摘要：城市高架作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在道路建設(shè)中所占的比例越來越高，因橋梁質(zhì)量、車輛超載等問題引發(fā)的惡性事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)其健康狀況及安全性的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。本文基于壓電元件的力電耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套適用于城市高架橋梁的安全預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)車輛經(jīng)過布設(shè)于橋梁上的壓電傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的脈沖信號(hào)，通過對(duì)交通流進(jìn)行數(shù)字化分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市高架橋的流量監(jiān)測(cè)、荷載監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警。該系統(tǒng)為城市高架橋梁的交通流和車輛管控提供了智能化的解決方案，保證了行車安全。

關(guān)鍵詞：智能運(yùn)輸系統(tǒng)與交通工程；安全預(yù)警；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；城市高架橋；橋梁工程

中圖分類號(hào)：U447 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-6478（2023）01-0180-06

Design of Safety Warning System for Urban Viaduct Based on Piezoelectric Sensor

DU Jianzhou，GENG Yibo，YANG Cong，QIU Long，WEI Lingxiang

（School of Materials Science and Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China）

Abstract：As an important transportation infrastructure，the proportion of urban viaduct in road construction is getting higher and higher. Malicious accidents caused by bridge quality，vehicle overload and other issues have occurred from time to time. Monitoring its health and safety has become one of the research hotspots. Based on the coupling effect of piezoelectric elements，a safety warning system for urban viaducts is designed and developed. When the vehicle passes through the piezoelectric sensor laid on the bridge，different pulse signals will be generated. Through the digital analysis of traffic flow，the flow monitoring，load monitoring and safety warning of urban viaducts can be realized. The system provides intelligent solutions for traffic flow and vehicle control of urban viaducts，and ensures traffic safety.

Key words：intelligent transportation system and traffic engineering；security warning；system design；urban viaduct；bridge engineering

0 引言

隨著科技的發(fā)展，道路橋梁建設(shè)水平及規(guī)模在過去30年中得到了極大提升。這些橋梁為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。與公路橋梁相比，城市高架橋梁與市民出行的聯(lián)系更為緊密，城市高架能否安全承載交通出行將直接影響市民的出行安全[2]。城市高架在現(xiàn)代化交通運(yùn)輸系統(tǒng)中起著重要作用，是保證城市交通系統(tǒng)合理有序運(yùn)行的關(guān)鍵。截至2020年，我國約有城市立交橋5 900座，而這一數(shù)量仍在不斷增加當(dāng)中。我國城市道路橋梁設(shè)施在實(shí)際運(yùn)行中，橋梁坍塌等嚴(yán)重危害人們生命安全的事故時(shí)有發(fā)生，這與最近幾年我國交通運(yùn)輸量的不斷增加有直接關(guān)系[3]。從暴露出的重大橋梁事故原因分析結(jié)果來看，絕大多數(shù)安全事故的起因都與橋梁健康監(jiān)測(cè)及維修保養(yǎng)工作未落實(shí)有著重要關(guān)系。在此背景下，人們更加關(guān)注橋梁監(jiān)測(cè)工作，希望通過此手段改善橋梁工程整體質(zhì)量，保障人們出行安全。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，各類現(xiàn)代化高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和信號(hào)采集技術(shù)得到更新與優(yōu)化，成為橋梁健康監(jiān)測(cè)的有效手段[4]。

相較于橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多以橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Structural Health Monitoring，SHM）為主。安裝SHM系統(tǒng)的橋梁能夠有效監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，為橋梁服役期間結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，同時(shí)精確定位橋梁損傷部位，能夠及時(shí)有效地進(jìn)行修復(fù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的SHM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中扮演了重要角色。越來越多的智能技術(shù)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測(cè)中來，例如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM技術(shù)等[5]。以及借助智能設(shè)備對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如利用無線射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等設(shè)備，進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)。綜合現(xiàn)代測(cè)試與傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號(hào)處理分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)[6]、數(shù)學(xué)理論和結(jié)構(gòu)分析理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可連續(xù)地、實(shí)時(shí)地、在線地對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，確保運(yùn)營安全和提高橋梁的管理水平。

為保障橋梁安全，國內(nèi)外專家學(xué)者展開了對(duì)橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，Vasavi等[7]對(duì)人工智能的預(yù)測(cè)分析方法集成到物聯(lián)網(wǎng)傳感器中評(píng)估橋梁安全性的潛在優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究，建立了一套智能的橋梁安全預(yù)測(cè)模型；Roberto等[8]針對(duì)異常車輛，開發(fā)了一種基于速度函數(shù)的橋梁安全分析系統(tǒng)；費(fèi)洪剛等[9]提出了基于互聯(lián)網(wǎng)+和BIM的，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)傳輸與分析方面，Zhang[10]提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁安全預(yù)警方法，提出了一種新的泛洪協(xié)議，以增強(qiáng)橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信能力；董忠波等[11]設(shè)計(jì)了融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，直觀地呈現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)警。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，Cantero等[12]根據(jù)車輛額外重量對(duì)車－橋系統(tǒng)頻率的影響，研究了相同質(zhì)量但懸掛性能不同的車輛對(duì)車－橋系統(tǒng)頻率的影響；Ding等[13]通過主成分分析法研究了橋梁主梁橫向加速度與車輛通行之間的關(guān)系，為檢測(cè)橋梁橫截面的異常變化提供了良好的方法。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)大多應(yīng)用于大跨度的跨江、跨海大橋中，而針對(duì)城市高架橋的安全預(yù)警系統(tǒng)以及SHM系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。

本文設(shè)計(jì)了基于壓電傳感器的城市橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)，其通過布設(shè)于橋梁上的壓電傳感器采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的載荷大小、橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況以及車流量等參數(shù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的傳遞交互，達(dá)到對(duì)橋梁參數(shù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取措施預(yù)防斷裂、坍塌等災(zāi)難性事故，從而提高城市橋梁路段交通安全，實(shí)現(xiàn)橋梁開放的合理控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市高架橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目的在于通過交通資訊信息的收集和傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)車流在時(shí)間和空間上的引導(dǎo)、分流，避免交通堵塞，保障行駛車輛的安全，以減少交通事故的發(fā)生，并改善高架橋交通運(yùn)輸環(huán)境，使車輛在高架橋上安全、快速、暢通、舒適地運(yùn)行[14，15]。

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

（1）提出一種基于壓電傳感器城市高架橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并開發(fā)出一套適用于城市高架橋梁的安全預(yù)警系統(tǒng)，從而保證高架橋安全、高效地減輕城市交通出行壓力。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駛?cè)敫呒軜蜍囕v的荷載大小以及高架橋中某一區(qū)段內(nèi)荷載總和，避免超重車輛駛?cè)敫呒軜蚧蛞蚝奢d總和過大而威脅橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高架橋內(nèi)交通量大小，將高架橋內(nèi)交通量信息通過廣播、智能導(dǎo)航等方式告知車輛駕駛員，幫助駕駛員合理規(guī)劃路線，同時(shí)避免高架橋內(nèi)車輛過多而造成嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

（4）配合監(jiān)控系統(tǒng)及紅外測(cè)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車速，協(xié)助交管部門對(duì)違規(guī)車輛進(jìn)行管控。

1.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

將壓電傳感器布設(shè)于高架橋橋面內(nèi)，車輛經(jīng)過時(shí)對(duì)壓電傳感器產(chǎn)生壓力。壓電元件通過力電耦合效應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)（電流），將電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過信號(hào)分析處理進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。在高架橋的出入口匝道處鋪設(shè)的壓電傳感器能夠?qū)蛏辖煌窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，同時(shí)橋體各處的壓電傳感器可以依據(jù)壓力關(guān)系統(tǒng)計(jì)交通量荷載大小[14]。當(dāng)高架橋內(nèi)交通量過大或其荷載達(dá)到預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)信號(hào)，由交通管理部門進(jìn)行評(píng)估，對(duì)高架橋是否能繼續(xù)安全運(yùn)行進(jìn)行判定。與此同時(shí)，壓電傳感器也擔(dān)負(fù)著監(jiān)測(cè)橋梁健康狀況的任務(wù)，當(dāng)橋梁振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)異常情況，疑似橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生惡性變化時(shí)將會(huì)被壓電傳感器所感知，系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。在必要時(shí)快速疏散高架橋內(nèi)車輛，并禁止后續(xù)車輛繼續(xù)駛?cè)?。圖1所示為本系統(tǒng)的工作流程圖。

經(jīng)過處理后的信號(hào)由交通管理部門評(píng)估，若此時(shí)高架橋狀況已不允許后續(xù)車輛繼續(xù)駛?cè)?，則在高架橋入口匝道前進(jìn)行信號(hào)管控，不允許后續(xù)車輛繼續(xù)駛?cè)牖驅(qū)M(jìn)入高架橋的車輛進(jìn)行限流，直至交通量、荷載或橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)恢復(fù)正常，解除警報(bào)，高架橋恢復(fù)正常運(yùn)行。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體采用SSM的架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為用戶層、應(yīng)用層、網(wǎng)關(guān)層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層[15]，具體如圖2所示。用戶層分為三方面：社會(huì)大眾（駕駛員）、道路運(yùn)輸管理機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)管理人員。應(yīng)用層主要包括系統(tǒng)PC用戶端與系統(tǒng)運(yùn)維界面。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)層處于應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層之間，通過統(tǒng)一接入、流量管控、協(xié)議適配等操作，方便內(nèi)部服務(wù)的調(diào)用，限流、安全、熔斷等功能均包含在這一層級(jí)。數(shù)據(jù)層即壓電傳感器所監(jiān)測(cè)的交通量、荷載量、車速及橋梁振動(dòng)模態(tài)。系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層分為壓電傳感器、服務(wù)器、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)四方面。

相較于解決問題的技術(shù)而言，SSM框架更側(cè)重于關(guān)注解決問題的方法。同時(shí)類似交通系統(tǒng)這種較為凌亂的社會(huì)化問題，SSM所用的解決工具較為嚴(yán)謹(jǐn)、有效。因此采用SSM框架作為系統(tǒng)構(gòu)架更能適用于本系統(tǒng)的工作需求。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 壓電橋面鋪設(shè)

本系統(tǒng)的核心部分是壓電傳感器的鋪設(shè)與安裝。在施工時(shí)，將壓電傳感器鋪設(shè)在橋板連接處的伸縮縫之間。通向高架橋道路中的交通流基本是連續(xù)流且交通量較大，在橋梁伸縮縫中鋪設(shè)壓電傳感器，將在道路中采集車輛作用的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，同時(shí)要考慮到車流對(duì)壓電傳感器施加的壓力過大將會(huì)導(dǎo)致壓電元件發(fā)生損壞。因此需要對(duì)壓電傳感器的布設(shè)位置進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施，使得壓電元件既能夠正常發(fā)電，又能夠降低壓電傳感器被破壞的可能性。

2.1.1 阻尼減震器

阻尼減震器是能夠讓壓電陶瓷安全、有效工作的重要元器件，它主要的功能是把車輛自身傳遞的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃寜弘娞沾伤艹惺懿⒛軌虍a(chǎn)生微小變形的壓力，這樣既能夠保護(hù)壓電陶瓷，同時(shí)又能夠讓壓電陶瓷最大可能地有效工作[16]。阻尼減震器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3（a）所示，阻尼減震器壓力板（1）直接與保護(hù)層隔板相接，受汽車荷載作用下沉。為防止形變過大設(shè)置了阻尼減震器框架（3），當(dāng)形變達(dá)到特定值時(shí)壓力板被壓至上部框架處，保證減震器不會(huì)持續(xù)形變，有效保護(hù)了壓電傳感器。阻尼減震器的鋪設(shè)如圖3（b）所示。

2.1.2 壓電傳感器的鋪設(shè)形式

當(dāng)有荷載經(jīng)過時(shí)，車輛的自身重力荷載通過橋面?zhèn)鬟f給壓電傳感器，使得壓電元件產(chǎn)生微弱的變形，從而產(chǎn)生電流，車流的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過分析電流得到原始數(shù)據(jù)的同時(shí)，該電流經(jīng)整流電路將系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，為本系統(tǒng)內(nèi)的用電設(shè)施進(jìn)行供電，圖3（d）為壓電傳感器的鋪設(shè)示意圖。

在高架橋各出入口匝道處及橋梁連接處的伸縮縫中鋪設(shè)壓電傳感器，以便統(tǒng)計(jì)高架橋內(nèi)交通量的大小，除此之外，鋪設(shè)于出入口匝道的壓電傳感器能夠通過車輛駛過時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)統(tǒng)計(jì)車輛荷載大小。在相鄰或距離相同區(qū)間間隔的橋梁伸縮縫中鋪設(shè)一組壓電傳感器，該組壓電傳感器按每車道一塊橫向鋪設(shè)于橋面中（類似于ETC不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)汽車稱重WIM設(shè)備的鋪設(shè)方式）。我們將這樣的一組壓電元件稱為一個(gè)“壓電單位”。每一組“壓電單位”共用一個(gè)信號(hào)終端，以此形式將高架橋按區(qū)域劃分，更加有利于橋梁安全預(yù)警的定位。同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)建成的高架橋梁，僅需在伸縮縫處進(jìn)行鋪設(shè)改造即可。橋梁伸縮縫需定期檢修更換，在檢修伸縮縫的同時(shí)對(duì)壓電傳感器進(jìn)行檢修工作，相較于將壓電傳感器直接鋪設(shè)于橋板主體中而言降低了施工難度，節(jié)約了施工資源和人力資源[17]。

2.2 信息采集設(shè)計(jì)

在智能交通系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)道路交通信息的獲取可實(shí)現(xiàn)對(duì)交通全程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，從而大大提高道路交通的管理效率，這一過程的實(shí)現(xiàn)依賴于高維實(shí)時(shí)交通流信息的捕獲。目前的交通傳感技術(shù)很難同時(shí)滿足采集車輛特征屬性和運(yùn)動(dòng)屬性的要求。而采用壓電傳感技術(shù)則可以得到較全面的交通流精確信息。在本系統(tǒng)中，壓電傳感器電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變時(shí)（包括彎曲和伸縮形變），通過內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電信號(hào)，從而進(jìn)行交通量感知和壓力感知。

橋梁信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由壓電式加速度傳感模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采集模塊等組成。車輛駛過時(shí)橋梁信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過加速度傳感器將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電荷量，通過電荷放大器將電荷量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)并放大，通過A/D采集卡采樣，單片機(jī)對(duì)A/D采樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而通過CAN通信將信號(hào)傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)交互傳輸設(shè)計(jì)

橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警系統(tǒng)中，每個(gè)模塊有各自獨(dú)立的分工，但各模塊需要進(jìn)行信息的共享和交流，不同模塊的正常運(yùn)行，離不開不同模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)各模塊間的配合，需將不同模塊的信息進(jìn)行處理、匯總。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一直在智能交通中發(fā)揮著重大作用，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠安全等優(yōu)點(diǎn)，能夠基本滿足橋梁監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需要，所以本次系統(tǒng)將借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳遞。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能大致分為交通量統(tǒng)計(jì)、荷載統(tǒng)計(jì)、車速統(tǒng)計(jì)、橋梁振動(dòng)模態(tài)的監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)能量回收五大方面。系統(tǒng)通過對(duì)交通量、交通荷載以及橋梁振動(dòng)模態(tài)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)配合交通管控方案規(guī)避可能存在的交通隱患，以保障城市高架橋梁正常、安全地運(yùn)行。系統(tǒng)功能示意如圖4所示。

3.1 交通量監(jiān)測(cè)

當(dāng)環(huán)境溫度低于壓電元件的居里溫度時(shí)（正常自然環(huán)境溫度低于此值），根據(jù)壓電元件的力電耦合效應(yīng)，對(duì)其施加外力時(shí)，壓電元件將產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。利用這一特性，壓電傳感器能夠靈敏地記錄橋梁內(nèi)車輛駛過傳感器的次數(shù)。上文提到，在高架橋出入匝道處鋪設(shè)壓電傳感器。當(dāng)有車輛駛?cè)牖蝰偝龈呒軜驎r(shí)，車輛前后輪分別對(duì)壓電傳感器產(chǎn)生壓力后，壓電元件即可判斷為一輛汽車駛過。集合各出入口車道的統(tǒng)計(jì)情況即可判斷高架橋內(nèi)的交通量大小。同時(shí)，根據(jù)不同壓電傳感器鋪設(shè)位置斷面所通過的交通量可以判斷某一區(qū)段內(nèi)交通量的大小。

3.2 交通載荷監(jiān)測(cè)

經(jīng)分析，近年來城市高架橋梁因貨運(yùn)超載行駛而發(fā)生的重大交通事故占比較大。因此對(duì)車輛荷載大小的監(jiān)測(cè)是本預(yù)警系統(tǒng)的重點(diǎn)。當(dāng)車輛駛過壓電傳感器時(shí)，對(duì)壓電元件產(chǎn)生壓力，激發(fā)脈沖信號(hào)（電信號(hào)），結(jié)合電磁感應(yīng)線圈，通過分析所激發(fā)的電信號(hào)可判斷荷載大小。單位電能產(chǎn)生量與應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式如公式（1）所示[18]：

U=1/2×d×g×σ² （1）

式中，U為單位電能產(chǎn)生量；d為壓電應(yīng)變張量常數(shù)；g為壓電電場(chǎng)電壓常數(shù)；σ是應(yīng)力。由上式可知，應(yīng)力與單位電能產(chǎn)生量成正比。對(duì)電能產(chǎn)生量進(jìn)行分析，可換算出經(jīng)過車輛的荷載大小。

當(dāng)有超重車輛駛?cè)敫呒軜驎r(shí)（如大型貨車），系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信號(hào)，由交通管理部門進(jìn)行相應(yīng)的決策分析及處理，引導(dǎo)超重車輛駛出高架橋。同時(shí)，對(duì)各車輛荷載求和即可得到高架橋內(nèi)某一區(qū)段內(nèi)交通量的荷載總和，當(dāng)高架橋內(nèi)總交通荷載或某一區(qū)段內(nèi)荷載達(dá)到設(shè)定限值時(shí)，系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出安全預(yù)警。

3.3 車速監(jiān)測(cè)

行駛的車輛駛過壓電傳感器時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)。將信號(hào)傳輸至中央數(shù)據(jù)處理器，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的分析處理，記錄車輛前后輪對(duì)壓電傳感器作用的時(shí)間差，車輛軸距除以測(cè)得的時(shí)間差值即可大致測(cè)算出車輛通過某一斷面時(shí)的瞬時(shí)車速。由于壓電傳感器體積較小，即使車速在比較低的情況下，其壓力感知變化仍是很敏感及迅速的，使得在道路車輛速度監(jiān)測(cè)中準(zhǔn)確度較高。配合監(jiān)控系統(tǒng)即可對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的追蹤定位。如有車輛嚴(yán)重超速或低速行駛造成交通安全隱患，交警部門及交通管理部門即可快速對(duì)其進(jìn)行處罰或車速管控。

3.4 安全預(yù)警管控方法

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)高架橋內(nèi)各交通參數(shù)，當(dāng)高架橋內(nèi)總體或某一區(qū)間內(nèi)交通量達(dá)到預(yù)警值、荷載過大或監(jiān)測(cè)到橋梁結(jié)構(gòu)損傷時(shí)[19]，系統(tǒng)將發(fā)出安全預(yù)警，高架橋應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的管控措施以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

參照地下隧道工程的處理辦法，我們將在高架橋入口匝道處安裝電子指示牌，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出安全預(yù)警時(shí)，禁止車輛駛?cè)敫呒芑驅(qū)︸側(cè)敫呒苘囕v進(jìn)行限流（其具體管控方式由交管部門依據(jù)實(shí)際情況制定）。直至高架橋內(nèi)交通量、荷載量恢復(fù)正?；蚪Y(jié)構(gòu)損傷得以修復(fù)才能允許交通流正常行駛?cè)霕?，高架橋恢?fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文提出了一種基于壓電傳感器的城市高架安全預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)通過測(cè)量車流量、橋梁載荷、監(jiān)測(cè)車速、監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)情況等，為城市高架橋出行提供安全保障。對(duì)于提高高架橋安全性、緩解交通擁堵、提高城市交通管理水平等方面具有重要意義。能夠較為精確地滿足城市高架橋梁安全預(yù)警的需求，同時(shí)本系統(tǒng)能夠配合交通管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控高架橋運(yùn)行狀態(tài)，在保障出行安全的前提下，提高城市道路交通的通行效率，具有較好的工程應(yīng)用前景。同時(shí)，作為一套探索性的安全預(yù)警系統(tǒng)，不免會(huì)有尚未完善、解決的問題以及為應(yīng)對(duì)未來城市交通結(jié)構(gòu)發(fā)展對(duì)城市高架橋提出的新需求，本系統(tǒng)需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)及實(shí)際工程測(cè)試中不斷更新、迭代、改進(jìn)。

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