基于强夯施工时序影像的夯次智能监测方法
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作者:刘全 张宏阳 金银龙 王浩
摘要：夯击次数是强夯法施工过程质量控制的关键指标，实现夯次自动计量对强夯施工具有重要意义。提出了一种基于强夯施工时序影像的夯次智能监测方法。首先，利用相机采集强夯施工过程中的夯锤运动时序影像并建立强夯施工过程中夯锤相对于相机测站点的运动时序模型;其次，基于采集到的影像序列提取夯锤运动速度特征，建立夯锤运动模式状态序列;最后，将夯锤运动模式状态序列与运动时序模型进行匹配，实现强夯夯次智能监测。实验结果表明：该方法能够准确计量正常工况下强夯夯击次数，夯次计量准确率达到90.2%，具有速度快、工程适应性强等优势。
关键词：强夯法; 夯次计量; 机器视觉; 模式识别
中图法分类号：TV523 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.007
文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0037 - 07
0 引 言
力夯实法（简称“强夯法”）通过起重机将重锤起吊至一定高度，然后使夯锤自由下落冲击地面，利用其产生的巨大冲击能压实地基，提高地基承载力[1-2]。因强夯法地基加固具有效果好、适用范围广、施工便捷、成本低等优势，广泛应用于水利水电工程、机场、高速公路等大型建设项目的地基处理工程中。
良好的强夯施工质量控制可以减少地基不均匀沉降，提高建筑物的安全性[3]。根据相关规范和规程，强夯法施工多利用夯击遍数、最佳单击夯击能、单点夯击次数及最后两击夯沉量平均值、夯点位置等指标进行质量控制[4]。其中，单点夯击次数由最佳单击夯击能和最后两击的夯沉量收敛情况决定，是基于现场试验区夯实效果的综合设计指标。相较其他控制参数，单点夯击数是强夯施工过程中最容易控制和计量的指标，也是强夯施工质量控制最重要的控制指标。
目前，强夯施工夯次计量主要采用人工记录方式，存在人力成本高、施工人员劳动保障水平低、施工记录难以复核等问题。强夯施工质量的无人化监测已经成为智慧建造时代大趋势。目前，已有一些学者提出夯次自动计量的方法。李子龙等[5]利用应力传感器和GNSS传感器等，监测夯锤位置进行夯次计量;赵民等[6]通过改造夯机钢缆，通过监测钢缆行程来计算夯次;陈小平等[7]利用双目摄影测量，通过计算夯锤行程实现夯次计量。
人工夯次计量的原理是人脑对眼睛采集的影像数据进行夯锤目标识别和跟踪，从而区分和计量夯次。近年来，随着移动计算、物联网技术和计算机视觉技术的不断进步，目标实时检测已经在安防、工业质检等领域得到广泛应用。因此，本文基于机器视觉与时序分析提出的夯次监测的仿生设想，给夯机加设一只“眼睛”，由相机测站采集夯锤影像，对影像时序数据进行分析，提取夯锤运动时序特征，建立夯锤运动时序模型，利用模式识别方法实现基于夯锤影像时序的强夯夯次智能监测。
考虑影像获取的安全性、机动性、维护成本，选择将工业相机布设在夯机驾驶室顶部，见图1。在强夯施工过程中，相机视野与驾驶员类似，即使夯坑点位变换，夯锤相对于相机测站的运动规律具有一致性。
基于相机采集得到的强夯施工影像序列，本文融合目标检测技术，提出基于夯锤时序运动特征的夯锤运动状态智能感知算法，算法框架如图2所示，进而实现强夯施工夯次智能计量，为强夯法地基加固的施工质量智能控制提供基础条件。
1 基于夯锤时序运动特征的夯次计量算法
1.1 夯锤目标检测
夯锤目标检测是从背景复杂的强夯施工影像中检索夯锤目标，并提取夯锤在施工影像中的位置信息，是实现夯锤运动状态智能感知的基础，对应人类视觉认东西的概念。
传统的目标检测方法多采用从图像中选择候选区域、提取候选区特征、训练分类器3个阶段实现目标检测，存在算法复杂、检测速度慢且精度低等问题[8-9]。近年来，随着卷积神经网络的快速发展，基于深度学习的目标检测算法已实现准确高效的目标检测，极大地降低了复杂目标实时监测的应用成本。目前，基于深度学习的目标检测算法主要分为基于候选区域的两阶段算法和基于回归分析的一阶段算法。前者通过生成候选区域（Region Proposal），在候选区域的基础上进行分类和回归得到检测结果，如R-CNN、SPP-Net、Fast R-CNN等算法;后者通过单一的CNN网络，直接获取检测结果。相较前者，后者运算速度更快、更能满足实时性的要求，如YOLO，SSD等算法[10-11]。
YOLO（You Only Look Once）算法将目标检测视为回归问题，把输入图像划分为S×S的网格，将图像输入卷积神经网络提取特征后，全连接层输出目标分类和边界框，模型检测原理如图3所示。近年来YOLO算法不断改进，在较快检测的基础上不断优化检测精度。2020年的YOLOv4在运算效能和识别准确度方面均取得了新的突破，实现了性能和速度的新平衡，是目前机器视觉领域最优的目标检测器之一[12]。因此，本文选择YOLO模型识别夯锤。
1.2 强夯夯锤运动特征
强夯施工过程作业流程见图4，根据夯机施工状态可划分为夯机移动状态、夯机空转状态、夯机提锤状态、夯机落锤状态，其中夯机移动状态发生在夯机在不同夯坑点位间转移的工况，其余3种状态发生在单个夯点位置的强夯作业施工工况。夯机处在不同作业状态时，夯锤相较夯机呈现出不同的时序运动特征，主要分为以下4类情况：
（1） 夯锤移动。采用强夯法处理地基时，需根据建筑物结构、加固土层厚度及土质条件布置夯击点。在强夯施工过程中，夯机需在夯点之间转移。随着夯机移动，夯锤在相机视场范围中的位置发生水平方向的大幅移动。
（2） 夯锤静止。夯机提锤前，夯锤相较夯机静止，在相机视场范围内的位置基本不变。
（3） 夯锤上升。夯机将夯锤提升至提锤高度时，夯锤相较夯机发生竖直向的向上移动。夯锤在相机视场范围内竖直上升直至夯锤超出相机视场范围。
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