基于骨料顆粒智能識別與評價系統(tǒng)

摘 要：水洗石工藝常用于生態(tài)步道、室外景觀道路、廣場公園等。基于水洗石施工工藝需求，開發(fā)出一套基于實時顆粒智能識別與評價的生態(tài)步道水洗石施工新技術(shù)。通過對水洗石路面施工過程實時監(jiān)控并及時反饋，并配合激光測量實現(xiàn)機械化自動整平功能，使水洗石路面石子分布更加均勻，無色差，圖案清晰，成型效果好，為保障水洗石路面外觀成型質(zhì)量、耐久性能、透水能力提供了高效的支撐。

關(guān)鍵詞：水洗石路面，顆粒識別系統(tǒng)；生態(tài)道路；施工工藝

中圖分類號：TU528.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0117-03

收稿日期：2024-04-11

作者簡介：慕光明（1984—），男，青海海東人，本科，高級工程師，研究方向：水利工程。

1 工程背景

主題公園、景觀綠化、生態(tài)園林中多采用傳統(tǒng)彩色混凝土或傳統(tǒng)磚、石等鋪裝于地面之上，以營造出各種所需的主題效果。但傳統(tǒng)鋪裝材料易出現(xiàn)翻翹、斷裂、高低不平、銜接生硬等現(xiàn)象，并且在顏色和款式方面相較單一，生態(tài)效果有限[1]。隨著新材料、新技術(shù)的不斷推廣及大眾審美意識的不斷提高，人們對景觀生態(tài)步道所打造的特色要求也越來越高。水洗石作為一種生態(tài)環(huán)保、色澤豐富，具備耐磨和耐腐蝕等特性，使用壽命長，其作為一種綠色建筑材料，被逐漸被大量應(yīng)用[2]。

本文以某市生態(tài)環(huán)境提升工程為例，該項目包含道路及沿線生態(tài)提升工程、生態(tài)公園及雨污水管網(wǎng)工程等。通過該項目的實施，不僅可以整體提升該市生活生態(tài)環(huán)境品質(zhì)，也為打造文明城市示范區(qū)奠定基礎(chǔ)。

基于生態(tài)水洗石施工工藝需求，開發(fā)出一套基于實時顆粒智能識別與評價的生態(tài)步道水洗石施工新技術(shù)。研發(fā)了可實時監(jiān)測骨料顆粒含量的智能識別與評價系統(tǒng)，對水洗石路面施工過程實時監(jiān)控并及時反饋，并配合激光測量實現(xiàn)機械化自動整平功能，整體解決了水洗石路面?zhèn)鹘y(tǒng)施工技術(shù)難以滿足外觀成型質(zhì)量、耐久性能。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、工藝科學(xué)、應(yīng)用效果良好。對于生態(tài)步道、室外景觀道路、廣場公園、商住小區(qū)等各類路面面層。

2 基于顆粒圖像識別的原理

數(shù)字圖像處理是指以數(shù)字信號儲存圖像信息并利用計算機來處理圖像信息的技術(shù)[3]?；陬w粒圖像識別原理，開發(fā)了由影像采集系統(tǒng)和圖像識別軟件處理系統(tǒng)組成的生態(tài)步道顆粒智能識別與評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式影像采集方式，運用圖像識別技術(shù)提取顆粒特征值，采用中值濾波及卷積處理等方法進(jìn)行圖像增強。該檢測系統(tǒng)具有較高的識別可靠性，可基于圖像識別技術(shù)，對采集區(qū)域的運動顆粒個數(shù)統(tǒng)計與不同粒徑顆粒的識別[4]。主流流程簡述如下。

2.1 圖像預(yù)處理

圖像拍攝過程中可能會因傾斜產(chǎn)生圖像畸變，為減少影響，對圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要是對拍攝的圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、裁剪等。

2.2 坐標(biāo)系建立

待圖像進(jìn)行矯正完成后，對矯正后的圖像重新建立新的坐標(biāo)系，以更精確地劃定研究區(qū)域的范圍等。即以某標(biāo)尺刻度線為相對坐標(biāo)原點，將x方向定義為圖像寬度方向；y方向為圖像的高度方向。新坐標(biāo)的建立為后續(xù)顆粒形態(tài)特征提取、暴露程度計算等提供了依據(jù)。

2.3 顆粒驗證

采用標(biāo)尺對比法對擬投入使用的骨料粒徑進(jìn)行驗證，其中混凝土骨料按橢圓形態(tài)進(jìn)行分析。將計算結(jié)果與原粒徑相比較，以驗證。

2.4 灰度圖像

預(yù)處理后目標(biāo)區(qū)域仍為彩色圖像，圖像中包含骨料及其他信息。為簡化圖像處理的復(fù)雜過程，提高計算效率，需把彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，通過不同的灰度等級覆蓋，繼而體現(xiàn)出圖像中的細(xì)節(jié)信息。在新的坐標(biāo)系下，通過建立m×n階矩陣，把水洗石面層中的各元素改變成數(shù)字圖像的二維函數(shù)f（x，y），并采用矩陣形式表示。

2.5 最優(yōu)閾值分割

根據(jù)圖像灰度值特征，對圖中的骨料形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步降噪即閾值分割處理，刪除一些呈點狀、孤立的較小目標(biāo)，填充空洞。經(jīng)處理后，可取得每個連通區(qū)域的周長面積信息，繼而計算暴露骨料的形狀參數(shù)等。因此，選擇合理的、最優(yōu)的閾值就顯得尤為必要。

一般而言，形態(tài)閾值接近下限值。圖中暴露骨料的形態(tài)特征提取較為詳細(xì)。但對于距離較近的暴露骨料出現(xiàn)重疊和粘連特征，導(dǎo)致參數(shù)值出現(xiàn)極值，降低計算精度。當(dāng)形態(tài)閾值接近上限時，雖暴露骨料出現(xiàn)重疊和粘連特征有所改善，但部分小顆粒被圖像腐蝕掉，也同樣降低了計算的精度，導(dǎo)致粒徑及形狀系數(shù)產(chǎn)生較大誤差。

2.6 顆粒形態(tài)學(xué)處理

經(jīng)閾值化處理后，部分骨料圖像往往粘連在一起，即圖像中代表目標(biāo)顆粒的白色區(qū)域之間互相貫通。此時需對圖像進(jìn)一步處理，以實現(xiàn)單顆粒的切割。主要是腐蝕和膨脹，以改善圖像中的區(qū)域結(jié)構(gòu)形態(tài)，也會造成一定的有效信息減少與無關(guān)信息增強，減少圖像信息的損失。即首先去除面積小于指定值的連通區(qū)域，并對缺失的區(qū)域進(jìn)行填充，然后合并圖中連接區(qū)域。

2.7 統(tǒng)計及分析

根據(jù)提取得到的顆粒特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如顆粒占比、平均粒徑和粒徑間的最小距離等，并把分析結(jié)果實時反饋給現(xiàn)場施工人員，根據(jù)指標(biāo)情況指導(dǎo)下一步的施工工藝，直至達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。路面水洗石識別與評價系統(tǒng)識別系統(tǒng)界面如圖1所示。

3 施工裝置與工藝

3.1 施工裝置

先清理干凈后進(jìn)行工區(qū)分割，并安裝3 m×3 mm不銹鋼格柵。然后采用混凝土界面處理劑對基層進(jìn)行處理。采用一種生態(tài)路面水洗石實時智控裝置。包括龍門架、噴淋系統(tǒng)、面層整平振搗系統(tǒng)以及水洗石骨料顆粒識別及評價系統(tǒng)?；鶎犹幚淼耐瑫r同步篩分碎石，采用M25水泥砂漿攪拌，攤鋪均勻。將龍門架布置在生態(tài)步道水洗石的上方，其跨度和施工寬度相關(guān)，高度可調(diào)節(jié)。利用龍門架底部安裝的整平與振搗機構(gòu)，振動提漿及整平，后續(xù)完成提漿和收光工序。

噴淋系統(tǒng)為可調(diào)節(jié)大小的霧狀噴頭，通過電動葫蘆調(diào)節(jié)高度，以實現(xiàn)對面層骨料的充分清洗。利用噴頭噴淋系統(tǒng)并配合人工毛刷刷洗除去泥漿，使得骨料逐漸暴露。為避免暴露不均勻，待初步成型后采用骨料顆粒智能識別與評價系統(tǒng)對面層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，實時判斷骨料顆粒暴露程度的量化指標(biāo)。根據(jù)顆粒暴露度指標(biāo)參數(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，若不滿足設(shè)計要求，則需重新進(jìn)行清洗，直至檢測合格。合格后再一步對面層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，水洗石路面成型。水洗石路面施工操作流程圖如圖2示意。

3.2 工藝流程

3.2.1 地面清理

先將基層表面的積灰、油污、浮漿及雜物等清理干凈。如局部凹凸不平，應(yīng)將凸處鑿平，凹處用砂漿補平；如有油污需用10%的火堿溶液洗刷干凈，并用清水沖洗干凈并晾干。

3.2.2 布設(shè)不銹鋼格柵

根據(jù)設(shè)計標(biāo)高不銹鋼分隔條作為標(biāo)高控制點，不銹鋼分隔條按@3 000 mm×3 000 mm布置。采用M8×80 mm膨脹螺栓固定。同步進(jìn)行碎石篩分，將篩分好的碎石，粒徑4～6 mm為宜。采用M25水泥砂漿進(jìn)行攪拌，將攪拌機拌好的水洗石混合料運入場內(nèi)備用。

3.2.3 水洗石混合料攤鋪

在清洗干凈的混凝土基體上，涂刷處理劑一層，隨即抹水泥砂漿，要求抹灰時處理劑不能干。界面劑抹完后，對混合料均勻進(jìn)行攤鋪，攤鋪時面層要高于分格條1 mm。

3.2.4 激光配合機械整平

待完成水洗石面完成攤鋪后，人工推龍門架，并利用調(diào)整好高度的整平輥筒對水洗石面層進(jìn)行整平，同時利用振搗功能將水洗石路面面層內(nèi)泥漿擠出，配合人工壓實溜光。可反復(fù)進(jìn)行3～4遍，使其均勻密實填充整個路面。以達(dá)到設(shè)計要求。

3.2.5 噴霧水刷水洗路面

待激光整平后，養(yǎng)護(hù)0.5 h。開啟智能設(shè)備的伸縮水管、給水系統(tǒng)伸縮水管和噴淋噴頭，并根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)噴水適合的強度完成噴霧。

3.2.6 水洗施工過程

用刷子蘸水刷去水泥漿，然后用手壓泵的噴頭噴水沖洗，噴頭一般距地面10～20 cm，把表面水泥漿沖洗干凈露出骨料，最后用小水壺澆水將骨料表面沖凈并進(jìn)行封閉。

3.2.7 水洗施工

水洗施工應(yīng)按地面泛水從高向低進(jìn)行，大面積水洗石一天完不成，繼續(xù)施工沖刷新結(jié)合面之前，應(yīng)將上一結(jié)合面做的水洗石用水淋透，以備噴刷時沾上水泥漿后便于清洗，防止污染地面。

3.2.8 顆粒暴露度檢測

待噴淋及水洗完成后，采用骨料顆粒智能識別與評價系統(tǒng)對面層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，實時判斷骨料顆粒暴露程度的量化指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)提示若顆粒占比小于30%，則重新噴淋；若顆粒占比接近或者大于30%，則表明此區(qū)域水洗石工作基本完成，進(jìn)行下一步養(yǎng)護(hù)工作。當(dāng)上述區(qū)域完成后，進(jìn)行下一區(qū)域的噴淋工作。

3.2.9 養(yǎng)護(hù)成型

用清水清洗水洗石表面，去掉灰塵，待完全干燥后，用水性樹脂均勻涂刷在石子面層，以達(dá)到防水、耐污功效，涂抹保護(hù)劑后水洗石表面應(yīng)顯光澤。養(yǎng)護(hù)成型效果如圖3所示。

4 結(jié)束語

利用該系統(tǒng)可確保水洗石路面石子分布均勻、無色差，平整度及成型效果好。對水洗石路面施工過程實時監(jiān)控并及時反饋，保障水洗石路面外觀成型質(zhì)量、耐久性能。后續(xù)將針對不同主題效果的圖形及圖案進(jìn)行提高，進(jìn)一步優(yōu)化水洗石混合料攤鋪效率，提高水洗石路面一次成型質(zhì)量，并進(jìn)行應(yīng)用推廣。

參考文獻(xiàn)

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