基于智能移动终端的路桥过渡区域振动评价综述

基于智能移动终端的路桥过渡区域振动评价综述

李杰鑫，刘政，李事轩，吴磊，刘硕

（烟台大学土木工程学院）

摘要：本文旨在针对桥头区域路段的振动评价方法关键问题，开发智能移动终端客户端。我们结合桥头差异沉降评价、智能移动终端在道路测试评价和桥头振动评价的应用，并用现场试验与理论计算相结合的方法，选择适用于桥头跳车区域的振动评价指标，并开发了基于Java计算机软件的振动加速度采集、预处理程序，并构建适用于安卓系统的应用安装包。我们对桥头区域进行了断面高程的采集、乘坐舒适性评价打分及加速度采集，根据加速度数据计算平整度评价指标值。最终，成功开发桥头振动评价系统客户端。

关键词：道路工程、桥头震动、智能移动终端、评价系统

一、引言

桥台与引道之间的差异沉降是影响行车安全与舒适的主要因素，同时，差异沉降的存在会加剧桥头的损坏、影响车辆行驶的速度、增大桥头区域的维修成本。路桥过渡区域振动是涉及车辆、道路和乘坐人三个方面的问题，但现有的桥头振动评价并未考虑乘坐人的额因素，本智能移动终端坐舒适性，从人-车-路相互作用的角度对桥头振动进行评价。智能移动终端（手机）作为生活、中国的必需品，具备较强数值计算功能和外界感知能力。更为重要的是智能移动终端均均有GPS定位功能和加速度传感器，这为获取桥头振动响应提供了硬件支持。

因此，本文将智能移动终端置于车辆固定位置，开发采集、存储车辆振动加速度的手机客户端，同时内置桥头振动评价程序，实现对桥头振动的监测与评估，为预防性养护时机的确定提供指导。

二、桥头差异沉降评价

目前，针对桥头区域振动问题，国内外研究人员对桥头区域的差异沉降进行了大量桥头现场乘坐舒适性研究，并分别提出了不同的差异沉降值。

Stark[1]通过现场车辆行驶测试提出，当台阶高度大约2.5cm时会出现明显的振动现象；长安大学王秉刚教授[2]则提出车辆以100km/h及以上的车速行驶通过路桥过渡区域时，2~3cm高度的台阶会体验到明显的跳车；张新兵[3]研究结果表明台阶高度超过1.5cm时才会对车辆行驶的平顺性有影响。冯忠居[4]等以不同车速驶过不同高度台阶的桥头试验，研究结果表明，台阶高度小于1.5cm时，车辆行驶的平顺性没有受到影响；高度在1.5-3.5cm时，车辆会出现明显颠簸现象。王崇涛[4]通过实测试验对0-6cm范围内的桥头沉降进行不同车速下人体振动的研究，提出其中台阶高度小于1.5cm时人体无不舒适现象。对于桥头区域容许纵坡变化值，Star[1]、Wahls[5]提出纵坡变化值在1/100-1/250之间时，乘坐人会产生严重不舒适；Ducan、Tan等[6-10]对简支跨结果与连续跨结构桥梁则分别提出搭板纵坡容许变化值为0.8%、0.4%；F.莱昂哈特[11]为保证车辆行驶的平顺性，高速公路桥头区域搭板的坡差应不大于1/300。王在杭[12]等通过实测试验提出桥头区域容许纵坡变化值应小于0.4%；并针对不同的车速，分别提出不影响行车舒适性的桥头搭板纵坡变化值。郑木莲[13]提出车辆行驶车速较高时0.5%的纵坡变化值则会出现不舒适感觉。虽然国内外研究人员对桥头区域的差异沉降进行了大量研究，但研究结论并不统一，同时未提出合理的振动评价指标[14-15]。

三、智能移动终端在道路测试中的应用

关于智能移动终端在道路测试领域的研究始于2012年前后。Douangphachanh等[16]对路面进行平整度检测，将智能手机置于实验车辆中采集车辆的振动数据进行分析。Buttlar等开发了平整度采集程序，并利用手机采集车辆座椅表面的三向加速度数据，通过matlab反向演算道路纵断面高程。Hanson等使用手机采集了二级公路三向振动加速度数据，并利用DATS软件对数据进行预处理，进而评价道路的平整度。密歇根大学交通研究所[21]研究了手机采集的加速度数据与国际平整度指数之间的关系，并推导了路面平整度指标。Aleadelat等用手机置于车辆上并采集了加速度数据，并通过线性回归模型得到路面使用性能指数。王惠勇等[23]以智能手机的加速度数据为基础，并且利 BP神经网络模型建立了国际平整度指数和加速度之间的关系。国外研究现状：美国在结构健康监测领域处于领先地位，许多研究机构和大学致力于开发智能移动终端应用于振动评价系统，以提高结构安全性和可靠性。欧洲一些国家也在振动评价系统方面进行研究，注重结合传感技术和数据处理算法，实现对路桥结构振动特性的全面评估。

四、智能移动终端在桥头振动评价的应用

最早的基于智能移动终端的路桥过渡区域振动评价系统是由北京某高校的研究团队开发的。该系统使用一个装有加速度计和振动传感器的移动设备，对桥梁过渡区域进行实时监测和数据采集。数据采集后，系统会通过无线网络将数据传输到中心服务器进行处理和分析，从而得出桥梁振动情况的评价结果。

在起步阶段，振动评价系统主要依赖于传统的振动测试仪器和有限的传感器技术。数据采集和分析主要依赖于人工操作，存在一定的主观性和误差。随着传感技术的发展，振动传感器变得更加精确和灵敏。

2010年代初智能手机和平板电脑的普及为振动评价系统带来了新的可能性。这些设备内置了多种传感器，如加速度计、陀螺仪和GPS，可以用于振动数据采集和定位。随着应用软件的快速发展，出现了许多针对振动监测和分析的应用程序。这些应用程序可以实时显示振动数据、进行频谱分析和生成报告，使用户能够方便地进行振动评价。近年来，云计算和大数据分析技术的发展为振动评价系统带来了更大的数据处理能力和分析深度。通过云端存储和处理数据，系统可以实现更复杂的振动特征提取和结构响应预测。最新的发展趋势是将人工智能和机器学习技术应用于振动评价系统中。通过训练模型识别振动模式、预测结构损伤和优化结构设计，系统可以更加智能化和自动化。

五、总结

本文通过对基于智能移动终端的路桥过渡区域振动评价系统的研究与制作，结合了智能移动终端在道路测试评价和桥头振动评价的应用，根据本文的研究思路，主要进行了路桥过渡区域加速度采集后的手机客户端构建与程序开发；基于乘坐舒适性的桥头区域路段振动评价指标分级标准，开发基于智能手机APP的桥头路段振动评价测试系统。

参考文献

[1] Stark T D， Olson S M， Long J H. Differential movement at the embankment/structure interface-mitigation and rehabilitation[J]. Rep. No. IABH1， FY， 2005， 93.

[2]Wahls H E. Tolerable deformations[C].Vertical and horizontal deformations of foundations and embankments. ASCE， 2019: 1611-1628.

[3] 王秉纲，胡长顺. 跨越构造物路面结构设计与施工技术研究总报告[R]. 西安公路交通大学， 2003.

[4] 张新兵. 公路桥头跳车的机理分析及防治措施[J].路基工程，2022，(2): 114-119.