CN114964459B - 一种载具轮迹实时定位测速***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载具轮迹实时定位测速***及方法，该***包括布设在铺面结构本体内的分布式光纤振动感知组件、光纤解调仪以及振动光纤分析装置，所述的分布式光纤振动感知组件通过光纤解调仪与振动光纤分析装置连接，所述的分布式光纤振动感知组件包括多个依次连接且按照设定形式布设的振动感知单元，用以采集通过载具轮胎引起的铺面结构振动信息，与现有技术相比，本发明能够实现载具轮迹及速度的大范围、高精度、全天候监测，该载具轮迹实时定位测速***施工简单且成本较低，定位与测速准确度高而算法复杂度低，具有良好的产业化前景。

Description

一种载具轮迹实时定位测速***及方法

技术领域

本发明涉及道路与机场工程领域，尤其是涉及一种载具轮迹实时定位测速***及方法。

背景技术

载具轮迹定位及测速在道路与机场设计、养护与交通规划中均具有重要意义，从细观角度出发，载具轮迹分布反映了轮胎累积荷载对铺面结构作用的空间分布，能够指导铺面结构设计阶段的指标计算，有利于运营养护阶段的病害反演与预测，而实时测速技术既可应用于超速监测，又有利于交通事故的准确还原；从宏观角度看，载具轮迹定位及测速为交通统计、交通规划及交通法规的修订提供了更科学可靠的依据。

现有载具轮迹定位测速方法包括人工测量法、图像视频法与传感器检测法，人工测量法指人工标记铺面横断面区间，由记录员记录轮胎通过的区间编号判断轮胎轨迹，使用测速枪测量速度，费时费力且无法全天候监测；图像视频法借助摄像设备，对影像中的载具进行识别而计算出轨迹及速度，能够实时监测，但是精度低且算力需求高；传感器法利用埋设的传感器识别轮胎经过，目前有磁阻传感器与压电传感器等单点式传感器，能够全天候高精度监测，但测量范围小，只能测得单个断面的速度及作用点分布，难以完整还原载具行驶状态，若大范围布设单点传感器则成本较高。

因此，目前亟需一种大范围、高精度、全天候的新型载具轮迹实时定位测速方法。

发明内容

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一种载具轮迹实时定位测速***及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种载具轮迹实时定位测速***，该***包括布设在铺面结构本体内的分布式光纤振动感知组件、光纤解调仪以及振动光纤分析装置，所述的分布式光纤振动感知组件通过光纤解调仪与振动光纤分析装置连接，所述的分布式光纤振动感知组件包括多个依次连接且按照设定形式布设的振动感知单元，用以采集通过载具轮胎引起的铺面结构振动信息。

多个振动感知单元在铺面结构本体内以平面矩阵正交排列的形式布设。

每个振动感知单元由环形光纤段缠绕而成，缠绕圈数及直径受解调设备脉冲宽度限制，则有：

Nπd≥W

其中，N为感知单元环形光纤段的缠绕圈数，d为缠绕直径，W为光纤解调仪的脉冲宽度；

并且，每个振动感知单元的布设数量和间距满足：

其中，n_p为分布式光纤振动感知组件包含的感知单元数量，S_g为感知单元间距。

所述的铺面结构本体为水泥混凝土铺面结构、沥青混凝土铺面结构和复合铺面结构中的一种或多种组合，所述的光纤解调仪采用BA-VSM104分布式光纤解调仪，所述的振动光纤分析装置采用部署Python或Matlab计算环境的基于Windows Server或Linux发行版的计算机或单片机。

一种的载具轮迹实时定位测速方法，该方法包括以下步骤：

1)构建载具轮迹实时定位测速***，通过分布式光纤振动感知组件采集待测区域内铺面结构的振动信号，并由光纤解调仪发送至振动光纤分析装置；

2)对每个振动感知单元中每段环形光纤段的振动信号进行降噪处理后再进行下采样处理；

3)根据下采样处理后的振动信号获取每段环形光纤段的短时振动能量；

4)基于短时振动能量的时空分布构建三维数组，并进行载具真实轨迹实时解析得到载具速度。

所述的步骤2)中，通过高通滤波、低通滤波或带通滤波进行降噪处理，并且采用卷积神经网络中的最大池化或平均池化方法进行下采样处理，下采样倍率为50～1000间50的倍数。

所述的步骤3)中，进行时-空维度联立解析具体包括以下步骤：

31)选定待处理时间区间和矩形窗函数：

32)根据选定的矩形窗函数对待处理时间区间内的振动信号计算短时振动能量，则有：

其中，E_t为振动感知单元中环形光纤段的短时振动能量，x(m)为振动感知单元中环形光纤段采集到的振动信号，w(·)为矩形窗函数；

33)设定振动能量截断阈值对异常值进行截断处理；

34)按照步骤31)-33)获取待测区域内所有振动感知单元对应环形光纤段的短时振动能量。

所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)创建三维数组，并对短时振动能量按时间逐帧进行空间坐标映射，得到真实坐标下的振动能量矩阵；

42)基于真实坐标下的振动能量矩阵重构载具轮迹并解析得到载具速度。

所述的步骤41)具体包括以下步骤：

411)根据振动数据的输出帧数确定三维数组的页数，每页的二维矩阵大小则由分布式光纤振动感知组件中振动感知单元的平面布局形式的大小确定；

412)对通过步骤3)获得的每个振动感知单元中每段环形光纤段的短时振动能量取平均值作为二维能量矩阵E_m×n中的各元素值，结合每页二维矩阵的大小得到二维能量矩阵E_m×n，则有：

其中，n为垂直于行驶方向的振动感知单元数，m为沿行驶方向的振动感知单元数；

413)依照不同布设形式，将振动能量矩阵映射回真实物理空间坐标，则有：

R_m×n＝E_m×n·П_m×n

其中，R_m×n为真实坐标下的振动能量矩阵，П_m×n为振动感知单元所在测点与真实平面坐标的转换矩阵，由振动感知单元的布设形式确定。

所述的步骤42)具体包括以下步骤：

421)查找真实坐标下的振动能量矩阵R_m×n的二维振动能量峰值，以此确定轮胎作用点位，并构建轮胎点位矩阵：

其中，P_ij为轮胎点位矩阵P_m×n的元素，当点位为峰值位置时设元素值为1，其余为0，findpeak为寻峰算法函数，具体为二维动态优化峰值查找算法或持续拓扑寻峰算法；

422)以三维数组各页作为时间轴，逐帧获取每页对应的轮胎点位矩阵；

423)将每帧轮胎点位矩阵的轮胎作用点位在时间和空间上进行拟合，重构载具行驶轨迹曲线，该载具行驶轨迹曲线对时间的梯度即为该时刻载具的速度矢量，则有：

其中，k为轮胎点位矩阵页索引，regression为回归模型，为拟合曲线函数，v为速度矢量函数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明结合分布式振动光纤传感技术，提供了一种载具轮迹实时定位测速***及方法，能够实现载具轮迹及速度的大范围、高精度、全天候监测，该载具轮迹实时定位测速***施工简单且成本较低，定位与测速准确度高而算法复杂度低，具有良好的产业化前景。

附图说明

图1为本发明中载具轮迹实时定位测速***的布设示意图。

图2为本发明中载具轮迹实时定位测速***中的振动感知单元结构示意图。

图3为本发明中振动时空能量场解析方法的流程图。

图4为本发明中载具轮迹重构与速度解析方法的流程图。

图5为本发明实施例2中铺面结构短时振动能量的时空分布图。

图6为本发明实施例2中载具轮迹实时定位测速的结果示意图。

图中标记说明：

1、铺面结构本体，2、分布式光纤振动感知组件，21、振动感知单元，3、光纤解调仪，4、振动光纤分析装置。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供了一种载具轮迹实时定位测速***，包括铺面结构本体1，铺面结构本体1中埋设有分布式光纤振动感知组件2，分布式光纤振动感知组件2包括以特定形式布设的多个依次相连的振动感知单元21，分布式光纤振动感知组件2通过光纤解调仪3与振动光纤分析装置4连接。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，铺面结构本体1可以是水泥混凝土铺面结构、沥青混凝土铺面结构或复合铺面结构中的一种或多种组合，将分布式光纤振动感知组件2埋设于铺面结构本体1中，采集通过载具轮胎引起的铺面结构振动信息。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，每个振动感知单元21由光纤段环形缠绕而成，其缠绕圈数及直径参数受解调设备脉冲宽度限制，则有：

Nπd≥W

其中，N表示感知单元光纤段的缠绕圈数，d为缠绕直径，W为光纤解调仪脉冲宽度，例如当光纤解调仪的最小空间分辨率为2.5m时，光纤总长应为2.5～6.5m。为提高施工便利性，更具体的，可以用4m的倍数总长的光纤缠绕4圈，此时光纤环直径为0.3m。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，每个感知单元21的布设数量与间距应满足：

其中，n_p为分布式光纤振动感知组件包含的感知单元数量，S_g为感知单元间距。如图2所示，例如可以从铺面结构本体1左上角进入，按0.2～0.5m的间距沿行驶方向平行排列，各段头尾相连，最后从铺面结构本体1的右下角伸出。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，分布式光纤振动感知组件2以特定形式布设而成，当采用不同的布设形式时，坐标转换矩阵不同，每页的二维矩阵大小依据分布式光纤振动感知组件2中振动感知单元211的平面布局确定，例如7列9行的振动感知单元21布局则对应一个7×9的矩阵，振动感知单元的测点数据与真实位置的平面坐标存在映射关系：

其中，Π_m×n为测点数据与真实平面坐标的转换矩阵，转换矩阵中的元素Π_ij为铺面平面坐标(i,j)处的感知单元(i,j)数据的坐标转换关系。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，光纤解调仪3可以是本领域内任意种类的分布式光纤解调仪，例如可以是上海拜安传感技术有限公司生产的BA-VSM104分布式光纤解调仪。

在本发明提供的载具轮迹实时定位测速***中，振动光纤分析装置4可以是任意部署Python或Matlab计算环境的基于Windows Server或任意Linux发行版的计算机或单片机。

基于上述载具轮迹实时定位测速***，本发明提供一种振动时空能量场解析方法，用以对上述载具轮迹实时定位测速***采集的数据进行处理，如图3所示，包括如下步骤：

1)利用光纤解调仪3连接分布式光纤振动感知组件2与振动光纤分析装置4，采集铺面结构振动数据；

2)对铺面结构振动数据进行降噪处理，更具体地，用于降噪的滤波可以为高通滤波、低通滤波与带通滤波中的一种；

3)对数据做下采样预处理，用于下采样的方法可以为卷积神经网络中的最大池化或平均池化方法，下采样倍率可以为50～1000间50的倍数，用以降低数据量加快处理速度；

4)对下采样预处理后的数据进行矩形窗函数处理，得到待测区域所有振动感知单元21中每段环形光纤段的短时振动能量以构建基于时空分布的三维数组。

在步骤4)中，铺面结构振动数据时-空维度联立解析的方法具体包括如下步骤：

41)选定待处理的时间区间，例如从计算效率的角度考虑可以是30～120s的时间段，选用矩形窗函数：

其中，t为时刻，N为窗长；

42)使用选定的矩形窗对待处理时间区间的振动信号计算短时振动能量，其中矩形窗长可以设定为0.02～0.4s，视降噪后的最短数据帧代表的时间长度确定：

其中，E_t为短时振动能量，x(m)为振动信号，w(·)为矩形窗函数。

43)设定振动能量截断阈值对异常值截断处理，依据箱型图分析确定，例如将箱型图内限以外的异常值截断为内限的值；

44)按上述步骤计算待测区域所有测点处的振动感知单元21中每段环形光纤段的短时振动能量，以构建基于时空分布的三维数组。

基于上述载具轮迹实时定位测速***，本发明还提供一种载具轮迹重构与速度解析方法，利用上述短时振动能量数据构建三维数组对载具真实轨迹实时解析，如图4所示，包括如下步骤：

1)逐帧进行空间坐标映射；

2)重构载具轮迹并解析速度；

在本发明所提供的载具轮迹重构与解析方法的步骤1)中，空间坐标映射的方法具体包括如下步骤：

11)创建三维空数组，其页数依据数据的输出帧数确定，每页的二维矩阵大小依据分布式光纤振动感知组件2中振动感知单元21的平面布局确定，例如7列9行的振动感知单元21布局则对应一个7×9的矩阵：

其中，n为直于行车方向感知单元数，m为沿行驶方向感知单元数；

12)依据分布式光纤振动感知组件中振动感知单元的光纤长度、对光纤轴向信号进行划分，对每个振动感知单元中每段环形光纤段的短时振动能量取平均值作为二维能量矩阵E_m×n中的各元素值，例如某一振动感知单元21的光纤长为4m时则将4m内的数据取平均，得到二维能量矩阵：

13)依照不同布设形式，将振动能量矩阵映射回真实物理空间坐标：

其中，R_m×n为真实坐标下的振动能量矩阵，Π_m×n为测点数据与真实平面坐标的转换矩阵。

在本发明所提供的载具轮迹重构与解析方法的步骤2)中，重构并解析载具轮迹与速度的方法具体包括如下步骤：

21)查找上述真实坐标下的振动能量矩阵R_m×n的二维振动能量峰值，确定轮胎作用点位，其中，峰值查找算法为二维动态优化峰值查找算法或持续拓扑寻峰算法，得到轮胎点位矩阵：

其中，P_ij为轮胎点位矩阵P_m×n的元素，findpeak为寻峰算法函数，当点位为峰值位置时设元素为1，其余为0；

22)以三维矩阵数据页为时间轴，根据每页的振动能量矩阵对应的轮胎作用点位，即可反演出轮胎实时位置；

23)将每帧的轮胎作用点位在时间、空间上拟合，即可重构载具行驶轨迹，拟合模型可以是线性回归或二次回归，拟合曲线对时间的梯度即为该时刻载具的速度矢量：

其中，k为轮胎点位矩阵页索引，regression为回归模型，为拟合曲线函数，v为速度矢量函数。

下面通过实施例对本申请的发明予以进一步说明，但并不因此而限制本申请的范围。

实施例1

载具轮迹实时定位测速***设计：

于同济大学地震工程馆开展足尺试验，浇筑预应力混凝土铺面结构，在其中埋设分布式光纤振动感知组件，预应力混凝土铺面结构长30m，宽7m，待测区域长4.2m，宽2.7m，使振动感知单元的测量范围尽量覆盖整个待测区域，同时考虑到施工便利性，拟定沿行驶方向平行排布7列，每列等距安置9个振动感知单元，整个***仅使用一根单模光纤。

从施工便利角度出发，选定以特定长度光纤段缠绕4圈形成振动感知单元，以光纤解调仪的最小空间分辨率为控制条件，由于光纤解调装置BOFDA解调仪最小空间分辨率为3m，即脉冲宽度3m，因此缠绕后形成的振动感知单元缠绕圈数及直径d应满足：

Nπd≥W

最终选定振动感知单元光纤长度为4m，直径为0.32m，缠绕4圈。

使63个感知单元尽量均匀分布于待测区域内，则各感知单元间距应满足：

计算选定感知单元间距为0.3m，行列间距相同，提高施工可行性。

实施例2

载具轮迹实时定位测速***数据处理：

于同济大学地震工程馆开展足尺试验，参照实施例1修筑预应力混凝土铺面结构并布设载具轮迹实时定位测速***，利用BOFDA光纤解调仪连接分布式光纤感知***与计算机设备，采集铺面结构振动数据。

使用高通滤波过滤低于截止频率7.9Hz的振动数据，使用CNN的max-pool最大池化方法对数据进行500倍下采样。原采集频率为2500Hz，下采样后数据频率为50Hz。

选定某工况下30s的时间区间，选用矩形窗函数：

其中，t为时刻，N为窗长，窗长设定为0.2s；

使用选定的矩形窗，通过如下公式对30s的振动信号计算短时振动能量：

依据箱型图分析，设定振动能量截断内限为25×10⁶，对异常值截断处理。计算待测区域所有测点的光纤轴向信号的短时振动能量，得到铺面结构待测区域短时振动能量的时空分布。

创建三维空数组，其页数依据上述步骤输出设定为150页，每页的二维矩阵大小依据振动感知单元布局设定为9×7：

对每个感知单元4m光纤内的振动能量数据取平均值，得到二维能量矩阵：

由于相邻振动光纤首尾相接，与真实坐标不符，利用坐标转换矩阵将振动能量矩阵映射回真实物理空间坐标：

查找每页的二维能量矩阵峰值，反算出轮胎真实作用位置，能够观察轮胎引起的振动点位随时间的变化。将轮胎点位逐帧拟合，得到载具轮迹，并通过曲线梯度得到实时速度。与现场无人机拍摄记录的视频相对应，重构的轨迹与实际轨迹具有较高的一致性，且计算得速度与现场使用雷达测速枪测得的数据相近，证明了该载具轮迹实时定位测速***的准确性。

综上，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种载具轮迹实时定位测速***，其特征在于，该***包括布设在铺面结构本体(1)内的分布式光纤振动感知组件(2)、光纤解调仪(3)以及振动光纤分析装置(4)，所述的分布式光纤振动感知组件(2)通过光纤解调仪(3)与振动光纤分析装置(4)连接，所述的分布式光纤振动感知组件(2)包括多个依次连接且按照设定形式布设的振动感知单元(21)，用以采集通过载具轮胎引起的铺面结构振动信号；所述振动光纤分析装置(4)用于对每个振动感知单元(21)中每段环形光纤段的振动信号进行降噪处理后再进行下采样处理，根据下采样处理后的振动信号获取每段环形光纤段的短时振动能量；基于短时振动能量的时空分布构建三维数组，并进行载具真实轨迹实时解析得到载具速度；

多个振动感知单元(21)在铺面结构本体(1)内以平面矩阵正交排列的形式布设；

每个振动感知单元(21)由环形光纤段缠绕而成，缠绕圈数及直径受解调设备脉冲宽度限制，则有：

Nπd≥W

其中，N为感知单元环形光纤段的缠绕圈数，d为缠绕直径，W为光纤解调仪的脉冲宽度；

并且，每个振动感知单元(21)的布设数量和间距满足：

其中，n_p为分布式光纤振动感知组件包含的感知单元数量，S_g为感知单元间距。

2.根据权利要求1所述的一种载具轮迹实时定位测速***，其特征在于，所述的铺面结构本体(1)为水泥混凝土铺面结构、沥青混凝土铺面结构和复合铺面结构中的一种或多种组合，所述的光纤解调仪(3)采用BA-VSM104分布式光纤解调仪，所述的振动光纤分析装置(4)采用部署Python或Matlab计算环境的基于Windows Server或Linux发行版的计算机或单片机。

3.一种应用如权利要求1-2任一项所述载具轮迹实时定位测速***的载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)构建载具轮迹实时定位测速***，通过分布式光纤振动感知组件(2)采集待测区域内铺面结构的振动信号，并由光纤解调仪(3)发送至振动光纤分析装置(4)；

2)对每个振动感知单元(21)中每段环形光纤段的振动信号进行降噪处理后再进行下采样处理；

3)根据下采样处理后的振动信号获取每段环形光纤段的短时振动能量；

4)基于短时振动能量的时空分布构建三维数组，并进行载具真实轨迹实时解析得到载具速度。

4.根据权利要求3所述的一种载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过高通滤波、低通滤波或带通滤波进行降噪处理，并且采用卷积神经网络中的最大池化或平均池化方法进行下采样处理，下采样倍率为50～1000间50的倍数。

5.根据权利要求3所述的一种载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，所述的步骤3)中，进行时-空维度联立解析具体包括以下步骤：

31)选定待处理时间区间和矩形窗函数：

32)根据选定的矩形窗函数对待处理时间区间内的振动信号计算短时振动能量，则有：

其中，E_t为振动感知单元中环形光纤段的短时振动能量，x(m′)为振动感知单元中环形光纤段采集到的振动信号，w(·)为矩形窗函数，t为时刻，N为窗长；

33)设定振动能量截断阈值对异常值进行截断处理；

34)按照步骤31)-33)获取待测区域内所有振动感知单元(21)对应环形光纤段的短时振动能量。

6.根据权利要求5所述的一种载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)创建三维数组，并对短时振动能量按时间逐帧进行空间坐标映射，得到真实坐标下的振动能量矩阵；

42)基于真实坐标下的振动能量矩阵重构载具轮迹并解析得到载具速度。

7.根据权利要求6所述的一种载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，所述的步骤41)具体包括以下步骤：

411)根据振动数据的输出帧数确定三维数组的页数，每页的二维矩阵大小则由分布式光纤振动感知组件中振动感知单元的平面布局形式的大小确定；

412)对通过步骤3)获得的每个振动感知单元中每段环形光纤段的短时振动能量取平均值作为二维能量矩阵E_m×n中的各元素值，结合每页二维矩阵的大小得到二维能量矩阵E_m×n，则有：

其中，n为垂直于行驶方向的振动感知单元数，m为沿行驶方向的振动感知单元数；

413)依照不同布设形式，将振动能量矩阵映射回真实物理空间坐标，则有：

R_m×n＝E_m×n·Π_m×n

其中，R_m×n为真实坐标下的振动能量矩阵，Π_m×n为振动感知单元所在测点与真实平面坐标的转换矩阵，由振动感知单元的布设形式确定。

8.根据权利要求7所述的一种载具轮迹实时定位测速方法，其特征在于，所述的步骤42)具体包括以下步骤：

421)查找真实坐标下的振动能量矩阵R_m×n的二维振动能量峰值，以此确定轮胎作用点位，并构建轮胎点位矩阵：

其中，P_ij为轮胎点位矩阵P_m×n的元素，当点位为峰值位置时设元素值为1，其余为0，findpeak为寻峰算法函数，具体为二维动态优化峰值查找算法或持续拓扑寻峰算法；

422)以三维数组各页作为时间轴，逐帧获取每页对应的轮胎点位矩阵；

423)将每帧轮胎点位矩阵的轮胎作用点位在时间和空间上进行拟合，重构载具行驶轨迹曲线，该载具行驶轨迹曲线对时间的梯度即为该时刻载具的速度矢量，则有：

其中，k为轮胎点位矩阵页索引，regression为回归模型，为拟合曲线函数，v为速度矢量函数。