CN117368199A - 一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法。一种实时检测填筑工程压实状态的装置，包括：至少一个3D相机，所述3D相机适于固定设于压路机上，所述压路机的钢轮适于对填筑工程进行压实，所述3D相机以实时拍摄压实图像，所述压实图像包括钢轮侧区域图像和填筑体侧区域图像；控制器，所述控制器与3D相机通讯连接，所述控制器以对压实图像进行处理得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度。本发明解决只能间接测试路面压实度、无法实时测量填筑体的压实状态，且压路机的机械参数等外在因素对压实状态判断精准度有影响的问题，从而提供一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法。
背景技术
填筑工程压实状态直接关系着碾压作业质量，更涉及到工程安全问题，因此，检测或监测填筑体的压实状态是施工建设的关键。在大面积施工中，由于试验与大面积施工条件的差异，以及同一层料在平面分布上的不均匀性，也可能导致同一层、相同碾压遍数的碾压效果不同、密度数值不同。在填筑工程中，填筑体变形是压实状态的重要表征，是连续压实控制的关键信息。
目前检测压实状态的方法有密度法、变形法、能量法和加速度法四类。
目前，变形法中常见直接检测方法有平板静力试验法、落锤弯沉法、轻型挠度计法等，密度法包括灌水法、核子仪法等，这些方法事后、点状检测压实状态的变形信息，无法实现连续移动检测，不能满足连续压实控制的需求，而检测与施工间矛盾是困扰堆石体工程进度的一大难题。
加速度法利用加速度计获取碾压过程中钢轮加速度响应；能量法通过获得机械驱动总功率、能量损耗参数等得到作用于填筑体的压实净功率。上述两种方法虽然能够连续检测，但为间接测试、无法针对待压实表面直接进行测试，只能测算压路机的数据，再推算得知填筑体的压实状态，而实际应用过程中，由于压路机的机械参数，如，压路机振幅、频率、行驶速度等机械参数会对加速度法产生影响，能量损耗参数是一种近似且需事先辨识，直接对能量法影响，进而影响到压实状态判断的准确度。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的只能间接测试路面压实度、无法实时测量填筑体的压实状态，且压路机的机械参数等外在因素对压实状态判断精准度有影响的缺陷，从而提供一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种实时检测填筑工程压实状态的装置，包括：
至少一个3D相机，所述3D相机适于固定设于压路机上，所述压路机的钢轮适于对填筑工程进行压实，所述3D相机以实时拍摄压实图像，所述压实图像包括钢轮侧区域图像和填筑体侧区域图像；
控制器，所述控制器与3D相机通讯连接，所述控制器以对压实图像进行处理得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度。
可选地，所述压路机的钢轮的侧面设有安装架，所述安装架上固定设有3D相机。
可选地，所述3D相机的数量为2个，所述钢轮的两侧分别固定安装有一个3D相机。
可选地，所述压路机设有工控室，所述工控室内设置控制器和显示屏，所述控制器与显示屏线路连接。
一种实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，控制器以接收3D相机在视野内拍摄的图像，所述控制器将图像数据进行处理，得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度，通过二者像素线长度比值的特征长度比值的变化实时判定碾压层的压实状态，直至特征长度比值的比值趋近于预设数值。
可选地，包括以下步骤：
1）压路机行进至待碾压位置，开始碾压后，3D相机跟随压路机运动进行拍照，并实时传递压实图像至控制器；
2）点云预处理；
3）通过压实表征降噪法进行降噪，剔除点云数据中的异常数据，以得到3D图像；
4）通过压实信息熵，进行边界识别与分隔；
5）提取特征长度比，记录特征长度比值，判断特征长度比值是否趋近于预设数值。
可选地，所述压实表征降噪法通过分布密度查找异常点，涉及第k距离、第k距离邻域、可达距离、局部可达密度，通过局部离群因子表征异常情况，具体公式如下：
1）粒径基本距离
粒径基本距离表示为d r，该值取级配曲线的平均粒径；
2）粒径距离邻域点数
点p的粒径距离邻域点数表示为N k（p），是以p为圆心，d r为半径的圆所包括的点；
3）粒径距离
点p的粒径距离表示为d k（p），代表距离点p第k远的点与p的距离；
4）粒径距离转换数k
k=[d r/l 0]+1，l 0取5~10mm；
5）第k可达距离
点o至点p的第k可达距离表示为reac-dist k（p，o），该值是d k（o）和d（p，o）的最大值，d（p，o）表示p、o之间的距离；
6）局部可达密度
点p的局部可达密度用lrd k（p）表示，局部可达密度的表达式为
；
7）填筑料离群因子
点p的第局部离群因子用（compaction particle factor）CPF k（p）表示，局部离群因子的表达式为：
；
CPF k（p）越大，则异常的可能性越高，后续查找异常值的异常CPF k界限为8~12。
可选地，通过压实信息熵识别出从属于填筑体侧或钢轮侧的程度，过程如下：
1）在像素图中，选取垂直于钢轮前进方向的线阵系列分析；
2）自钢轮内侧起算，每r个点一组，每个点具有深度值z和3D空间x向坐标值；
3）设当前组为n，线性拟合1~（n-1）组的数据点，在拟合直线上查找出第n组x向坐标对应的值；
4）计算压实信息熵值CIE（compaction information entropy）：
；
阈值为20~60，超过阈值代表钢轮与填筑体的分解组别，取该组的中间位置的点为代表点；
5）依次计算其余线阵上的代表点，形成一条区分钢轮与填筑体的分界线，以此判断点处于钢轮侧还是填筑体侧。
可选地，通过压实信息熵，进行边界识别与分隔，得到钢轮侧区域和填筑体侧区域的两区域稳定长度区间，钢轮侧区域为r区、以及填筑体侧区域为f区，分别提取两个区域内的像素线，得到像素线的长度值。
可选地，钢轮侧像素线长度为：
填筑体侧像素线长度为：
特征长度比：
其中，m是钢轮侧的长度系列元素数，l r1、l r2、l r3……l rm为钢轮侧像素线长度；n是填筑体侧的长度系列元素数，l f1、l f2、l f3……l rn为填筑体侧像素线长度。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的实时检测填筑工程压实状态的装置，包括：至少一个3D相机，3D相机适于固定设于压路机上，压路机的钢轮适于对填筑工程进行压实，3D相机以实时拍摄压实图像，压实图像包括钢轮侧区域图像和填筑体侧区域图像；控制器，控制器与3D相机通讯连接，控制器以对压实图像进行处理得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度。控制器以接收3D相机在视野内拍摄的待压实面的图像，控制器以将图像数据进行分析，得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度，通过二者像素线长度比值的特征长度比值的变化实时判定碾压层的压实状态，直至特征长度比值的比值趋近于预设数值。3D相机实时拍摄压实图像，其中，压实图像包括钢轮侧图像与填筑体侧图像，并传递至控制器，由控制器对图像进行实时分析，得到钢轮侧区域的像素线长度和填筑体侧区域的像素线长度，通过二者像素线长度比值的特征长度比值的变化实时判定碾压层的压实状态，直至特征长度比值的比值趋近于预设数值。当填筑体区域碾压层松软时，压路机钢轮前进过程中会压陷进、碾压层量较大，碾压层相机视野深度变近，但钢轮视野范围不变；当填筑体慢慢被压实后，压路机钢轮压沉碾压层量较小，这时钢轮侧区域的像素线长度与填筑体侧区域的像素线长度的比值会趋近于预设长度，视野范围的边缘长度也相对固定。在压实状态检测中，充分利用钢轮侧区域的像素线长度与填筑体侧区域的像素线长度的比值来判断填筑体的压实状态，以达到直接分析压实状态的目的，避免间接测试中其它因素的干扰，具有准确度高的优点。
2.本发明提供的实时检测填筑工程压实状态的装置，压路机的钢轮的侧面设有安装架，安装架上固定设有3D相机，由于安装架相对于钢轮为静止运动，实现了3D相机相对于钢轮的静止，还可避免压路机的机械参数变化对3D相机带来影响。
3.本发明提供的实时检测填筑工程压实状态的装置，3D相机的数量为2个，钢轮的两侧分别固定安装有一个3D相机，以监测两侧的压实状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施方式中提供的实时检测填筑工程压实状态的装置的示意图；
图2为本发明的实施方式中提供的3D相机拍摄视野的示意图；
图3为本发明的实施方式中提供的钢轮侧区域与填筑体侧区域的示意图；
图4为本发明的实施方式中提供的实时检测填筑工程压实状态的装置进行检测的流程图；
图5为本发明的实施方式中提供的压实信息熵进行边界识别的示意图；
图6为本发明的实施方式中提供的钢轮侧像素线长度和填筑体侧像素线长度的示意图。
附图标记说明：1、安装架；2、3D相机；3、压路机；4、工控室；5、视野范围；6、相机视野长度；7、相机视野宽度；8、相机视野深度；9、钢轮侧区域；10、钢轮侧像素线长度；11、填筑体侧区域；12、填筑体侧像素线长度。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1-4所示的实时检测填筑工程压实状态的装置的一种具体实施方式，包括：3D相机2，其中，3D相机2设于压路机3的钢轮侧面的安装架1上，需要注意的是，钢轮两侧的安装架1上分别固定设有一个3D相机2。
如图1所示，压路机3设有工控室4，工控室4内设有控制器和显示屏，其中，控制器与3D相机2通讯连接，控制器与显示屏线路连接。如图2所示，3D相机2以实时拍摄视野范围5内的相机视野长度6、相机视野宽度7、相机视野深度8，并传递给控制器。
一种实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：压路机3行进至待碾压位置，开始碾压后，3D相机2跟随压路机3运动进行拍照，并实时传递压实图像至控制器，其中，压实图像包括钢轮侧区域9图像和填筑体侧区域11图像；
步骤2：点云预处理；
步骤3：通过压实表征降噪法算法进行降噪，剔除点云数据中的异常数据，以得到3D图像；
1）粒径基本距离
粒径基本距离表示为d r，该值取级配曲线的平均粒径，d r为常数；
2）粒径距离邻域点数
点p的粒径距离邻域点数表示为N k（p），是以p为圆心，d r为半径的圆所包括的点，d r包括边界；
3）粒径距离
点p的粒径距离表示为d k（p），代表距离点p第k远的点与p的距离；
4）粒径距离转换数k
k=[d r/l 0]+1，l 0取5~10mm，优选为8mm，k为常数；
5）第k可达距离
点o至点p的第k可达距离表示为reac-dist k（p，o），该值是d k（o）和d（p，o）的最大值，d（p，o）表示p、o之间的距离；
6）局部可达密度
点p的局部可达密度用lrd k（p）表示，局部可达密度的表达式为
；
7）填筑料离群因子
点p的第局部离群因子用（compaction particle factor）CPF k（p）表示，局部离群因子的表达式为：
；
CPF k（p）越大，则异常的可能性越高，后续查找异常值的异常CPF k界限为8~12，优选为10。
步骤4：通过压实信息熵识别出从属于填筑体侧或钢轮侧的程度，过程如下：
1）在像素图中，选取垂直于钢轮前进方向的线阵系列分析；
2）自钢轮内侧起算，每r个点一组，每个点具有深度值z和3D空间x向坐标值；
3）设当前组为n，线性拟合1~（n-1）组的数据点，在拟合直线上查找出第n组x向坐标对应的值；
4）计算压实信息熵值CIE（compaction information entropy）：
；
阈值为20~60，超过阈值代表钢轮与填筑体的分解组别，取该组的中间位置的点为代表点；
5）依次计算其余线阵上的代表点，形成一条区分钢轮与填筑体的分界线，以此判断点处于钢轮侧还是填筑体侧。
通过压实信息熵，进行边界识别与分隔，得到钢轮侧区域9和填筑体侧区域11的两区域稳定长度区间。
步骤5：提取特征长度比，记录特征长度比值，由控制器传递给显示屏，现场人员根据显示屏的数值，判断特征长度比值是否趋近于预设数值。
如图3所示，钢轮侧区域9和填筑体侧区域11的两区域稳定长度区间为：钢轮侧区域9为r区、以及填筑体侧区域11为f区，分别提取两个区域内的像素线，得到像素线的长度值。其中：
钢轮侧像素线长度10为：
填筑体侧像素线长度12为：
特征长度比：
其中，m是钢轮侧的长度系列元素数，l r1、l r2、l r3……l rm为钢轮侧像素线长度10；n是填筑体侧的长度系列元素数，l f1、l f2、l f3……l rn为填筑体侧像素线长度12。
本发明提供的实时检测填筑工程压实状态的装置，具有以下优点：（1）在相同的相机单点测量误差的情况下，长度方向测量具有更高的精度、更强的鲁棒性；（2）本申请的压实分析建立与填筑料颗粒之上，选取最为重要的颗粒表面的几何形态的边界值，利用表征范围降噪法，从而快速、准确检测出颗粒尺度上的异常值，以剔除点云数据中的异常数据；（3）实际压实过程中，填筑体由塑性变为弹性的过程，即由“软”到“硬”的过程，填筑体与3D相机的距离是由近到远的过程，填筑体弹性时（硬），同种材料的外荷载固定时的变形会确定了，属于定解问题，即特征长度比收敛，本申请通过特征长度比的计算，测出钢轮侧区域和填筑体侧区域内的像素线的平均值，压实度测量结果准确度更高，实现压实过程的实时监控，首次实现了填筑体的在线、直接的弹塑性变形测量；（4）压实信息熵将压实图像区分为两个区域（钢轮侧和填筑体侧），相较于其它图像分隔法，无需进行模型的预训练，具有原理简单、且计算快速的优点，对控制器要求不高，更加符合现场施工的环境；（5）本申请提供的检测方法，可以实时进行拍摄、实时进行检测，将压实度通过长度比值进行表征，具有直观性强的优点。
一种实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法的算例，包括以下步骤：
1）3D相机2拍摄图片并传递至控制器，控制对某一瞬间的图像进行分析，由于同一幅图中的像素点至少有几万个，提取不同像素点的值，以以下表格为例；
| 序号 | x/mm | y/mm | z/mm |
| 1 | 281.2924 | 159.09027 | 404.661 |
| 2 | 281.01862 | 157.77667 | 404.3992 |
| 3 | 281.5488 | 156.9134 | 405.3179 |
| 4 | 281.542 | 155.7487 | 405.44547 |
| 5 | 281.53452 | 154.58368 | 405.57037 |
| 6 | 281.66077 | 153.49158 | 405.89053 |
| 7 | 281.24887 | 152.10742 | 405.41675 |
| 8 | 280.83603 | 150.72612 | 404.93954 |
| 9 | 280.69107 | 149.49092 | 404.8552 |
| 10 | 280.94904 | 148.46983 | 405.36295 |
| 11 | 281.07184 | 147.37575 | 405.67026 |
| 12 | 281.3288 | 146.35045 | 406.17392 |
| 13 | 281.4505 | 145.25323 | 406.47678 |
| 14 | 281.30203 | 144.0167 | 406.37952 |
| 15 | 281.1528 | 142.78096 | 406.2794 |
2）实际处理过程中，同一位置点有空间坐标信息（x，y，z）和像素坐标信息（m，n），由于点云的无序性，像素自1往后依次排号（自然数序列），无法显示在像素图上的位置，因此需要依据相机成像大小将原始自然数序列转换成（m，n）序列，进而与空间坐标信息联合形成（x，y，z，m，n），其中，默认m方向相同像素的x坐标是一样的、n方向相同像素的y坐标是一样的，再通过压实信息熵进行边界识别与分隔，得出图5；
3）提取图5中的钢轮侧像素线长度10和填筑体侧像素线长度12，以得到图6，计算得到的特征长度比值，判断特征长度比值是否趋近于预设数值。
作为一种替代的实施方式，3D相机2可以设置于压路机3的其他位置，以在视野内拍摄碾压层和待碾压层的图像。
作为一种替代的实施方式，钢轮的一侧的安装架1上固定设有一个3D相机2、另一侧的安装架上还可不设3D相机2。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种实时检测填筑工程压实状态的装置，其特征在于，包括：
至少一个3D相机（2），所述3D相机（2）适于固定设于压路机（3）上，所述压路机（3）的钢轮适于对填筑工程进行压实，所述3D相机（2）以实时拍摄压实图像，所述压实图像包括钢轮侧区域（9）图像和填筑体侧区域（11）图像；
控制器，所述控制器与3D相机（2）通讯连接，所述控制器以对压实图像进行处理得到钢轮侧区域（9）的像素线长度和填筑体侧区域（11）的像素线长度。
2.根据权利要求1所述的实时检测填筑工程压实状态的装置，其特征在于，所述压路机（3）的钢轮的侧面设有安装架（1），所述安装架（1）上固定设有3D相机（2）。
3.根据权利要求2所述的实时检测填筑工程压实状态的装置，其特征在于，所述3D相机（2）的数量为2个，所述钢轮的两侧分别固定安装有一个3D相机（2）。
4.根据权利要求3所述的实时检测填筑工程压实状态的装置，其特征在于，所述压路机（3）设有工控室（4），所述工控室（4）内设置控制器和显示屏，所述控制器与显示屏线路连接。
5.一种实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，用于使用权利要求1所述的实时检测填筑工程压实状态的装置，其特征在于，控制器以接收3D相机（2）在视野内拍摄的图像，所述控制器将图像数据进行处理，得到钢轮侧区域（9）的像素线长度和填筑体侧区域（11）的像素线长度，通过二者像素线长度比值的特征长度比值的变化实时判定碾压层的压实状态，直至特征长度比值的比值趋近于预设数值。
6.根据权利要求5所述的实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）压路机（3）行进至待碾压位置，开始碾压后，3D相机（2）跟随压路机（3）运动进行拍照，并实时传递压实图像至控制器；
2）点云预处理；
3）通过压实表征降噪法进行降噪，剔除点云数据中的异常数据，以得到3D图像；
4）通过压实信息熵，进行边界识别与分隔；
5）提取特征长度比，记录特征长度比值，判断特征长度比值是否趋近于预设数值。
7.根据权利要求6所述的实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，其特征在于，所述压实表征降噪法通过分布密度查找异常点，涉及第k距离、第k距离邻域、可达距离、局部可达密度，通过局部离群因子表征异常情况，具体公式如下：
1）粒径基本距离
粒径基本距离表示为d r，该值取级配曲线的平均粒径；
2）粒径距离邻域点数
点p的粒径距离邻域点数表示为N k（p），是以p为圆心，d r为半径的圆所包括的点；
3）粒径距离
点p的粒径距离表示为d k（p），代表距离点p第k远的点与p的距离；
4）粒径距离转换数k
k=[d r/l 0]+1，l 0取5~10mm；
5）第k可达距离
点o至点p的第k可达距离表示为reac-dist k（p，o），该值是d k（o）和d（p，o）的最大值，d（p，o）表示p、o之间的距离；
6）局部可达密度
点p的局部可达密度用lrd k（p）表示，局部可达密度的表达式为
7）填筑料离群因子
点p的第局部离群因子用（compaction particle factor）CPF k（p）表示，局部离群因子的表达式为：
CPF k（p）越大，则异常的可能性越高，后续查找异常值的异常CPF k界限为8~12。
8.根据权利要求7所述的实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，其特征在于，通过压实信息熵识别出从属于填筑体侧或钢轮侧的程度，过程如下：
1）在像素图中，选取垂直于钢轮前进方向的线阵系列分析；
2）自钢轮内侧起算，每r个点一组，每个点具有深度值z和3D空间x向坐标值；
3）设当前组为n，线性拟合1~（n-1）组的数据点，在拟合直线上查找出第n组x向坐标对应的值；
4）计算压实信息熵值CIE（compaction information entropy）：
阈值为20~60，超过阈值代表钢轮与填筑体的分解组别，取该组的中间位置的点为代表点；
5）依次计算其余线阵上的代表点，形成一条区分钢轮与填筑体的分界线，以此判断点处于钢轮侧还是填筑体侧。
9.根据权利要求8所述的实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，其特征在于，通过压实信息熵，进行边界识别与分隔，得到钢轮侧区域（9）和填筑体侧区域（11）的两区域稳定长度区间，钢轮侧区域（9）为r区、以及填筑体侧区域（11）为f区，分别提取两个区域内的像素线，得到像素线的长度值。
10.根据权利要求9所述的实时检测填筑工程压实状态的装置的检测方法，其特征在于，
钢轮侧像素线长度（10）为：
填筑体侧像素线长度（12）为：
特征长度比：
其中，m是钢轮侧的长度系列元素数，l r1、l r2、l r3……l rm为钢轮侧像素线长度（10）；n是填筑体侧的长度系列元素数，l f1、l f2、l f3……l rn为填筑体侧像素线长度（12）。
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