一种土石方工程填料施工质量管控系统及分析方法与流程

【技术领域】

本发明属于土石方工程填料施工技术领域，具体涉及一种土石方工程填料施工质量管控系统及分析方法。

背景技术：

土石方工程是整个公路建设的基础，在整个公路施工中占据主导地位，其施工质量的优劣直接关系到整个工程的成败。其中碾压是土石方工程的常见工艺，其原理为利用振动碾压机在摊铺的松软土物料上进行来回多次碾压，达到压实的目的；对路基(材料)的压实，目的在于增加其密实度，提高它的抗压强度和稳定性，使之具有一定的承载能力。压实施工工艺是基层施工最为重要的，施工不好会产生很多病害，如裂纹，翻浆等。所以碾压机在施工中有着举足轻重的作用，当然要根据施工对象如：水利水电大坝、港口、机场、码头、公路、铁路等来选择碾压机、压实工艺以及碎石物料。因为影响堆石强度、压缩性及渗透行的因素大致有颗粒级配、控制密度(相对密度)、粒径大小、矿物成分及风化程度。

在压实施工中，碾压程序、碾压速度、碾压频率、碾压遍数、各层施工物料粒径大小、温度等都是工艺规定好且需要管控的。需要真实、实时的记录，并反馈给施工人员及时作出施工调整以及质量监控和分析，以此来判断施工是否达标；传统碾压机不具备上述功能，需要施工人员现场控制碾压参数，但是由于施工人员能力、经验、视线、主观意愿等各种条件的限制，具体实施和管理都非常被动。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种土石方工程填料施工质量管控系统及分析方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土石方工程填料施工质量管控系统，包括碾压机、设置在碾压机上的gnss天线、摄像头、加速度传感器、温度传感器和主控单元，所述质量管控系统还包括导航终端以及管控平台；

所述主控单元用于获取gnss天线、摄像头、加速度传感器和温度传感器采集的信息，进行信息融合后通过wifi或4g/5g通信天线传输至管控平台，并获取管控平台下发的施工任务数据；所述管控平台对接收的信息进行处理分析，更新施工任务，实时发送至主控单元及导航终端，用于指导施工。

优选地，所述gnss天线设置有两个，两个gnss天线分别设置在碾压机的前端，长度方向的两侧，用于获取碾压机的位置信息，并传输给主控单元。

优选地，所述摄像头包括前摄像头和后摄像头，所述前摄像头设置在碾压机行驶方向的前端，用于采集碾压前铺设的物料的图像信息，并传输给主控单元；后摄像头设置在碾压机行驶方向的后端，用于采集碾压后物料的图像信息，并传输给主控单元。

优选地，所述加速度传感器设置在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的位置，用于采集碾压机的振动频率，并传输给主控单元。

优选地，所述温度传感器设置在碾压机的底部，用于采集物料的温度，并传输给主控单元。

优选地，所述质量管控系统还包括与主控单元连接的通信模块、存储模块、电源模块；

所述通信模块可以是集成wifi蓝牙通信模块或集成4g/5g通信模块，用于获取管控平台下发的施工任务数据，并将主控单元获取的数据上传至管控平台；

所述存储模块用于存储数据；

所述电源模块用于连接车载电源，为主控单元供电。

优选地，所述质量管控系统还包括通信天线，所述通信天线通过通信模块与主控单元连接，所述通信天线为wifi天线或4g/5g天线。

优选地，所述主控单元设置在碾压机驾驶室内，其是基于linux系统开发的一款集成控制器，其内具有高精度惯导定位板(ub482)，所述gnss天线与高精度惯导定位板卡通过馈线连接，定位精确。

优选地，所述导航终端为手机或导航屏，导航终端的屏幕上会实时显示施工任务，同时显示管控平台发来的实际施工信息，利用图层和颜色的方式绘制施工状况，两者同时显示，共同引导施工。

一种依靠上述土石方工程填料施工质量管控系统的施工质量分析方法，所述方法包括如下步骤：

(1)初次碾压时，利用前摄像头采集碾压前铺设的物料图像上传至主控单元，由主控单元上传至管控平台进行图像分析，确定铺设的物料是否合格；

(2)物料符合要求，再次碾压时，将前摄像头关闭，主控单元分别收集gnss天线的位置信息、加速度传感器和温度传感器的数据以及后摄像头采集的物料图像等信息；

(3)主控单元将采集到的信息融合后上传至管控平台，管控平台进行数据分析；

(4)管控平台中预存储有原始施工任务和施工规划，对主控单元传输来的信息进行分析处理后，将分析结果与预存储的施工任务进行对比，根据对比结果实时调整施工任务，并实时发送至主控单元和导航终端，指导施工。

优选地，管控平台对前摄像头和后摄像头采集的图像分别做如下处理：图像灰度处理、图像二值化处理、图像边缘检测处理、图像边界跟踪处理、粒径尺寸标注、合格率计算。

优选地，步骤(3)中，管控平台所做数据分析具体为：根据gnss天线的位置信息，解算出碾压轨迹、碾压速度和碾压遍数；根据加速度传感器的振动频率数据，解算出压实度；根据温度传感器采集的温度数据，监测碾压过程中物料的温度；根据物料的图像信息，解算出物料的粒径、密度等，并通过工艺要求对比，计算合格率。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述质量管控系统能够准确、实时监控碾压机的碾压轨迹、振动频率、物料温度和物料粒径等信息，根据施工情况实时调整施工任务，使得施工质量得到有效管控，极大提高了碾压质量和效率；

本发明设置的两个gnss天线可以实现矢量导航，进行rtk差分解算，定位精度可达厘米级；

本发明所述主控单元是基于linux系统开发的一款集成控制器，其内具有高精度惯导定位板(ub482)，支持全系统多频点rtk定位和定向，可作为移动站或基站使用，其定位精度高达10mm+1ppm，航向精度<0.02°rms；具备丰富io通讯接口，可满足外扩各类传感器、物料分析摄像头等需求，同时具备can总线结构，可直接完成对工程机械的自动化智能控制；

本发明所述摄像头为高精度摄像头，可达500万像素，有夜视防抖功能，极大提高了采集物料信息的精度；

本发明所述质量管控系统结构简单、安装方便，可以安装于各类碾压机上进行质量管控和分析。

【附图说明】

图1为本发明所述土石方工程填料施工质量管控系统的结构示意图；

图2是本发明所述土石方工程填料施工质量管控系统主控单元的电气连接示意图；

图3是本发明所述土石方工程填料施工质量分析方法的流程图；

图4是本发明所述图像处理分析流程图；

图5是对图像进行灰度化处理后的效果图；

图6是对图像进行二值化处理后的效果图；

图7是对图像进行边界跟踪处理后的效果图；

图8是对图像粒径尺寸标注后的效果图；

其中，1-gnss天线；2-加速度传感器；3-主控单元；4-温度传感器；5-后摄像头；6-前摄像头；7-碾压机；8-振动轮；9-振动轮连接架。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明用以下具体实施例进行说明，但绝非仅限于此。以下所述为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的限制，应当指出的是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

本实施例提供一种土石方工程填料施工质量管控系统，如图1和2所示，所述管控系统包括碾压机7，以及安装在碾压机7上的两个gnss天线1、前摄像头6、后摄像头5、温度传感器4、加速度传感器2和主控单元3，所述质量管控系统还包括导航终端以及管控平台。

所述前摄像头6设置在碾压机行驶方向的前端，用于采集碾压前铺设的物料的图像信息；后摄像头5设置在碾压机行驶方向的后端，用于采集碾压过程中物料的图像信息，所述前摄像头6和后摄像头5分别通过poe网线与主控单元3连接，将采集的图像信息传输给主控单元3；本实施例中所述前后摄像头均采用高精度摄像头，可达500万像素，有夜视防抖功能，极大提高了图像采集的精度，提高了图像处理结果的准确性。

所述加速度传感器2设置在碾压机振动轮8上且不随振动轮8转动的部位，用于采集振动轮的振动频率，并传输给主控单元；具体地，所述加速度传感器2实时采集振动轮8竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号，进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(fft)，得到振动轮的振动频率数据，并将振动频率数据和当前的采样时间传输至主控单元。

作为优选，本实施例中所述加速度传感器选用mems加速度传感器，型号为a53a005；其频率范围为：0.16hz-5khz，灵敏度500mv/g，测量范围±5g，支持gnss卫星同步和网络同步和整个分布系统同步采样，积分精度达0.1％，无漂移。

所述温度传感器4设置在碾压机7的底部，用于采集物料的温度信息，并传输给主控单元；作为优选，本实施例中所述温度传感器为红外测温仪，型号为：a-485-hl，其精度可达0.02％，时刻监测物料的温度。

所述主控单元3为控制器，安装于碾压机的驾驶室内；所述主控单元连接两个gnss天线、前摄像头、后摄像头、温度传感器、加速度传感器以及管控平台，所述主控单元3获取gnss天线、前摄像头、后摄像头、加速度传感器和温度传感器采集的信息，进行信息融合后传输至管控平台，并获取管控平台下发的施工任务数据。

作为优选，本实施例所述主控单元3是基于linux系统开发的一款集成控制器，其内具有高精度惯导定位板(ub482)，支持全系统多频点rtk定位和定向，可作为移动站或基站使用，定位精度高达10mm+1ppm，航向精度<0.02°rms；具备丰富io通讯接口，可满足外扩各类传感器、物料分析摄像头等需求，同时具备can总线结构，可直接完成对工程机械的自动化智能控制；通过wifi或4g(5g)天线实时将融合数据上传至管控中平台，实现施工机械设备及车辆物联化，工程质量管理及监控互联化。

作为优选，本实施例中所述两个gnss天线1分别设置在碾压机7的前端、振动轮连接架9长度方向的两侧，且两个gnss天线位于同一直线上，两个gnss天线的高度相等；用于获取碾压机的位置信息，并传输给主控单元。两个gnss天线分别与主控单元3中的高精度惯导定位板卡经馈线连接，可接收卫星信号，双天线定位可实现矢量导航，进行rtk差分解算，定位精度可达厘米级。

所述导航终端可以是手机或导航屏，导航终端的屏幕上会实时显示施工任务，同时显示管控平台发来的实际施工信息。

所述管控平台中预存储有原始施工任务和施工规划，对主控单元输送来的数据及图像信息进行处理分析，根据分析结果实时调整施工任务，并实时发送至主控单元和导航终端，用于指导施工。

如图2所示，本发明所述质量管控系统还包括与主控单元连接的通信模块、存储模块、电源模块；

本发明所述通信模块可以是集成wifi蓝牙通信模块或集成4g/5g通信模块，用于获取管控平台下发的施工任务数据，并将主控单元获取的数据上传至管控平台；所述存储模块用于存储数据；所述电源模块用于连接车载电源，为主控单元供电。

本发明所述质量管控系统还包括通信天线，所述通信天线通过通信模块与主控单元连接，所述通信天线为wifi天线或4g/5g天线。

实施例2

本实施例提供一种土石方工程填料施工质量分析方法，所述方法基于实施例1所述的土石方工程填料施工质量管控系统实现；如图3所示，所述方法具体包括如下步骤：

(1)初次碾压时，利用前摄像头采集碾压前铺设的物料的图像信息上传至主控单元，由主控单元上传至管控平台进行图像分析，确定铺设的物料是否合格；如果物料合格，则关闭前摄像头进行碾压，如果不合格则将结果反馈给物料提供方，进行整改；

(2)再次碾压时，将前摄像头关闭，主控单元分别收集gnss天线的定位数据、加速度传感器采集的振动信息和温度传感器采集的温度数据以及后摄像头采集的碾压后的物料图像等信息；

(3)主控单元将采集到的信息融合后上传至管控平台，管控平台进行数据分析；

具体地，管控平台所做数据分析具体为：根据gnss天线的定位数据，解算出碾压轨迹、碾压速度和碾压遍数；根据加速度传感器的振动频率数据，解算出压实度；根据温度传感器采集的温度数据，监测碾压过程中物料的温度；根据物料的图像信息，解算出物料的粒径、密度等，并通过工艺要求对比，计算合格率；

(4)管控平台中预存储有原始施工任务和施工规划，对主控单元传输来的信息进行分析处理后，将分析结果与预存储的施工任务进行对比，如果合格则结束碾压，如果不合格则调整施工任务，并实时发送至主控单元和导航终端，用于指导施工；

导航终端的屏幕上会实时显示施工任务，同时显示管控平台发来的实际施工信息，利用图层和颜色的方式绘制施工状况，两者同时显示，共同引导施工。

如图4所示，管控平台对前摄像头和后摄像头采集的图像进行分析计算，具体地，分别做如下处理(以下每个处理过程均可以使用现有技术中的算法实现)：

①图像灰度处理；即将彩色图像转化为灰度图像，去掉色彩信息有利于形状特征的提取；在rgb模型中，如果r＝g＝b时，则彩色表示一种灰度颜色，其中r＝g＝b的值叫灰度值，因此，灰度图像每个像素只需一个字节存放灰度值(又称强度值、亮度值)，灰度范围为0-255。

作为优选，本实施例中所述灰度处理是利用函数：cvtcolor(srcimage,grayimage,cv_bgr2gray)实现的；具体地，cv_bgr2gray将原图转换为灰度图bgr2grayimg，计算公式为：gray＝0.1140*b+0.5870*g+0.2989*r；其灰度化处理效果如图5所示；

②图像二值化处理；针对灰度图像做阈值去燥，提取目标像素，本实施例中采用自适应阈值二值化方法，将碾压石料作为目标像素，将非石料及空隙图像像素作为背景像素，将图像分隔成3*3的子图像，每个子图像分别计算阈值，然后根据阈值来分割图像和背景，从而得出二值化图像；其二值化处理效果如图6所示；

③图像边缘检测；图像边缘是图像最基本的特征，将图像区分出具有某种特征的基元，是找出石料粒径大小的关键；所谓边缘就是指周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合；如果一个像素位于物体的边界上，那么它的邻域将成为一个灰度级的变化带；描述这种变化的两个特质是灰度的变化率和方向，它们分别用梯度向量的幅度和方向来表示。作为优选，本实施例使用canny边缘检测算子进行边缘检测。

④图像边界跟踪处理；利用步骤③所述的边缘检测算法可以监测出图像中的边界点，但是仅仅检测出边界点是不够的，必须通过边界跟踪得到边界点序列和边界链码等数据，通过搜索一个以某端点为中心的邻域，在邻域中找出其他端点并填充上必要的边界像素，从而将它们连接起来，实现图像边界的跟踪；边界跟踪处理后的图像如图7所示。

⑤粒径尺寸标注；在将边缘找出之后，通过滤波降噪处理寻找轮廓，并将轮廓像素按照从左到右排序，面积太小则忽略，大的标注；计算实际尺寸与像素的比，并根据像素大小求出实际尺寸：本申请中需要对每套碾压机进行标定，求出实际尺寸与图像尺寸的比例，可转化为椭圆或长方形，如果是椭圆则计算出长短半轴；如果是长方形则计算出长宽，如图8所示。

⑥合格率计算；将所有合格粒径的石料尺寸算出后，相应的面积也会算出；照片中所拍摄的位置面积已知，用合格粒径面积除以有效面积算出合格率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。