中文件获取模块、数据解析模块组成，通过网络与数据服务器连接；文件获取模块，主要用于获取动态数据采集单元传送的数据文件；数据解析模块，主要用于将文件其解析为对应的应力、应变数据，并将解析后的数据实时传递给波形探测模块；波形探测模块通过分析各结构层应力传感器数据得出落锤式弯沉仪响应波形的准确时间，并将其发送给数据截取模块；数据截取模块根据响应波形的时间对数据进行截取并将其传送给数据拼接模块；数据拼接模块与数据截取模块连接，主要用于将各个响应波形数据拼接成一个完成的数据流，发送给数据滤波模块；数据滤波模块，主要用于将所获得的应力、应变响应数据进行滤波降低数据的噪声信号；异常数据剔除模块与数据滤波模块连接，主要用于剔除非正常数据，并将最终数据预处理结果发送给特征值提取服务器。

3.根据权利要求2所述的***，所述动态数据采集单元包括至少64路的数据采集通道、网络通讯接口以及数据硬盘接口，其主要用于将各传感器的模拟电信号转换为数字信号进行文件形式存储，并在存储后传送至数据服务器；其中数据采集通道以一对一的方式连接应力传感器、应变传感器；网络通讯接口用于连接网络设备将数据传送至数据服务器；数据硬盘接口用于连接外部硬盘存储设备，主要用于当网络中断时的数据临时存储，避免数据丢失。

4.根据权利要求3所述的***，所述数据服务器位于数据中心机房，其通过网络接收动态数据采集单元发送的数据文件，并保存至物理硬盘上。

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