基于相關(guān)度函數(shù)系數(shù)算法的智能壓實檢測系統(tǒng)研究

宋宗華，武博文，何明虎，朱洪睿，薛力戈，張樂天

（1. 徐工集團工程機械股份有限公司道路機械分公司，江蘇 徐州 221000；2. 徐州徐工筑路機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

傳統(tǒng)的檢查壓實度的方法，諸如環(huán)刀法、灌沙法、水泡法等，都是在壓實結(jié)束后再對土壤進行抽樣檢查，這些方法都要依賴細心熟悉的手工操作，費工費時，且只能提供在數(shù)量有限的測試點上獲得的結(jié)果，因此往往帶有較大的隨機性。同時，傳統(tǒng)的方法也不能在壓實進行的過程中獲得壓實度的信息，因而在壓實不足時只能返工再壓，而在過度壓實時則浪費能量。

長期以來人們一直希望能有一種隨車檢測壓實度的裝置，并且可以實時顯示連續(xù)的壓實度結(jié)果，給操作人員以及施工工藝以指導(dǎo)。

70年代以來已先后有幾種隨車檢測裝置問世，例如在世界專利W082/01905，瑞典專利SE424455（瑞典Dynapac公司），該壓實度的指標是無量綱的諧波比，即壓實計值CMV，這種算法后來實踐證明不具有普遍應(yīng)用價值。

80年代BOMAG、AMMANN開始制造連續(xù)控制壓實產(chǎn)品。其原理都是壓實計原理，采用諧波比類指標，如德國的10CMV。20世紀90年代后期，BOMAG引進了土壤剛度測量的振動模量Evib。1999年，AMMANN也引進了土壤剛度參數(shù)ks（也稱為KB）。Evib及ks的引進，標志著向更機械化與性能相關(guān)的土壤屬性（例如：土壤剛度/模量）測量的重大演變。至今各大主機廠商都設(shè)計出了自己隨車壓實度監(jiān)測裝置與算法，但是關(guān)于壓實度監(jiān)測的算法都存在不足，并不具備普遍性。

徐工集團工程機械股份有限公司道路機械分公司結(jié)合壓實度大數(shù)據(jù)、車輛振動參數(shù)、土壤屬性設(shè)計并開發(fā)了一種基于大數(shù)據(jù)和相關(guān)度的壓實度隨車檢測算法與系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

在項目立項初期，我們大量調(diào)研智能壓實（IC）行業(yè)發(fā)展狀態(tài)。了解了當前存在的技術(shù)瓶頸，在土壤力學(xué)、壓實施工工藝、信號系統(tǒng)3大領(lǐng)域進行探索。發(fā)現(xiàn)目前頻域信息的相關(guān)度函數(shù)大量應(yīng)用在質(zhì)量檢測、參數(shù)評價。對頻域信息相關(guān)度的研究和分析成為當下科學(xué)應(yīng)用的熱點之一。經(jīng)過一定的理論研究，結(jié)合智能壓實各種理論的既得理論結(jié)果，制定出一套基于相關(guān)度和大數(shù)據(jù)的路面壓實度檢測方案，并將該方案轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品應(yīng)用。

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)分為5大模塊，振動信號傳感器、信號變送器、壓實度計算模塊、人機界面、離線存儲。

振動信號采集傳感器是用于將振動輪的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，是整個系統(tǒng)最前端的輸入設(shè)備，如圖1所示。

圖1 壓實度隨車檢測系統(tǒng)框圖

信號變送器是將原始振動的電荷信號數(shù)字化并進行傅里葉變換成頻域信息，通過CAN總線將頻域信息數(shù)據(jù)傳遞給壓實度計算模塊。壓實度計算模塊是相關(guān)度計算的核心模塊，預(yù)存了基準數(shù)據(jù)，基準數(shù)據(jù)是當前土壤完全壓實狀態(tài)的數(shù)據(jù)。通過預(yù)存的基準數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)做相關(guān)度函數(shù)，輸出相關(guān)度。與基準數(shù)據(jù)的相關(guān)度線性反映了當前土壤的壓實度信息。人機界面輸出當前土壤壓實度的數(shù)據(jù)，用于展示并指導(dǎo)當前壓路機操作。離線存儲用于存儲壓實振動的原始數(shù)據(jù)，同時存儲經(jīng)過處理計算后的相關(guān)度值，一方面用于積累數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化核心算法的基礎(chǔ)。同時采集的數(shù)據(jù)可以作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫。

1.2 核心算法軟件設(shè)計

軟件主要包含兩大部分，一個是將傳感器獲取的時域信號處理成相對應(yīng)的頻域信號；另一個是將處理后的頻域信號與數(shù)據(jù)庫中的基準數(shù)據(jù)做相關(guān)度計算，并得出最終的壓實度。

采用的核心算法1是快速傅氏變換（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

核心算法2為相關(guān)度函數(shù)系數(shù)公式

m為1-300的編組序列下標，Rxx（0）為當前收到數(shù)據(jù)的自相關(guān)度函數(shù)數(shù)值，Ryy（0）為經(jīng)驗數(shù)據(jù)的自相關(guān)度函數(shù)數(shù)值，Rxy（m）為當前數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)的互相關(guān)度函數(shù)，ρxy（m）為相關(guān)函數(shù)系數(shù)函數(shù)。

最終對ρxy進行循環(huán)比較，找出該函數(shù)的最大值，則此值為當前數(shù)據(jù)的壓實度數(shù)值。

2 試驗準備及測試方法

2.1 土壤試驗條件準備

試驗用土的含水率應(yīng)為最佳含水率，允許偏差±3%。土壤鋪層厚度和取樣深度應(yīng)符合表1要求。試驗前須進行土槽土壤的翻松、平整、養(yǎng)護以及土壤含水率的調(diào)節(jié)。

表1 試驗用土的翻松厚度和取樣深度

2.1.1 土壤的翻松、平整與養(yǎng)護

（1）利用翻松工具對壓實后的土壤按照要求的深度進行翻松，試驗段內(nèi)土壤應(yīng)翻松均勻。

（2）利用平整工具對翻松后的土壤進行刮平，試驗段內(nèi)不應(yīng)有坑洼和凸起土堆。

（3）翻松與平整后的土壤應(yīng)用防雨布進行覆蓋，以保持水分。

2.1.2 土壤含水率的調(diào)節(jié)

（1）土壤翻松前，先用灑水管進行均勻灑水，灑完水后蓋上防雨布，悶1天，再進行翻松；

（2）完成土壤的翻松與平整后，進行含水率測試，看含水率是否滿足要求；

（3）若含水率低于要求值，則灑水后蓋防雨布，悶2天，復(fù)測含水率；

（4）若含水率高于要求值，則白天開窗晾曬，晚上蓋上防雨布，次日早上復(fù)測含水率；

（5）含水率達到要求值，開始試驗，若1天不能完成試驗，晚上須用防雨布將試驗段土壤蓋上。

2.2 振動加速度傳感器的安裝

振動加速度傳感器應(yīng)安裝在壓路機鋼輪振動軸軸承正上方，安裝需牢固。具體安裝位置如圖2所示。

圖2 振動傳感器安裝位置

2.3 碾壓與數(shù)據(jù)采集

具體的碾壓與數(shù)據(jù)采集步驟為：

（1）樣機處于工作質(zhì)量狀態(tài)、起振，壓路機以最低擋速度行駛。

（2）先靜碾2遍，然后振動碾壓6個來回共計12遍。

（3）在每遍碾壓過程中采集土壓力數(shù)據(jù)與振動數(shù)據(jù)；

（4）每完成1個來回碾壓后，進行密實度測試。結(jié)合密實度的計算方法計算實際的壓實度。

2.4 壓實度的測試與計算

用環(huán)刀法進行。儀器設(shè)備：環(huán)刀內(nèi)徑70mm，高52mm，壁厚2mm；天平感量0.01g；環(huán)蓋、擊錘、修土刀、鐵鍬等。

試驗步驟：

（1）將取樣面上的松散土壤清除干凈，把已知質(zhì)量的環(huán)刀平放在該面上，然后將環(huán)蓋放在環(huán)刀上，用擊錘將環(huán)刀垂直打入土中，至土樣伸出環(huán)刀為止。

（2）拿掉擊錘和環(huán)蓋，將環(huán)刀和土樣一起挖出，削去兩端余土，使土樣與環(huán)刀口面齊平。

（3）擦凈環(huán)刀外壁，稱環(huán)刀與土樣質(zhì)量，精確至0.1g，然后從土樣中心處取2個30g左右的土樣，按照4.5.1的方法測定其土的含水率。

（4）濕密度及干密度按式（4）、（5）計算

式中 ρ——濕密度，g/cm3；

ρd——干密度，g/cm3；

m0——環(huán)刀與土合質(zhì)量，g；

mh——環(huán)刀質(zhì)量，g；

V——環(huán)刀體積，cm3。計算值精確到0.01。

（5）試驗結(jié)果記入附表中。

（6）壓路機壓實后，土壤的壓實度按照式（6）計算，結(jié)果記入附表中。

式中 δ——壓實度；

ρd——干密度，g/cm3；

ρdmax——最大干密度，g/cm3。

3 試驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 試驗數(shù)據(jù)介紹

經(jīng)過2個月測試與試驗，我們將研究院的土槽平均分成4塊試驗路段，共獲得有效原始頻譜數(shù)據(jù)1560個，每1個頻譜數(shù)據(jù)中包含有該土槽試驗條件下的0~300Hz的幅頻特性。并獲得原始振動傳感器離線采集數(shù)據(jù)20組，這20組數(shù)據(jù)中包含了最原始的車輛振動加速度信號時域信息，為以后大數(shù)據(jù)分析建庫打下了堅實基礎(chǔ)。此外，完成對試驗土壤實際密實度數(shù)據(jù)的采集，獲得147組環(huán)刀測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)的密實度方法計算出相應(yīng)的壓實度參數(shù)。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過大量的試驗數(shù)據(jù)分析與整理，獲得以下結(jié)論：

（1）密實度隨著壓實遍數(shù)的增加而逐漸上升，并在偶數(shù)遍對路面進行環(huán)刀測量壓實度的方法，測試數(shù)據(jù)如圖3所示，壓實度呈明顯上升趨勢。

圖3 小振壓實實測壓實度數(shù)據(jù)

（2）奇、偶遍數(shù)需要分開比較，因為前輪旋轉(zhuǎn)的方向不同會使得振動方向的力矩有所偏差，造成振動能量不一致，結(jié)果如圖4所示。

圖4 相關(guān)度函數(shù)系數(shù)隨遍數(shù)變化圖形

（3）自主研發(fā)的基于相關(guān)度系數(shù)的檢測系統(tǒng)，將奇偶遍分開，與實際測試數(shù)據(jù)一樣具有明顯的隨著遍數(shù)上升的趨勢，第2塊試驗路段同樣是小振模式12遍壓實，奇偶遍測試數(shù)據(jù)如圖5、圖6，大振8遍壓實測試數(shù)據(jù)如圖7、圖8。

（4）發(fā)現(xiàn)發(fā)動機掉速時會對原相關(guān)度算法造成影響，使得振動頻率的基頻在頻譜上發(fā)生偏移，導(dǎo)到計算出來的壓實度有所偏差。我們對算法進行了優(yōu)化，將基頻數(shù)據(jù)及多次諧波數(shù)據(jù)平移到相同的基頻條件下，并通過數(shù)據(jù)驗證證明該方法可行。

圖5 偶數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖6 奇數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖7 偶數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

圖8 奇數(shù)遍相關(guān)度系數(shù)曲線

（5）過多的大振雖然可以獲得更好地深層壓實效果，但是會造成表層土壤嚴重振動，如圖9中分別為12遍小振與8遍大振的實測密實度。

圖9 不同振幅實測壓實度曲線

（6）試驗發(fā)現(xiàn)含水率對最終的壓實效果起著決定性的因素，對于第4塊試驗路段，采用8遍大振、4遍小振的壓實工藝，表層壓實度得到明顯提高，但是中層壓實度效果不如之前單純8遍大振的效果，分析后發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是含水率較低的原因，如圖10所示。

圖10 不同振幅實測壓實度曲線

4 結(jié)束語

（1）奇、偶遍數(shù)需要分開比較，因為前輪旋轉(zhuǎn)的方向不同會使得振動方向的力矩有所偏差，造成振動能量不一致。

（2）使用基于相關(guān)度函數(shù)系數(shù)的計算方法來評估當前路面的壓實度，并且在基本接近壓實的狀態(tài)下仍能定量的區(qū)分出壓實度的差異，最終壓實相關(guān)度高達98%以上。

（3）將基頻數(shù)據(jù)及多次諧波數(shù)據(jù)平移到相同的基頻條件下，可以有效解決由于發(fā)動機掉速對原相關(guān)度算法造成的影響。

到目前為止進行的實驗雖取得關(guān)鍵性的階段成果，但是也存在一些局限性因素造成的問題。后續(xù)需要繼續(xù)進行施工工地現(xiàn)場試驗，一方面是通過試驗優(yōu)化本系統(tǒng)方法在不同壓實材料上的核心算法，另一方面是大量積累壓實的振動數(shù)據(jù)，為壓實度的云計算模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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