基于攪拌圖像的混凝土勻質(zhì)性檢測技術研究

齊 華，張 疊，范 卿，劉睿思，廖 超

（1.中聯(lián)重科股份有限公司中央研究院，湖南 長沙 410205；2.中聯(lián)重科股份有限公司國家混凝土機械工程技術研究中心，湖南 長沙 410205）

在混凝土生產(chǎn)過程中，混凝土原材料在攪拌機內(nèi)進行連續(xù)的、復雜的流體運動，其均勻程度隨攪拌達到一定時間后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。為了有效避免混凝土在澆筑過程中發(fā)生因勻質(zhì)性不合格而導致的混凝土離析、強度下降的現(xiàn)象，在攪拌站生產(chǎn)過程中需要對混凝土勻質(zhì)性進行檢測以確定最優(yōu)攪拌時間，保證攪拌質(zhì)量與效率。

混凝土勻質(zhì)性的實驗測量方法是在攪拌完成后對混凝土進行取樣試驗，通過計算不同樣本稠度和砂漿密度之間的相對誤差來對混凝土的勻質(zhì)性進行表征。這些實驗方法步驟繁瑣復雜，并且屬于事后檢測，即使發(fā)現(xiàn)不合格也無法對混凝土質(zhì)量進行調(diào)整，造成材料和資源的浪費。在實際混凝土攪拌站生產(chǎn)過程中普遍是依賴現(xiàn)場操作人員的主觀經(jīng)驗對混凝土勻質(zhì)情況進行評價的。

混凝土攪拌圖像是評價混凝土勻質(zhì)性最直觀的資料，有經(jīng)驗的現(xiàn)場人員可以通過觀察攪拌過程中混凝土拌合物外觀的變化來判定當前時刻混凝土是否攪拌均勻。隨著圖像處理技術的發(fā)展，國內(nèi)外科研人員針對基于圖像處理的方法檢測混凝土勻質(zhì)性進行研究。如Daumannn 等［1］通過將拌合物顆粒的顏色作為目標特征以確認拌合物是否攪拌均勻；Juez 等［2］利用混凝土拌合圖像表面紋理特征的變化來研究描述拌合物的合易程度；安雪暉等［3-5］通過識別攪拌葉片帶起混凝土的輪廓形狀來表征混凝土的拌合情況。但以上研究所用的試驗平臺皆為小型試驗用攪拌機，其運行工況與攪拌站實際生產(chǎn)所用攪拌主機存在較大差別。

本文針對攪拌站生產(chǎn)用雙臥軸螺帶式攪拌主機的攪拌工況，通過對混凝土圖像進行處理分析，選擇與勻質(zhì)性相關的圖像特征進行提取與計算，對混凝土攪拌過程中勻質(zhì)性的變化進行實時檢測，以提高攪拌站混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和自動化程度。

1 實驗設備

考慮到本文技術研究成果在實際生產(chǎn)中的應用，實驗所選用的攪拌機為中聯(lián)重科3 方雙臥軸雙螺帶式攪拌主機，產(chǎn)品型號為JS3000，出料容量為3 m2，攪拌額定功率為45×2 000 W，轉速為26.2 r/min。雙臥軸螺帶式攪拌主機如圖1 所示。

圖1 雙臥軸螺帶式攪拌主機Fig.1 Schematic diagram of twin-shaft screw-belt mixer

圖像采集設備包括防塵防水的高清攝像頭和穿透能力較強的LED光源。通過攪拌機缸壁上安裝的法蘭對攪拌主機內(nèi)部進行拍攝，法蘭內(nèi)裝有通過氣動執(zhí)行機構控制開閉的蝶閥，用于投料過程中揚起的粉塵和水霧對圖像采集設備的污染，如圖2所示。

圖2 主機看料機構Fig.2 Schematic diagram of the viewing mechanism

2 圖像處理算法

2.1 攪拌圖像特征

混凝土攪拌過程的實質(zhì)是攪拌葉片周期性地克服拌合物屈服強度和塑性黏度不斷做剪切運動的過程。隨著攪拌時間的變化，攪拌機內(nèi)的混凝土拌合物在圖像上會發(fā)生明顯的變化。通過采集混凝土整個攪拌過程的圖像序列，將攪拌視頻轉換為一幀一幀的圖像進行分析，如圖3所示。

圖3 混凝土攪拌勻質(zhì)前后特征對比圖Fig.3 Before and after homogenization characteristics comparison of concrete mixing

對比混凝土攪拌完成前后圖像上的差異，可以發(fā)現(xiàn)攪拌過程中混凝土拌合物在圖像特征上的變化：①混凝土表面紋理逐漸由粗至細，這是由于拌合物中各原料成分在攪拌過程中逐漸溶解融合的緣故；②攪拌葉片在運動過程中帶起混凝土物料逐漸減少，由于混凝土拌合物內(nèi)部成分逐漸勻質(zhì)使攪拌葉片所受阻力減小并達到相對平衡；③攪拌葉片露出部分逐漸增多，并達到趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，由于混凝土拌合物中各原料溶解逐漸融合，拌合物體積逐漸減小直至內(nèi)部成分均勻密實從而導致液位降低。

基于混凝土攪拌前后的特征變化，選取位于攪拌主機觀察口中部位置的混凝土圖像作為勻質(zhì)性相關特征提取和計算的待測區(qū)域（Region of Interest，ROI）。待測區(qū)域具有光線照度良好、粉塵較少的特點，同時區(qū)域兩側邊緣與攪拌葉片保持同一傾角使葉片各部位進入待測區(qū)域的時刻基本一致，并避開攪拌機主軸部分同時能在兩軸相對運動中保持較長的穩(wěn)定時間，如圖4所示。

圖4 待測區(qū)域的選取Fig.4 Selection of regions of interest

2.2 圖像處理及特征提取

圖像處理算法提取混凝土勻質(zhì)性變化的基本原理則是，依據(jù)上述特征規(guī)律提取并計算能反映拌合物與攪拌葉片相對運動情況的圖像特征，并跟蹤其隨在攪拌時間內(nèi)的變化。特定區(qū)域內(nèi)像素灰度級的直方分布是一個較理想的圖像特征，如圖5 所示?；炷涟韬衔镌跀嚢枞~片不同剪切運動階段其直方分布有較明顯的區(qū)別，葉片對區(qū)域內(nèi)混凝土擾動較小時，直方分布接近于正態(tài)分布且灰度的像素集中在跨度較小的區(qū)域。反之，則灰度像素分布分散，跨度區(qū)域較大。

圖5 不同攪拌階段混凝土圖像灰度直方分布對比Fig.5 Contrast of grayscale histogram distribution of concrete images under different mixing stages

像素灰度級的直方分布趨勢可通過不同的數(shù)學方法進行描述，如Nalesso 等［6］采用了計算直方分布標準差（Standard Deviation of Gray-level Histogram）的方法如下：

式中：f(zi)為灰度級為i的像素直方統(tǒng)計數(shù)；m為像素區(qū)域內(nèi)的灰度平均值；L為灰度級范圍（8 位像素深度下L=28=256）。

本文采用計算特定區(qū)域內(nèi)灰度2 階矩的方式來描述灰度級的直方分布情況，其計算公式如下：

式中：Pi為第i個像素的灰度強度；N為待測區(qū)域內(nèi)像素數(shù)量。

該值作為描述拌合物與攪拌葉片相對運動情況圖像特征的“攪拌因子”，其對特定區(qū)域內(nèi)像素分布均勻性的描述效果，經(jīng)測試與直方分布標準差基本一致，且計算量較小。

攪拌葉片的運動是周期性的，因此用以描述拌合物與攪拌葉片相對運動情況的圖像特征也是周期性的，在混凝土攪拌過程中，“攪拌因子”會隨時間呈周期性變化，其變化周期與螺帶式攪拌葉片的攪拌周期一致，周期內(nèi)最大值為螺帶式葉片經(jīng)過待測區(qū)域中時刻，最小值為葉片通過后特定區(qū)域擾動影響降至最小的時刻。

2.3 圖像特征的量化

針對混凝土從開始攪拌到出砼的全過程圖像進行逐幀處理，計算待測區(qū)域內(nèi)“攪拌因子”隨時間的變化，并分析其與攪拌勻質(zhì)度變化的相關性。圖6為基于圖像處理的某C30標號混凝土攪拌過程中“攪拌因子”的實時計算結果。由圖可知，“攪拌因子”隨攪拌葉片的轉動做周期性上下幅動，且在單位攪拌周期內(nèi)“攪拌因子”的變化幅度在混凝土拌合物逐漸勻質(zhì)的過程中隨時間變化呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。這是由于2.1所述混凝土在攪拌過程中圖像特征的變化規(guī)律導致圖像算法對混凝土表面紋理受攪拌葉片周期性擾動的識別能力增強的緣故。這種變化趨勢可以作為描述混凝土拌合物在攪拌過程中勻質(zhì)情況變化的圖像特征指標。

圖6 攪拌過程中“攪拌因子”的變化Fig.6 Changes in“mixing factor”during mixing

以攪拌周期為單位對“攪拌因子”在周期內(nèi)的幅度進行量化，作為描述混凝土攪拌過程中勻質(zhì)性變化的“勻質(zhì)指數(shù)”?？紤]到攪拌主機電流的變化是實際生產(chǎn)中判斷攪拌勻質(zhì)性是否合格的重要參考依據(jù)，因此，將攪拌過程中電機電流的變化曲線作為驗證“勻質(zhì)指數(shù)”有效性的參考，如圖7 所示?！皠蛸|(zhì)指數(shù)”的計算公式如下：

圖7 “勻質(zhì)指數(shù)”與攪拌主機電流在攪拌過程中的變化趨勢Fig.7 Changing trend of“homogeneous index”and mixing current during the mixing process

式中：fmax(σ)、fmin(σ)為單位攪拌周期內(nèi)“攪拌因子”的極大值與極小值。

由圖7 可知，“勻質(zhì)指數(shù)”與電機電流在攪拌過程中隨時間變化上有著良好的相關性。這表明“勻質(zhì)指數(shù)”能有效反映混凝土攪拌過程中勻質(zhì)性的變化，其描述方式與主機電流類似，“勻質(zhì)指數(shù)”越小，所對應的混凝土拌合物越接近勻質(zhì)。

對多盤不同配方的混凝土攪拌過程中“勻質(zhì)指數(shù)”的變化進行統(tǒng)計，結果如圖8所示。由圖8可知，在攪拌過程中“勻質(zhì)指數(shù)”整體變化趨勢具有普遍一致性，可以通過跟蹤攪拌過程中“勻質(zhì)指數(shù)”平穩(wěn)趨勢隨時間的變化來判定混凝土攪拌勻質(zhì)性是否合格。

圖8 多盤混凝土攪拌過程中“勻質(zhì)指數(shù)”的變化統(tǒng)計圖Fig.8 Statistical chart of“homogeneous index”in the process of concrete mixing

設計提一種“擬合直線斜率”的指標參數(shù)作為“勻質(zhì)指數(shù)”變化平穩(wěn)的表征，對設定時間窗口（如5 s）內(nèi)的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合直線的斜率代表“勻質(zhì)指數(shù)”在該時刻的變化趨勢，其絕對值越小說明在該時刻的變化越趨于平穩(wěn)?！皵M合直線斜率”的計算公式如下：

式中：N為當前設定時間窗口內(nèi)“勻質(zhì)指數(shù)”數(shù)據(jù)長度；δi為第i個“勻質(zhì)指數(shù)”檢測數(shù)據(jù)。

將“擬合直線斜率”進入某一設定閾值區(qū)間作為判斷該盤混凝土勻質(zhì)性達標的參考標準。

3 驗證與結論

為了驗證圖像處理算法對勻質(zhì)性判定的有效性，在研究過程中隨機選取40盤樣本由混凝土攪拌站技術人員組成的專家組對該圖像處理算法判定的勻質(zhì)合格時刻的準確性進行判定。測試驗證結果表明，92.5%的測試樣本中專家組對攪拌勻質(zhì)性合格時刻主觀判定勻質(zhì)合格時刻與圖像處理算法判定的勻質(zhì)合格時刻誤差在1 s以內(nèi)。說明基于攪拌圖像的混凝土勻質(zhì)性檢測技術能，在一定程度上能夠替代基于人工主觀經(jīng)驗觀測判斷的傳統(tǒng)方法，有利于提高混凝土攪拌站生產(chǎn)質(zhì)量的智能化檢測水平。