于 沭，溫彥鋒，王玉杰，張國英，張延億，鄧 剛

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

1 研究背景

土石料是水利、公路、鐵路及建筑工程的主要建筑材料。級(jí)配是影響土石料壓實(shí)后力學(xué)性能的重要因素。為了保證填方工程的壓實(shí)質(zhì)量，提高抗變形能力和抗?jié)B性能，采用級(jí)配合理的填料尤為重要。如何快速、準(zhǔn)確檢測(cè)并判斷填筑土石料的級(jí)配的合理性一直是工程界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的土石料級(jí)配檢測(cè)首先通過人工隨機(jī)抽取，進(jìn)而采用人工篩分或搖篩機(jī)對(duì)土石料進(jìn)行篩分，然后由人工統(tǒng)計(jì)獲得級(jí)配曲線［1-2］。該方法雖然技術(shù)成熟，但是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、代表性不強(qiáng)，與現(xiàn)行的高效機(jī)械化填筑施工不相配套，無法快速進(jìn)行大量填筑土石料的檢測(cè)。目前，針對(duì)大量土石料級(jí)配進(jìn)行快速檢測(cè)的方法較少，但是級(jí)配檢測(cè)又是工程中迫切需要的。因此，亟需開發(fā)一種應(yīng)用于大量土石料粒徑級(jí)配檢測(cè)的高效、便捷方法。

目前，成熟可靠的級(jí)配快速檢測(cè)的方法并不多，很多學(xué)者嘗試通過拍照然后進(jìn)行圖形、圖像識(shí)別進(jìn)而對(duì)級(jí)配粒徑進(jìn)行檢測(cè)。與此相關(guān)的研究主要集中在泥沙形狀、巖石組分、礦石粒度、瀝青均勻性、混凝土骨料形狀、粒度的檢測(cè)等方面。Norbert H.Maerz［3］于2004 年設(shè)計(jì)了一種基于視覺的集料形狀測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速、客觀、高效地測(cè)定集料顆粒形狀特征。法國的公共設(shè)施實(shí)驗(yàn)室LCPC 開發(fā)了VDG-40 Videograder 系統(tǒng)［4-5］，該系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取集料的級(jí)配以及集料顆粒的針片狀含量。Bouquety 等于2006 年運(yùn)用VDG-40 Videograder 分析了122 個(gè)集料樣本，通過輔助數(shù)據(jù)對(duì)VDG-40的性能進(jìn)行了驗(yàn)證［6］。2007 年美國機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室的Lee J.R.J 等開發(fā)了從粗粒料顆粒表面采集分析顆粒的三維數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，當(dāng)粗粒料從傳送帶上面通過時(shí)，利用激光三角測(cè)量法從上面采集顆粒的上半球數(shù)據(jù)，對(duì)顆粒三維尺寸和形狀的計(jì)算方法進(jìn)行了描述［7］。于慶磊等［8］提出了一種巖石非均勻性表征技術(shù)，依據(jù)的是數(shù)字圖像處理理論。黃志輝［9］應(yīng)用分形理論、攝影技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)建立了求算爆堆各級(jí)巖塊組成的分形測(cè)試方法。朱濤［10］運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集巖石骨料圖像，進(jìn)而實(shí)時(shí)處理和分析這些圖像。孫東坡［11］利用圖像識(shí)別技術(shù)測(cè)定了室內(nèi)沖刷試驗(yàn)的水流攜沙的特征，確定推移質(zhì)泥沙的輸砂率。許琳娟［12］利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行水槽試驗(yàn)?zāi)嗌齿喞拔恢玫奶崛?，并采用不同的邊緣檢測(cè)算法對(duì)比了不同顆粒尺寸泥沙的識(shí)別效果。劉明瀟［13］利用圖像識(shí)別等技術(shù)通過對(duì)輸沙量的同步監(jiān)測(cè)，研究了粗細(xì)顆粒間相互作用對(duì)非均勻沙輸移的影響。夏軍武［14］基于水泥顆粒與所包含圖像像素的參數(shù)關(guān)系，利用顆粒移動(dòng)后像素變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)水泥顆粒的密實(shí)填充。蔡改貧［15］、張國英［16］利用圖像識(shí)別方法進(jìn)行了礦石粒度及原礦碎石粒度的檢測(cè)。彭勇等［17］利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)定量描述瀝青混合料均勻性的方法進(jìn)行了研究，提出了描述混合料均勻性的指標(biāo)參數(shù)。圖像識(shí)別技術(shù)方興未艾，已經(jīng)在水利行業(yè)有所嘗試，可以成為壩料級(jí)配檢測(cè)的一種快速、有效手段。土石料與礦石、泥沙、混凝土骨料具有幾何特征上的相似性，利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行土石料粒徑級(jí)配的檢測(cè)具有技術(shù)上的可行性。

本文針對(duì)土石料級(jí)配檢測(cè)方法問題，開發(fā)了土石料級(jí)配快速檢測(cè)系統(tǒng)，縮小尺寸加工制作了檢測(cè)樣機(jī)，針對(duì)典型石英巖土石料級(jí)配進(jìn)行了檢測(cè)，并與篩分結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了級(jí)配快速檢測(cè)結(jié)果的可靠性。與傳統(tǒng)篩分法級(jí)配檢測(cè)相比，該方法無需復(fù)雜的篩分設(shè)備，檢測(cè)速度快，并利用工程場(chǎng)地現(xiàn)有施工環(huán)節(jié)布置檢測(cè)系統(tǒng)，無需額外增加工序，可以在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)土石料級(jí)配快速檢測(cè)。

2 土石料級(jí)配快速檢測(cè)系統(tǒng)

為了保證土石料的碾壓質(zhì)量，在碾壓前通常要對(duì)其加一定量水起潤滑作用。這一加水環(huán)節(jié)通常在土石料的運(yùn)輸過程中完成。具體加水方法是讓土石料運(yùn)輸車經(jīng)過一個(gè)噴淋房，在噴淋房停留一段時(shí)間進(jìn)行加水。本文提出的土石料級(jí)配快速檢測(cè)系統(tǒng)利用這一施工環(huán)節(jié)進(jìn)行開發(fā)。主要思路是當(dāng)裝載了土石料的運(yùn)輸車在噴淋房停穩(wěn)后，即對(duì)車載土石料進(jìn)行拍攝。在拍攝后檢測(cè)系統(tǒng)即對(duì)土石料表面級(jí)配進(jìn)行檢測(cè)，在預(yù)設(shè)的合理級(jí)配包絡(luò)線內(nèi)即認(rèn)為該車土石料為合格料，由運(yùn)輸車送往施工場(chǎng)地的同時(shí)，通過車載GPS 記錄合格料運(yùn)輸車在填方體卸料的位置；如超出級(jí)配包絡(luò)線即認(rèn)為是不合格料，同時(shí)給出某個(gè)粒徑范圍內(nèi)土料超標(biāo)或不足的評(píng)價(jià)結(jié)果，運(yùn)輸車返回料場(chǎng)與缺少粒徑范圍的土料進(jìn)行重新拌和，使其盡量滿足合理級(jí)配要求并重新進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)布置如圖1 所示，檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2 所示。該方法具有無需增加施工環(huán)節(jié)、填筑工作效率高和施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 土石料粒徑檢測(cè)思路示意圖

圖2 土石料級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線

3 級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

3.1 硬件部分按照上一節(jié)提出的級(jí)配檢測(cè)思路，制作了基于圖像識(shí)別技術(shù)的土石料粒徑快速檢測(cè)系統(tǒng)小型檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，該樣機(jī)為后續(xù)在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供借鑒參考。檢測(cè)樣機(jī)外觀及結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中①表示檢測(cè)樣機(jī)，整體架構(gòu)為鋁合金材質(zhì)；②表示供水系統(tǒng)；③表示裝載土石料的工程運(yùn)輸車模型；④為檢測(cè)系統(tǒng)控制器，包括：進(jìn)出門控制、燈光控制、噴淋控制模塊；⑤表示LED燈，被測(cè)目標(biāo)移動(dòng)速度較快、需要較高照度，設(shè)計(jì)定制了LED 照明系統(tǒng)，具有高照度、高光效、高顯色性及壽命長等特點(diǎn)。光源具體技術(shù)參數(shù)：色溫：5500 K；顯色指數(shù)Ra：80；平均壽命：50 000 h；功率：140W×2；光通量：3200 Lm×2；⑥表示工業(yè)相機(jī)，為提取車斗內(nèi)部的土石料形狀的等特征信息，要求相機(jī)具有穩(wěn)定可靠的性能，本樣機(jī)選擇了Basler 公司的acA1920-50gc 相機(jī)。具體參數(shù)如下：感光芯片尺寸：11.3 mm×7.1 mm；芯片類型：CMOS；水平/垂直像素尺寸：5.86 μm×5.86 μm；幀速：50 fps；分辨率：2.3 MP。⑦表示系統(tǒng)檢測(cè)軟件及存儲(chǔ)終端，軟件界面如圖5 所示；⑧為噴淋噴頭。

圖3 土石料級(jí)配快速檢測(cè)模型示意圖

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)算法及軟件部分級(jí)配檢測(cè)的算法思路主要是先將圖像中的土石料顆粒進(jìn)行分割，通過像素點(diǎn)數(shù)量和單像素代表的長度測(cè)算顆粒的特征尺寸。利用圖像識(shí)別獲取的土石料幾何特征面積S和周長P 得到石塊區(qū)域外接匹配橢圓形長軸a 和短軸b，進(jìn)而計(jì)算土石方圖像中石塊粒徑d。

土石料粒徑d 為：

將顆粒形狀假設(shè)成橢球，以d 作為對(duì)應(yīng)篩分試驗(yàn)可以過篩的尺寸。統(tǒng)計(jì)各個(gè)粒徑范圍內(nèi)的顆粒數(shù)，根據(jù)橢球體積計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)顆粒的體積，并假設(shè)所有土石顆粒的密度為同一值，體積轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。以每一組粒徑范圍內(nèi)顆粒數(shù)量乘以單顆粒質(zhì)量作為這一粒組內(nèi)的質(zhì)量。根據(jù)各個(gè)粒組質(zhì)量占總質(zhì)量百分比繪制土石料石塊的級(jí)配曲線。

圖4 是圖像處理過程中每一步圖像變化示意圖。圖像中土顆粒分割算法一共分為8 個(gè)步驟。第1步為土石料照片原圖；第2 步為灰度均衡處理，將初始圖像處理成直方圖均勻分布的灰度圖像，增強(qiáng)對(duì)比度，使原來不清晰的圖像變得清晰；第3 步為雙邊濾鏡處理，指的是去除圖像噪聲，同時(shí)保留圖像邊緣，去除由灰塵及光照不均帶來的干擾；第4 步為閾值化處理，采用OTSU 及局部雙窗閾值優(yōu)化的方法，將目標(biāo)與背景區(qū)分，生成二值圖像；第5 步為八鏈碼處理，查找連通區(qū)域，填充目標(biāo)孔洞，將二值圖像去除目標(biāo)內(nèi)部噪聲，標(biāo)記目標(biāo)邊界；第6 步為變換距離處理，將二值圖像的前景目標(biāo)灰度化，求得圖像局部最大值，使圖像呈現(xiàn)出立體化的山峰狀；第7 步為重構(gòu)圖像處理，去掉距離變換形成的多余峰頭而導(dǎo)致的過分割，提取種子區(qū)域；第8 步為分水嶺處理，根據(jù)形態(tài)學(xué)梯度圖像進(jìn)行分水嶺分割，得到圖像目標(biāo)邊界。

圖4 土石料圖像識(shí)別算法過程

級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分界面如圖5 所示，主要包括菜單欄、顯示窗口、工具欄、檢測(cè)狀態(tài)等幾個(gè)部分。菜單欄內(nèi)主要包括檢測(cè)過程的分步控制選項(xiàng)；顯示窗口主要顯示工業(yè)相機(jī)采集到的圖片（圖5 中①）、濾波處理后的圖片（圖5 中②）、八鏈碼處理后的圖片（圖5 中③）、以及檢測(cè)出的級(jí)配曲線（圖5 中④）；工具箱主要為調(diào)整算法中使用的參數(shù)；過程控制欄主要顯示檢測(cè)過程狀態(tài)。處理軟件具有計(jì)算速度快、效率高的特點(diǎn)，能夠在1 秒內(nèi)識(shí)別圖像并繪制相應(yīng)的土顆粒級(jí)配曲線，在大批量圖像數(shù)據(jù)的識(shí)別處理具有較突出的優(yōu)勢(shì)。

圖5 級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面

4 測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試土石料通過對(duì)不同巖性土石料進(jìn)行大量測(cè)試表明，同一種圖像識(shí)別算法對(duì)于巖性不同的土石料不一定適用，由于其顏色和形狀的差異，不同土石料的識(shí)別算法及參數(shù)也相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。石英巖在自然界中廣泛存在，是廣泛使用的填筑材料。又因石英巖具有棱角分明、色彩多樣，相對(duì)識(shí)別難度較大，本文以石英巖作為典型測(cè)試料進(jìn)行級(jí)配檢測(cè)測(cè)試?？紤]到工程實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)與小型樣機(jī)的尺寸比例大約為5～10倍，因此，檢測(cè)土石料的尺寸也相應(yīng)進(jìn)行縮小，控制最大粒徑小于等于60 mm。通過標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)土石料進(jìn)行篩分，分別選擇粒徑分布在10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm 及最大粒徑小于等于60 mm 的混合級(jí)配的土石料。前3 組為窄級(jí)配料，第4 組為寬級(jí)配料。由于前3 組粒徑范圍無法通過標(biāo)準(zhǔn)篩再對(duì)其粒徑進(jìn)行篩分，假定前3 組土石料在其粒徑范圍內(nèi)呈均勻分布，各粒徑的顆粒形狀如圖6 所示。圖6 中的白色塑料箱模擬運(yùn)輸車的車廂并放置于汽車模型中，并停放于工業(yè)相機(jī)下方（圖3），通過檢測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行拍照檢測(cè)。

圖6 不同粒徑分布的石英巖樣本圖

4.2 檢測(cè)結(jié)果分析將采用圖像識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)與篩分方法獲得的級(jí)配曲線進(jìn)行對(duì)比，采用兩種方法檢測(cè)結(jié)果特征粒徑誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各粒組土石料得到的級(jí)配曲線如圖7 所示，特征粒徑指標(biāo)如表1 所示。對(duì)于窄粒徑范圍的10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm 三種級(jí)配土石料，圖像識(shí)別得到的級(jí)配曲線與均勻分布級(jí)配曲線擬合良好，級(jí)配曲線比較接近。3 組窄級(jí)配特征粒徑的d60、d30值的誤差最大為3.7 mm，d10值最大誤差為12.9 mm。d10值誤差相對(duì)較大，其產(chǎn)生的原因?yàn)閳D像識(shí)別檢測(cè)程序是以1 mm 粒徑作為最小粒徑，上述3 組窄粒徑范圍的級(jí)配料缺少本組最小粒徑到1 mm 粒徑的土顆粒，使得這一部分的級(jí)配檢測(cè)結(jié)果誤差較大。如20～40 mm 粒組，缺少1～20 mm 粒徑的顆粒，這一粒徑范圍內(nèi)的識(shí)別結(jié)果主要由土粒中的石英、云母等礦物顆粒被誤識(shí)別產(chǎn)生的。實(shí)際工程中堆石料或砂礫石料，完全缺少細(xì)粒的土料極少出現(xiàn)，因此，d10檢測(cè)結(jié)果的誤差基本不影響工程應(yīng)用。寬級(jí)配料各特征粒徑的圖像識(shí)別結(jié)果和篩分結(jié)果相差都很小，最大誤差為特征粒徑d60，其值為9 mm。寬級(jí)配料的檢測(cè)誤差隨著特征粒徑的減小呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，特征粒徑d10的誤差僅為0.1 mm。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，土石料級(jí)配曲線一般是在設(shè)計(jì)級(jí)配包絡(luò)線范圍內(nèi)變化的，其特征粒徑允許范圍較大。如文獻(xiàn)中建議的堆石料級(jí)配包絡(luò)線d60粒徑范圍為80～250 mm，d30粒徑范圍為20～80 mm，d10粒徑范圍為0.5～12 mm［18］。本文提出的圖像識(shí)別檢測(cè)方法的誤差遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)特征粒徑的范圍上下限差值，識(shí)別結(jié)果造成的誤差不會(huì)對(duì)級(jí)配有較大影響，可以滿足工程需要。

圖7 不同粒徑分布的石英巖級(jí)配曲線圖

表1 不同粒徑分布的石英巖特征級(jí)配指標(biāo) （單位：mm）

5 結(jié)論

（1）本文開發(fā)了一個(gè)基于圖像識(shí)別技術(shù)的土石料級(jí)配快速檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了所需的軟硬件設(shè)備，并設(shè)計(jì)加工制作了一臺(tái)檢測(cè)樣機(jī)。進(jìn)行了4 個(gè)不同粒徑范圍石英巖堆石料的級(jí)配檢測(cè)對(duì)比，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與人工篩分檢測(cè)結(jié)果的特征粒徑最大誤差為9 mm，誤差量值遠(yuǎn)小于測(cè)量的粒徑范圍，基本可以滿足級(jí)配檢測(cè)工程應(yīng)用需要，表明級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果是基本可靠的，且能明顯提高級(jí)配檢測(cè)速度。

（2）現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，不同巖性、形狀土石料的采用的檢測(cè)算法和參數(shù)有所差別，同一套算法參數(shù)不具有普適性。使用本檢測(cè)系統(tǒng)前應(yīng)根據(jù)土石料母巖特性、顆粒形狀的特點(diǎn)對(duì)圖像識(shí)別的一些參數(shù)重新進(jìn)行率定。

（3）在工程現(xiàn)場(chǎng)使用本文開發(fā)的圖像識(shí)別級(jí)配檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體光線條件、運(yùn)輸車輛尺寸等對(duì)工業(yè)相機(jī)數(shù)量、參數(shù)及光源進(jìn)行選型調(diào)整。