瀝青跑道面層攤鋪過程的混合料離析自動判別方法

孫譽

（新疆民航專業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，烏魯木齊830016）

1 引言

機場工程中，瀝青跑道應用越來越廣泛。由于機場的特殊性，對瀝青跑道的建設要求比公路更嚴格。實踐表明，現(xiàn)有的瀝青道面檢測手段大部分為有損檢測，不可避免地會對瀝青道面造成結(jié)構(gòu)性損傷，且主要依靠人工操作，檢測速度慢、效率低，而操作人員的人為因素可能會導致檢測過程產(chǎn)生無法消除的隨機誤差。這種情況下，對于同一檢測指標，采用不同儀器可能得出不同的結(jié)論，例如，用不同檢測儀器得到的構(gòu)造深度、結(jié)論可能存在差異?；谏鲜龅烂鏅z測方法的局限性，未來道面檢測的發(fā)展趨勢應主要體現(xiàn)在：無損檢測、實時、高效化、自動化、智能化等方面。

近年來，隨著數(shù)字圖像技術、視頻采集技術、計算機技術的迅速發(fā)展，計算機視覺應用技術日漸成熟，民航領域逐漸開始利用這些新興技術。通過以往的瀝青道面攤鋪均勻性研究可知：粗集料的分布狀態(tài)對瀝青道面均勻性有重要影響，而細集料由于顆粒較小、數(shù)量眾多，基本不存在離析問題，利用這一特性，可為道面混合料離析檢測提供一個新思路。本文提出了一種基于數(shù)字圖像技術的瀝青混合料離析自動判定方法，能實現(xiàn)快速、高效檢測道面攤鋪質(zhì)量，可為數(shù)字化施工及在線檢測提供技術支撐。

2 離析判斷的傳統(tǒng)方法

離析判斷的傳統(tǒng)方法主要可分為五大類，即視覺觀察法、試樣組成分析法、無核密度儀法、鋪砂法及激光構(gòu)造深度儀法。其各自的優(yōu)缺點如下：

1）視覺觀察法相對簡單、直接，但由于這種方法因觀察者而異，主觀性較強，并沒有一個客觀的評價標準；

2）試樣組成分析法檢測效率較低，且對操作人員的基本職業(yè)素質(zhì)有所要求；

3）無核密度儀法輕便、可連續(xù)工作時間較長、測量的數(shù)據(jù)可以下載到計算機，相比于核子密度儀法具有無放射性、安全的優(yōu)點，但其精確性稍遜于核子密度儀法；

4）鋪砂法雖然操作簡便、材料易取，但是消耗的人力較大且檢測速度較慢；

5）激光構(gòu)造深度儀法具有速度快、效率高、連續(xù)等特點，但僅能檢測道面某斷面的平均構(gòu)造深度[2]。

3 基于數(shù)字圖像的自動判別方法

以上傳統(tǒng)方法存在較多弊端，有必要尋求一種新型的無損檢測手段，實現(xiàn)對瀝青道面混合料均勻性的實時檢測。本文通過對瀝青道面的實拍圖片進行數(shù)字圖像處理得到判定指標（即區(qū)域比值標準差），再將判定結(jié)果傳輸至PC 端進行儲存，最終實現(xiàn)混合料離析自動判別。

3.1 自動判別流程

在瀝青道面攤鋪時，如果混合料發(fā)生離析現(xiàn)象，則導致集料顆粒分布不均勻，或粗、細集料各集中于一個區(qū)域范圍內(nèi)。反之，如果混合料在攤鋪過程中較為均勻，則粗、細集料在所攤鋪的路表平面上的位置分布也將比較均勻。本研究試圖通過數(shù)字圖像的采集、處理、分析來判定攤鋪道面瀝青混合料的均勻性。自動判別流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)字圖像自動判別流程圖

3.2 數(shù)字圖像處理環(huán)節(jié)

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的技術。數(shù)字圖像的灰度圖像以二維矩陣存儲在計算機中，而MATLAB 是對矩陣運算最適用的工具，故選擇MATLAB 對數(shù)字圖像進行分析和處理[3]。

利用MATLAB 對瀝青混合料攤鋪過程進行圖像均勻性相關分析，依次進行灰度圖像轉(zhuǎn)化[4]、圖像濾波去噪、直方圖均衡化，并對分割后的圖像進行形態(tài)學處理開閉運算，之后再轉(zhuǎn)化為二值圖像（見圖2）[5]。結(jié)果表明，在排除較小顆粒的情況下，直觀上能夠較為明顯地反映混合料的分布情況。

圖2 瀝青混合料圖像處理與離析識別

3.3 判定指標

如圖3 所示，在固定檢測高度后，2.36 mm 粒徑對應的像素點數(shù)也相應固定，篩選出2.36 mm 以上粒徑集料，圖像分割為4×4 共16 塊小矩形后[6]，統(tǒng)計各矩形內(nèi)滿足粒徑要求像素數(shù)量與分割區(qū)域像素數(shù)量之比，利用式（1）計算各區(qū)域比值標準差：

圖3 區(qū)域離析度判定示意圖

式中，x 為樣本均值；n 為樣本大小。

經(jīng)過計算，結(jié)合實際情況，本文推薦的閾值范圍見表1，根據(jù)其對瀝青混凝土道面的離析情況進行判別。

表1 區(qū)域離析度判定表

4 實時監(jiān)測的系統(tǒng)設計

結(jié)合圖形化數(shù)據(jù)流編程的LabVIEW 軟件和具有強大數(shù)字圖像處理功能的MATLAB 軟件各自的優(yōu)勢，本文設計了瀝青跑道面層攤鋪過程的混合料離析實時監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4 所示。利用Math Script 向MATLAB擴展，依托LabVIEW 軟件和相應的控件NI-vision 實時采集攤鋪過程中的圖像。隨后借助MATLAB腳本服務器對數(shù)字圖像進行分析，實時獲取指標Sr。最后，通過4G 無線網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)對瀝青道面離析的實時檢測判定。

圖4 基于LabVIEW的實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

5 結(jié)語

由于瀝青混合料的離析對瀝青道面的使用性能和壽命有嚴重的影響，瀝青道面發(fā)生的大部分病害都與瀝青混合料的離析有關。本文應用的數(shù)字圖像處理技術能夠較好地反映瀝青混合料道面攤鋪時的集料分布狀況；運用MATLAB 軟件提出的集料離析判定指標可較準確地判斷瀝青混合料道面攤鋪時的集料是否處于離析狀態(tài)；編制出的軟件能夠較大程度上實現(xiàn)瀝青混合料道面攤鋪時的均勻性實時檢測。