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1、基于小波變換的橋梁動態(tài)稱重系統(tǒng)車軸高精度識別研究摘要：首先利用小波變換對一不能明顯識別車軸信息的數(shù)值仿真信號進行處理，證明小波變換能夠高效放大車軸經(jīng)過傳感器時產(chǎn)生的不連續(xù)變化斜率，從而識別出車軸信息。然后基于實橋測試，對那些不能直接識別出車輛信息的FAD信號，通過聯(lián)合控制最小Shan-non熵值和最大相關(guān)系數(shù)選取最適變換尺度和最適變換小波函數(shù)進行小波變換。分析結(jié)果表明：對于不能直接識別出車輛信息的FAD信號，小波變換也能準確地識別車輛行駛速度、車軸數(shù)目以及車軸間距。小波變換可提高橋梁動態(tài)稱重系統(tǒng)車軸識別的效率及精度，為將BWIM系統(tǒng)發(fā)
2、展為超載車輛控制的有效工具提供技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：橋梁動態(tài)稱重；車軸識別；小波變換；小波函數(shù)選?。蛔儞Q尺度中圖分類號：U491；TN911.7文獻標識碼：A我國超載現(xiàn)象比比皆是，超載車輛對道路和橋梁造成的破壞不容忽視。近些年來，超載車輛導致橋梁垮塌的報道屢見不鮮。高效率、高精度的超載車輛監(jiān)管系統(tǒng)可控制超載車輛并監(jiān)測橋梁安全，在我國有著廣闊的應用前景。動態(tài)稱重系統(tǒng)近年來在國際上越來越多地應用于對橋梁和道路交通車輛的監(jiān)測。該技術(shù)在測試車輛數(shù)據(jù)時不需要中斷交通，效率較高，是一種獲取車輛荷載數(shù)據(jù)、控制超重車輛的有效工具。傳統(tǒng)的動態(tài)稱重系統(tǒng)通過在
3、路面埋置傳感器來測試通行車輛的軸重、軸距和車速等信息。該系統(tǒng)是永久性的，不能拆遷，使用壽命較短，且安裝及維護費用較高，精度也有待提高。橋梁動態(tài)稱重系統(tǒng)直接利用橋梁為載體，在線監(jiān)測橋梁在移動車輛荷載作用下的動態(tài)響應，并通過程序反算出車輛軸重。和傳統(tǒng)路面W1M系統(tǒng)相比，BWIM系統(tǒng)不僅可以在不阻斷交通的情況下連續(xù)不間斷地識別車輛軸重和總重，而且可以在線監(jiān)測橋梁在車輛荷載作用下的動態(tài)響應信號，進而獲得結(jié)構(gòu)的實際影響線以及在車輛荷載作用下的結(jié)構(gòu)荷載橫向分布參數(shù)和橋梁沖擊系數(shù)等。BWIM的概念最初由Moses于1979年提出。BWIM系統(tǒng)利用安
4、裝在主梁下緣的傳感器所采集的動態(tài)信號反算出令輛軸重。早期BWIM系統(tǒng)除了在主梁下緣安裝傳感器外，還需要在橋頭路面上埋置便攜式磁帶開關(guān)或壓電電纜來測試車輛速度、軸數(shù)、軸間距等信息，所以早期BWIM系統(tǒng)也存在耐久性問題，且安裝時需要中斷交通，更換也不易。近幾十年來，各國學者在原始BWIM模型基礎(chǔ)上推廣和改進，共同創(chuàng)建了新型商業(yè)BWIM系統(tǒng)。新型BWIM系統(tǒng)摒棄了早期BWIM系統(tǒng)所需的埋置在橋頭路面上的便攜式磁帶開關(guān)或壓電電纜，而是直接在橋面板下安裝額外的傳感器，從而獲得車軸信息。新型BWIM系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及數(shù)據(jù)采集全部在橋下進行，橋面上
5、不布置任何測試設備。相較于早期BWIM系統(tǒng)，新型BWIM系統(tǒng)不僅可以在不阻斷交通的情況下連續(xù)不間斷地識別車輛軸重和總重，更具有攜帶方便、安裝和測試隱蔽、可以反復使用，且安裝、維護及使用成本低等優(yōu)點。Moses，Znidaric和Peters都曾提到車輛信息識別的準確度是影響B(tài)WIM系統(tǒng)軸重及總重識別精度的一個主要因素，同時有效且準確地識別出車軸信息也是BWIM系統(tǒng)精確識別車輛軸重的前提及基礎(chǔ)。然而試驗證明，有時難以直接從FAD信號中準確識別車輛信息，特別是在連軸或信號動態(tài)成分較大的情況下。Dunne和Chatterjee提出通過對FA
6、D信號進行小波變換可更有效地識別車輛信息，但對于小波函選取及最適變換尺度都缺少研究。本文基于仿真分析及實橋測試結(jié)果，在標定車輛經(jīng)過測試橋梁時，采集記錄FAD信號和橋梁橋底動態(tài)響應信號，結(jié)合最小Shannon摘值以及最大相關(guān)性從而選取合適小波函數(shù)以及變換尺度，并利用小波技術(shù)變換FAD信號來獲得未能直接識別的車輛信息。分析結(jié)果表明：作為強大的信號處理工具，小波變換在BWIM系統(tǒng)中能夠有效提高對車軸信息的識別。1小波理論1982年法國工程師JeanMorlet首先提出小波變換的概念，它可以認為是經(jīng)典傅里葉變換的延伸。兩者最大的區(qū)別在于小波變
7、換可以同時在時域和頻域上定域，而傅里葉變換只是時域和頻域之間的轉(zhuǎn)換工具。小波變換可分為連續(xù)小波變換和離散小波變換。1.1連續(xù)小波變換連續(xù)小波變換的數(shù)學定義為：小波一詞意味著特定的小波函數(shù)，即式中的V，例如db2和rbi02。4等。這種小波函數(shù)都是緊支的，即函數(shù)的定義域是有限的。傅里葉變換是將信號分解成一系列不同頻率的正弦波疊加，而小波變換是通過縮放和平移這些小波函數(shù)來逼近信號。顯然對于一些尖銳變化的信號，用不規(guī)則的小波函數(shù)逼近要比光滑的正弦曲線好。經(jīng)過連續(xù)小波變換得到許多小波系數(shù)，這些系數(shù)就是縮放因子和平移的函數(shù)，其中小波分解尺度與傅
8、里葉變換中的頻率相對應，所以連續(xù)小波變換又可以定義為式。它表示信號f與被縮放和平移的小波函數(shù)V之積在信號存在的整個時間段求和的結(jié)果。1.2最適小波函數(shù)和變換尺度的選取在MATLAB小波分析工具中有13個小波函數(shù)族，包括6
