砂石骨料加工系統智能監測技術研究

摘 要：為了對砂石骨料進行高效加工，本文設計了一種多次破碎多次篩分的加工工藝流程，采用機器視覺的方法對整個加工流程進行智能監測。采用了均值濾波+中值濾波+LoG濾波的組合濾波手段對監測圖像進行處理，從而可以自動化識別各環節的砂石骨料顆粒度等指標。在試驗過程中，以砂石骨料的含泥量、小顆粒含量、大顆粒含量為監測指標，對比了不同砂石骨料等級，證實了本文方法的有效性。

關鍵詞：砂石骨料；加工系統；加工工藝；智能監測

中圖分類號：TV 42" " 文獻標志碼：A

在水利水電工程、道路橋梁工程中，砂石骨料都是建設中非常重要的原材料。尤其是在某些工程中，砂石原料可以就地取材，從而極大地節省了砂石骨料的制作成本、運輸成本[1]。因此，合理地利用砂石原料加工砂石骨料，對混凝土等建筑材料的制備具有十分重要的意義。在這個過程中，還要節約使用砂石原料，因為這些原料都屬于不可再生資源，會隨著使用而不斷減少[2]，這就要求制備砂石骨料時的工藝更加合理，并且盡可能對加工現場進行有效監測，避免某些不能及時發現的問題對整個工藝造成重大影響。大部分砂石骨料的加工工藝過程一般都是采用人工監測方法，并依靠監測人員的經驗進行判斷，從而導致監測準確率不穩定、監測效率下降[3]。如果能將視覺傳感器等配置到砂石骨料加工過程的監測環節中，并用智能算法代替人工監測形成自動化的判別結果，就可以大大提高監測準確率、砂石骨料的加工優質率、加工過程的自動化率，從而有效減少砂石原料的浪費。

1 砂石骨料加工工藝設計

砂石骨料加工系統的設計核心是加工工藝設計。如果加工工藝流程清晰合理，就可以根據工藝要求選擇加工設備和加工方法，從而構建出合理的加工系統。根據砂石骨料的加工經驗，一般可以將加工工藝分成3類：干加工工藝主要適用于加工現場水源不方便使用的場合；濕加工工藝主要適用于加工現場水源豐富的場合；干濕混合加工工藝適用于加工現場水源及水量適中的場合。

本文研究的是水利工程項目附近的砂石骨料加工，有充分的水資源可以利用，因此采用濕加工理念來設計砂石骨料的加工工藝流程。濕加工的優勢是非常明顯的，河水經過長時間沖刷和侵蝕加上空氣的風化作用，使河道兩側的巖石破碎成石塊，這些石塊就成為骨料制作的基本原料。由此可見，濕加工的最大優勢是可以就地取材，不僅原材料充足，而且節省了交通運輸的費用，大大降低了砂石骨料的制作成本。但是需要注意的是，濕加工中的原料石塊顆粒大且不均勻，無法通過一次破碎和篩選就完成骨料加工，須經過多次破碎、多次篩選才能完成加工。這個工藝過程包括多個復雜的步驟，但也可以加工不同等級的骨料。本文采用的砂石骨料加工工藝，如圖1所示。

從圖1給出的加工工藝流程可以看出，砂石原料經過了多次篩分和多次粉碎，最終制成了不同顆粒度級別的砂石骨料，可以用于不同等級的混凝土材料制備。

多次篩分：第一次篩分是振動篩篩分，第二次篩分是預篩分設備篩分，第三次篩分是檢查篩分。

多次粉碎：粗碎處理、中碎處理、立式制砂破碎、螺旋洗砂破碎。多次篩分和多次破碎配合在一起，形成完整的處理流程和工藝，大大提高了砂石骨料的制作質量。根據這個工藝流程，就可以選擇合理設備方法，從而建立砂石骨料的加工系統。

2 砂石骨料加工系統智能監測設計

為了有效提高砂石骨料加工過程中的成品率，對加工過程進行自動化智能監測，這里利用攝像機作為傳感器，對加工流程中的關鍵環節進行視覺監測。攝像機通過對加工現場圖像進行實施拍攝，利用機器視覺的處理方法，就可以得出自動的監測和判別結果，不僅可以提高砂石骨料的成品率，還可以加快加工速度。基于此，設計智能監測流程，如圖2所示。

在砂石骨料加工過程中，攝像機是最主要的監控儀器和檢測設備。攝像機可以將砂石骨料拍攝成圖像，進一步采用圖像處理技術完成砂石骨料提取，從而采用機器視覺算法判斷砂石骨料的顆粒度。在視覺監測的過程中，現場拍攝環境的噪聲，對砂石骨料的分辨影響最大。因此，要進行去噪處理。

根據噪聲和信號之間的關系可以分為加性噪聲和乘性噪聲。如果噪聲與圖像灰度不相關，就將其稱為加性噪聲，如公式（1）所示。

g=f+n " （1）

式中：g為受噪聲影響后的圖像灰度；f為圖像的真實灰度；n為噪聲。

如果噪聲與圖像灰度相關，就將其稱之為乘性噪聲，如公式（2）所示。

g=f+fn " （2）

在有效區分出噪聲的種類后，采用均值濾波+中值濾波+LoG濾波的組合去噪方案。

均值濾波：均值濾波是一種消除圖像噪聲的線性處理方法。這種方法的基本思想是用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度。其計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：S為（x，y）點領域中坐標的集合，但不包括其本身；M為集合內坐標點的點數。

均值濾波是一種典型的線性濾噪方法，因為其運算簡單快速，同時又能夠有效地去除隨機噪聲，所以適用面較廣，至今仍是一種常用的濾噪方法，許多濾噪方法都在此基礎上發展而來，其缺點是會嚴重破壞圖像的邊緣和細節。

中值濾波：中值濾波是一種消除噪聲的非線性處理方法，它的基本原理是用該點的一個鄰近各點值的中值代替數字圖像或數字序列中一點的值。中值的定義：設有一組數x1，x2，…，xn，把n個數按值大小順序排列，假定y為中間的一個數（即中值），則有y=Med{x1，x2，…，xn}。例如有一序列為（80，90，200，110，120），則這個序列的中值為110。

中值濾波需要一個濾波窗口，即待濾波點周圍的特定長度或形狀的鄰域。在一維情況下，中值濾波的窗口是一個含有奇數個像素的滑動窗口。二維時的濾波窗口形狀可以是方形，也可以是十字形，窗口的大小也可以不同。

中值濾波是一種典型的非線性處理方法，它的優勢是可以非常有效地消除圖像中的脈沖噪聲，且能夠較好地保護圖像邊緣信息。缺點是當濾波窗口變大時，運算速度顯著下降，對圖像的實時處理有影響。

LoG濾波：LoG濾波將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測結合在一起，提出了拉普拉斯-高斯邊緣檢測算法，簡稱LoG算子。其形狀酷似墨西哥草帽，因此又稱作墨西哥草帽算子。

LoG濾波對圖像進行高斯濾波，濾除服從高斯分布的噪聲，而且孤立的噪聲點和小組織結構也被濾除。然后，用拉普拉斯銳化突現圖像的邊緣信息。這個方法的優點是可以精確濾除圖像中的高斯噪聲，缺點是對椒鹽噪聲效果不佳，而且其自身的圖像平滑能力和邊緣定位能力相矛盾。

3 砂石骨料加工中智能監測效果試驗

在完成了砂石骨料的加工工藝設計和視覺監測方法設計后，通過試驗對研究成果進行驗證。第一組試驗利用本文設計的砂石骨料加工系統和機器視覺自動監測技術，對比砂石骨料中含泥量。在這組試驗中，同時測試了3個指標，分別是砂石骨料中的最小含泥量、最大含泥量和平均含泥量。對不同等級的砂石骨料而言，含泥量越少效果越好。但是，在砂石骨料的顆粒度較小的情況下，很難將其中的泥沙完全去除，因此含泥量較多。第一組試驗的測試結果，如圖3所示。

從圖3中3條曲線的變化情況可以看出，隨著砂石骨料等級不斷提高，其中的平均含泥量、最大含泥量、最小含泥量都呈現不斷下降的趨勢。這也表明，砂石骨料的等級越高，含泥量就會越少。

第二組試驗，利用本文設計的砂石骨料加工系統和機器視覺自動監測技術，可以獲得砂石骨料中小顆粒含量的對比結果。在這組試驗中，同時測試了3個指標，分別是砂石小顆粒的最小含量、最大含量和平均含量。第二組試驗的測試結果，如圖4所示。

從圖4中3條曲線的變化情況可以看出，隨著砂石骨料等級的不斷提高，其中的小顆粒平均含量、小顆粒最大含量、小顆粒最小含量都呈現先上升再下降的趨勢。在砂石骨料等級為10mm的情況下，3個指標都出現峰值，因為小顆粒的顆粒度大小接近10mm，同此等級的砂石骨料摻雜在一起，很難區分，所以占比會較高。

第三組試驗，利用本文設計的砂石骨料加工系統和機器視覺自動監測技術，可以獲得砂石骨料中大顆粒含量的對比結果。在這組試驗中，同時測試了3個指標，分別是砂石大顆粒的最小含量、最大含量和平均含量。第三組試驗的測試結果，如圖5所示。

從圖5中3條曲線的變化情況可以看出，隨著砂石骨料等級不斷提高，其中的大顆粒平均含量、大顆粒最大含量、大顆粒最小含量都呈現先迅速上升再緩慢下降的趨勢。在砂石骨料等級為40mm的情況下，3個指標都出現峰值，因為大顆粒的顆粒度大小接近40mm，同等級的砂石骨料摻雜在一起，很難區分，所以占比較高。

從上面的三組試驗結果的綜合比較和分析過程可以看出，在多次篩分和多次破碎的處理工藝下，砂石骨料制備較為理想。而基于機器視覺的智能監測流程和方法，又可以準確地計算砂石骨料中的含泥量、小顆粒含量、大顆粒含量，這對進一步提高砂石骨料的制備質量也具有十分重要的意義。通過上述試驗過程，本文的砂石骨料加工制造工藝和系統設計、基于機器視覺的智能監測方法設計，都是非常合理的，可以用于砂石骨料的實際制備工作。

4 結論

砂石骨料是水利工程、道路橋梁建設的重要材料，其加工工藝、加工系統、自動監測都是非常重要的研究內容。本文首先對砂石骨料進行加工工藝設計，考慮到就近水利工程的便利，設計了多次破碎、多次篩分的濕加工工藝，為加工系統設備和方法選擇提供了依據。在智能監測環節的設計上，采用了基于攝像機和機器視覺的自動化監測方法，在三次篩分后配置監測所用的攝像機。試驗結果表明，本文設計的砂石骨料加工工藝和智能監測方法，可以有效地對砂石骨料的含泥量、小顆粒含量、大顆粒含量進行監測。

參考文獻

[1] 胡進武，李果，鄧樂清，等.烏東德特高拱壩混凝土砂石骨料生產質量改進措施研究[J].長江科學院院報，2021，38（8）：139-145，150.

[2] 劉占波，劉建強.“砂石骨料 4.0+”：我國砂石骨料行業新的發展方向—中國砂石協會會長胡幼奕談我國砂石骨料行業發展現狀及趨勢[J].中國建材，2019，22（7）：56-59.

[3] 羅輝，趙曉松.淺談紅河谷地區元蔓高速公路項目砂石骨料加工系統的工藝設計及常見問題[J].建材發展導向，2020，18（4）：77-81.