CN116432865B - 一种城市桥梁群抗倾覆预测方法及系统装置 - Google Patents
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Abstract
一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，包括以下步骤：对时序数据地进行获取；计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库；通过建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，实现桥梁群倾覆工况荷载库的建立；建立单桥倾覆风险评估系统，实现桥梁群的倾覆风险评估，并输出评估验证结果及预警桥梁道路标识信息；计算预警标记车辆的行车路径，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，对行车路径进行删除和保存；将评估信息和推进行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机；从而实现桥梁群倾覆风险的评估、预警及处置。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁监测技术领域，特别是涉及一种城市桥梁群抗倾覆预测方法及系统装置。
背景技术
随着交通流量的增大，我国现有桥梁的保有量也越来越大，对于桥梁的维护监管也变得越来越重要；如何保证桥梁的运行安全是未来需要研究和探索的领域，不仅是桥梁，包括其他交通设施均面临着这样的问题，比如隧道，边坡等。
桥梁设施面临的最典型的一个问题就是由于超重超载车辆上桥导致桥梁发生倾覆坍塌风险的发生，目前该领域应用较多的方法都是通过加固、或加装报警系统的方式来规避风险，但这些方法也都存在着明显的缺陷；即该领域的研究还有待加深。
现有技术往往是通过对独柱墩桥进行抗倾覆加固，或在设计阶段增加抗倾覆验算，或对独柱墩桥支座的位移和倾角监测，并依据阈值做报警处理；但往往存在如下缺陷：
（1）加固和设计对桥梁抗倾覆性能的提升属于被动改进，依然无法阻止一些超载超重或特种车辆在管理疏忽的情况下对独柱墩桥的破坏；
（2）随着桥梁使用年限的增加，桥梁性能退化，加上车辆运力增加，货运需求增大，一次性的加固和验算都不能保证绝对的安全性；
（3）对支座位移和倾角的监测能够做到持续和实时，但是无法做到预测及预防；
（4）目前的相关专利方法停留在报警，无法做到预警及应急处置建议；
（5）无法充分利用治超点等执法部门大数据资源来实现路网上桥梁群的倾覆风险预防，如治超点数据资源，货车GPS数据等；
（6）没有一种可以适应因桥梁性能退化而导致验证不准确的倾覆分析方法，及实时模型更新与倾覆分析验证计算相结合的方法。
现有技术中，公开号为CN111489559A的发明专利，公开了一种高架桥梁超载监测与预警的系统与方法，通过称重系统和计算验证确定危险车辆并抓拍和报警，但是随着桥梁性能的退化及车辆运力的增加，一次性的加固和验算都不能保证绝对的安全性。
发明内容
本发明目的就是针对现有技术中的不足，提供一种城市桥梁群抗倾覆预测方法及系统装置，以实现桥梁群倾覆风险的评估、预警及处置，适应因桥梁性能退化而导致验证不准确的倾覆分析方法。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，包括以下步骤：
S1、对时序数据进行获取；
S2、计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库；
S3、通过建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，实现桥梁群倾覆工况荷载库的建立；
S4、建立单桥倾覆风险评估系统；
S5、对桥梁群的倾覆风险进行评估，并输出评估验证结果及预警桥梁道路标识信息；
S6、计算预警标记车辆的行车路径，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，对行车路径进行删除和保存；
S7、将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机。
优选的，所述步骤S1中的获取过程包括以下步骤：
S11、获取区域内的车辆轨迹信息数据；所述车辆轨迹信息数据包括车辆的GPS轨迹、OD信息、当前行车速度以及历史OD行车速度；
S12、获取区域内的车辆本体信息数据；所述车辆本体信息数据包括车辆的总质量、轴重和车牌数据；
S13、获取区域内的桥梁信息；所述桥梁信息包括桥梁的位置、起始端所在道路、终点所在道路以及结构参数数据。
优选的，所述步骤S2的具体实施步骤为：
对出现在区域内风险车辆的路径及到达时间进行预测，并对车辆荷载进行判别，将大于倾覆分析标准荷载G的车辆输入到路径预测算法内，并进行实时路径预测计算，计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库。
优选的，所述步骤S3的具体实施步骤为：
先建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，通过将步骤S2中所建立的风险车辆与风险桥梁的通过关联数据库输入至倾覆工况识别匹配算法中，得到以时间为坐标的桥梁群倾覆工况荷载谱，并建立桥梁群倾覆工况荷载库。
优选的，所述步骤S4的具体实施步骤为：
S41、将区域内或城市中所有面临倾覆风险的单体独柱墩箱梁桥通过图纸建立单桥结构在线有限元仿真模型；
S42、依据抗倾覆验算规范建立抗倾覆分析验证子系统模块，利用倾覆验证的稳定效应计算公式1和失稳效应公式2对桥梁特征状态进行算法验证；
公式1；
公式2；
式中，li为i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距，RGki为在永久作用下第i个桥墩处失效支座的支反力；RQki为在可变作用下第i个桥墩处失效支座的支反力；
S43、在区域内风险桥梁的所有关键支座上安装支座横向位移监测传感器，并将监测数据实时回传到系统平台。
优选的，所述步骤S41中的单桥结构在线有限元仿真模型用于对输入参数进行实时修正；并提取桥梁对应的结构相应数据；所述结构相应数据包括内力、位移、支座反力；所述步骤S43中的支座横向位移监测传感器采集的监测数据通过有线网络汇集到边缘网关，边缘网关再通过5G信号将监测数据实时回传到系统平台。
优选的，所述步骤S5的具体实施方式为：
将步骤S3中建立的桥梁群倾覆工况荷载库作为输入，将步骤S4中建立的单桥倾覆风险评估系统作为算法模块，共同整合到倾覆风险验证分析系统中，实现桥梁群的倾覆风险评估，并将评估验证结果、预警桥梁道路标识信息输出。
优选的，所述步骤S6的具体实施方式为：
对预警标记车辆的行车路径进行计算，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，并通过区域内的预警桥梁道路标识信息，自动删除经过预警桥梁的行车路径，剩下的行车路径作为数据集保存到建议行车路径数据库中。
优选的，所述步骤S7的具体实施方式为：
将步骤S5中得到的评估验证结果和步骤S6中得到的建议行车路径数据库输入至桥梁群倾覆风险预警模块及应急处置系统模块中，并将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机。
执行一种城市桥梁群抗倾覆预测方法的系统装置，包括桥梁群倾覆风险辨识及预警模块、桥梁群倾覆风险应急处置系统模块及桥梁群倾覆风险推送模块；所述桥梁群倾覆风险预警辨识及预警模块用于辨识桥梁群倾覆风险、提出预警信息并将预警信息报送至桥梁群倾覆风险应急处置系统模块，所述桥梁群倾覆风险应急处置系统模块将处理好的预警信息传递给桥梁群倾覆风险推送模块，所述桥梁群倾覆风险推送模块则直接将来自自身的预警信息报送至有关部门和货车司机。
本发明的有益效果：
1）本发明能够实现适应因桥梁性能退化而导致验证不准确的倾覆分析方法、实现适用于桥梁群倾覆分析预测预警的货车路径和到达时间预测、实现基于货车路径预测和到达时间预测自动建立桥梁群倾覆风险验算工况的算法方法、实现桥梁群倾覆分析预测、预警及应急处置、以及实现对治超点大数据资源的整合利用；
2）本发明能够做到预测性桥梁抗倾覆模拟分析，并实现预警和拦挡；避免应管理错误导致的超限车辆对独柱墩桥的灾害性作用；在进行桥梁抗倾覆仿真模拟的时，考虑到可能已经出现的支座位移导致的抗倾覆能力变弱的问题；实现了主动针对桥梁倾覆风险的智慧化管理；
3）本发明基于在线实时更新有限元模型的抗倾覆分析方法，可以实时更新包括支座横向位移监测数据；适用于倾覆风险桥梁群的路径预测、到达时间预测及倾覆风险工况数据库预测计算方法。
附图说明
图1为本发明方法的总流程示意图；
图2为本发明方法的流程执行原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明，本文中所称OD均为Origin-Destination，即起点至终点的含义。
实施例1：
如图1至图2所示，一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，包括以下步骤：
S1、对时序数据进行获取；该步骤的获取过程包括以下步骤：
S11、获取区域内的车辆轨迹信息数据；车辆轨迹信息数据包括车辆的GPS轨迹、OD信息、当前行车速度以及历史OD行车速度；
S12、获取区域内的车辆本体信息数据；所述车辆本体信息数据包括车辆的总质量、轴重和车牌数据；
S13、获取区域内的桥梁信息；所述桥梁信息包括桥梁的位置、起始端所在道路、终点所在道路以及结构参数数据。
S2、计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库；该步骤的具体实施步骤为：首先对出现在区域内风险车辆的路径及到达时间进行预测，并对车辆荷载进行判别，而后将大于倾覆分析标准荷载G的车辆输入到路径预测算法内，并进行实时路径预测计算，最后计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，从而建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库。
S3、通过建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，实现桥梁群倾覆工况荷载库的建立；该步骤的具体实施步骤为：先建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，其次通过将步骤S2中所建立的风险车辆与风险桥梁的通过关联数据库输入至倾覆工况识别匹配算法中，最后得到以时间为坐标的桥梁群倾覆工况荷载谱，并建立桥梁群倾覆工况荷载库。
其中，建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库的具体方式为：先从步骤S2中建立的风险车辆与风险桥梁的通过关联数据库中获取车辆的动态信息，包括车辆到达桥梁群中单一桥梁的时间和该桥的位置；其次通过车辆的车牌信息关联匹配获取对应车辆的总质量、轴重等关键信息；最后将上述步骤获取的车辆信息输入倾覆工况识别匹配算法中，从算法中输出倾覆工况数据，并建立桥梁群倾覆工况荷载库。
S4、建立单桥倾覆风险评估系统；该步骤的具体实施步骤如下：
S41、将区域内或城市中所有面临倾覆风险的单体独柱墩箱梁桥通过图纸建立单桥结构在线有限元仿真模型；
S42、依据抗倾覆验算规范建立抗倾覆分析验证子系统模块，利用倾覆验证的稳定效应计算公式1和失稳效应公式2对桥梁特征状态进行算法验证；
公式1；
公式2；
式中，li为i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距，RGki为在永久作用下第i个桥墩处失效支座的支反力；RQki为在可变作用下第i个桥墩处失效支座的支反力。
S43、在区域内风险桥梁的所有关键支座上安装支座横向位移监测传感器，并将监测数据实时回传到系统平台。
其中步骤S41中的单桥结构在线有限元的仿真模型的特点是在仿真过程中的重要结构参数可通过作为输入参数进行实时修正，该模型可以用于风险荷载工况下的桥梁仿真模拟，并提取桥梁对应的结构响应数据，比如内力、位移、支座反力等；其中支座反力是进行桥梁倾覆分析验证的关键数据。
步骤S43中的支座横向位移监测传感器采集的监测数据通过有线网络汇集到边缘网关，边缘网关再通过5G信号将监测数据实时回传到系统平台。
为更好的理解相关实施步骤，主要是依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对于抗倾覆验算的相关规定，建立抗倾覆分析验证子系统模块；该系统模块主要可以利用步骤S41中的在荷载工况下分析计算得到的支座反力作为输入，利用倾覆验证的稳定效应计算公式和失稳效应公式对桥梁特征状态进行算法验证。
在区域内风险桥梁的所有关键支座上安装支座横向位移监测传感器，传感器采集的数据通过有线网络汇集到边缘网关中，网关再通过5G信号将监测数据实时回传到系统平台；该过程是实时的、不间断的；该传感器作为验证系统的一部分用于获取桥梁的实时支座位置状态特征，该状态特征反应支座在空间中横纵竖三个方向上的位移，分别用Lx，Ly和Lz来描述，特征值作为时序输入数据，用于对步骤S41中建立的结构有限元仿真模型进行实时的支座位置修正，也即模型更新，以确保模型能够准确反应桥梁的实时状态特征，从而确保仿真模拟的准确性。
S5、对桥梁群的倾覆风险进行评估，并输出评估验证结果及预警桥梁道路标识信息；该步骤的具体实施方式为：先将步骤S3中建立的桥梁群倾覆工况荷载库作为输入，其次将步骤S4中建立的单桥倾覆风险评估系统作为算法模块，最后共同整合到倾覆风险验证分析系统中，实现桥梁群的倾覆风险评估，并将评估验证结果、预警桥梁道路标识信息输出。
S6、计算预警标记车辆的行车路径，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，对行车路径进行删除和保存；该步骤的具体实施方式为：先对预警标记车辆的行车路径进行计算，其次通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，并通过区域内的预警桥梁道路标识信息，最后自动删除经过预警桥梁的行车路径，并将剩下的行车路径作为数据集保存到建议行车路径数据库中。
S7、将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机；该步骤S7的具体实施方式为：将步骤S5中得到的评估验证结果和步骤S6中得到的建议行车路径数据库输入至桥梁群倾覆风险预警模块及应急处置系统模块中，并将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机。
本发明整个方法包含七大步骤，通过这七个步骤实现桥梁群倾覆风险的评估、预警及处置；并基于在线实时更新有限元模型的抗倾覆分析方法，适用于倾覆风险桥梁群的路径预测、到达时间预测及倾覆风险工况数据库预测计算方法。
实施例2：
一种城市桥梁群抗倾覆预测的系统装置，包括桥梁群倾覆风险辨识及预警模块、桥梁群倾覆风险应急处置系统模块及桥梁群倾覆风险推送模块；桥梁群倾覆风险预警辨识及预警模块用于辨识桥梁群倾覆风险、提出预警信息并将预警信息报送至桥梁群倾覆风险应急处置系统模块，桥梁群倾覆风险应急处置系统模块将处理好的预警信息传递给桥梁群倾覆风险推送模块，桥梁群倾覆风险推送模块则直接将来自自身的预警信息报送至有关部门和货车司机。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对时序数据进行获取；
S2、计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库；
S3、通过建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，实现桥梁群倾覆工况荷载库的建立；
S4、建立单桥倾覆风险评估系统；
S5、对桥梁群的倾覆风险进行评估，并输出评估验证结果及预警桥梁道路标识信息；
S6、计算预警标记车辆的行车路径，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，对行车路径进行删除和保存；
S7、将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机；
所述步骤S1中的获取过程包括以下步骤：
S11、获取区域内的车辆轨迹信息数据；
所述车辆轨迹信息数据包括车辆的GPS轨迹、OD信息、当前行车速度以及历史OD行车速度；
S12、获取区域内的车辆本体信息数据；所述车辆本体信息数据包括车辆的总质量、轴重和车牌数据；
S13、获取区域内的桥梁信息；所述桥梁信息包括桥梁的位置、起始端所在道路、终点所在道路以及结构参数数据；
所述步骤S3的具体实施步骤为：
先建立区域内桥梁群倾覆风险工况数据库，通过将步骤S2中所建立的风险车辆与风险桥梁的通过关联数据库输入至倾覆工况识别匹配算法中，得到以时间为坐标的桥梁群倾覆工况荷载谱，并建立桥梁群倾覆工况荷载库；
所述步骤S4的具体实施步骤为：
S41、将区域内或城市中所有面临倾覆风险的单体独柱墩箱梁桥通过图纸建立单桥结构在线有限元仿真模型；
S42、依据抗倾覆验算规范建立抗倾覆分析验证子系统模块，利用倾覆验证的稳定效应计算公式1和失稳效应公式2对桥梁特征状态进行算法验证；
∑Sbk,i＝∑RGkili公式1；
∑Ssk,i＝∑RQkili公式2；
式中，li为i个桥墩处失效支座与有效支座的支座中心间距，RGki为在永久作用下第i个桥墩处失效支座的支反力；RQki为在可变作用下第i个桥墩处失效支座的支反力；
S43、在区域内风险桥梁的所有关键支座上安装支座横向位移监测传感器，并将监测数据实时回传到系统平台。
2.根据权利要求1所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实施步骤为：
对出现在区域内风险车辆的路径及到达时间进行预测，并对车辆荷载进行判别，将大于倾覆分析标准荷载G的车辆输入到路径预测算法内，并进行实时路径预测计算，计算出预测风险车辆到达风险桥梁群的时间，建立风险车辆与风险桥梁群的通过关联数据库。
3.根据权利要求1所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，所述步骤S41中的单桥结构在线有限元仿真模型用于对输入参数进行实时修正；并提取桥梁对应的结构相应数据；所述结构相应数据包括内力、位移、支座反力；所述步骤S43中的支座横向位移监测传感器采集的监测数据通过有线网络汇集到边缘网关，边缘网关再通过5G信号将监测数据实时回传到系统平台。
4.根据权利要求1所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，所述步骤S5的具体实施方式为：
将步骤S3中建立的桥梁群倾覆工况荷载库作为输入，将步骤S4中建立的单桥倾覆风险评估系统作为算法模块，共同整合到倾覆风险验证分析系统中，实现桥梁群的倾覆风险评估，并将评估验证结果、预警桥梁道路标识信息输出。
5.根据权利要求1所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，所述步骤S6的具体实施方式为：
对预警标记车辆的行车路径进行计算，通过OD路径计算算法计算出多条行车路径，并通过区域内的预警桥梁道路标识信息，自动删除经过预警桥梁的行车路径，剩下的行车路径作为数据集保存到建议行车路径数据库中。
6.根据权利要求1所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法，其特征在于，所述步骤S7的具体实施方式为：
将步骤S5中得到的评估验证结果和步骤S6中得到的建议行车路径数据库输入至桥梁群倾覆风险预警模块及应急处置系统模块中，并将评估信息和推荐行车路径转化成预警信息，推送给有关部门和货车司机。
7.执行如权利要求1-6任一项所述的一种城市桥梁群抗倾覆预测方法的系统装置，其特征在于，所述系统装置包括桥梁群倾覆风险辨识及预警模块、桥梁群倾覆风险应急处置系统模块及桥梁群倾覆风险推送模块；所述桥梁群倾覆风险预警辨识及预警模块用于辨识桥梁群倾覆风险、提出预警信息并将预警信息报送至桥梁群倾覆风险应急处置系统模块，所述桥梁群倾覆风险应急处置系统模块将处理好的预警信息传递给桥梁群倾覆风险推送模块，所述桥梁群倾覆风险推送模块则直接将来自自身的预警信息报送至有关部门和货车司机。
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