1.一种公路超载动态监测系统,其特征是:包括超载监测传感器(1)、数据采集及处理单元(2)、通信单元(3)、摄像头(4)、后台主站(5);超载监测传感器(1)设有两个,以设定间距固定设置在路基层(8)内,横贯路面层(7);数据采集及处理单元(2)固定设置在路面层(7)侧边;通信单元(3)、摄像头(4)固定设置在竖杆顶部,竖杆固定设置在路面层(7)侧边;
超载监测传感器(1)与数据采集及处理单元(2)、通信单元(3)依序电性连接;摄像头(4)与通信单元(3)电性连接;通信单元(3)通过5G公网与后台主站(5)通信连接。
2.根据权利要求1所述公路超载动态监测系统,其特征是:超载监测传感器(1)包括外套管(1.1)、端部堵头A(1.2)、传感器弹性体模块(1.3)、隔板(1.4)、端部堵头B(1.5)、端盖(1.6);外套管(1.1)为一端封闭的管状,端部堵头A(1.2)固定设置在外套管(1.1)封闭端,端部堵头B(1.5)固定设置在外套管(1.1)开口端,传感器弹性体模块(1.3)、隔板(1.4)以间隔方式固定设置在端部堵头A(1.2)与端部堵头B(1.5)之间,端盖(1.6)固定设置在外套管(1.1)开口端。
3.根据权利要求2所述公路超载动态监测系统,其特征是:外套管(1.1)外圆周上绕轴线均布设置有若干条凸楞(1.1.1);凸楞(1.1.1)位于外套管(1.1)封闭端一侧设有三角椎结构;隔板(1.4)为圆环板状,板面设有若干通孔。
4.根据权利要求2所述公路超载动态监测系统,其特征是:传感器弹性体模块(1.3)包括传感器弹性体(1.3.1)、电阻应变传感器组(1.3.2);传感器弹性体(1.3.1)为圆环状,电阻应变传感器组(1.3.2)设有若干个,绕传感器弹性体(1.3.1)轴线均布固定设置在传感器弹性体(1.3.1)内圆周面;
电阻应变传感器组(1.3.2)包括四个电阻应变传感器,四个电阻应变传感器电性连接,构成电阻应变桥,电阻应变桥与数据采集及处理单元(2)通过同轴电缆连接。
5.根据权利要求2所述公路超载动态监测系统,其特征是:数据采集及处理单元(2)包括数据采集模块(2.1)、数据处理模块(2.2),数据采集模块(2.1)设置有若干个,每个数据采集模块(2.1)对应电性连接一个传感器弹性体模块(1.3),若干个数据采集模块(2.1)与数据处理模块(2.2)电性连接;
数据采集模块(2.1)包括若干个信号放大模块、模数转换模块、选择开关、单片机A、RS485通信模块A、存储芯片A;若干个信号放大模块与模数转换模块、选择开关电性连接,模数转换模块、选择开关与单片机A电性连接,单片机A与存储芯片A、RS485通信模块A电性连接;
数据处理模块(2.2)包括RS485通信模块B、单片机B、PLC载波通信模块A、存储芯片B;
RS485通信模块B、单片机B、PLC载波通信模块A依序电性连接,存储芯片B与单片机B电性连接;RS485通信模块B与数据采集模块(2.1)的RS485通信模块A电性连接,PLC载波通信模块A与通信单元(3)电性连接。
6.根据权利要求5所述公路超载动态监测系统,其特征是:通信单元(3)包括PLC通信模块B、单片机C、5G通信模块、北斗定位模块;PLC通信模块B、单片机C、5G通信模块依序电性连接,北斗定位模块与单片机C电性连接;PLC通信模块B与数据处理模块(2.2)的PLC通信模块A电性连接,5G通信模块与后台主站(5)通信连接。
7.一种公路超载动态监测系统的施工方法,其特征是:包括施工、超载监测传感器校准、行车速度校准,其具体过程如下:
S1、施工:施工包括超载监测传感器埋设、通信单元(3)和摄像头(4)架设;
S11、超载监测传感器埋设:在路面层(7)侧边开挖施工坑,通过施工坑使用水平定向钻在路基层(8)内施工出横贯路面层(7)的隧道;通过顶管机将超载监测传感器(1)顶入隧道内;在施工坑内固定设置预埋水泥构件(6),在预埋水泥构件(6)内固定设置数据采集及处理单元(2);超载监测传感器(1)共设置有两个,其两者之间的距离为10‑15米;
S12、设置通信单元(3)、摄像头(4):通信单元(3)、摄像头(4)固定设置在竖杆顶部,竖杆固定设置在路面层(7)侧边,与预埋水泥构件(6)同侧;竖杆距离超载监测传感器(1)为5‑
8米;
S2、超载监测传感器校准:超载监测传感器校准时,公路超载动态监测系统处于加载校准模式;超载监测传感器校准包括超载监测传感器校准数据采集、超载监测传感器校准数据处理;
S21、超载监测传感器校准数据采集:校准数据采集过程中,使用校准加载车(9)对埋设完成的超载监测传感器(1)进行校准加载,校准加载过程进行若干次,初始加载质量为g,后续每次增加标准质量g’,校准加载车(9)设置在路面层(7)上,位于超载监测传感器(1)正上方,沿超载监测传感器(1)轴线方向依设定速度匀速行进,超载监测传感器(1)的数据采集模块(2.1)依序记录下校准加载车(9)每次行过时,所对应传感器弹性体模块(1.3)输出的最大值fi,其中下角标i为第i个传感器弹性体模块(1.3);校准加载完成后,所有数据采集模块(2.1)采集到的数据上传至后台主站(5)进行处理;
S22、超载监测传感器校准数据处理:后台主站(5)对采集到的每个传感器弹性体模块(1.3)的数据进行处理,生成对应于每个传感器弹性体模块(1.3)的校准计算公式和超载监测传感器(1)的校准计算公式;传感器弹性体模块(1.3)的校准计算公式回传存储在对应的数据采集模块(2.1)中;超载监测传感器(1)的校准计算公式回传存储在数据处理模块(2.2)中;
传感器弹性体模块校准计算公式为:Fi=kifi其中Fi为第i个传感器弹性体模块(1.3)校准加载修正后输出最大值;其中ki为第i个传感器弹性体模块(1.3)的修正比例系数;对传感器弹性体模块(1.3)进行校准计算的目的,是保证在相同加载作用下,确保所有传感器弹性体模块(1.3)输出结果的一致性;
超载监测传感器校准计算公式为:
其中G为实际加载质量;K2为二阶修正系数; 为实际加载时,相邻传感器弹性体模块(1.3)校准后输出结果的累加和,m为相邻的具有输出的相邻传感器弹性体模块(1.3)数量;K1为一阶修正系数;K0为修正常数;对超载监测传感器(1)进行校准计算的目的,是保证公路超载动态监测系统实际输出结果与超载监测传感器(1)校准加载质量的一致性,及公路超载动态监测系统输入与输出的线性度;
S3、行车速度校准:进行行车速度校准时,公路超载动态监测系统处于速度校准模式;
超载监测传感器校准包括行车速度数据采集、行车速度校准数据处理;
S31、行车速度数据采集:行车速度数据采集过程中,使用速度修正加载车(10)进行行车速度的采集,速度修正加载车(10)为已知质量为M的载重卡车,行车速度数据采集进行若干次,且每次速度均不相同;速度修正加载车(10)沿着公路延伸方向以设定速度匀速驶过两个超载监测传感器(1),根据数据采集模块(2.1)采集到的两个超载监测传感器(1)第一次输出结果的时间差T,及两个超载监测传感器(1)之间的距离S,计算出速度修正加载车(10)实际行驶速度V;同时数据处理模块(2.2)根据相关数据采集模块(2.1)采集到的相应传感器弹性体模块(1.3)数据,使用超载监测传感器校准计算公式,计算出速度修正加载车(10)的每个车轮驶过同一个超载监测传感器(1)时的相应加载质量G;行车速度数据采集完成后,将所有行驶速度数据V及相应的的加载质量G上传到后台主站(5)进行处理;
S32、行车速度校准数据处理:后台主站(5)对上传的所有行驶速度数据V及相应的的加载质量G进行处理,生成行车速度校准计算公式;行车速度校准计算公式回传存储在数据处理模块(2.2)中;
行车速度校准计算公式为:
其中M为速度修正加载车(10)的质量;C2为二阶修正系数;C1为一阶修正系数;C0为修正常数;V为速度修正加载车(10)行驶速度; 为速度修正加载车(10)驶过同一个超载监测传感器(1)时,每个车轮在同一个超载监测传感器(1)上所产生的相应加载质量G的累加和;对公路超载动态监测系统进行行车速度校准处理的目的,是为了消除行车速度对公路超载动态监测系统实际输出结果的非线性影响,进一步保证公路超载动态监测系统输出结果的准确性。
8.根据权利要求7所述公路超载动态监测系统的施工方法,其特征是:所述校准加载车(9)包括加载车体(9.1)、加载模块(9.2);加载车体(9.1)中间设有加载体导向孔(9.1.2),下部两侧转动设置有加载车体行走轮(9.1.1);加载模块(9.2)包括加载体(9.2.1),加载体(9.2.1)为圆柱状,上端设有上挡边(9.2.1.1),上端面固定设置有加载块导柱(9.2.3),下端转动设置有加载轮(9.2.2);加载模块(9.2)活动设置在加载车体(9.1)的加载体导向孔(9.1.2)中。
9.根据权利要求8所述公路超载动态监测系统的施工方法,其特征是:校准加载车(9)还包括加载块(9.3),加载块(9.3)为圆板状,中间设有通孔;加载块(9.3)设有若干个,其具有标准质量;加载块(9.3)与校准加载车(9)分离设置,当使用校准加载车(9)进行超载监测传感器校准数据采集作业时,加载块(9.3)通过中间的通孔逐片设置在加载体(9.2.1)的上端面。