CN116046898A - 新型机土非接触式的填料压实状态判别方法及其应用 - Google Patents

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CN116046898A CN202211364125.3A CN202211364125A CN116046898A CN 116046898 A CN116046898 A CN 116046898A CN 202211364125 A CN202211364125 A CN 202211364125A CN 116046898 A CN116046898 A CN 116046898A
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叶阳升
闫宏业
尧俊凯
毕宗琦
张千里
陈锋
姚建平
李竹庆
苏珂
魏少伟
安再展
李泰灃
王鹏程
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Abstract

新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其包括如下步骤：通过传感器对振动压路机的振动轮加速度信号进行监控；在振动压路机底部安装工业相机时时采集现场照片；将得到的照片使用数字图像技术对在振动压路机行进过程中检测填料表面的位移状态进行检测；生成“时间—位移”曲线，并以此得到在同一张照片中多测点的加速度时程曲线；将上述步骤得到的测点水平方向时间‑位移曲线进行求导，得到填料表面的速度时程曲线和加速度时程曲线；通过采用带通滤波的处理将上述得到的两个方向的水平加速度时程曲线进行与振动轮加速度信号频率相似信号进行处理；随着填料的压实度的增加，振动波在传播过程中的加速度幅值随着水平方向距离的增加衰减的更慢。

Description

新型机土非接触式的填料压实状态判别方法及其应用
技术领域
本发明属于高速铁路路基连续压实技术领域。具体地，本发明涉及一种用于一种新型机土非接触式的填料压实状态判别方法。
背景技术
随着我国高速铁路路基的里程越来越长，高速铁路路基的填筑工程同样会越来越多，因此如何高效准确的判断高速铁路路基的压实状态是目前迫切需要解决的问题，因此为了保证高速铁路路基的安全性，目前国内外现阶段的技术指标大多为经验指标、基于填料本身的有损检测的常规检测方法、基于间接检测的无损检测的连续检测方法。因此本发明提出了一种基于土体本身性质的无损连续检测方法。
目前高速铁路路基压实质量的控制方法主要有以下几种：
经验法：1、压实遍数法：通过现场的压实情况与振动压路机的压实遍数判断路基是否压实；2、轮迹法：通过现场的压路机的碾压的痕迹直到痕迹消失就可判断路基压实；3、直接测量法：干密度法：通过灌砂法和灌水法等方法对路基的压实度进行直接测量。
力学指标控制法：1、K30：通过平板荷载法K30来表示路基的压实程度；2、Evd：动态变形模量的测量来表示路基的压实程度。
连续压实指标：通过在振动压路机上布置传感器并对振动压路机中的偏心块的位置进行监控进行压实指标的计算。
以上的经验法判断压实受人为的影响因素较大。而常规检测指标则是有损检测且点对面的控制不适宜大面积的测量，属于振动压实后检测指标检测，而力学类和连续压实类指标则通过理论上相关的间接指标来表示压实度是一种理论上且进行相关性计算的一种体验。
此外，诸如现有技术，中国专利申请号：CN2011104196154，公开号：CN102519965A，公开一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，步骤为：（1）组建视觉测量系统：一个压实度采样点的测量系统由1台CCD相机、1个采样标志特征点和1个标志桩组成；（2）图像处理：CCD相机采集压实现场图像，拟合得到标志桩的三个“十”字形，提取采样标志特征点中心的图像坐标以及椭圆的长轴和短轴参数；（3）沉降量计算：计算得到采样标志特征点中心到标志桩选定参考点之间的垂直距离，得到本次压实作业的沉降量；（4）路基压实度计算：将沉降量代入沉降量-压实度数学模型。
中国专利申请号：CN2019109113135，公开号：CN111024922 A，公开一种高速铁路路基压实质量连续检测系统和方法，包括：采集装置、数据处理装置、显示装置、管理装置和中央控制装置；所述采集装置安装于压路机上，用于采集信息，并将所采集的信息发送到数据处理装置进行处理和分析；所述数据处理装置安装于压路机上，用于接收所述采集装置采集的信息，并对所述采集装置采集的信息进行处理和分析从而得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据判断路基压实质量；所述显示装置安装于压路机上，用于将所述处理和分析后的数据显示出来；所述管理装置基于上传到该管理装置的所述处理和分析后的数据，远程实时获得路基压实质量情况；所述中央控制装置连接并控制所述采集装置、数据处理装置、显示装置和管理装置；所述级配识别单元包括摄像头和图像识别器，所述摄像头与图像识别器连接，所述图像识别器对摄像头采集的路基表面图像进行识别，获得路基填料颗粒的级配信息。
中国专利申请号：201110162528.5，公开号：CN102288286 A，一种振动加速度传感器齿轮箱测点精度分析与评价方法。发明通过振动加速度传感器,以转速信号为主控,对齿轮箱进行振动信号和转速信号的同步数据采集；提取时域特征值进行分析评价,绘制RMS-Peak图和箱线图；计算阶次谱进行分析评价；通过时域分析、频域分析方法分析结果,形成齿轮箱测点精度分析与评价结果。发明能够实现对齿轮箱壳体振动信号的阶次分析,通过时域、频域特征分析,得到更能表征各种故障特征的最佳位置,减少测量误差,确定振动传感器的安装位置,也为故障诊断的准确性提供了保障。
中国专利申请号：201310343049.2，公开号：CN10312046 A，堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法。发明公开了一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统,包括安装在振动碾振动轮的内侧机架上的数据采集装置；安装在观测房中的数据接收及发送装置；进行远程质量控制的数据分析装置。采用上述的系统进行堆石坝压实质量控制的方法,一、通过试验获得符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值；二、在现场施工过程中,获取各个振动碾的加速度数据；三、加速度数据经数据整合、数字滤波后,进行FFT变换,获得基波数据和二次谐波数据；四、由公式CMV=C×A2Ω÷AΩ计算出实时的CMV值；五、将实时的CMV值与符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值进行比对；由此实现堆石坝压实质量的智能、动态控制。本实用新型既保证了施工质量,又加快了施工进度。
中国专利申请号：201610223271.2，公开号：CN105915594 A，碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置。本发明属于土石坝施工质量控制领域,为提供一种新的土石坝料和沥青混凝土心墙坝料的压实质量实时监测装置,可提高被压坝料压实质量评估的精度,提高沥青心墙土石坝施工中两种坝料共存时施工质量控制的便捷性,有助于确保高土石坝的施工质量。为此,本发明采用的技术方案是,碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置,包括六个部分,分别为坝料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、电源模块、车载跳频组网网际协议IP(InternetProtocol)通信模块和远端跳频组网IP通信模块。本发明主要应用于土石坝施工质量控制场合。
上述现有技术都是根据振动压路机与施工机械的振动轮振动响应特性，判断路基压实度及机械故障的方法以及是一种间接反映路基压实度及机械故障的判别方法，并未对判别材料本身进行连续监测。而本发明可通过连续实时监测路基表面颗粒的振动响应曲线进而直接判别路基的压实质量。
发明内容
本发明的目的在于采用在振动压路机上加装外接设备的方法进行对地面局部振动区域进行位移监控的方法进行填料压实状态的判别。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：
新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其包括如下步骤：
步骤1：将三向加速度传感器安装于振动压路机前轮的机架上，对振动压路机的振动轮加速度信号进行实时监控；
步骤2：在振动压路机底部的两个红色区域内安装工业相机，在振动压路机和相机之间安装防抖动系统放置振动压路机在施工过程中由于不稳定所以出现照片模糊不清的状态，与此同时配置大功率的LED光源以保证相机有足够的拍照环境；
步骤3：将步骤（2）中得到的照片使用数字图像技术对在振动压路机行进过程中检测填料表面的位移状态进行检测；
步骤4：生成 “时间—位移”曲线，并以此得到在同一张照片中多测点的加速度时程曲线；
步骤5：将上述步骤4得到的测点水平方向时间-位移曲线进行求导，得到填料表面的速度时程曲线和加速度时程曲线；
步骤6：通过采用带通滤波的处理将上述得到的两个方向的水平加速度时程曲线进行与振动轮加速度信号频率相似信号进行处理；
步骤7：随着填料的压实度的增加，振动波在传播过程中的加速度幅值随着水平方向距离的增加衰减的更慢，因此由于振动轮在工作中的振幅是固定的，那么可以通过前述步骤6中所得到的加速度幅值对填料的压实度进行判别。
本发明还公开一种将新型机土非接触式的填料压实状态判别方法应用于高速铁路路基施工过程中。
有益效果：
采用本发明生产得到的在振动压路机施工过程中即可完成对填料的压实状态的评价方法，实现：
（1）在不损伤路基的情况下进行路基表面振动信号检测；
（2）在压实施工过程中进行实时路基振动信号检测；
（3）压实区域的检测随着检测车位置的变化而变化，不影响正常施工进度。
本发明提出的生产方法，操作简单，可实施性强，且是一种效率极高的连续压实的实时检测方法。本发明在施工阶段完成压实质量的检测并在压实状态下不佳的区域进行施工工况的调整，大大提高了高速铁路路基施工质检效率，经济社会效益显著。
附图说明
图1为振动轮信号；
图2为振动压路机及相机安装位置；
图3为参考点变形前后几何示意图；
图4（a）为测点一加速的时程曲线图；图4（b）为测点二加速度时程曲线图；
图5（a）为滤波后测点一加速度时程曲线图；图5（b）为滤波后测点二加速度时程曲线；
图6（a）为参考图像；图6（b）为变形后图像。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
本发明提供一种新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其包括如下步骤：
步骤1：将三向加速度传感器安装与振动压路机前轮的机架上，对振动压路机的振动轮加速度信号进行实时监控；
振动轮上的加速度传感器所采集到的加速度时程曲线的信号，其作用有两个：1、实时检测振动压路机的垂直方向上的振动幅值，如图1中加速度幅值约为4g，作为震源为后续使用图像处理技术得到的加速度时程曲线的幅值并计算加速度幅值衰减衰减率提供依据，若振动压路机机械发生故障是振动源的幅值大小发生改变但是并没有技术手段进行实时监测那么会影响后续计算结果；2、加速度时程曲线可通过计算每秒范围内振动波的整周期的数量得到振动压路机的工作频率进对后续的拟合得到的及速度时程曲线进行带通滤波提供依据；
步骤2：在振动压路机底部的两个标记区域内安装工业相机，在振动压路机和相机之间安装防抖动系统，以防止振动压路机在施工过程中由于不稳定所以出现照片模糊不清的状态，与此同时配置大功率的LED光源以保证相机有足够的拍照环境；
步骤3：将步骤2中得到的照片使用数字图像技术对在振动压路机行进过程中检测填料表面的位移状态进行检测；其原理如下，参见图3所示：所述数字图像技术采用基于数字图像处理的变形测量方法，通过精确跟踪“参考图像（Reference image）”中计算区域内各感兴趣点在“变形后图像(Deformed image)”的坐标变化来计算各点的位移分量。为精确可靠地跟踪某待求的位移，需以该点为中心选择一大小为(2M+1)pixel×(2M+1)pixel(其中M为局部位移场中各数据点的局部坐标大小)像素大小的正方形参考图像子区（当图像子区足够大时，该图像子区能够被唯一准确的识别），通过在变形后图像中寻找与该图像子区相似程度最大的目标图像子区以确定该点的位移分量。
为评价参考和目标图像子区相似程度，本发明使用零均值归一化最小平方距离相关函数（Zero-mean normalized sum of squared difference criterion-ZNSSD）作为评价变形前后图像子区的相似程度的相关函数：目的为判断相机所拍摄的区域内变形前后的观测的目标点为同一点，步骤主要分成三个阶段：1、目标判断点与参考区域的灰度值之差值，差值越小证明在此参考区域内的灰度值越均匀：，其中为将每个像素点的灰度值进行平方相加除以像素点的数量得到参考图像子区的灰度值的平均值。变形后图像区域计算灰度值的差值同理。2、计算参考图像区进行归一化处理其原理为将上述第一阶段的灰度值的差值除以参考图像子区中每个像素点（2M+1）2个像素点灰度值与参考图像子区平均值的差值。具体公式为：,变形后图像参考区域同理可得。3、将上述每个像素点（2M+1）2中每一个都经过第一步的差值计算与归一化处理分别进行图像变形前的累加与图像变形后的累加得到了整个图片中每个像素点的与图片中均值灰度值的像素点总差值。将变形前的图像总差值与变形后的图像的总插值做差就可得到变形前后图片的相似度Cznssd（P），具体计算公式见公式（1）。若图像无变型理论上两台相机拍摄照片完全一致那么Cznssd（P）=0.因此可用此原理通过Cznssd（P）是否趋于零进而判别两台摄像机分别拍摄的变形前后的区域是否为同一区域。
（1）
这里P是描述图像子区变形状态的参数矢量，和分别为参考图像和变形后图像的灰度值，，分别为参考图像子区和目标图像子区的灰度平均值。从而得到路基表面x，y（水平方向）的位移。（通过两张照片的x，y坐标点的绝对差值来判断同一点的瞬时位移值）；
步骤4：步骤2中相机采用高采样频率，通过上述步骤3中以第1张照片为原始图像，第2张至最后一张照片为变形后图片，参见附图6，从而得到以第一张照片的（x,y）的坐标为零点的x方向和y方向的位移值，并以此结果得到（x,y）“时间—位移”曲线，并以此得到在同一张照片中多测点的加速度时程曲线。
步骤5：将上述步骤4得到的测点水平方向位移时程曲线进行求导，得到填料表面的速度时程曲线和加速度时程曲线：通过步骤4中每一张照片与第一张照片的位移差值得到路基表面质点的位移时程曲线，由不同时刻的数据点组成的位移时程曲线进行求导，得到路基填料颗粒的速度时程曲线与加速度是成曲线，例如第二张照片与第一张照片的位移差值为0.01m，第三张照片与第一张照片的位移差值为0.02m……，那么坐标点为（0，0），（0.001，0.01），0.002，0.02）……其中横坐标为时间纵坐标为位移的大小）；
参见图4所示，图4为本实施例中两台摄像机的分别通过拍照识别并通过步骤5得到的加速度时程曲线；
步骤6：通过采用带通滤波的处理将上述得到的两个方向的水平加速度时程曲线进行与振动轮加速度信号频率相似信号进行处理。由于带通滤波器为已经存在成熟的技术，其操作过程为对步骤1采集到的加速度时程曲线进行傅里叶变换得到频谱图，判别其加速度最大幅值所对应的频率即振动轮振动频率，本实施例中为30Hz，那么本步骤的带通滤波的截止频率的下限为20Hz，截止频率的上限为40Hz。
（7）随着填料的压实度的增加，振动波在传播过程中的加速度幅值随着水平方向距离的增加衰减的更慢，因此由于振动轮在工作中的振幅是固定的，那么可以通过前述步骤6中所得到的加速度幅值对填料的压实度进行判别：对步骤6中得到的加速度时程曲线的单个周期的最大幅值进行提取，例如图4（a）中的第一周期的加速度幅值为0.55g，而振动轮的加速度时程曲线的幅值为4g，因此可计算加速度幅值的衰减率为87%，若对另一个区域进行加速度幅值衰减率进行计算得到加速度幅值的衰减率为80%，那么此区域的压实度则大于前述衰减率为87%的区域。用这种方法即可得到相对压实度值。
通过采用工业相机拍照识别以及滤波等信号处理技术达到了在不影响压路机正常施工的状态下进行相对压实度的判别，背景技术中所提及的技术都存在设备与路基进行直接的接触，对压实度测量设备与路面都存在一定的影响，本发明通过非接触的方式得到了相对压实度对路基压实度进行评价，降低了检测设备的失效概率以及对路基面的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其包括如下步骤：
步骤1：将三向加速度传感器安装与振动压路机前轮的机架上，对振动压路机的振动轮加速度信号进行实时监控；
步骤2：在振动压路机底部的两个标记区域内安装工业相机，在振动压路机和相机之间安装防抖动系统放置振动压路机在施工过程中由于不稳定所以出现照片模糊不清的状态，与此同时配置大功率的LED光源以保证相机有足够的拍照环境；
步骤3：将步骤（2）中得到的照片使用数字图像技术对在振动压路机行进过程中检测填料表面的位移状态进行检测；
步骤4：生成 “时间—位移”曲线，并以此得到在同一张照片中多测点的加速度时程曲线；
步骤5：将上述步骤4得到的测点水平方向时间-位移曲线进行求导，得到填料表面的速度时程曲线和加速度时程曲线；
步骤6：通过采用带通滤波的处理将上述得到的两个方向的水平加速度时程曲线进行与振动轮加速度信号频率相似信号进行处理；
步骤7：随着填料的压实度的增加，振动波在传播过程中的加速度幅值随着水平方向距离的增加衰减的更慢，因此由于振动轮在工作中的振幅是固定的，那么可以通过前述步骤6中所得到的加速度幅值对填料的压实度进行判别。
2.根据权利要求1所述的新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：振动轮上的三相加速度传感器所采集到的加速度时程曲线的信号，其作用有两个：1、实时检测振动压路机的垂直方向上的振动幅值；2、加速度时程曲线通过计算每秒范围内振动波的整周期的数量得到振动压路机的工作频率进对后续的拟合得到的及速度时程曲线进行带通滤波提供依据。
3.根据权利要求1所述的新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：所述数字图像技术采用基于数字图像处理的变形测量方法，通过精确跟踪“参考图像（Reference image）”中计算区域内各感兴趣点在“变形后图像(Deformed image)”的坐标变化来计算各点的位移分量，使用零均值归一化最小平方距离相关函数作为评价变形前后图像子区的相似程度的相关函数。
4.根据权利要求1所述的新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：零均值归一化最小平方距离相关函数（Zero-mean normalizedsum of squared difference criterion-ZNSSD）步骤主要分成三个阶段：1、目标判断点与参考区域的灰度值之差值，差值越小证明在此参考区域内的灰度值越均匀：，其中为将每个像素点的灰度值进行平方相加除以像素点的数量得到参考图像子区的灰度值的平均值，变形后图像区域计算灰度值的差值同理；2、计算参考图像区进行归一化处理其原理为将上述第一阶段的灰度值的差值除以参考图像子区中每个像素点（2M+1）2个像素点灰度值与参考图像子区平均值的差值，具体公式为：,变形后图像参考区域同理可得；3、将上述每个像素点（2M+1）2中每一个都经过第一步的差值计算与归一化处理分别进行图像变形前的累加与图像变形后的累加得到了整个图片中每个像素点的与图片中均值灰度值的像素点总差值；将变形前的图像总差值与变形后的图像的总插值做差就可得到变形前后图片的相似度Cznssd（P），具体计算公式为若图像无变型理论上两台相机拍摄照片完全一致那么Cznssd（P）=0.因此可用此原理通过Cznssd（P）是否趋于零进而判别两台摄像机分别拍摄的变形前后的区域是否为同一区域。
5.根据权利要求1所述的新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其特征为：所述步骤4进一步包括如下内容：通过上述步骤3中以第1张照片为原始图像，第2张至最后一张照片为变形后图片得到以第一张照片的（x,y）的坐标为零点的x方向和y方向的位移值，并以此结果得到（x,y）“时间—位移”曲线，并以此得到在同一张照片中多测点的加速度时程曲线。
6.根据权利要求1所述的新型机土非接触式的填料压实状态判别方法，其特征为：所述步骤5进一步包括如下内容：通过步骤4中每一张照片与第一张照片的位移差值得到路基表面质点的位移时程曲线，由不同时刻的数据点组成的加速度时程曲线进行求导即得到填料表面的速度时程曲线和加速度时程曲线。
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